[논문]154 kV 및 345 kV 주변압기 부싱의 내진성능 시험 연구

황경민; 함경원; 김경환

doi:10.5000/eesk.2018.22.2.087

[국내논문] 154 kV 및 345 kV 주변압기 부싱의 내진성능 시험 연구
The Experimental Study on Seismic Capacity of 154 kV & 345 kV Main Transformer Bushings 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.22 no.2, 2018년, pp.87 - 94

황경민 (한국전력공사 전력연구원) , 함경원 (한국전력공사 전력연구원) , 김경환 (한국전력공사 송변전운영처)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, seismic performance of bushings and their connection parts was analyzed by performing shaking table tests for various types of bushings widely used as auxiliary equipment of main transformers in domestic substations. As a result of the seismic tests of five types of 154 kV bushings according to the manufacturers, all the bushings secured the structural integrity even at the acceleration of 1.4 g and it was found that leakage of insulating oil didn't occur. Also, the average acceleration amplification rate at the upper part of the bushings was about 2.5 to 3.0 times higher than the lower one. On the other hand, when a representative 345 kV bushing was subjected to the seismic test, the structural integrity was secured even at 1.0 g acceleration similar to the design earthquake load level, but in this test, leakage of insulating oil occurred. However, when a stiffener restricting the connection of the bushing is installed in the same 345 kV bushing, the displacement of the bushing connection is controlled and the stiffener prevent the oil from leaking even at the acceleration of the designed seismic level.

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문제 정의

이와 같이, 부싱은 지진에 취약한 설비중의 하나인데다 부싱 및 부싱 연결부는 수치해석적으로 내진성능을 평가하기가 어려우므로, 여러 타입의 부싱을 대상으로 다양한 내진시험을 통하여 내진성능을 검토하고 그 결과를 시험 경험자료로 확보할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 국내 변전소 내 주변압기의 부속설비로서 널리 사용되는 다양한 타입의 부싱을 대상으로, 진동대시험을 수행함으로써 부싱 및 부싱 연결부의 내진성능을 분석하고자 하였다.
본 시험의 목적은 변전설비의 설계 지진하중에 대하여 변압기 부싱이 구조적 건전성을 만족하는지의 여부를 검토하는 것으로, 지진 시 부싱 및 연결부의 파손 여부와 부싱 내부에서 절연 역할을 수행하는 절연유의 누유 여부를 확인하기 위함이다. 또한 Table 1에서 나타난 바와 같이 345 kV 부싱의 경우에는 무게가 7 kN 이상으로서 1~3 kN 수준인 154 kV 부싱보다 무겁고 길이가 길어 상대적으로 내진성능이 취약하기 때문에, Fig.
이와 같이, 부싱은 지진에 취약한 설비중의 하나인데다 부싱 및 부싱 연결부는 수치해석적으로 내진성능을 평가하기가 어려우므로, 여러 타입의 부싱을 대상으로 다양한 내진시험을 통하여 내진성능을 검토하고 그 결과를 시험 경험자료로 확보할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 국내 변전소 내 주변압기의 부속설비로서 널리 사용되는 다양한 타입의 부싱을 대상으로, 진동대시험을 수행함으로써 부싱 및 부싱 연결부의 내진성능을 분석하고자 하였다.

제안 방법

본 시험의 목적은 변전설비의 설계 지진하중에 대하여 변압기 부싱이 구조적 건전성을 만족하는지의 여부를 검토하는 것으로, 지진 시 부싱 및 연결부의 파손 여부와 부싱 내부에서 절연 역할을 수행하는 절연유의 누유 여부를 확인하기 위함이다. 또한 Table 1에서 나타난 바와 같이 345 kV 부싱의 경우에는 무게가 7 kN 이상으로서 1~3 kN 수준인 154 kV 부싱보다 무겁고 길이가 길어 상대적으로 내진성능이 취약하기 때문에, Fig. 4와 같이 연결부의 변위 및 절연유의 누유를 제한하기 위해 제작된 보강재의 효과를 확인하는 시험도 병행하였다.
시험은 Table 2와 같이 내진시험 전 공진탐색시험, 본 시험, 내진시험 후 공진탐색시험 등 크게 세 가지 순서로 수행하였다. 시험 전후 공진탐색시험은 내진시험을 통한 부싱의 동특성 변화를 분석하기 위하여 수행하였으며, 본 시험인 내진시험은 총 5단계로 지진하중을 상향시켜 가면서 각 1회씩 수행하였다.
시험은 Table 2와 같이 내진시험 전 공진탐색시험, 본 시험, 내진시험 후 공진탐색시험 등 크게 세 가지 순서로 수행하였다. 시험 전후 공진탐색시험은 내진시험을 통한 부싱의 동특성 변화를 분석하기 위하여 수행하였으며, 본 시험인 내진시험은 총 5단계로 지진하중을 상향시켜 가면서 각 1회씩 수행하였다.
또한, 각 5단계의 내진시험 종료 시마다 부싱의 구조건전성 및 절연유의 누유 여부를 육안으로 확인하였다.
부싱의 내진시험을 위한 시험 입력파는 ‘내진설계기준 공통적용사항(’17.7)’에서 제시하고 있는 S3 지반조건의 표준설계응답스펙트럼 형상을 적용하였으며, 이 스펙트럼을 지속시간 21초 및 강진동 지속시간 9초인 시간이력으로 변환[1]하였다.
시험설비는 Tables 3 및 4와 같은 사양의 진동시험대를 활용하였으며,Figs. 2 및 3에서 보여진 시험체의 중량에 따른 진동시험대의 수용 용량을 고려하여, 154 kV 부싱 시험은 6자유도 진동시험대로, 345 kV 부싱 시험은 1자유도 진동시험대로 수행하였다.

