[논문]온라인 유중가스 측정기에 대한 절연유 유동해석

진상범; 권동진; 심응보; 우정욱; 어수영; 최광범; 김수태; 김주신

온라인 유중가스 측정기에 대한 절연유 유동해석
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진상범 (전력연구원) , 권동진 (전력연구원) , 심응보 (전력연구원) , 우정욱 (전력연구원) , 어수영 (태광이엔씨) , 최광범 (태광이엔씨) , 김수태 (창원대학교) , 김주신 (창원대학교)

변압기의 이상 징후를 조기에 검출하여 사고를 미연에 방지하기 위해 설치된 예방진단시스템은 현재 국내 9개 변전소에서 운영되고 있다. 이러한 예방진단시스템의 적극적인 활용을 위해서는 시스템을 구성하는 각 요소에 대한 신뢰성 검증과 주기적인 점검, 축적된 데이터의 분석을 통한 사고예방 검출 사례의 축적이 요구되고 있다. 변압기 예방진단시스템의 가장 중요한 항목인 유중가스 측정기는 변압기 드레인 밸브에 설치됨에 따라, 변압기 내부 절연유가 유중가스 측정기로 유동되는지에 대한 의문이 존재하여 왔다. 본 논문에서는 유동해석 프로그램인 Fluent 5.3과 Gambit 프로그램을 이용하여, 변압기 내부의 열에 의한 대류현상에 의해 순환하는 절연유가 좁은 파이프를 통하여 유중가스 측정기의 삼투막까지 도달하는 유동현상을 해석하였다. 유동해석 결과 절연유가 삼투막과 만나는 지점에서도 절연유의 유동에 의한 순환이 발생하여, 용존가스의 검출이 가능함을 알 수 있었다.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 유중가스 측정기에 의해 검출된 데이터의 신뢰성을 확보하기 위하여, 절연유가 좁은 배관을 통해 자연대류에 의하여 센서까지 도달하는 것을, 유동해석 프로그램인 Fluent 53과 Gambit 프로그램을 이용하여 해석하였다.

가설 설정

수치해석에 사용한 변압기 절연유의 물성치는 표 1과 같으며, 온도변화에 의한 물성치의 변화는 일정하다고 가정하였다. 또한 발열원 부분과 냉각 부분에서 일정 한은 도로 열의 출입이 있다고 고려하여, 대류 열전달 이외의 열전달은 무시하였고, 자연대류에서의 유동형태를 나타내는 무차원수는 다음과 같이 결정하였다.

제안 방법

또한 발열원 부분과 냉각 부분에서 일정 한은 도로 열의 출입이 있다고 고려하여, 대류 열전달 이외의 열전달은 무시하였고, 자연대류에서의 유동형태를 나타내는 무차원수는 다음과 같이 결정하였다.
실 변압기와 유사하게 모의하기 위하여, 변압기와 센서의 연결 파이프의 길이는 330mm, 지름은 80mm로 적용하였고, 변압기 내부 발열원의 온도는 330K, 외부 온도는 300K로 적용하였다.
온라인 유중가스 측정기의 신뢰성을 확보하기 위하여본 논문에서는 유동해석 프로그램인 Fluent 5.3 과 Gambit 프로그램을 이용하여, 변압기 내부의 열에 의한 대류 현상에 의해 순환하는 절연유가 좁은 파이프를 통하여 유중가스 측정기의 삼투막까지 도달하는 유동 현상을 해석하였다. 모의 결과, 자연대류에 의한 절연유는 비록 파이프를 통과함에 따라 유동 속도가 감소하기는 하였으나, 연결 파이프를 통하여 유중가스 측정기의 membrane 까지 도달함을 알 수 있었고, 그 속도는 약 0.
절연유 내부 용존 가스의 분석을 위해서는, 절연유가유중가스 측정기의 membrane에 도달하여야만 한다. 이것을 중명하기 위하여, 연결부위인 파이프 내에서의 X, y, z축에 대한 속도를 계산하였다.
절연유의 유동을 이해하기 위하여 연결 파이프 부분의 절연유의 속도를 해석하였고, 특히 센서의 삼투막과 만나는 말단에서의 유동 분포를 모의하였다.

이론/모형

본 연구에서는 절연유의 유동을 해석하기 위하여, navier-stokes 2차원 연속방정식과 체적력(중력, body force)을 포함시킨 유체흐름의 운동량 계산 방정식을 사용하였다.
이때, 절연유의 유동은 온도변화에 의한 밀도변화는 부력항만 작용한다고 가정하는 boussinesq 근사법을 적용하였다. 이때, boussinesq 근사는 절연유의 유동 속도가 느리고, 밀도가 일정하여 비압축성 유동을 조건으로 한다.

성능/효과

그림 3에서 볼 수 있둣이, 절연유의 속도는 변압기와의 접합 부위에서 맴돌이를 하고, 상대적으로 파이프의 표면부위에서 빠르게 나타났다. 또한, 절연유가 membrane쪽으로 근접하는, 변압기로부터 멀어질수록 유속이 감소하는 것을 보여준다.
3 과 Gambit 프로그램을 이용하여, 변압기 내부의 열에 의한 대류 현상에 의해 순환하는 절연유가 좁은 파이프를 통하여 유중가스 측정기의 삼투막까지 도달하는 유동 현상을 해석하였다. 모의 결과, 자연대류에 의한 절연유는 비록 파이프를 통과함에 따라 유동 속도가 감소하기는 하였으나, 연결 파이프를 통하여 유중가스 측정기의 membrane 까지 도달함을 알 수 있었고, 그 속도는 약 0.025[mm/s] 임을 알 수 있었다, 이것은 일정한 외부 조건과 파이프의 길이 조건이 성립된다면 유중가스 측정의 신뢰성을 보장하는 것이다. 앞으로 예방진단시스템의 신뢰성 확보에 많은 도움을 줄 것으로 사료된다.

후속연구

025[mm/s] 임을 알 수 있었다, 이것은 일정한 외부 조건과 파이프의 길이 조건이 성립된다면 유중가스 측정의 신뢰성을 보장하는 것이다. 앞으로 예방진단시스템의 신뢰성 확보에 많은 도움을 줄 것으로 사료된다.

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