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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 3 pp , ISSN / eissn 몰드형건식계기용변압기진동특성분석 김무선 1*, 장동욱 2, 김승모 3 1 한국철도기술연구원광역도시철도융합연구실, 2 한국철도기술연구원무선급전연구팀, 3 한국기술교육대학교기계공학부 Analysis of Vibration Characteristics for a Molded Dry-type Potential Transformer Moosun Kim 1*, Dong Uk Jang 2, Seung Mo Kim 3 1 Metropolitan Transit Convergence Research Division, Korea Railroad Research Institute 2 Wireless Power Transfer System Research Team, Korea Railroad Research Institute 3 Korea University of Technology and Education, School of Mechanical Engineering 요약현재철도차량에쓰이고있는대부분의계기용변압기는장치내부에절연유가충진되어있는유입식계기용변압기방식으로서, 내구연한도래와더불어차량운행중내부압력상승에의해폭발의위험성이있다. 이에대한해결책으로절연수지를사용하여방압기능이탁월한몰드형건식계기용변압기개발이필요하다. 이에제품의국산화가가능하도록한국철도기술연구원에서는몰드형건식계기용변압기를개발진행중에있다. 그연구의일환으로개발제품의진동특성분석과함께, 진동환경하에서변압기의성능유지여부를확인하여야한다. 이번연구에서는철도차량부품의진동시험방법규격인 KS R 9144 및 IEC 에따라서개발제품의공진시험과모의장기수명시험을진행하였다. 고유진동수는해석을통한모달분석과공진시험을병행하여결과를비교분석하였으며규격조건을만족함을확인하였다. 또한모의장기수명시험후성능시험을통해오랜시간진동환경하에서도개발변압기의기능에문제가없음을확인하였다. Abstract Most of the present potential transformers of train vehicles are of the oil-type filled with insulating oil and are susceptible to problems such as explosion due to the increase in the internal pressure during train operation and poor reliability near the end of their life cycle. As a solution to this problem, it is necessary to develop a molded dry-type potential transformer with excellent pressure-resistance performance using insulating resin. In order to localize the product, the Korea Railroad Research Institute has been developing a molded dry-type potential transformer. As part of this research, it is necessary to analyze the vibration characteristics of the developed product and to check the transformer performance in a vibration environment. In this study, a resonance test and simulated long-term life test of the developed product were conducted according to the KS R 9144 and IEC standards, respectively, which are vibration test methods for railway vehicle parts. Their natural frequencies were analyzed by comparing the results of the numerical modal analysis and resonance test, in order to confirm their adherence to the standards. Also, the performance test after the simulated long-term life test confirmed that the operation of the developed transformer was not problematic even in a long-time vibration environment. Keywords : Dry-type transformer, FEM, Modal analysis, Simulated long-life test, Vibration test 본연구는한국철도기술연구원주요사업의연구비지원으로수행되었음 * Corresponding Author : Moosun Kim(Korea Railroad Research Institute) Tel: mskim@krri.re.kr Received November 25, 2016 Accepted March 10, 서론 최근 20 년이넘은교류급전시스템의전동차에서적 용되고있는유입식계기용변압기의내구연한도래로인해, 전동차사고발생에따른운행지연문제가발생하고있다. 유입식계기용변압기는하우징이자기제재질 Revised (1st February 17, 2017, 2nd February 20, 2017) Published March 31,

