변압기설계팀
목차 Ⅰ. 변압기기본이론 Ⅱ. 절연 (Insulation) Ⅲ. 온도 (Temperature) Ⅳ. 주요주변장치 별첨. 변압기제작주요공정 1/41
Ⅰ. 변압기기본이론 Before start(1) 페러데이 + 렌츠의 법칙 자석의자력선 Coil의자력선 Coil의전류 전류가반대로흐름 1. 자연적인 ( 물리적인 ) 현상 => 과학적발견, 발명X 2. 오감 ( 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각 ) 으로느끼기어려움 3. 직접적인방법이아닌간접적으로존재를확인 4. 현상이해를위하여물리 ( 수학 ) 적인지식이필요 5. 이론적인기초가없으면? => 내용단순화! 속이빈원통 전류의방향자력선의방향 (Coil) 자력선의방향 ( 자석 ) 1) 자석 N극접근 ( 자력선증가 ) 자력선증가를막기위한유도전류흐름 Coil 자기력선발생 ( 역방향 ) Coil 상부 N극 2) 자석 N 극멀어짐 ( 자력선감소 ) 자력선감소를막기위한유도전류흐름 Coil 자기력선발생 ( 순방향 ) Coil 상부 S 극 우리가볼수있는것은단지자석, Coil, 전선과검류계 (G) 나머지현상은어떻게알수있을까? 2/41
Ⅰ. 변압기기본이론 Before start(2) 수압 = 전압 수도물 = 전류 Θ 전체수도물의양 = ( 피상 ) 전력 전체수도물의양 = 수도관밖으로나온물 + 새고있는물 + 고여있는물 피상전력 (VA) = 유효전력 (W) + 손실 (W) + 무효전력 (VAR) 변압기 3/41
Ⅰ. 변압기기본이론 Before start(3) 면적 면적 A( 전압 ) X B( 전류 ) 의값을 용량 (Capacity) 라하며, 1 차측용량 2 차측용량 -. 변압기는일정한 ( 정해진 ) 전압과전류를받아서원하는전압과전류로바꾸는정지기기이다. -. 변압기는고효율기기이며, 입력 (1 차측 ) 출력 (2 차측 ) 이다 ( 효율 :99% ) 4/41
Ⅰ. 변압기기본이론 Brfore start(4) -. 저항 (Resistance) : 전류의흐름을방해하는정도 V( 전압 ) = I( 전류 ) X R( 저항 ) I 1 / R ( 전류는저항에반비례한다 ) - 직류저항 : 일정한전류가흐르는회로 ( 선 ) 에서전류의흐름을방해하는정도 전류의크기에따라저항이변화함. 오옴저항 (Ω) 이라고도한다. - 교류저항 : 주파수가변화함에따라동시에변화하는저항성분, 즉시간에따라변화하는전류 ( 교류 ) 에 의하여저항성분도따라서변화. 임피던스라고도한다. 소형건전지, 자동차밧데리 위상 (phase) 일반가전제품, 전등 산업용기기 (MOTOR, PUMP Machine, Transformer 등 ) kv peak = 최대치전압, kv rms = 실효치전압 5/41
Ⅰ. 변압기기본이론 Before start(5) Resistance( 저항 ), R 손실 (Losses) + Inductance( 코일 ), L 자속, 유기전압 (Flux, Induced voltage) Capacitance( 콘덴서 ), C 절연내력 (Dielectric strengtn) 변압기 (Transformer) 6/41
Ⅰ. 변압기기본이론 Before start(6) a b Coil A 에전류가흐르면그림과같이자속이발생한다 이때다른 Coil B 를 Coil A 에접근시키면무슨일이? 7/41
Ⅰ. 변압기기본이론 (1) 기본원리 1 차측(V1) coil 전류( 교류 ) 흐름자속발생 2차측과쇄교 (Link) 2차측 (V2) coil 유기전압발생 -. 공기저항 자속손실발생 -. 손실방지 철심 (Core) 사용 저항분류 감소방법 전류 전기저항 구리선 ( 도체 ) 자속 자기저항 Core( 자성체 ) Core( 철심 )? : Cold Rolled Grain Oriented Silicone Steel( 냉간압연방향성규소강판 ) 이공식명칭으로 Inorganic Insulator( 무기질절연체 ) 로표면이 Coating 되어있으며자속의통로로사용시 낮은자기저항및일정한방향성으로유기전압의발생을위한자속의손실을적게함 8/41
Ⅰ. 변압기기본이론 (2) 전압 (V) / 전류 (I) / 권회수 (N) 관계 V 1 : V 2 = N 1 : N 2 = I 2 : I 1 or V 1 / V 2 = N 1 / N 2 = I 2 / I 1 V 2 = V 1 X N 2 /N 1 or I 2 = I 1 X N 1 /N 2 이다 전압은권회수 (Turn) 에비례하고, 전류는권회수 (Turn) 에반비례한다 ex. 1 차전압 2,000V 이고전류 100A 일때권회수비가 200:50 이면 2 차전압및전류은? 전압 (V) 권회수 (turn) 전류 (A) 1 차 2,000 200 100 2 차 500 50 400 2 차전압 = 2000 X 50/200 = 500(V), 2 차전류 = 100 X 200/50 = 400(A) 이고 이때의권회수 (Turn) 당전압 (V) = 2000/200 = 10(V/T) 이다 9/41
