[논문]전력용 변압기의 단락강도 해석

최영길

전력용 변압기의 단락강도 해석
Computational Analysis of Short-Circuit Stresses in Power Transformer Windings 원문보기

최영길 (한국전기연구원)

This paper describes the work performed by computer simulation to achieve a satisfactory method of predicting the short circuit withstand strength of transformer which, may be too big for test due to physical or economic reasons. In fact, the windings of power transformer are subjected to extremely severe stresses under short-circuit condition. From our work, however, were computed such stresses as buckling, tending and compression occurring in transformer windings.

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문제 정의

이러한 요건에 대하여 설계시 다음의 두가지 1) 전자력의 계산과 측청 2) 변압기 권선간 작용하는 전자력에 대한 고려가 요구된다. 본 논문에서는 이러한 두가지 측면중 우선적으로 전자력 계산에 대하여 기술하고자 한다.

가설 설정

1) 축대칭 원통으로 가정한다. 따라서, Limb은 완전한 원통, 수평 Yoke는 무한길이의 평판, 그리고 자속회귀선에 대해 수직 Yoke는 내부반경 r2의 원통으로 표현한다
2) 변압기 권선간 작용하는 전자력에 대한 고려가 요구된다. 본 논문에서는 이러한 두가지 측면중 우선적으로 전자력 계산에 대하여 기술하고자 한다.
2) 철의 투장율은 무한대로 가정한다. 즉, 자기력선은 모든 점에서 철과 대기사이의 경계표면에 수직하다.
3) 모든 단면적은 직사각의 단면적을 가진다. 즉, 축방향에 따른 권선의 반경치수예 변화가 없다고 가정한다.
4) 매 권선에 있어 전류말도는 반경방향으로 일정하다고 가정한다. 따라서, 매 권선의 전류빌도 J(z)(s)를 반경에 무관하다고 정의할 수 있어, 해당 권선은 임의의 부분에서 계단형식의 일정한 값으로 나타낼 수 있다.
3) 모든 단면적은 직사각의 단면적을 가진다. 즉, 축방향에 따른 권선의 반경치수예 변화가 없다고 가정한다.

제안 방법

변압기내 전자력 계산은 변압기내 누설자속의 분포를 먼저 알아야 하며, 이를 위해서 2차원 축대칭 해석프로그램을 개발하였다. 결론적으로 본 논문의 모델 변압기 해석결과로서, 1) 반경방향 힘을 고려할 경우 고압권선도체는 (+)반경방향 힘의 영향에 의해 (+)반경방향으로 팽창강도(tensile stress)를 받는 반면, 음(-)의 반경방향힘에 영향을 받는 저압권선도체는 (-)반경방향으로 압축강도(compressive stress)를 받는 것을 볼 수 있었다.
전력용 변압기에서의 단락강도를 계산할 수 있는 해석프로그램을 개발하여, 400kVA 6600/220V 모델변압기에 적용하였다. 이상의 내용과 같이 변압기내 힘의 분포와 기자력의 형태를 가시적으로 이해할 수 있어, 변압기 설계시 유용할 것으로 여겨진다.

성능/효과

1) 반경방향 힘을 고려할 경우 고압권선도체는 (+)반경방향 힘의 영향에 의해 (+)반경방향으로 팽창강도(tensile stress)를 받는 반면, 음(-)의 반경방향힘에 영향을 받는 저압권선도체는 (-)반경방향으로 압축강도(compressive stress)를 받는 것을 볼 수 있었다. 또한, 2) 축방향 힘을 고려할 경우 고압권선 도체에서는 축상 양 선단에서 중심을 향하여 집중하는 압축강도가 일어나고 저압권선 도체에서는 선단부에 압축강도가, 중심부에 팽창강도가 나타남을 알 수 있었다.
결론적으로 본 논문의 모델 변압기 해석결과로서, 1) 반경방향 힘을 고려할 경우 고압권선도체는 (+)반경방향 힘의 영향에 의해 (+)반경방향으로 팽창강도(tensile stress)를 받는 반면, 음(-)의 반경방향힘에 영향을 받는 저압권선도체는 (-)반경방향으로 압축강도(compressive stress)를 받는 것을 볼 수 있었다. 또한, 2) 축방향 힘을 고려할 경우 고압권선 도체에서는 축상 양 선단에서 중심을 향하여 집중하는 압축강도가 일어나고 저압권선 도체에서는 선단부에 압축강도가, 중심부에 팽창강도가 나타남을 알 수 있었다.
또한, 본 논문의 해석결과가 선진국에서 기시행한 결과와 그 형식면에서 유사한 결과를 얻었으며, 제 특성(자속밀도, 전자력, 기자력분포등에 있어서도 잘 일치하는 것으로 판단된다.

후속연구

이상의 내용과 같이 변압기내 힘의 분포와 기자력의 형태를 가시적으로 이해할 수 있어, 변압기 설계시 유용할 것으로 여겨진다.

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