[논문]식물성 절연유를 사용한 배전용 변압기의 온도변화 특성

이병성; 박철배; 송일근; 한상옥

식물성 절연유를 사용한 배전용 변압기의 온도변화 특성
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이병성 (한국전력공사 전력연구원) , 박철배 (한국전력공사 전력연구원) , 송일근 (한국전력공사 전력연구원) , 한상옥 (충남대)

식물성 절연유는 기존 광유계 절연유에 비해 친환경성과 안전성이 부각되어 전력용 변압기에 사용을 검토하고 있다. 우수한 생분해성 및 높은 인화점, 발화점을 갖는 반면, 점도가 높아 냉각 효과가 줄어드는 단점이 있다. 변압기 절연유의 역할이 절연과 냉각이므로 광유에 비해 약 3배 정도 높은 점도를 갖는 식물유를 사용할 경우 변압기 권선 내부 온도 상승을 검토하여야 한다. 본 연구에서는 배전급에 사용되는 변압기에 광유 대체로 식물유를 사용하였을 때 권선 및 유온도 상승을 측정하였다. 변압기 권선 구조 설계에 있어서 정확한 권선온도 상승 값을 활용하여야 적정 수명 유지가 가능해 진다.

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문제 정의

500kVA 급 이하의 용량으로 사용되고 있는 배전급 변압기의 경우 권선구 조상 국부적인 과열부가 생길 수 있기 때문에 해석적인 방법보다는 실험적인 방법으로 냉각 설계 개념을 정립하고자 하였다. 우선 식물유의 기본특성을 광유와 비교하고 실 변압기에 사용하였을 때 권선 내부 열특성을 해석하였다.
본 연구에서는 배전용 변압기에 식물성 절연유를 기존 광유 대체로 사용하기 위해 전기적, 열적 특성을 규명하였다. 500kVA 급 이하의 용량으로 사용되고 있는 배전급 변압기의 경우 권선구 조상 국부적인 과열부가 생길 수 있기 때문에 해석적인 방법보다는 실험적인 방법으로 냉각 설계 개념을 정립하고자 하였다.

제안 방법

5C)를 삽입하였다. 권선 내부의 최고온도를 나타내는 위치를 선택하였으며, 절연거리 확보 및 센서 리드 인출이 용이한 H₃상 권건의 1차측을 3곳으로 구분하여 설치하였다.
부하손실에 상당하는 전류를 공급하여 권선의 온도상승을 구하는 방법이다. 방열기에서의 열교환은 대기의 유동에 많은 영향을 받게 되므로 보다 정확한 측정을 위해 공기의 유동이 적은 실내에서 실험하였다. 부하는 75%, 100%, 130%로 모의하였으며, 각 부하별로 일정 시간 동안 유지하여 온도가 포화된 후, 다음 단계 부하를 인가하였다.
방열기에서의 열교환은 대기의 유동에 많은 영향을 받게 되므로 보다 정확한 측정을 위해 공기의 유동이 적은 실내에서 실험하였다. 부하는 75%, 100%, 130%로 모의하였으며, 각 부하별로 일정 시간 동안 유지하여 온도가 포화된 후, 다음 단계 부하를 인가하였다. 보통 각 부하에서 온도가 포화되기 까지 소요되는 시간은 약 1 5~18시간 정도 소요되었다.
500kVA 급 이하의 용량으로 사용되고 있는 배전급 변압기의 경우 권선구 조상 국부적인 과열부가 생길 수 있기 때문에 해석적인 방법보다는 실험적인 방법으로 냉각 설계 개념을 정립하고자 하였다. 우선 식물유의 기본특성을 광유와 비교하고 실 변압기에 사용하였을 때 권선 내부 열특성을 해석하였다.

대상 데이터

9kV/380V, 3상 150 kVA 급 지상설치형 변압기(pad-mount transformer)로 한전구매사양 PS 141-482에 따라 제작하였다. 권선 층간 절연지는 기존에 사용하는 것과 동일한 것으로 단락에 대한 기계력 중가를 위해 에폭시가 코팅된 B 종 셀룰로오스계 절연지를 사용하였다. 온도센서는 시험품 변압기 권선 제작시 1차권선 내에 설치하였으며, 총 14개 온도센서 (T-type, -40C ~350C, ±0.
제작 변압기는 22.9kV/380V, 3상 150 kVA 급 지상설치형 변압기(pad-mount transformer)로 한전구매사양 PS 141-482에 따라 제작하였다. 권선 층간 절연지는 기존에 사용하는 것과 동일한 것으로 단락에 대한 기계력 중가를 위해 에폭시가 코팅된 B 종 셀룰로오스계 절연지를 사용하였다.

이론/모형

제작한 변압기는 부하에 따른 변압기 각 부분의 열 특성을 측정하기 위해 2차측을 단락하고 1차측에 임피던스 전압을 인가하여 시험하는 방법인 단락법을 적용하였다. 부하손실에 상당하는 전류를 공급하여 권선의 온도상승을 구하는 방법이다.

성능/효과

여기서 3A-3의 위치는 변압기 권선의 최고 온도 부로 측정된 곳이다. 동일 위치에서 부하 증가에 따라 거의 선형적으로 온도가 증가하였는데, 식물유가 광유에 비해 증가율이 큰 것으로 나타났다. 부하가 클수록 두 종류의 절연유간 온도 편차가 크게 나타났다.
된다. 동일한 설계를 갖는 변압기에 절연유를 점도가 높은 식물유로 대체 한 결과 권선의 최고온도는 100 % 부하에서 약 10 ℃ 정도 높게 나타났으며, 130C 부하에서는 18.4 C까지 높아졌다.
부하 75 %, 100 %, 130 % 조건에서 광유와 식물유 변압기의 권선 온도 상승 비교 결과 동일한 변압기에서 식물유 변압기의 권선 온도 상승이 3~4 (C) 정도 높은 것으로 나타났다. 그림 1 은 광유 및 식물유 변압기의 부하에 따른 온도상승값을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다.
시제품 제작에 사용한 절연유는 광유(제1종 2호, 동남석유) 와식물성 절연유(Cargill, BioTrans 1000)이며, 본 연구에서 실측한 결과에 따르면 40℃에서 점도가 광유는 12 cSt이고 식물유는 41 cSt이었으며, 절연내력은 비슷하였다.
그림 1 은 광유 및 식물유 변압기의 부하에 따른 온도상승값을 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 해당 부하에서 온도포화가 되었을 때 측정한 값으로 식물유가 광유에 비해 열전도율이 낮고, 점도가 높아 평균권선온도 및 유온상승이 높게 나타났다. 또한, 그림 1의 (a)에서와 같이 식물유의 평균온도상승은 부하 증가에 따라 광유와 일정온도 차이로 증가하는 특성을 보였지만, 평균권선 온도상승은 그림 1의 (b)와 같이 부하가 증가에 따라 상승 폭이 크게 나타났다.

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