[논문]식물성 절연유 변압기의 냉각특성 변화에 따른 최고점온도 특성 해석

김지호; 이향범

doi:10.5370/kieep.2015.64.4.236

식물성 절연유 변압기의 냉각특성 변화에 따른 최고점온도 특성 해석
Characteristic Analysis of Hot Spot Temperature according to Cooling Performance Variation of Natural Ester Transformer 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.64 no.4, 2015년, pp.236 - 240

김지호 (School of Electrical Engineering, Soongsil University) , 이향범 (School of Electrical Engineering, Soongsil University)

Abstract ▼ AI-Helper

Natural ester has a higher biodegradability, flash and fire points, and a greater permittivity compared to conventional mineral oils. However, natural ester also has a higher pour point, viscosity, and water content. These characteristics hamper circulation and the electrical properties of oil-filled transformer. Thus, this paper applied electromagnetic-thermal-flow coupled analysis method to predict temperature distribution inside 154kV single phase power transformer using natural ester. It modeled in the actual appearance for the tank and winding of the power transformer to improve the accuracy of analysis and applied heat flow analysis that considered hydromechanics and heat transfer at the same time. It calculated the power loss, the main cause of temperature rise, from winding and core with electromagnetic analysis then used for the heat source for the heat flow analysis. It then compared the reasonability of result of measurement analysis based on the result acquired from temperature rise test using FBG sensor on the power transformer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

식물성 절연유의 경우 높은 점도로 인하여 100% 부하에서 핫스팟(hot spot)온도가 130℃까지 상승하기 때문에 더욱 효율적인 냉각이 필요한 실정이다. 따라서 본 논문은 펌프와 팬을 사용하여 송유풍냉식의 냉각효과를 적용한 결과를 예측하기 위하여 식물성 절연유를 절연유로 사용하여 냉각 펌프 및 팬을 적용한 CFD 해석을 수행하였다. 초기 유입온도와 유입속도는 100% 부하에 대한 실험결과를 바탕으로 초기 값을 설정하였다.
초기 유입온도와 유입속도는 100% 부하에 대한 실험결과를 바탕으로 초기 값을 설정하였다. 식물성 절연유의 점도에 의해 절연유의 순환에 영향을 주기 때문에 온도분포가 광유보다 증가하게 되고, 이에 냉각방식의 변경을 통해 온도 분포의 예측을 위하여 본 논문은 펌프 및 팬을 사용한 냉각방식을 경계조건의 변경을 통하여 결과를 얻을 수 있었다. 본 논문의 결과를 바탕으로 식물성절연유를 사용한 변압기의 온도상승에 대한 타당성을 검토할 수 있을 것이다.
식물성 절연유의 경우 높은 점도로 인하여 100% 부하에서 핫스팟(hotspot) 온도가 130℃까지 상승하기 때문에 더욱 효율적인 냉각이 필요한 실정이다. 이에 따라 본 논문은 송유풍냉식의 냉각방식을 적용한 상태의 온도특성을 살펴보기 위하여 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics ; CFD) 해석을 수행하였다. 실제 변압기에 냉각을 위하여 펌프를 적용하게 되면 유입구의 속도가 증가하고 절연유의 유입, 유출시의 유량이 증가하게 된다.

가설 설정

식물성절연유의 냉각을 위하여 송유풍냉식(FOA) 냉각방식을 적용하고자 유입속도와 유입온도를 변화하여 각 부의 온도 분포 및 핫스팟(hot spot) 온도와 위치 결과를 비교하였다. 이는 냉각팬을 동작하였을 경우 변압기 하부의 유입온도가 낮아짐을, 냉각펌프가 동작하였을 경우 변압기의 하부 유입속도가 높아짐을 가정하였다. 온도상승시험을 통하여 100% 부하에서의 유입구 속도와 온도를 측정하여 측정된 값을 유입부의 기준속도 및 기준온도로 결정하고, 유입속도의 경우는 일정비율로 증가시켜 해석을 수행하고, 유입온도는 일정비율로 감소시켜 해석을 수행하였다.

