[논문]방화벽 설치 환경에 따른 초고압변압기 온도상승 영향 연구

김철숙; 이승호; 김중경

문제 정의

본 연구에서는 변압기 설치 거리 및 주위 환경에 따라서 초고압변압기의 온도상승에 미치는 영향을 분석하였다. 실제 주위 방화벽 거리와 설치 환경에 차이가 있는 ODAF(Oil Direct Air Forced) 냉각방식의 초고압 변압기를 대상으로 주위 대기 온도를 측정하는 실험을 실시하였으며, 이를 개선할 수 있는 방안을 모색하기 위해 해석적인 접근방법을 사용하여 설치 기준을 정립하고자 한다.

가설 설정

이러한 실험 결과는 펌프를 사용하여 절연유 유속을 빠르게 가져가는 ODAF 냉각방식의 특성상 상하부 오일 온도차이가 일반적으로 약 5℃인 것을 감안한다면 ONAN과 ONAF(Oil Natural Air Forced) 냉각방식의 변압기에서는 더 크게 영향을 받을 것으로 판단된다. 또한 TR1과 TR2의 풍황 조건상 TR1 측정시 TR2보다 공기의 유속이 약 1.5배 높은 점을 고려한다면 동일한 풍황 조건시라고 가정한다면 온도차이는 더 커질 것이다.

제안 방법

TR1과 TR2의 주위 공기 온도상승 계산은 측정시 대기환경에 차이가 있기 때문에 상승(Rise)온도를 계산하여 결과를 비교하였다. 그림3을 통해 확인 할 수 있는 바와 같이 저압 붓싱측 방화벽 사이의 온도는 TR1과 TR2의 경우 약 2℃의 온도차이를 가지며, 고압측 방화벽 사이의 온도는 TR1과 TR2의 경우 동일한 1m 거리에서 약 4℃의 온도차이를 가지는 것으로 확인되었다.
본 논문에서는 방화벽 설치거리 및 설치환경이 초고압변압기 온도상승에 미치는 영향에 대하여 i) 방화벽 설치거리가 좌, 우측 1m, 2.5m으로 동일하지만 주위 건물의 높이가 차이가 있는 2가지 모델에 대해 실험을 수행 한 후 해석을 통하여 이를 검증하였고, ii) 방화벽 설치거리는 동일하고 주위 건물이 없는 경우, iii)방화벽 설치거리를 2.5m로 증가시킨 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 총 4가지 모델에 대한 실험과 해석을 통한 변압기 온도상승 영향을 분석한 결과는 다음과 같다.
본 연구의 해석 영역은 변압기를 주위로 50m×30m×30m의 공기영역을 구성하여 충분히 발달할 수 있도록 특성길이를 감안하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 변압기 설치 거리 및 주위 환경에 따라서 초고압변압기의 온도상승에 미치는 영향을 분석하였다. 실제 주위 방화벽 거리와 설치 환경에 차이가 있는 ODAF(Oil Direct Air Forced) 냉각방식의 초고압 변압기를 대상으로 주위 대기 온도를 측정하는 실험을 실시하였으며, 이를 개선할 수 있는 방안을 모색하기 위해 해석적인 접근방법을 사용하여 설치 기준을 정립하고자 한다.
실험과 해석을 통하여 확인 된 결과를 기준으로 개선 및 설치 기준을 확립하기 위해 해석을 통해 TR1 모델에서 주위 건물이 없는 모델(TR3)과 저압 붓싱측 방화벽의 거리를 고압 붓싱측과 동일하게 2.5m로 변경한 모델(TR4)의 온도 및 유속 특성을 확인하는 해석을 실시하였다. 그림 5는 온도분포 결과이며, 경계조건은 TR1과 동일한 조건으로 해석을 수행하였다.
TR2는 790MVA로 쿨러는 10조 설치되어 있고 방화벽사이 거리와 주위 건물 사이 거리는 1호기와 동일하지만 건물의 높이는 5m로 주위 건물 높이에 차이가 있다. 실험은 방화벽 및 주위 건물과 변압기 사이의 온도를 측정하였으며, 그림 1은 실험을 수행한 대상 변압기와 측정지점을 보여준다.
155㎧로 대기환경에 차이가 있었다. 해석모델은 실험 모델과 동일한 조건을 가진 모델과 기준을 제시 할 수 있는 방화벽 거리별 모델, 주위 건물 모델로 구성하여 해석을 통해 비교검증을 수행하였다. 본 연구의 해석 영역은 변압기를 주위로 50m×30m×30m의 공기영역을 구성하여 충분히 발달할 수 있도록 특성길이를 감안하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구의 해석 영역은 변압기를 주위로 50m×30m×30m의 공기영역을 구성하여 충분히 발달할 수 있도록 특성길이를 감안하여 해석을 수행하였다. 또한 해석의 경계조건은 실험에서 측정된 값과 동일한 대기환경이라 가정하여 사용하였으며 전체 격자수는 약 800만개이다. 입구 난류운동에너지 및 난류 소멸율은 난류의 특성길이 및 난류강도를 이용하여 계산 할 수 있다.

