[논문]몰드형 건식 계기용 변압기 진동 특성 분석

김무선; 장동욱; 김승모

doi:10.5762/kais.2017.18.3.209

초록
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현재 철도 차량에 쓰이고 있는 대부분의 계기용 변압기는 장치 내부에 절연유가 충진되어 있는 유입식 계기용 변압기 방식으로서, 내구 연한 도래와 더불어 차량 운행 중 내부 압력 상승에 의해 폭발의 위험성이 있다. 이에 대한 해결책으로 절연 수지를 사용하여 방압 기능이 탁월한 몰드형 건식 계기용 변압기 개발이 필요하다. 이에 제품의 국산화가 가능하도록 한국철도기술연구원에서는 몰드형 건식 계기용 변압기를 개발 진행 중에 있다. 그 연구의 일환으로 개발 제품의 진동 특성 분석과 함께, 진동 환경하에서 변압기의 성능 유지 여부를 확인하여야 한다. 이번 연구에서는 철도 차량 부품의 진동 시험 방법 규격인 KS R 9144 및 IEC 61373 에 따라서 개발 제품의 공진시험과 모의 장기 수명 시험을 진행하였다. 고유 진동수는 해석을 통한 모달 분석과 공진 시험을 병행하여 결과를 비교 분석하였으며 규격 조건을 만족함을 확인하였다. 또한 모의 장기 수명 시험 후 성능 시험을 통해 오랜 시간 진동 환경 하에서도 개발 변압기의 기능에 문제가 없음을 확인하였다.

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Most of the present potential transformers of train vehicles are of the oil-type filled with insulating oil and are susceptible to problems such as explosion due to the increase in the internal pressure during train operation and poor reliability near the end of their life cycle. As a solution to th...

Most of the present potential transformers of train vehicles are of the oil-type filled with insulating oil and are susceptible to problems such as explosion due to the increase in the internal pressure during train operation and poor reliability near the end of their life cycle. As a solution to this problem, it is necessary to develop a molded dry-type potential transformer with excellent pressure-resistance performance using insulating resin. In order to localize the product, the Korea Railroad Research Institute has been developing a molded dry-type potential transformer. As part of this research, it is necessary to analyze the vibration characteristics of the developed product and to check the transformer performance in a vibration environment. In this study, a resonance test and simulated long-term life test of the developed product were conducted according to the KS R 9144 and IEC 61373 standards, respectively, which are vibration test methods for railway vehicle parts. Their natural frequencies were analyzed by comparing the results of the numerical modal analysis and resonance test, in order to confirm their adherence to the standards. Also, the performance test after the simulated long-term life test confirmed that the operation of the developed transformer was not problematic even in a long-time vibration environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

[2,3] 위와 같이, 몰드형 건식 계기용 변압기의 장점과 소재 개선 등으로 인해 그 적용은 확대될 것이며, 그런 추세에 맞춰, 국산화를 할 수 있는 기술 개발이 절실히 요구된다. 계기용 변압기를 비롯한 철도 차량에 쓰이는 부품 개발을 위해 고려되어야 할 주요 사항 중 하나는 제품의 진동 특성 분석과 함께, 진동 환경 하에서의 제품 성능 유지 여부를 확인하는 것이다. 대표적인 진동 시험 규격으로는 KS R 9144[4], KS R 9146[5]및 IEC 61373[6] 등이 있다.
이번 연구에서는 현재 개발 진행 중인 몰드형 건식 계기용 변압기 시작품을 대상으로 FEM 해석을 통한 모달 해석 결과와 철도 차량 부품의 진동 시험 방법 규격인 KS R 9144 기준으로 측정한 고유 진동수 측정값 비교 및 IEC 61373 기준으로 진동 내구 시험에 따른 개발품의 성능 시험 결과에 관한 연구를 진행하였다.

가설 설정

Test 2) 상용주파 내전압 시험(IEC 61869-3) : 정격주파수의 정현파에 가까운 교류전압을 인가하여 작동 이상 없을 것
Test 3) 유도 내전압 시험(IEC 61869-3): 1차 권선 단자간에 시험 주파수 50~500Hz에서 시험전압 75kV를 유도시켜 정해진 시간동안 이상 없을 것
변압기 주요 부분에 사용된 소재 물성을 Table 1에 정리하였다. 이 중 FRP는 복합소재로서 방향성을 가지는데, 적층 각도를 고르게 배열하기 때문에 물성도 평면방향으로 준등방성을 가진다고 가정하였다.