제안 방법

그림 2와 같이 해석 모델은 대칭(symmetry)모델이기 때문에 해석시간을 줄이고 수렴성을 높이기 위해 1/2 형상만 모델링하여 해석하였다. 해석모델의 온도분포는 열원의 크기가 큰 저압권선과 고압권선을 세부적으로 모델링하였으며, 안정권선과 탭(tap)권선은 단순하게 모사하였다.
본 논문에서 적용한 변압기는 154kV 단상 전력용 변압기로 정격전압 154kV/23kV, 사용주파수 60Hz이며, 냉각방식은 OA/FA로 부하에 따라 두 단계로 조정되어 사용된다. 단상으로 운용 시에는 45/60MVA이다 권선의 재질은 구리(copper)이며, 철심의 재질은 규소강판(30PH105)을 사용하였다.
실제 변압기에 냉각을 위하여 펌프를 적용하게 되면 유입구의 속도가 증가하고 절연유의 유입, 유출시의 유량이 증가하게 된다. 본 논문은 변압기에 펌프 및 팬이 설치되었다고 가정하고, 유입구의 속도와 온도를 조정하여 핫스팟 온도를 비교하고, 그 위치변화를 비교하였다.
식물성절연유의 냉각을 위하여 송유풍냉식(FOA) 냉각방식을 적용하고자 유입속도와 유입온도를 변화하여 각 부의 온도 분포 및 핫스팟(hot spot) 온도와 위치 결과를 비교하였다. 이는 냉각팬을 동작하였을 경우 변압기 하부의 유입온도가 낮아짐을, 냉각펌프가 동작하였을 경우 변압기의 하부 유입속도가 높아짐을 가정하였다.
이는 냉각팬을 동작하였을 경우 변압기 하부의 유입온도가 낮아짐을, 냉각펌프가 동작하였을 경우 변압기의 하부 유입속도가 높아짐을 가정하였다. 온도상승시험을 통하여 100% 부하에서의 유입구 속도와 온도를 측정하여 측정된 값을 유입부의 기준속도 및 기준온도로 결정하고, 유입속도의 경우는 일정비율로 증가시켜 해석을 수행하고, 유입온도는 일정비율로 감소시켜 해석을 수행하였다. 표 3과 표 4는 해석모델에 적용한 유입구 속도와 온도의 비율을 나타낸 것이다.
이는 실제 펌프를 가동하여 식물성 절연유를 강제적으로 대류 시킬 때 각부의 온도를 살펴볼 수 있는 결과이다. 이때의 유입속도의 초기 값은 표 3과 같이 case 1부터 case 5까지 값으로 고정된 후, 절연 및 온도상승에 영향을 받는 고압권선과 저압권선, 상부, 중부, 하부에서의 온도분포를 비교하였다. 유입속도가 증가하면 전체적인 온도가 감소하지만, 각 부분에 따라 그 증가되는 부분도 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 본 논문은 펌프와 팬을 사용하여 송유풍냉식의 냉각효과를 적용한 결과를 예측하기 위하여 식물성 절연유를 절연유로 사용하여 냉각 펌프 및 팬을 적용한 CFD 해석을 수행하였다. 초기 유입온도와 유입속도는 100% 부하에 대한 실험결과를 바탕으로 초기 값을 설정하였다. 식물성 절연유의 점도에 의해 절연유의 순환에 영향을 주기 때문에 온도분포가 광유보다 증가하게 되고, 이에 냉각방식의 변경을 통해 온도 분포의 예측을 위하여 본 논문은 펌프 및 팬을 사용한 냉각방식을 경계조건의 변경을 통하여 결과를 얻을 수 있었다.
그림 2와 같이 해석 모델은 대칭(symmetry)모델이기 때문에 해석시간을 줄이고 수렴성을 높이기 위해 1/2 형상만 모델링하여 해석하였다. 해석모델의 온도분포는 열원의 크기가 큰 저압권선과 고압권선을 세부적으로 모델링하였으며, 안정권선과 탭(tap)권선은 단순하게 모사하였다.