데이터처리

실험은 각 변압기 당 120개의 측정 지점을 가지며 측정 방법은 쿨러의 팬 블레이드에서 동일한 세 지점의 온도와 유속을 측정하였으며, 결과 확인은 평균치를 사용하였다. 측정에 사용된 계측기는 온도와 풍속을 동시에 측정할 수 있는 다기능 측정기로 온도 측정범위는 - 0～1760℃, 정확도는 ± 0.

이론/모형

지배방정식을 수치해석하기 위해 검사체적에 기초한 유한체적법을 사용하였으며, 복잡한 유동장을 고려하기 위해서 본 해석에서는 압력을 가정하여 운동량방정식을 해석한 후에 연속방정식을 만족하도록 압력과 속도를 보정해주는 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 알고리즘을 사용하여 이산화방정식의 해를 구한다. 연립 이산화방정식의 종속변수들은 TDMA (Tri-Diagonal Matrix Algorithm)를 적용하여 해를 구한다.
지배방정식을 수치해석하기 위해 검사체적에 기초한 유한체적법을 사용하였으며, 복잡한 유동장을 고려하기 위해서 본 해석에서는 압력을 가정하여 운동량방정식을 해석한 후에 연속방정식을 만족하도록 압력과 속도를 보정해주는 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 알고리즘을 사용하여 이산화방정식의 해를 구한다. 연립 이산화방정식의 종속변수들은 TDMA (Tri-Diagonal Matrix Algorithm)를 적용하여 해를 구한다.

성능/효과

(1) 방열기 주변의 외기 온도상승에 미치는 영향은 방화벽 설치거리 및 설치환경에 영향을 받으며, 정해진 거리 내에서 가열된 공기가 외부로 원활히 빠져나가지 못하고 외부의 차가운 공기도 유입되지 못하는 상황이 발생되어 변압기 온도상승에 악영향을 미칠 수 있다.
(2) 방화벽을 2면으로 설치할 경우 변압기와 방화벽의 거리를 1m로 설치하여도 변압기 주변의 공기의 온도상승에는 영향을 주지 않고, 변압기에도 큰 영향을 주지 않는다.
(3) 본 연구와 같이 변압기 주위 한 쪽으로 높은 건물이 있는 경우 또는 방화벽이 3면 이상으로 존재할 경우에는 방화벽의 설치거리를 2.5m이상으로 설치하면 주위 공기 온도상승에는 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
또한 그림 4 [C], [D]는 TR1과 TR2의 온도분포 해석결과를 보여주며, 실험과 유사한 경향을 나타냄을 확인하였다. TR1과 주위 건물사이로 차가운 외기가 쉽게 유입되지 못하는 정체 현상이 확인 되었으며, TR2와 비교했을 때 상대적으로 높은 온도를 가지는 공기가 저압 붓싱과 방화벽사이 공간으로 유입이 되는 현상이 나타난다. TR2의 경우 주위 건물이 낮아 저압 붓싱측 방화벽 사이뿐만 아니라 고압 붓싱측도 낮게 온도가 형성이 되는 것을 확인할 수 있다.
TR1과 TR2의 주위 공기 온도상승 계산은 측정시 대기환경에 차이가 있기 때문에 상승(Rise)온도를 계산하여 결과를 비교하였다. 그림3을 통해 확인 할 수 있는 바와 같이 저압 붓싱측 방화벽 사이의 온도는 TR1과 TR2의 경우 약 2℃의 온도차이를 가지며, 고압측 방화벽 사이의 온도는 TR1과 TR2의 경우 동일한 1m 거리에서 약 4℃의 온도차이를 가지는 것으로 확인되었다. 이는 변압기와 방화벽 사이의 거리가 1m인 저압측의 공기 순환이 외기와 잘 혼합되지 않아 공기의 냉각효과가 저감되는 것을 의미한다.
이는 변압기와 방화벽 사이의 거리가 1m인 저압측의 공기 순환이 외기와 잘 혼합되지 않아 공기의 냉각효과가 저감되는 것을 의미한다. 이러한 실험 결과는 펌프를 사용하여 절연유 유속을 빠르게 가져가는 ODAF 냉각방식의 특성상 상하부 오일 온도차이가 일반적으로 약 5℃인 것을 감안한다면 ONAN과 ONAF(Oil Natural Air Forced) 냉각방식의 변압기에서는 더 크게 영향을 받을 것으로 판단된다. 또한 TR1과 TR2의 풍황 조건상 TR1 측정시 TR2보다 공기의 유속이 약 1.
해석결과 TR3의 경우 주위 건물이 없기 때문에 저압 붓싱측의 온도분포가 고압 붓싱측과 유사해졌으며, TR1과 비교하여 방화벽 사이의 평균온도는 약 10℃ 낮아졌으며, 최고온도는 약 16℃ 낮아졌다. TR4의 경우 온도저감 효과는 TR3에 비하여 떨어지지만 TR1에 비하여 방화벽 사이의 평균온도는 약 7℃, 최고온도는 약 12℃ 낮아지는 것을 확인하였다.

후속연구

(4) 본 연구결과는 방화벽의 설치거리와 주위 건축물 배치에 대한 기초 자료로 활용할 수 있다.

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