Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 12, No. 11 pp. 5188-5193, 2011 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2011.12.11.5188 변압기용절연유의특성에관한실험적연구 김성대 1*, 박일수 2 1 동명대학교전기공학과, 2 동명대학교냉동공조공학과 A study on an experimental basis a special character of insulating oil the use of a transformers Sung-Dae Kim 1* and il-soo Park 2 1 Department of Electrical Engineering, Tongmyong University 2 Department of Refrigeration Engineering, Tongmyong University 요약본연구는변압기내부에있는절연유의온도제어를목적으로열전소자인펠티어소자와무전력냉각장치인 Heat pipe를이용한다양한시스템을설계제작하여, 절연유의용량별온도제어에적용함으로써최적의시스템을구현할수있었다. 실험을통하여 60 이내의상태에서는 Heat pipe 100 W + 펠티어 100 W의조합형이순수 Heat pipe 300 W보다탁월한성능을확인할수있었다. 이를통하여조합형의적정설계방식이우수하다는것을증명하고, 조합형을사용함으로써전기절약효과와수배전반의보다더효율적인관리에기여하고자한다. Abstract This research is for temperature control of insulating oil inside the transformer. After I designed and manufactured various systems using Peltier element, which was thermal element,and Heat pipe,which was a cooling system, without electric power. The optimum system could be made by applying them to the temperature control for the insulating oil. I could verify that the combination type of Heat pipe 100 W+ Peltier 100W has a more outstanding capacity than pure Heat pipe 300 W within 60 degrees Celsius through experiments. Through this, I verify that the method of a proper design is prominent, and make an attempt at contribution to power saving effect and more effective control of Distributing board by using this combination type. Key Words : Peltier element, Heat pipe, Temperature control, Distributing board, Insulating oil 1. 서론 현재 22.9 kv급에서사용되는수배전반시스템은주로각건축현장의가장외진지역이나지하실혹은외곽에설치되었던관계로수배전반기기자체의효율성, 안전성, 노후화로인한전력낭비및대형사고에노출되는등불합리한점이많았다. 각수용가의정전원인이수배전반내부기기의노후화로인한내부기기부식과단락사고, 결로현상으로정전및 2차적으로대형화재가발생하여인명피해와더불어경제적손실이매우크다. 또한사고발생시복구에시간이많이걸리며이로인한유지관리인원이많이소요된다. 이러한산재된문제점들을해결하기위하여요즘들어전력IT를응용한원격감시시스템개발 이변화하고있으며, 가격은다소상승하더라도수배전반이소형화되고수배전반에너지효율을극대화하면서유지보수비용이저렴한신뢰도가높은제품이선호되고있는추세이다. 따라서수배전반의노후화문제를개선함과동시에수배전반내부의온 습도를최적화하여수배전반의전기적효율을극대화함을목적으로하였다. 이러한시스템을구상하기위하여기존의수배전반의온 습도효율을개선하기위하여열전소자인펠티어소자와무전력냉각장치인 Heat pipe를적용하여수배전반의내부온도를상승시키는가장큰원인을제공하는변압기의온도를저하시킴으로써수배전반내부기기의수명연장및기기의전기적효율을극대화하고자한다. * 교신저자 : 김성대 (jbksd@tu.ac.kr) 접수일 11 년 10 월 20 일수정일 11 년 11 월 03 일게재확정일 11 년 11 월 10 일 5188
변압기용절연유의특성에관한실험적연구 본논문은변압기내부의절연유를온도제어를통하여열전소자인펠티어소자와무전력냉각장치인 Heat pipe 를이용하여각온도영역대별로온도변화를고찰하여수배전반의보다더효율적인관리에기여하고자한다. 그림 1은수배전반에서적용될펠티어소자와 Heat pipe가설치된모델링이다. 부와관의내부에는끓는점이낮은액체를사용하여증발부에서열을흡수하면관속의액체가기화되어단열부를지나방열판이있는응축부로전달되어열을방출하면서기체가액화되어다시증발부로돌아가는방식으로전력의사용이필요없다는장점을착안하였으며변압기내부의절연유를직접접촉냉각시킴으로써냉각효과의향상을도모할수있다. 그리고본연구에서는히트파이프의증발부와응축부에각각방열판을설치하여냉각성능을향상시켰다. 3. 