대상 데이터

본 논문에서 적용한 변압기는 154kV 단상 전력용 변압기로 정격전압 154kV/23kV, 사용주파수 60Hz이며, 냉각방식은 OA/FA로 부하에 따라 두 단계로 조정되어 사용된다. 단상으로 운용 시에는 45/60MVA이다 권선의 재질은 구리(copper)이며, 철심의 재질은 규소강판(30PH105)을 사용하였다. 철심의 형태는 3각(leg)으로 중심철심에 권선이 감겨있는 형태의 내철형 타입이다.

성능/효과

광유를 포함한 다른 절연유와 식물성 절연유의 특성 비교에서 절연 파괴강도, 인화점, 생분해도, 절연지 열화, Sludge 생성이 광유를 포함한 다른 절연유들과 비교했을 때 거의 동등하거나 동등 이상으로 우수하다. 하지만 점도가 광유에 비해서 40℃에서 100℃ 사이에서 약 3배가량 높다.
초기유입온도 및 초기유입속도를 기준으로 핫스팟 온도를 비교한 결과는 그림 6에 나타내었다. 냉각팬 보강에 따라 유입구의 온도는 42℃에서 20℃로 낮추었을 때 핫스팟 온도가 약 15℃의 온도가 감소되는 것을 확인할 수 있었고, 냉각 펌프 동작에 따라 약 16℃의 온도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 부하용량에 따라 온도 증가에 따라 적절한 냉각팬과 냉각펌프의 동작은 변압기의 온도를 낮추는 효과가 있을 수 있으며, 점도가 높은 식물성 절연유의 대류를 용이하게 해 줄 수 있다.
냉각팬 보강에 따라 유입구의 온도는 42℃에서 20℃로 낮추었을 때 핫스팟 온도가 약 15℃의 온도가 감소되는 것을 확인할 수 있었고, 냉각 펌프 동작에 따라 약 16℃의 온도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 부하용량에 따라 온도 증가에 따라 적절한 냉각팬과 냉각펌프의 동작은 변압기의 온도를 낮추는 효과가 있을 수 있으며, 점도가 높은 식물성 절연유의 대류를 용이하게 해 줄 수 있다.
100% 부하에서 실측한 유입온도는 42℃이다. 실제 유입 초기온도가 감소하게 되면 전체적인 온도뿐만 아니라 핫스팟 온도가 감소하지만 그때 핫스팟온도가 발생되는 위치는 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
전반적으로 유입온도가 높은 경우, 유입속도가 느린 경우 핫스팟온도가 발생되는 것을 확인할 수 있었으며 전반적으로 핫스팟온도가 나타나는 부분의 위치는 저압권선에서 대략 3～8 turn 사이에서 발생하였다. 유입구의 유입속도가 증가할수록 핫스팟의 위치는 상부로 올라가는 것을 해석결과를 통해 확인할 수 있었다.
이때의 유입속도의 초기 값은 표 3과 같이 case 1부터 case 5까지 값으로 고정된 후, 절연 및 온도상승에 영향을 받는 고압권선과 저압권선, 상부, 중부, 하부에서의 온도분포를 비교하였다. 유입속도가 증가하면 전체적인 온도가 감소하지만, 각 부분에 따라 그 증가되는 부분도 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

