[논문]몰드변압기의 공기덕트의 구조 변화에 따른 온도특성 해석

김지호; 이향범; 손진근

doi:10.5370/kieep.2015.64.4.256

몰드변압기의 공기덕트의 구조 변화에 따른 온도특성 해석
Analysis of Temperature Characteristic According to Variation of Air Duct of the Cast Resin Transformer 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.64 no.4, 2015년, pp.256 - 260

김지호 (Enertech Co., Ltd.) , 이향범 (School of Electrical Engineering, Soongsil University) , 손진근 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, achieved rise temperature distribution about degradation phenomenon of 24 MVA distribution cast resin transformer using CFD(Computational Fluid Dynamics). Usually, life of transformer is depended on temperature distribution of specification region than thermal special quality of transformer interior. Specially, life of transformer by decline of dielectric strength decreases rapidly in case rise by strangeness transformer interior hot spot temperature value permits. Because calculating high-voltage(HV) winding and low-voltage(LV) winding of cast resin transformer and Joule's loss of core for improvement these life, forecasted heat source, and HV winding and LV winding of cast transformer rise temperature distribution of core for supply of electric power and temperature distribution of highest point on the basis of the results. Also, calculated temperature rise limit of cast resin transformer and permission maximum temperature using analysis by electromagnetic heat source. Calculated and forecasted rise temperature distribution by heat source of thermal analysis with calculated result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

몰드변압기의 경우 절연유가 없어 기존의 진단 방법으로는 열화 및 부분방전의 상태를 정확하게 파악하기 어렵고 몰드변압기의 내부 또는 외부요인에 의해 소손될 경우 그 전조현상으로 온도가 상승하고 진동을 일으키는 등의 신호가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 몰드변압기의 진동 특성 억제를 위한 권선 간 절연물의 구조 변화를 통해 그때 발생되는 온도의 영향을 검증하려고 한다.
또한 공기덕트의 형상 구조에 따라 온도분포가 차이가 나는 것을 해석을 통하여 확인할 수 있으며, 이에 몰드변압기의 공기덕트의 설계가 변압기의 온도분포에 중요한 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문을 통하여 몰드변압기의 구조 영역별 온도 분포 및 최고점 온도를 예측함으로써, 설계 시 요구되는 냉각 설계 및 온도 분포 정보를 예측할 수 있었다.