대상 데이터

본 연구의 시험대상은 Fig. 1과 같이 변전소 내 주변압기 상부에 설치되어 운영되고 있는 154 kV 및 345 kV 부싱이다.
시험대상 부싱은 Table 1과 같이 변전소에 가장 많이 사용되는 제작사 별 5개 타입(A~E 타입)의 154 kV 부싱 및 대표적인 1개 타입의 345 kV 부싱으로 선정하였다.
시험설비는 Tables 3 및 4와 같은 사양의 진동시험대를 활용하였으며,Figs. 2 및 3에서 보여진 시험체의 중량에 따른 진동시험대의 수용 용량을 고려하여, 154 kV 부싱 시험은 6자유도 진동시험대로, 345 kV 부싱 시험은 1자유도 진동시험대로 수행하였다.

성능/효과

내진시험 전후 시험체의 동특성 변화를 분석하기 위하여 공진탐색 시험을 수행한 결과, 모든 타입의 시험체들은 동특성의 변화가 크지 않은 것으로 나타났다. Fig.
3 mm의 영구변위가 발생되었다. 따라서 설계지진 수준의 지진은 보강재가 없는 시험대상 부싱의 절연성능에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
4배의 일정한 분포를 나타내었다. 부싱 연결부 보강재는 0.5 g 이상의 지진가속도에서 연결부의 최대 상대변위를 50% 이상 줄여주는 것으로 나타났다.
내진시험 전후 시험체의 동특성 변화를 분석하기 위하여 공진탐색 시험을 수행한 결과, Fig. 16과 같이 보강재 적용 전 시험체는 1차 고유진동수가 9.18 Hz에서 9.06 Hz로 1.31% 변경되었으나, Fig. 17의 보강재 적용 후에는 9.16 Hz에서 9.18 Hz로 0.22% 변경되어, 보강재 적용 전 시험체의 동특성의 변화가 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 이는 내진시험 과정에서 보강재 적용 전 부싱의 연결부가 느슨해지면서 시험체의 강성 및 동특성에 영향을 미친 것으로 판단된다.
제작사에 따른 5개 타입의 154 kV 부싱을 대상으로 지진하중을 상향시키면서 내진시험을 수행한 결과, 모든 부싱은 설계 지진하중 수준을 넘어 1.4 g 수준의 가속도에서도 구조적 건전성을 확보하였으며, 절연유의 누유현상도 발생되지 않는 것으로 나타났다. 한편 가진 시 부싱 상단부의 평균 가속도 증폭률은 하단부 대비 2.
0배 수준으로 확인되었다. 또한, 내진시험 전후 동특성 분석 결과, 모든 시험체의 세 방향 1차 고유진동수는10~15 Hz 사이임을 확인하였다.
한편, 대표적인 1개 타입의 345 kV 부싱을 대상으로 수행한 결과, 1.0 g 수준의 가속도에서도 구조적 건전성을 확보하였으나, 이 내진시험 시 부싱 연결부에서 절연유가 누유되어 설계지진 수준의 가속도는 시험대상 부싱의 절연성능에 영향을 줄 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 부싱의 연결부를 구속시키는 보강재를 동일한 345 kV 부싱에 설치하는 경우에는, 설계지진 수준의 가속도에서도 보강재에 의해 부싱 연결부의 변위가 절반 수준으로 제어되었으며 절연유 누유가 방지되는 것으로 나타났다.
그러나 부싱의 연결부를 구속시키는 보강재를 동일한 345 kV 부싱에 설치하는 경우에는, 설계지진 수준의 가속도에서도 보강재에 의해 부싱 연결부의 변위가 절반 수준으로 제어되었으며 절연유 누유가 방지되는 것으로 나타났다. 한편, 시험대상 345 kV 부싱 상단부의 평균 가속도 증폭률은 하단부 대비 3.3~3.4배로 확인되었으며, 내진시험 전후 미보강 시험체의 1차 고유진동수의 변화는 1.31%(9.18 Hz에서 9.06 Hz)로서 보강 시험체의 변화율 0.22%(9.16 Hz에서 9.18 Hz)보다 상대적으로 큰 것으로 나타났다.
00 g는 IEEE std. 693-05 및 송배전설비 내진설계 실무지침에서 요구하는 0.98 g와 유사한 수준으로서, 시험대상 부싱은 설계기준 지진 하에서 구조적 건전성을 만족하였다. 그러나 이 시험단계에서는 Fig.
4의 우측 그림과 같은 부싱 연결부 보강재를 위와 동일한 타입의 부싱에 설치하여, 마찬가지로 Table 8의 5단계 내진시험을 수행하였다. 그 결과, 5단계 모든 내진시험 시 부싱이 구조적 건전성을 확보하였으며 절연유 누유도 발생되지 않아, 보강재의 설치가 부싱 연결부의 변위제어를 통한 절연유 누유 방지에 효과가 있는 것으로 확인이 되었다.