Ⅰ. 변압기기본이론 (3) 결선방법 (3 상 ) Y 결선 Δ 결선 전압 전류 선간전압 = 상전압 * 3 선간전류 = 상전류 선간전압 = 상전압 선간전류 = 상전류 * 3 ex. 부하사용 10/41
Ⅰ. 변압기기본이론 (3) 각변위 1, 2 차권선의결선및유도기자력의방향을 나타내는것으로 30 의위상각을기본으로 시계바늘의숫자로표기한다 User 지정사양으로변경사항발생시 변압기내부구조는전면적으로변함 ex. Dyn11의경우 1차는 Δ결선, 2차는 Y결선으로 1차와 2차는 30 의위상차 (phase difference) 가발생한다. (2차의위상이 1차보다 30 빠르다 ) 11시방향 11/41
Ⅰ. 변압기기본이론 (4) 변압기설계의핵심 (Insulation 구조 + Temperature 관리 ) 변압기정상수명 Insulation( 절연 ) Temperature( 온도 ) 기타 정상스트레스 ( 정상전압 ) : 정상적인사용시발생 이상스트레스 ( 이상전압 ) : 뇌서지, 과전압 적절한방열구조 (OA/FA) 주위온도관리 ( 적정부하 ) 높은온도관리 ( 과부하 ) 충분한기계적강도 ( 단락 ) 적절한보호기기 주기적인 Maintenance User Specification 12/41
Ⅱ. 절연 (Insulation) (1) (1) Insulation( 절연 ) 의의미 : 절연체에가해진전압이어느한도를넘으면갑자기대전류가흘러서절연이파괴되는데, 이때전압의한계값을절연내력 (dielectric strength) 이라고하며. 변압기정격전압에 따른기본적인절연계급 (Level) 이정의되어있음 Highest voltage for Equipment U M kv rms Rated lightning impulse Withstand voltage kv peak IEC60076-3 Rated short duration separate source AC withstand voltage kv rms kv r.m.s kv peak kv r.m.s 123 450 185 145 550 230 170 650 275 750 325 약칭 BIL(Basic Lightning Impulse Withstand Insulation Level) 로표기되는뇌임펄스내전압은 변압기의절연구조를결정하는기본적인내전압 ( 시험전압 ) 으로절연설계시가장중요한값이다 (2) 주요 Dielectric tests IEC(TEST) -. Lightning impulse test( 충격전압시험 /LI) : 변압기또는인접송전선에낙뢰가떨어질때 ANSI(TEST) 발생하는급격하고복잡한전기적현상에대하여권선절연이견디는가를확인하는시험 (BIL) -. Separate source AC withstand voltage Test( 상용주파내전압시험 ) : 운전중일시적인 과전압에대하여권선간및권선과대지간의절연이견디는가를확인하는시험 -. Short-duration induced AC withstand voltage test( 유도내전압시험 ) : 운전중에일시적인 과전압에대하여 Turn 간및 Turn( 권선 ) 과대지간의절연이견디는가를확인하는시험 13/41
Ⅱ. 절연 (Insulation) (2) (3) Insulation( 절연 ) 구조 (Core & Coil Assembly) : Core + HV winding + LV winding 14/41
Ⅱ. 절연 (Insulation) (3) (4) Insulation( 절연 ) Material -. Paper & Pressboard : 자연에서얻어지는섬유물로우수한절연내력과낮은유전손실을가지고 있으나수분을급격하게흡수하는성질이있어충분히건조되어야하고, 섬유소사이의공간을 액체 (oil, Varnish, Resin) 에함침 (impregnated) 시켜절연내력을증가시킨다 (A 종절연물 ). Kraft paper ----- wood fiber. Manila paper ----- manila rope. Kraft board ----- wood fiber. Press board ----- wood and cotton -. Mineral ea Oil : 다양한불순물을가지고있는자연의생성물질로다른합성절연유에비하여저가이며 Paper 와 Pressboard 에함침되어다른절연액체에비하여우수한절연내력을가진다 (IEC296) 절연유내의수분과산소및이것에의한합성물은절연내력과유전특성에치명적이다. -. Varnish & Resin : Varnish는과거 Coating처리로절연물질 ( 구조 ) 내수분의침투를막기위하여사용되었으나시간이지나면수분의침투가진행되고솔벤트를사용하여건조시미세구멍 ( 정공 ) 이생기는등근본적인문제를가지고있으며 Resin은 varnish에비하여특성이우수한편으로 Resin에함침된 Bushing도많이사용되고있다 (Dry type Transformer 절연물 ) 15/41