가설 설정

몰드변압기의 소음문제 해결을 위하여 저압 및 고압권선 사이의 공기 덕트의 설계를 변경할 경우 온도분포 해석을 수행하였으며, 구조별, 영역별 온도분포 및 핫스팟(hot spot)지점을 예측함으로서, 설계 시 요구되는 냉각 설계 및 온도분포를 예측하였다. 사용되는 유체는 비압축성 이상공기로 변압기의 냉각방식인 자연냉각으로 가정하여 난류현상으로 해석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 배전용 몰드변압기의 온도분포 예측을 CFD 프로그램인 FLUENT를 통하여 열유동해석을 수행하였다. 동시에 자연대류를 고려하여 몰드변압기를 둘러싸고 있는 공기 영역에 대한 유동해석을 적용하였다. 열해석에 적용되는 열원은 권선과 철심의 전력 손실밀도를 적용하였다.
열해석에 적용되는 열원은 권선과 철심의 전력 손실밀도를 적용하였다. 몰드변압기의 모델을 실제 형상과 유사하도록 철심은 적층형으로 권선은 공기덕트를 고려c하여 3차원으로 모델링 하였으며, 사용된 변압기는 24/30 MVA의 대용량 배전용 몰드변압기이다. 유한체적법의 이산화를 위하여 속도와 압력의 연계는 SIMPLE 기법을 사용하였으며, 몰드변압기의 온도해석 결과 최고점 온도는 저압권선의 상부에서 나타났으며, 영역에 따른 온도 분포는 저압권선은 section의 내부에서 높은 온도분포가 나타났으며, 고압권선은 섹션의 외부에서 높은 온도분포가 발생되었다.
이에 본 논문에서는 대용량의 몰드변압기의 적용을 위한 변압기의 온도분포 예측을 위하여 24MVA 몰드변압기를 해석모델로 선정하여, 몰드변압기의 온도분포를 CFD 해석을 이용하여 3차원 열유동 해석을 수행하였다. 몰드변압기의 소음문제 해결을 위하여 저압 및 고압권선 사이의 공기 덕트의 설계를 변경할 경우 온도분포 해석을 수행하였으며, 구조별, 영역별 온도분포 및 핫스팟(hot spot)지점을 예측함으로서, 설계 시 요구되는 냉각 설계 및 온도분포를 예측하였다. 사용되는 유체는 비압축성 이상공기로 변압기의 냉각방식인 자연냉각으로 가정하여 난류현상으로 해석하였다.
본 논문에서는 배전용 몰드변압기의 온도분포 예측을 CFD 프로그램인 FLUENT를 통하여 열유동해석을 수행하였다. 동시에 자연대류를 고려하여 몰드변압기를 둘러싸고 있는 공기 영역에 대한 유동해석을 적용하였다.
동시에 자연대류를 고려하여 몰드변압기를 둘러싸고 있는 공기 영역에 대한 유동해석을 적용하였다. 열해석에 적용되는 열원은 권선과 철심의 전력 손실밀도를 적용하였다. 몰드변압기의 모델을 실제 형상과 유사하도록 철심은 적층형으로 권선은 공기덕트를 고려c하여 3차원으로 모델링 하였으며, 사용된 변압기는 24/30 MVA의 대용량 배전용 몰드변압기이다.
이에 본 논문에서는 대용량의 몰드변압기의 적용을 위한 변압기의 온도분포 예측을 위하여 24MVA 몰드변압기를 해석모델로 선정하여, 몰드변압기의 온도분포를 CFD 해석을 이용하여 3차원 열유동 해석을 수행하였다. 몰드변압기의 소음문제 해결을 위하여 저압 및 고압권선 사이의 공기 덕트의 설계를 변경할 경우 온도분포 해석을 수행하였으며, 구조별, 영역별 온도분포 및 핫스팟(hot spot)지점을 예측함으로서, 설계 시 요구되는 냉각 설계 및 온도분포를 예측하였다.
그림 4는 공기덕트가 하나의 구조로 된 모델의 온도분포를 나타내었다. 전체 영역의 온도분포로부터 철심영역, 고압 권선영역, 저압권선영역 및 각 권선의 절연물 영역으로 나뉘어 온도분포를 나타내었다. 전체적인 변압기의 온도분포는 철심의 경우, 권선의 상부와 근접한 부분의 온도분포가 집중되어 있다.
진동 및 소음 감소를 위한 몰드변압기의 공기 덕트의 구조를 변경하여 그때 발생되는 온도 분포를 살펴보기 위하여 그림 2와 같이 전체의 공기 덕트가 하나로 연결된 구조와 진동 억제를 위하여 공기 덕트가 에폭시 연결부로 따로 떨어져 있도록 하는 구조로 모델링하여 해석 결과를 비교하였다.
해석모델에 대한 변압기의 사양은 표 2에 나타내었으며, 표 3은 온도해석을 위한 해석 모델의 구성 재료인 철심(규소강판), 저압 및 고압권선, 에폭시 수지 등에 대한 열유동 해석을 위한 밀도, 비열, 열전도도 등의 열적 파라미터를 선정하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용되는 몰드변압기는 3상 변압기로 정격 전압 22.9kV/6.6kV이며, 해석 변압기의 용량은 24/30MVA로 이에 따른 냉각방식은 건식 자냉식으로 부하에 따라 유동적으로 조정되어 사용된다. 절연물의 절연등급은 H종인 에폭시 수지를 사용하였으며, 철심은 냉각압연 방향성 규소강판을 사용한 적층형 구조이며, 권선 배치는 3각 철심에 저압권선과 고압권선이 각 레그(leg)에 동심원으로 배치되어 있는 구조이다.
해석을 위한 격자생성은 Hybrid 요소망을 구성하였으며, 요소망을 구성하는 절점의 수는 약 900만개이며, 요소망의 수는 약 2,500만 개다. 그림 3은 3차원 열유동해석을 위하여 설정한 격자 생성 그림을 나타내었다.