후속연구

본 연구결과는 국내 주변압기 부싱의 동특성 분석을 위한 내진시험 경험자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 더 면밀한 동특성 분석을 위해서는, 다른 타입의 다양한 부싱들의 내진시험 뿐만 아니라 부싱이 상부에 설치된 주변압기를 이용한 실규모의 3축 진동대시험 등이 수행되어야 할 것이다.
본 연구결과는 국내 주변압기 부싱의 동특성 분석을 위한 내진시험 경험자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 더 면밀한 동특성 분석을 위해서는, 다른 타입의 다양한 부싱들의 내진시험 뿐만 아니라 부싱이 상부에 설치된 주변압기를 이용한 실규모의 3축 진동대시험 등이 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부싱이 가진 특징으로 인해 어떻게 시험 경험자료 확보할 필요가 있는가?	이와 같이, 부싱은 지진에 취약한 설비중의 하나인데다 부싱 및 부싱 연결부는 수치해석적으로 내진성능을 평가하기가 어려우므로, 여러 타입의 부싱을 대상으로 다양한 내진시험을 통하여 내진성능을 검토하고 그 결과를 시험 경험자료로 확보할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 국내 변전소 내주변압기의 부속설비로서 널리 사용되는 다양한 타입의 부싱을 대상으로, 진동대시험을 수행함으로써 부싱 및 부싱 연결부의 내진성능을 분석하고자 하였다.
	전력설비는 무엇이 필수적이고, 무엇이 시급한가?	전력설비는 산업 전반에 걸쳐 중추적인 기능을 수행하는 시스템으로서 내진성능의 확보가 필수적이며, 이에 따라 내진설계와 내진성능평가를 위한 전력설비의 내진시험 데이터베이스 구축이 시급한 실정이다.
	전력설비인주변압기의 내진설계 시 검토되어야 하는 것은 무엇인가?	대표적인 전력설비인주변압기는 자체 강성이 매우 크기 때문에 주로 정착부의 용접시공이나 앵커볼트의 설치로 내진설계를 수행해 오고 있다. 그러나, 주변압기의 내진설계 시에는 정착부 뿐만 아니라, 변압기 상부에 설치되어 있는 부싱 및 부싱연결부도 함께 검토되어야 한다. 일본 변전설비 내진설계 지침인 JEAG(Japan Electric Association Guide) 5003-2010에서는 변압기 본체의 강성이 크기 때문에 정착부와 부싱의 내진안전성 검토를 강조[5]하고 있으며, 미국 IEEE std.

참고문헌 (8)

Minstry of the Interior and Safety. Common applications of seismic design criteria. c2017.
Jang JB et al. Experimental study of friction pendulum system to improve the seismic capacity of transformer. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 2008 Apr;12(2):1-8.
Jang JB et al. Experimental study of a seismic reinforcing system without power breakdown and movement for electric panel on the access floor. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 2009 Jun;13(3):1-10.
Jang JB et al. Experimental study on a dynamic characteristics of porcelain surge arrestor considering the variation of cable's tension and arrestor's stiffness. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 2014 Sep;18(5):253-259.

원문보기 상세보기
日本電氣協會. ？電所等における電氣設備の耐震設計指針. JEAG 5003. c2010.
Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substations. IEEE Std 693. c2005.
Joe YH et al. Modal identification and seismic performance evaluation of 154 kV transformer porcelain bushing by vibration test. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 2006 Oct; 10(5):107-115.

원문보기 상세보기
Korea Electric Power Cooperation. Seismic design guidelines for transmission, substation and distribution facilities. c2014.

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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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