실험장치설계요소 [ 그림 1] 펠티어소자와 Heat pipe 가적용된수배전반모델링 [Fig. 1] Modeling of Distributing board applied pertier element and heat pipe 2. 펠티어소자와 Heat pipe 시스템 2.1 펠티어소자원리및적용 펠티어소자는다른두금속으로구성되어있어소자에직류전류를흘리면소자의한면에서는열을흡수하고다른면에서는흡수된열을방출시키므로냉매가필요없으며친환경적인소재이며또한저전력사용으로전기료를절약할수있는경제적효과를극대화할수있다. 3.1 변압기온도저감고려사항 (1) 온도와저항의관계도체의저항은온도에따라서변화하며온도의상승에따라서저항값이증가하는것과반대로감소하는것이있다. 일반적으로금속은온도의상승에따라저항값이증가하지만탄소, 반도체및절연등은감소한다. 금속의저항값은온도상승에비례하여직선적으로증가한다. (2) 온도계수 (TCR) 모든물질은온도에따라전기저항값이변화하며저항기역시온도에따라저항값이변한다. 온도계수는이변화를나타내기위한값이며, 재료의저항값은온도의증감에따라저항값이직선적으로변화하는경우에는저항온도계수 (TCR) 를사용한다. (1) 에서의온도계수는, [ 그림 2] 펠티어소자의원리도 [Fig. 2] Principle diagram of pertier element (2) 그리하여본연구의수배전반의내부온도를조절하는데펠티어소자가적절하다고판단되어적용하였다. 그림 2는연구에적용된펠티어소자의원리도를나타내고있다. 2.2 Heat pipe 원리및적용히트파이프는관의양끝에열을흡수하는증발부와열을방출하는응축부로이루어졌으며관의중간은단열 이다. 온도변화에따른저항의변화를구하는식은,,, (3) 5189
한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 3.2 온도제어기설계 기존에있는제어장치는온도의편차가크기때문에 사용에어려움이히터를실험목적에알맞게설계하였으며, 변압기의내부환경과동일하게설계하기위해서는히터의열량제어도필요하다. 히터의열용량 는, (4) : 질량 ( ), : 비열 ( ), : 온도변화 ( ) 이며, 전력은 (5) 주울열은, (6) 4. 실험결과고찰 변압기내부의절연유를냉각시키기위하여 Heat의용량을 100 W, 200 W, 300 W, 500 W의 4가지조건과절연유 10 l, 15 l, 20 l의 3가지조건으로 2시간동안각각 5회반복하여정적보정과동적보정을위하여반복측정하여온도의변화를고찰하였다. [ 표 1] 실험조건 [Table 1] Experimental conditions 절연유히터 100 W 150 W 200 W 10 l 15 l 20 l 이다. 변압기온도저감고려사항과온도제어기설계의이론적근거를토대로히터용량과펠티어소자용량을산정하는데참고하여설계하였다. [ 그림 3] 실험장치사진 [Fig. 3] Experimental device photo 그림 3은실험사진이며, 그림 4는실험장치구성도를나타내고있다. [ 그림 5] 실험분석흐름도 [Fig. 5] Event diagram of experimental analysis [ 그림 4] 실험장치구성도 [Fig. 4] Experimental device configuration 실험의조건은 5가지종류 Heat pipe 없는경우, 100 W(Heat pipe), 200 W( 펠티어 100 W+ Heat pipe 100 W), 300 W(Heat pipe), 500 W(Heat pipe) 의조건을같이한상태에서실험을수행하였으며그림 7부터그림 12까지동일조건을비교분석하였다. 표 1은실험조건을간단하게나타내었다. 또한그림 5는실험분석흐름도이다. 다음의그림 6은순수 Heat pipe 100 W와 Heat pipe 100 W+ 펠티어 100 W 조합형을직접설계제작하여실험수행에사용한사진이다. 5190
변압기용절연유의특성에관한실험적연구 상승속도가온도제어력의한계보다빠르게반응하여효과가없는것으로판단된다. (a) Heat pipe (b) Heat pipe+ 펠티어조합형 [ 그림 6] Heat pipe(100 W+5=500 W) 와펠티어 (100 W) + Heat pipe(100 W) 조합형사진 [Fig. 6] Photo of combined Heat pipe(100 W+5=500 W) and peltier(100w)+heat pipe(100w) 그림 7은절연유 10 l와 Heat 100 W를투입한상태에서동일조건으로실험을수행하여비교측정한값들을나타낸것이다. 실험결과전체적으로온도계수의영향에따라비례적인상태를나타내고있으나 Heat pipe 300 W 와 Heat pipe 100 W+ 펠티어 100 W의조합형이 100분이후부터는같은온도분포를보여효과적인온도제어력과절전효과를보여주고있다. [ 그림 9] 절연유 10 l- Heat 200 W 의실험 Data [Fig. 9] Experimental data of haet 200W [ 그림 10] 절연유 15 l- Heat 200 W 의실험 Data [Fig. 10] Experimental data of haet 200W [ 그림 7] 절연유 10 l- Heat 100 W 의실험 Data [Fig. 7] Experimental data of haet 100W [ 그림 8] 절연유 10 l- Heat 150 W 의실험 Data [Fig. 8] Experimental data of haet 150W 그림 9는절연유 10 l와 Heat 100 W를투입한상태에서동일조건으로실험을수행하여비교측정한값들을나타낸것이다. 실험결과 Heat 용량이증가함에더욱더확연히온도의비례적현상을나타내고있다. 이상과같이절연유 10 l에히터의용량을 50 W씩단계적으로상승시켜본결과변압기의온도가 60 이상상승이되면 Heat pipe 100 W+ 펠티어 100 W의조합형이별효과가없다는것을확인할수있었다. 그림 10은절연유 15 l와 Heat 200 W를투입한상태에서동일조건으로실험을수행하여비교측정한값들을나타낸것이다. 실험결과그림 8과같은현상을보이고있으며절연유의용량과 Heat의용량과의상관성에대하여기준을찾을수있었다. 여기에서도 Heat pipe 100 W+ 펠티어 100 W의조합형이우수한성능을보이고있다. 그림 8은절연유 10 l와 Heat 150 W를투입한상태에서동일조건으로실험을수행하여비교측정한값들을나타낸것이다. 실험결과그림 7에서나타난 200 W 조합형의효과가조건별로별다른특징이없는이유는온도 5191