제안 방법

개발 변압기의 고유치 예측을 위해 수치해석 모델링을 진행하였다. 탄성체의 고유치 계산식은 식 (1)과 같다.
변압기 고유치 해석 결과 검증을 위해 공진시험을 진행하였다. 공진시험은 KS R 9144 규격 기준을 따랐다.
변압기 성능 내구 시험을 위해 IEC 61373에서 정의한 모의 장기 수명 시험을 우선 진행하였다. 이 때 가진 조건으로 주어지는 진동 스펙트럼을 Fig.
시험 시간은 3개 방향으로 각 5 시간씩 가진하였다. 시험 전후 기능 확인을 위해 주요 기능인 충격절연강도, 상용 주파 내전압 시험, 유도 내전압 시험, 절연저항 측정 시험 및 권선저항 측정 시험을 진행하였다. 각 시험에 관한 실시방안을 아래와 같이 정리하였다.
KS R 9144 규격에서는 제품의 전후, 좌우 및 상하의 직교 3방향으로 가진하게끔 되어 있는데. 이번 경우에는 제품의 대칭형태로 인해 전후 및 상하 가진, 2가지 경우에 대해 수행하였다. 전후 공진 시험과 상하 공진 시험을 위하여 진동 시험기에 변압기를 각각 Fig.
이번 연구에서는 기존 유입식 계기용 변압기의 폭발 위험성을 제거할 수 있는 몰드형 건식 계기용 변압기 시작품을 제작하여 철도 부품 진동 시험 규격에 따라 진동 특성 및 성능시험을 진행하였다. 이를 토대로 도출된 연구결과를 다음과 같이 요약하였다.
이 범위 이내에 공진이 없으면 공진회피 설계를 만족하는 것으로 고려할 수 있다. 해석상으로 1차 굽힘 변형 모드 주파수가 30Hz 이상에서 발생될 거라 예상되므로 최고 주파수 범위를 500 Hz까지 지정하여 시험을 진행하였다. 이 때 1~5Hz까지는 온진폭 5mm 기준으로, 5Hz 이상에서는 가속도 온진폭 기준 0.

이론/모형

변압기 고유치 해석 결과 검증을 위해 공진시험을 진행하였다. 공진시험은 KS R 9144 규격 기준을 따랐다. 변압기는 차체에 부착되는 부품으로서 KS R 9144 규격에서 정의하는 1종 부품에 해당하며 그에 따른 가진 진동수 범위는 1~30Hz 이다.
적용한 요소는 C3D4 사면체 요소이며, 메시 생성 방법은 free meshing을 적용하여, 총 요소수는 33,200개이다. 그리고 고유치 계산 방법으로 LANCZOS eigensolver를 적용하였다.
해석을 위해 유한요소 전용 해석프로그램인 ABAQUS를 활용하였다. 적용한 요소는 C3D4 사면체 요소이며, 메시 생성 방법은 free meshing을 적용하여, 총 요소수는 33,200개이다. 그리고 고유치 계산 방법으로 LANCZOS eigensolver를 적용하였다.
해석을 위해 유한요소 전용 해석프로그램인 ABAQUS를 활용하였다. 적용한 요소는 C3D4 사면체 요소이며, 메시 생성 방법은 free meshing을 적용하여, 총 요소수는 33,200개이다.