2 한국산학기술학회논문지제 18 권제 3 호, 2017 로구성되고, 내부는절연유로채워져있는형태인데내부에서절연열화및절연파괴등으로과전류가흐를경우내부압력상승으로인해폭발이발생할수있다. 또한 2차사고로외부절연물이비산되어전차선로주변의건물이나사람들에게피해를줄수있으므로, 주기적으로절연유유지보수작업등이필요하다. 변압기장애는연간 2~3건이발생하고있으며, 코레일은 2014년부터해외에서개발된비폭발성건식계기용변압기의성능검증을진행하여기존유입식계기용변압기를대체중에있다. 몰드형건식계기용변압기는 1946년에유럽에서처음개발된후, 일본에서는 1952년에 11[kV]/110[V] 단상 200[VA] 급계기용변압기가개발되어실용화된이후로에폭시성형또는배합기술의발달에의해서전기절연재료로서우수한전기적특성및기계적강도가뛰어나기존의유입식계기용변압기의대체물로급격하게증가하였다.[1] 몰드를구성하는에폭시수지는소재개량에따라서다양한물리적, 화학적성질을지닌재료로만들수있어전기적으로회전기, 변압기및변성기류의절연과부싱및절연판등의전기절연재료로널리쓰이고있다.[2,3] 위와같이, 몰드형건식계기용변압기의장점과소재개선등으로인해그적용은확대될것이며, 그런추세에맞춰, 국산화를할수있는기술개발이절실히요구된다. 계기용변압기를비롯한철도차량에쓰이는부품개발을위해고려되어야할주요사항중하나는제품의진동특성분석과함께, 진동환경하에서의제품성능유지여부를확인하는것이다. 대표적인진동시험규격으로는 KS R 9144[4], KS R 9146[5] 및 IEC 61373[6] 등이있다. 진동시험에관한연구로, Kim[7] 은앞서언급한대표적인진동시험규격들을대상으로각규격의상대적비교분석을수행하였으며, Choi[8] 는 UIC 518에따른고속철도차량진동가속도분석을연구하였다. 또한 Kim[9] 은복합재철도차량차체를대상으로고유진동수해석과시험을수행하였다. 전력장비의진동관련연구로 Cho[10] 는발전기변류기를대상으로공진특성에관한분석연구를진행하였다. 이번연구에서는현재개발진행중인몰드형건식계기용변압기시작품을대상으로 FEM 해석을통한모달해석결과와철도차량부품의진동시험방법규격인 KS R 9144 기준으로측정한고유진동수측정값비교및 IEC 기준으로진동내구시험에따른개발품의성능시험결과에관한연구를진행하였다. 2. 본론 2.1 몰드형건식계기용변압기구성 현재개발진행중인변압기의기본사양은단상 25000/120V, 60Hz, 60VA 를목표로한다. 변압기구성은권선코어를절연용에폭시수지몰드에함침및경화하여제작된코어부를복합소재및폴리머재질의외부하우징과알루미늄재질의하부플레이트및스테인레스스틸재질의상부플레이트로보호하게된다. Fig.1 에변압기형태를나타내었다. 변압기주요부분에사용된소재물성을 Table 1 에정리하였다. 이중 FRP는복합소재로서방향성을가지는데, 적층각도를고르게배열하기때문에물성도평면방향으로준등방성을가진다고가정하였다. Fig. 1. Core and housing of transformer Table 1. Material properties of main parts Elastic Modulus (kgf/mm 2 ) Poisson s ratio Density (kg/m 3 ) Stainless steel Aluminum FRP Epoxy 고유치해석 개발변압기의고유치예측을위해수치해석모델링을진행하였다. 탄성체의고유치계산식은식 (1) 과같다. (1) 210

3 몰드형 건식 계기용 변압기 진동 특성 분석 이 때,, M 및 K는 각각 고유치, 질량 행렬, 강성 행렬 을, 는 고유벡터를 나타내며 m과 n은 해석시 자유도와 모드 차수를 의미한다. Fig.2 에 해석을 위한 모델링을 나타내었다. 각 파트 에 해당하는 물성은 Table 1의 값을 적용하였다. (a) Fig. 2. Modeling for numerical modal analysis (b) Fig. 4. Numerical modal shape of (a) 1st bending mode and (b)1st vertical mode of transformer 해석을 위해 유한요소 전용 해석프로그램인 ABAQUS를 활용하였다. 적용한 요소는 C3D4 사면체 요소이며, 메 시 생성 방법은 free meshing을 적용하여, 총 요소수는 33,200개이다. 그리고 고유치 계산 방법으로 LANCZOS 2.3 공진 시험 eigensolver를 적용하였다. 변압기 고유치 해석 결과 검증을 위해 공진시험을 진 해석에 적용된 경계조건은 Fig.3에 나타낸 바와 같이 행하였다. 공진시험은 KS R 9144 규격 기준을 따랐다. 