[논문]초전도 변압기 교류 손실 해석

김종태; 김우석; 김성훈; 최경달; 주형길; 홍계원; 한진호; 이희균

[국내논문] 초전도 변압기 교류 손실 해석
Analysis of AC Losses in HTS Transformer with Double Pancake Windings 원문보기

김종태 (한국산업기술대학교) , 김우석 (기초전력연구원) , 김성훈 (서울대학교) , 최경달 (한국산업기술대학교) , 주형길 (한국산업기술대학교) , 홍계원 (한국산업기술대학교) , 한진호 (한국산업기술대학교) , 이희균 (한국산업기술대학교)

AC loss is one of the important parameters in (High Temperature Superconducting)HTS AC devices. Among the HTS AC power devices, the transformer is the essential part in the electrical power system. But unfortunately, the transformer is the worst HTS device concerning AC loss because of very large magnetization loss due to high magnetic field applied to the HTS wire. We calculated the magnetization losses in HTS pancake windings for transformer according to the operating temperature. Two kinds of arrangement of HTS pancake windings were adopted for calculation of AC losses of a shell type transformer, and the analysis results were presented and discussed.

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문제 정의

본 논문에서는 1 MVA 고온 초전도 변압기 권선에 인가되는 누설자장에 의해 발생되는 교류손실에 대한 연구를 하였으며, 초전도 권선의 형태와 동작온도에 따라서 변화되는 교류손실에 대한 해석을 수행하였다.
팬케이크 형태의 권선의 경우 자기 자장에 의한 손실은 외부 자장에 의한 손실에 비해 매우 작아서 무시할 수 있다〔2]. 따라서 본 논문에서는 초전도권선에 외부자장에 의해 발생하는 교류손실 중 자화손실만을 고려하여 해석하였다. 초전도선재를 이용한 권선의 전류에 의해 발생되는 자장은 권선내의 각각의 테이프에 외부인가 자장으로 작용하여 초전도선재의 자화손실을 발생시킨다.
본 논문에서는 수치해석을 통해 초전도 변압기의 동작 온도와 권선 형상에 따른 교류 손실의 변화를 계산해 보았다. 특히 팬케이크 형태의 과냉각 초전도 변압기의 경우 임계전류가 중가한다고 해서 교류손실이 항상 감소하는 것이 아니기 때문에 이런 교류손실의 변화의 경향을 파악하는 것은 매우 중요하다.

제안 방법

1 MVA 고온 초전도 변압기 해석을 위한 권선의 형상은 교호배치와 동심배치를 사용 하였으며 철심은 단상 3 각 외철형을 채택하였다. 1 MVA 고온 초전도 변압기의 사양을 표 1에 나타내었고 각각의 설계 변수 값을 표 2에 나타내었다.
교호배치권선은 더블 팬케이크 형태를 사용하였으며 4개의 모듈(Module)로 구성되었고 누설자장 값을 줄이기 위해 각각의 모듈을 고압-저압-고압으로 나누어 구성하였으며 그림 1(가)에 나타내었다.
누설자장의 영향을 줄이기 위해 본 논문에서는 교호배치 권선과 같이 변압기 권선을 분할하는 방법을 사용하였다. 각 보빈은 고압-저압-고압으로 각각 20개로 나누었다.
고온초전도 변압기 권선부에서 발생되는 교류손실 계산을 하기에 앞서 수치해석 프로그램을 사용하여 초전도 변압기 권선을 사용한 1 MVA 고온초전도 변압기의 권선형태에 따른 전자장 해석을 하였으며 그 결과를 그림 2, 3에 나타내었다. 교호배치 권선에서 누설자장은 고온 초전도 선재에 수직으로 가해지며, 이 자장으로 고온초전도 권선에서의 임계 전류 값의 감소뿐만 아니라 많은 교류손실을 발생시킨다.
초전도선재를 이용한 권선의 전류에 의해 발생되는 자장은 권선내의 각각의 테이프에 외부인가 자장으로 작용하여 초전도선재의 자화손실을 발생시킨다. 1 MVA 고온 초전도 변압기에서 발생하는 손실을 계산하기 위해 먼저 변압기를 모델링하고, 이를 유한요소법을 통한 수치해석을 사용하여 변압기 권선부에 흐르는 전류에 의한 자장을 해석하였다, 변압기 전체에서 발생하는 자장 중 권선부에 인가되는 자장을 계산하여, 이를 초전도선재의 수직방향과 수평방향 외부자장의 성분으로 나누어 각 요소에서 발생하는 손실을 계산하였다. 수평성분을 계산할 때 식(1)을 사용하였고 수직성분을 계산할 때는 스】(2)을 사용하였다[3][4].

데이터처리

계산방법의 타당성을 검증하기 위해서 4개의 더블 팬케이크 권선의 교류손실을 측정하여 수치해석 값과 비교하였다. 그림 6에 시험용 권선형상을 나타내었고 그림 7에서 측정된 값과 계산된 값을 비교하였다.

성능/효과

초전도 선재의 경우보다 많은 전류를 흘려주기 위해 권선을 과냉각하여 높은 임계전류 값을 갖게 한다. 비록 높은 임계전류 값과 자장 값을 가진다고 해서 반드시 교류손실이 줄어드는 것은 아니라는 것을 계산결과 확인할 수 있었다.
40A의 전류가 흐를 때 측정된 값과 계산된 값은 약 13%의 오차를 가진다. 이 결과는 교류손실의 정확한 값을 얻지는 못했지만 계산을 통하여 동작온도에 따른 교류손실의 변화의 경향을 확인할 수 있었다.

후속연구

그리고 계산되어진 결과는 향후에 있을 1 MVA 고온 초전도 변압기 프로토타입의 시험에서 검증 될 것이다.

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