성능/효과

1. FEM을 통한 모달 해석 결과 1차 굽힘 변형 모드 고유진동수는 305Hz이며, 1차 수직 변형 모드 결과는 719Hz를 나타낸다.
KS R 9144 규격에 따라 1~500Hz 범위까지 공진 시험 결과, 1차 굽힘 모드는 316Hz에서 발생하였으며, 수직 변형 모드는 특이점을 보이지 않았다. 1차 굽힘 모드 시험치와 수치해석 결과의 오차는 약 3%이며, 1차 모드 값이 30Hz 이상이므로 공진회피 설계를 만족하였다.
2. KS R 9144 규격에 따라 1~500Hz 범위까지 공진 시험 결과, 1차 굽힘 모드는 316Hz에서 발생하였으며, 수직 변형 모드는 특이점을 보이지 않았다. 1차 굽힘 모드 시험치와 수치해석 결과의 오차는 약 3%이며, 1차 모드 값이 30Hz 이상이므로 공진회피 설계를 만족하였다.
3. IEC 61373 규격 기준으로 진동 내구 시험에 해당 하는 모의 장기 수명 시험을 실시한 결과, 변압기 성능을 나타내는 주요 시험 항목에서 이상 없음을 확인하였다.
4. 본 연구 결과로부터, 몰드형 건식 계기용 변압기 개발 시작품의 설계 방안이 철도 부품 진동 규격에 적합함을 검증하였다.
기능 시험 결과, Test 1, 2, 3 항목에 관하여 시험 조건에서 작동 이상이 없음을 확인했으며, Test 4항목은 진동시험 이전과 이후에 1,000V 전압에서 2,000MΩ 이상의 저항치를 가짐을 확인하였다.
마지막으로 Test 5항목에서 1차 권선과 2차 권선의 저항치는 진동시험 이전에는 각 24.44 kΩ과 1.0Ω을 보였으며, 진동 시험 이후 24.72kΩ과 1.3Ω의 값을 가짐을 확인하였다.
시험결과에서 알 수 있는 바와 같이 개발품의 고유진동수가 1종 부품에 해당하는 공진점 30Hz 이상에서 존재하므로 공진회피 설계를 만족함을 알 수 있다.
전후 가진 시험에서는 Fig. 6과 같이 1차 굽힘 변형 모드의 고유진동수는 약 316Hz에서 가짐을 알 수 있었다. 이 값은 수치해석을 통해 얻어진 305Hz 값과 약 3%의 오차를 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	몰드형 건식 계기용 변압기는 언제 어디서 처음 개발되었는가?	몰드형 건식 계기용 변압기는 1946년에 유럽에서 처음 개발된 후, 일본에서는 1952년에 11[kV]/110[V]단상 200[VA]급 계기용 변압기가 개발되어 실용화 된 이후로 에폭시 성형 또는 배합기술의 발달에 의해서 전기 절연재료로서 우수한 전기적 특성 및 기계적 강도가 뛰어나 기존의 유입식 계기용 변압기의 대체물로 급격하게 증가하였다.[1]
	코레일 언제부터 해외에서 개발된 비폭발성 건식 계기용 변압기의 성능검증을 진행하여 기존 유입식 계기용 변압기를 대체 중에 있는가?	또한 2차 사고로 외부 절연물이 비산되어 전차선로 주변의 건물이나 사람들에게 피해를 줄 수 있으므로, 주기적으로 절연유 유지보수 작업 등이 필요하다. 변압기 장애는 연간 2~3건이 발생하고 있으며, 코레일은 2014년부터 해외에서 개발된 비폭발성 건식 계기용 변압기의 성능검증을 진행하여 기존 유입식 계기용 변압기를 대체 중에 있다.

참고문헌 (10)

I. Mihosha, Instrument transformers, Electric Book in Japan, p.126-128, 1950.
K. H. Cho, C. H. Jang, "The Design and Test Technology of Metering Out Fit", KIEE Summer Conference 2003, p.1803-1805, 2003.
T. Hasegawa, "Application Technology of Molded products in the Field", Takaoka Review, vol. 43, no. 4, p.66-72, 1996.
Korean Agency for Technology and Standards (1992), Test methods for vibration of parts of railway rolling stock, KS R9144.
Korean Agency for Technology and Standards (2002) Railway rolling stock parts-Test methods for shock, KS R9146
International Electrical Commission (2010) Railway application-Rolling stock equipment-Shock and vibration tests, IEC61373.
Y. G. Kim, C. Park, J. H. R, "Comparison and Analysis of Vibration and Shock Test Methods for Rolling Stock Equipment", Journal of the Korean Society for Railway, vol. 16, no. 4, pp. 246-252, 2013. DOI: https://doi.org/10.7782/JKSR.2013.16.4.246

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I. Y. Choi, N. P. Kim, J. S. Lee, J. Lim, "Analysis of the acceleration measured on Korea and France high speed railways using UIC518 code", Journal of the Korea Academy-Industrial cooperation Society, vol. 16, no. 12, pp. 8516-8524, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.12.8516

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J. S. Kim, J. C. Jeong, S. H. Cho, S. I. Seo, "Analytical and Experimental Studies on the Natural frequency of a Composite Train Carbody", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers-A, vol. 30, no. 4, pp. 473-480, 2006. DOI: https://doi.org/10.3795/KSME-A.2006.30.4.473

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C. W. Cho, S. T. Cho, K. H. Yang, K. J. Ann, H. Y. Lee,"Activities to attain integrity of generator current transformer", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, vol. 16, no. 1, pp. 19-23, 2012. DOI: https://doi.org/10.9726/kspse.2012.16.1.019

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