하부면의 볼트 체결부위에 ux = uy = uz = uxy = uxz = 변압기는 차체에 부착되는 부품으로서 KS R 9144 규격 uyz = 0 와 같이 모든 변위 구속조건을, 하부면에는 uz=0 에서 정의하는 1종 부품에 해당하며 그에 따른 가진 진 의 구속조건을 부여하였다. 동수 범위는 1~30Hz 이다. 이 범위 이내에 공진이 없으 면 공진회피 설계를 만족하는 것으로 고려할 수 있다. 해 석상으로 1차 굽힘 변형 모드 주파수가 30Hz 이상에서 발생될 거라 예상되므로 최고 주파수 범위를 500 Hz까 지 지정하여 시험을 진행하였다. 이 때 1~5Hz까지는 온 진폭 5mm 기준으로, 5Hz 이상에서는 가속도 온진폭 기 준 0.5G로 지정하여 정현파 가진을 진행한다. KS R 9144 규격에서는 제품의 전후, 좌우 및 상하의 직교 3방 향으로 가진하게끔 되어 있는데. 이번 경우에는 제품의 Fig. 3. Boundary condition for numerical modal analysis 대칭형태로 인해 전후 및 상하 가진, 2가지 경우에 대해 수행하였다. 전후 공진 시험과 상하 공진 시험을 위하여 Fig. 4에 해석결과로부터 얻어진 1차 굽힘 변형 모드 진동 시험기에 변압기를 각각 Fig.5의 (a)와 (b)와 같이 와 수직 변형 모드 형태를 나타내었다. 1차 굽힘 변형 모 장착하였다. 진동 측정을 위한 가속도 센서는 상부 플레 드의 해석 결과값은 305Hz이며 1차 수직 변형 모드 결 이트의 중앙에 장착하였다. 과값은 719Hz를 나다낸다. 211

4 한국산학기술학회논문지제 18 권제 3 호, 모의장기수명시험변압기성능내구시험을위해 IEC 61373에서정의한모의장기수명시험을우선진행하였다. 이때가진조건으로주어지는진동스펙트럼을 Fig.7 에나타내었다. (a) Fig. 7. Spectrum of excitation in IEC test (b) Fig. 5. Equipment installation for vibration test in (a) x-axis and (b) z-axis 전후가진시험에서는 Fig. 6과같이 1차굽힘변형모드의고유진동수는약 316Hz에서가짐을알수있었다. 이값은수치해석을통해얻어진 305Hz 값과약 3% 의오차를보인다. 상하가진시험결과에서는전후가진시험과달리 500 Hz 이내에서는수직변형모드에해당하는특이공진점이나타나지않았다. IEC 규격에따라서변압기는 1종 A 등급에해당하며 500kg 미만이기때문에주파수범위를 f 1=5 Hz 와 f 2=150 Hz로정의하고진동가속도는전후방향으로 (m/s 2 ) 2 /Hz, 좌우방향으로 (m/s 2 ) 2 /Hz, 상하방향으로 (m/s 2 ) 2 /Hz로가진조건을정의하였다. 시험시간은 3개방향으로각 5 시간씩가진하였다. 시험전후기능확인을위해주요기능인충격절연강도, 상용주파내전압시험, 유도내전압시험, 절연저항측정시험및권선저항측정시험을진행하였다. 각시험에관한실시방안을아래와같이정리하였다. Fig. 6. Natural frequency of the 1st bending mode of transformer 시험결과에서알수있는바와같이개발품의고유진동수가 1종부품에해당하는공진점 30Hz 이상에서존재하므로공진회피설계를만족함을알수있다. Test 1) 충격절연강도 (IEC ) : 170kV/(1.2/50μs) 의충격전압을정 / 부각각 15회인가했을때이상이없을것 Test 2) 상용주파내전압시험 (IEC ) : 정격주파수의정현파에가까운교류전압을인가하여작동이상없을것 Test 3) 유도내전압시험 (IEC ): 1차권선단자간에시험주파수 50~500Hz에서시험전압 75kV를유도시켜정해진시간동안이상없을것 Test 4) 절연저항측정시험 : 1차권선-접지간, 1차권선-2차권선간, 2차권선-접지간 1,000V 전압에서절연저항 2,000MΩ 이상일것 Test 5) 권선저항측정 : 저항계에의해 1차권선과 2차권선의저항을측정함, 도통및저항치기준과의상이여부확인 212

5 몰드형건식계기용변압기진동특성분석 기능시험결과, Test 1, 2, 3 항목에관하여시험조건에서작동이상이없음을확인했으며, Test 4항목은진동시험이전과이후에 1,000V 전압에서 2,000MΩ 이상의저항치를가짐을확인하였다. 마지막으로 Test 5 항목에서 1차권선과 2차권선의저항치는진동시험이전에는각 kω과 1.0Ω을보였으며, 진동시험이후 24.72kΩ과 1.3Ω의값을가짐을확인하였다. 따라서개발변압기의작동이필요기능시험항목에서이상없음을보였다. Fig.8은각항목시험실시장면을보여준다. (d) test 4 (a) test 1 (e) test 5 Fig. 8. Function test after simulated long-life test 3. 결론 (b) test 2 (c) test 3 이번연구에서는기존유입식계기용변압기의폭발위험성을제거할수있는몰드형건식계기용변압기시작품을제작하여철도부품진동시험규격에따라진동특성및성능시험을진행하였다. 이를토대로도출된연구결과를다음과같이요약하였다. 1. FEM을통한모달해석결과 1차굽힘변형모드고유진동수는 305Hz이며, 1차수직변형모드결과는 719Hz를나타낸다. 2. KS R 9144 규격에따라 1~500Hz 범위까지공진시험결과, 1차굽힘모드는 316Hz에서발생하였으며, 수직변형모드는특이점을보이지않았다. 1차굽힘모드시험치와수치해석결과의오차는약 3% 이며, 1차모드값이 30Hz 이상이므로공진회피설계를만족하였다. 3. IEC 규격기준으로진동내구시험에해당하는모의장기수명시험을실시한결과, 변압기 213