성능/효과

두 가지의 해석결과에 따라 몰드변압기의 에폭시 수지 봉입에 의한 공기 덕트의 형상에 따라 변압기 각 부분에 따른 온도분포가 차이가 보이는 것을 확인할 수 있다. 실제 변압기 설치시 주위온도에 따라 영향이 있겠지만, 공기 덕트가 구분이 되는 구조가 약 3℃에서 5℃ 정도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
유한체적법의 이산화를 위하여 속도와 압력의 연계는 SIMPLE 기법을 사용하였으며, 몰드변압기의 온도해석 결과 최고점 온도는 저압권선의 상부에서 나타났으며, 영역에 따른 온도 분포는 저압권선은 section의 내부에서 높은 온도분포가 나타났으며, 고압권선은 섹션의 외부에서 높은 온도분포가 발생되었다. 또한 공기덕트의 형상 구조에 따라 온도분포가 차이가 나는 것을 해석을 통하여 확인할 수 있으며, 이에 몰드변압기의 공기덕트의 설계가 변압기의 온도분포에 중요한 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문을 통하여 몰드변압기의 구조 영역별 온도 분포 및 최고점 온도를 예측함으로써, 설계 시 요구되는 냉각 설계 및 온도 분포 정보를 예측할 수 있었다.
변압기의 여러 고장 중 진동에 의한 결과를 분석하면 부분적인 공진 현상이 발견되었으며, 이로 인해 변압기의 진동 및 소음이 커지는 것을 확인할 수 있다. 변압기의 설계와 제작시 진동으로 야기되는 문제에 대한 기술적인 대책 미흡으로 인해 변압기 경년변화에 따라 기계적인 파손에 의한 고장이 줄어들지 않고 있는 실정이다.
두 가지의 해석결과에 따라 몰드변압기의 에폭시 수지 봉입에 의한 공기 덕트의 형상에 따라 변압기 각 부분에 따른 온도분포가 차이가 보이는 것을 확인할 수 있다. 실제 변압기 설치시 주위온도에 따라 영향이 있겠지만, 공기 덕트가 구분이 되는 구조가 약 3℃에서 5℃ 정도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 공기 덕트의 형상 및 개수의 조정에 따라 냉각설계를 개선할 수 있으며 최고점온도가 나타나는 위치 및 그 온도를 조절할 수 있다.
몰드변압기의 모델을 실제 형상과 유사하도록 철심은 적층형으로 권선은 공기덕트를 고려c하여 3차원으로 모델링 하였으며, 사용된 변압기는 24/30 MVA의 대용량 배전용 몰드변압기이다. 유한체적법의 이산화를 위하여 속도와 압력의 연계는 SIMPLE 기법을 사용하였으며, 몰드변압기의 온도해석 결과 최고점 온도는 저압권선의 상부에서 나타났으며, 영역에 따른 온도 분포는 저압권선은 section의 내부에서 높은 온도분포가 나타났으며, 고압권선은 섹션의 외부에서 높은 온도분포가 발생되었다. 또한 공기덕트의 형상 구조에 따라 온도분포가 차이가 나는 것을 해석을 통하여 확인할 수 있으며, 이에 몰드변압기의 공기덕트의 설계가 변압기의 온도분포에 중요한 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변압기의 핫스팟 지점 및 온도가 변압기의 수명과 밀접한 관계를 가지는 이유는?	절연지의 열화에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 권선에서 발생되는 열로, 이 열은 변압기 부하 운전 시 손실에 의해 발생된다. 변압기는 권선 온도를 지시하는 기능이 있지만, 이는 평균 권선온도이며, 냉각구조, 권선배치 등 설계 사양에 따라 권선 위치 간 온도차가 발생되며, 가장 뜨거운 권선의 위치를 핫스팟(hot spot)이라 지칭하고, 이곳이 절연지의 열적 스트레스가 가장 큰 지점이다. 따라서 절연지의 열화가 가장 빠르게 진행되며, 열화에 의한 절연 사고 확률도 가장 크게 된다. 그러므로 변압기의 핫스팟 지점 및 온도는 변압기의 수명과 밀접한 관계를 가진다[2].
	몰드변압기의 구성요소는?	몰드변압기는 권선, 철심, 외함, 방열기, 절연지, 부싱, 몰딩(에폭시) 등 복합적인 요소로 구성되어 있다. 복합적인 요소 중 어느 하나의 요소가 고장이 날 경우, 부품의 교체가 가능하다면 지속적인 운전이 가능하지만, 부품의 교체가 불가능하거나 또는 교체 비용이 과다할 경우 변압기의 수명에 도달했다고 판단할 수 있다.
	변압기의 수명이란?	이때 기계적 힘이 인장강도 한계치를 초과하면 절연지가 파괴되며, 절연지의 절연 능력이 상실되어 절연사고로 이어진 다. 따라서 열화된 절연지의 인장강도가 저하되어 절연사고의 위험도가 높아진 시점을 변압기의 수명이라 지칭한다.

참고문헌 (6)

C. C. Hwang, P. H. Tang, and Y. H. Jiang, "Thermal Analysis of Highfrequency Transformers using Finite Elements Coupled with Temperature Rise Method", IEE Proc. Elect. Power Appl., Vol. 152, no. 4, pp.832-836, Jul. 2005

상세보기
Kim, J. K., Oh, Y. H., Lee, J. Y., Hahn, S. J., "Temperature Rise Prediction of GIS Bus Bar Considering Thermal Flow". Trans. of the KIEE, Vol.58 No.4, pp.742-747. (2009)
K. M. Shong, M. I. Choi, Y. S. Kim, S. B. Bang, C. M. Kim, "A Study on the Comparison of the Vibration Data in Cast Resin Transformer according to the Load Type" Journal of the Korean Institute of illuminating and Electrical Installation Engineers Vol.26 No.4:75-81, (2012)
IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformers, IEEE Std C57.96, pp. 5-13, 1999.
Oh, Y. H., Song, K. D., Sun, J. H., "3D Analysis of Temperature Distribution in Transformers," Trans. of the KIEE, Vol. 52B, No.9, pp.434-441. (2003)
Linden W. Pierce, "Predicting Hottest Spot Temperatures in Ventilated Dry Type Transformer Windings", IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 9, No. 2, pp. 1160-1169, 1994

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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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