식물성 절연유의 점도에 의해 절연유의 순환에 영향을 주기 때문에 온도분포가 광유보다 증가하게 되고, 이에 냉각방식의 변경을 통해 온도 분포의 예측을 위하여 본 논문은 펌프 및 팬을 사용한 냉각방식을 경계조건의 변경을 통하여 결과를 얻을 수 있었다. 본 논문의 결과를 바탕으로 식물성절연유를 사용한 변압기의 온도상승에 대한 타당성을 검토할 수 있을 것이다.
식물성 절연유는 표 1과 같이 높은 점도 특성 때문에 광유에서보다 냉각성능의 저하될 것으로 예상되지만, 표 2에서와 같이 열전도도와 비열 특성이 좋아 냉각성능의 저하는 어느 정도 보완을 할 수 있을 것으로 보인다. 그러나 정확한 냉각성능에 대한 평가는 점도, 열전도도, 비열 등이 특성이 정량적으로 분석된 사례가 없으므로, 식물성 절연유 적용 시 유동 해석을 통해 냉각성능을 파악할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	식물성 절연유의 특징은?	최근 선진국에서는 식물성 절연유를 변압기의 절연유로 적용하기 위한 연구가 진행되고 있고, 실제로 적용 예도 늘고 있다. 식물성 절연유는 높은 생분해도를 가졌기 때문에 환경오염이 거의 없고 인화점이 300℃ 이상으로서 광유(140℃)나 R-Temp(275℃)보다 우수하다. 하지만 점도(40℃, 33cSt)가 광유의 점도(40℃, 9.
	현재 사용되고 있는 변압기의 절연 및 냉각매체인 광유의 단점은?	최근 개발되는 전력기기는 환경 기후 협약에 따른 규약의 대응으로 경제성의 향상, 소형화에 대한 요구의 증가와 더불어 인체 및 자연 친화성을 고려한 사회 환경을 고려해야 한다는 의식이 높아지고 있다. 현재 사용되고 있는 변압기의 절연 및 냉각매체인 광유는 유독성, 가연소성, 폭발성의 단점을 가지고 있다. 이는 에너지, 환경, 경제가 연계된 기술개발 정책이 요구하는 CO2 배출량 절감 및 친환경성 측면에서 불리하다.
	절연유의 점도가 높으면 어떤 문제가 발생하는가?	대류는 일반적으로, 온도에 기인한 밀도 구배로 중력에 의한 체적력이 유동을 일으키는 것이기 때문이다. 그러므로 식물성 절연유의 높은 점도로 인해 변압기 내부에서 광유에비해 대류가 일어나기 어려워 냉각효과가 저하될 것으로 예상된다[1, 6].

참고문헌 (7)

Kweon, D. J., Koo, K. S.. "The Characteristics of fire prevention for Less Flammable Fluid of Transformers". Proceedings of the KIIEE conference. Vol. 2010 No. 9, pp. 201-202 (2010)
K. Preis, O. Biro, G. Buchgraber, and I. Ticar, "Thermal Electro- magnetic Coupling in the Finite-Element Simulation of Power Transformers", IEEE Trans. Magnetics, vol. 42, no.4, pp. 999-1002, (2006)

상세보기
Ahn, H. M., Oh, Y. H., Hahn, S. J., "Heat Transfer Analysis of Coupled Electromagnetic-Thermal Field for Power Transformer". Trans. of the KIEE, Vol.58 No.11, pp.2155-2161. (2009)
Kim, J. H., Kim, Y. M., Ro, K. C.. "Analysis of transformer sheet winding losses and temperature rise" Proceedings of the KIEE conference. Vol. 2005, No.10, pp. 23-25. (2005)
J. Smolka, A. J. Nowak, Luiz C. Wrobel, "Numerical modeling of thermal precesses in an electrical transformer dipped into polymerized resin by using commercial CFD package Fluent,". Computers & Fluids, Vol. 33, pp.859-868 (2004)

상세보기
IEEE Guide for Acceptance and Maintenance of Natural Ester Fluids in Transformers, IEEE Std C57.147 (2008)
Z. Wang et. al., "New Insulation Fluids : Use of Environmentally Friendly Fluids in Power Transformers", CIGRE, 2007

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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