6 한국산학기술학회논문지제 18 권제 3 호, 2017 성능을나타내는주요시험항목에서이상없음을확인하였다. 4. 본연구결과로부터, 몰드형건식계기용변압기개발시작품의설계방안이철도부품진동규격에적합함을검증하였다. References [1] I. Mihosha, Instrument transformers, Electric Book in Japan, p , [2] K. H. Cho, C. H. Jang, The Design and Test Technology of Metering Out Fit, KIEE Summer Conference 2003, p , [3] T. Hasegawa, Application Technology of Molded products in the Field, Takaoka Review, vol. 43, no. 4, p.66-72, [4] Korean Agency for Technology and Standards (1992), Test methods for vibration of parts of railway rolling stock, KS R9144. [5] Korean Agency for Technology and Standards (2002) Railway rolling stock parts-test methods for shock, KS R9146 [6] International Electrical Commission (2010) Railway application-rolling stock equipment-shock and vibration tests, IEC [7] Y. G. Kim, C. Park, J. H. R, "Comparison and Analysis of Vibration and Shock Test Methods for Rolling Stock Equipment", Journal of the Korean Society for Railway, vol. 16, no. 4, pp , DOI: [8] I. Y. Choi, N. P. Kim, J. S. Lee, J. Lim, "Analysis of the acceleration measured on Korea and France high speed railways using UIC518 code", Journal of the Korea Academy-Industrial cooperation Society, vol. 16, no. 12, pp , DOI: [9] J. S. Kim, J. C. Jeong, S. H. Cho, S. I. Seo, "Analytical and Experimental Studies on the Natural frequency of a Composite Train Carbody", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers-A, vol. 30, no. 4, pp , DOI: [10] C. W. Cho, S. T. Cho, K. H. Yang, K. J. Ann, H. Y. Lee,"Activities to attain integrity of generator current transformer", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, vol. 16, no. 1, pp , DOI: 김무선 (Moosun Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 최적화, 열유동및구조해석 2002 년 2 월 : 서울대학교공과대학기계항공공학부 ( 공학석사 ) 2008 년 2 월 : 서울대학교공과대학기계항공공학부 ( 공학박사 ) 2008 년 7 월 ~ 2012 년 8 월 : 현대자동차남양연구소책임연구원 2012 년 8 월 ~ 현재 : 한국철도기술연구원선임연구원 장동욱 (Dong Uk Jang) [ 정회원 ] < 관심분야 > 전기철도, 절연재료, 고전압 1998 년 2 월 : 충북대학교공과대학전기공학과 ( 학사 ) 2000 년 2 월 : 충북대학교공과대학전기공학과 ( 석사 ) 2000 년 8 월 ~ 현재 : 한국철도기술연구원선임연구원 김승모 (Seung Mo Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 최적화, 열유동및구조해석 2001 년 2 월 : 서울대학교공과대학기계항공공학부 ( 학사 ) 2007 년 8 월 : 서울대학교공과대학기계공학과 ( 박사 ) 2007 년 9 월 ~ 2012 년 2 월 : 삼성전자반도체연구소책임연구원 2012 년 3 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교교수 214