한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 [ 그림 11] 절연유 20 l- Heat 200 W 의실험 Data [Fig. 11] Experimental data of haet 200W 그림 11은절연유 20 l와 Heat 200 W를투입한상태에서동일조건으로실험을수행하여비교측정한값들을나타낸것이다. 실험결과그림 10보다는각용량별온도의격차폭이조밀한형태를보이고있다. 이러한이유는 Heat pipe의냉각성능에한계점을가진것으로사료된다. [ 그림 12] 절연유 10 l- Heat 100 W 일때 38 43 자동온도제어실험 Data [Fig. 12] Auto temperature control experimental data of haet 100W of 38 43 그림 12는절연유 10 l와 Heat 100 W를투입한상태에서 2시간동안자동온도조절기 38 43 를사용하여동일조건으로실험을수행하여비교측정한값들을나타낸것이다. 실험결과에서보듯이 Heat pipe 100 W+ 펠티어 100 W의조합형이온도의변화에따른제어능력이안정적이라는것을볼수있다. 1. 위실험조건에서확인한결과절연유의온도가 60 를초과하면 Heat pipe의성능이크게저하한다. 2. 60 이내의상태에서는 Heat pipe 100 W+ 펠티어 100 W의조합형이순수 Heat pipe 300 W보다탁월한성능을보였다. 3. 온도절기를부착한상태에서는더욱더조합형이성능발휘가우수하다는것을확인하였다. 4. 이상과같은실험에서조합형의적정설계방식이우수하다는것을증명하고, 조합형을사용함으로써전기절약효과와수배전반의보다더효율적인관리에기여하고자한다. References [1] Sadik, K. and Hongtan, L., "Heat Exchangers selection, rating and thermal design, 2ed.," CRC press, 2002. [2] Incropera, F. P. and DeWitt, D. P., "Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4ed.," John Wiley & Sons, 1996. [3] Lee, Y. S., Park, K. H., Ra, H. s. and Kang, H. K., " A Study on the Operating Characteristics of the Naphthalene Heat Pipe," Proceedings of the KSME Spring Annual Conference, pp. 2100-2104, 2005. [4] Vogel, M., Xu, G., " Low Profile Heat Sink Cooling Technologies for Next Generation CPU Thermal Designs," ElectronicsCooling, Vol. 11, No. 1, pp. 20-26, 2005. [5] N. J. Lamfon, M. Akyurt. and Y. S. H. Najjar, " Waste Heat Recovery Using Looped Heat Pipers for Air Cooling," Heat Recovery Systems & CHP, Vol. 4, pp. 365-376, 1994. [6] S. Chengming, X. Mingdal and C. Yuanguo, "Analysis of Three-Fluid Separate Type Heat Pipe Exchanger," Heat Recovery Systems & CHP, Vol. 12, No. 4, pp. 317-322, 1992 5. 결론 펠티어소자와히트파이프를이용한절연유의냉각성능향상을위한실험적연구한결과다음과같은결론을얻었다. 5192
변압기용절연유의특성에관한실험적연구 김성대 (Sung-dae Kim) [ 정회원 ] 1986 년 2 월 : 동아대학교일반대학원전자공학과 ( 공학석사 ) 1996 년 2 월 : 동아대학교일반대학원전자공학과 ( 공학박사 ) 1991 년 3 월 ~ 현재 : 동명대학교전기공학과부교수 < 관심분야 > 계측및제어, 전자공학 박일수 (Il-soo Park) [ 정회원 ] 1991 년 2 월 : 동아대학교일반대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 동아대학교일반대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 1997 년 3 월 ~ 2001 년 2 월 : 동아대학교생산기술연구소연구원 2001 년 3 월 ~ 현재 : 동명대학교냉동공조공학과교수 < 관심분야 > 생산및제어, 기계공학 5193