Ⅲ. 온도 (Temperature) (1) (1) Temperature 의발생원인 : 변압기의손실은 Core와 Coil에서발생하는열 (Heat) 로나타나고, 이열은적절한냉각장치를사용하여발산 ( 냉각 ) 되어야한다, 이때최소한권선의허용온도를넘지않도록유지되어야한다 과도한권선및유온의상승은절연의약화초래변압기손실냉각장치온도관리. No-load losses. Load Losses 열 (Heat). Radiator. Fan, Motor 냉각 Winding Temp. & Oil Temp. 관리 변압기수명 절연물수명 => 열에의한절연물의열화방지중요 손실 (Losses) 이란? -. No-load losses( 무부하손 ) : 1 차측에전압을인가하면자속이발생하여 2 차측에전압이유기되며, 이과정에서자속의이동통로로사용된 Core 에서자기저항으로인한손실이발생하는데이손실은 부하의인가에관계없이지속적으로발생하기때문에무부하손이라고한다 (w/ kg+α) -. Load losses( 부하손 ) : 부하 ( 전류 ) 인가시발생하는손실, Load current( 부하전류 ) 에의한저항손과 누설자속에의한 circulating current losses(eddy, stray) 로구성, I 2 R 손실이대표적이다 -. Auxiliary losses( 보조손 ): 냉각장치를동작하기위한 Fan Motor 및 Pump 등에사용되는동력 손실로변압기자체의손실이아니며따라서변압기손실 ( 효율 ) 에는포함되지않는다 16/41
Ⅲ. 온도 (Temperature) (2) (2) Temperature 기준 Temperature( 온도 ) = Ambient Temperature( 주위온도 ) + Temperature Rise( 온도상승 ) Ambient Temperature( 주위온도 ) : 변압기가운전되고있는곳의주변온도 (Air) 연평균 (yearly ave.) 월평균 (hottest month) 일평균 (daily ave.) 최대 (Max.) 최저 (Min.) IEC 60076 20 30-40 -25 ANSI C57.12 - - 30 40-20 변압기의부하운전시정상적인수명을규정하는중요제한조건 (1) Temperature Rise : 기준이되는주위온도에서권선및절연유의허용상승온도 최고유온 (Top-OIL) 평균권선 (Average Winding) 최고점온도 (Hot-Spot) IEC 60076 60 65 78 ANSI C57.12 65 65 80 변압기의부하운전시정상적인수명을규정하는중요제한조건 (2) 변압기의온도는기준주위온도에허용상승온도를더한개념이다 변압기수명기준 따라서주위온도가기준온도보다높거나, 권선 / 절연유의상승온도가허용온도보다높으면 정격용량 (MVA) 을감소하여쓰거나, 그렇지않을경우정상시보다높은수명손실을초래한다 일평균 30 정상기대수명 : 2*10 5 시간 (22 년 ) or 0.0133%/day 17/41
Ⅲ. 온도 (Temperature) (3) 변압기의냉각장치 (Radiator, Fan, Pump 등 ) 에문제가발생하여적절한방열 ( 냉각 ) 이이루어지지않는다면 방열하지못하는열량에해당하는정격용량만큼감소하여사용하거나추가적인수명손실을감수하여야한다 변압기용량 냉각장치의방열능력 18/41
Ⅲ. 온도 (Temperature) (4) (3) 냉각방식 (Cooling Method) IEC 60076-2 냉각매체 ANSI C57.12.00 ( 내부 / 외부 ) 순환방식 냉각장치 유입자냉식 ONAN (oil natural Air Natural) Oil/Air 자연 / 자연 Radiator/ -- ONAF 냉유입풍냉식 (Oil natural Air Forced) 각방식 OFAF 송유풍냉식 (Oil Forced Air Forced) Oil/Air 자연 / 강제 Radiator/Fan Oil/Air 강제 / 강제 Radiator, fan & Pump 송유수냉식 OFWF (Oil Forced Water Forced) Oil/Water 강제 / 강제 Radiator, fan & Pump 1. ONAN 냉각방식에서추가적인냉각장치를부착하여냉각능력을확대할경우변압기용량은각단계별 33% 증가 -. ONAN 100MVA 에서 Fan 을부착 (ONAF) 하여증가시킬수있는최대용량은 133MVA(100MVA 대비 33% up) -. ONAF 133MVA 에서 Pump 를부착 (OFAF) 하여증가시킬수있는최대용량은 166MVA(100MVA 대비 66% UP) 2. 냉각방식의제한은없으나주로 ONAN/ONAF 용량을사용하고있으며대용량으로갈수록 OFAF(FOA) or OFAW(FOW) 냉각방식을사용하는경우가증가하고이경우냉각장치 (Fan & Pump) 의가동으로인한보조손실이증가한다 19/41
Ⅲ. 온도 (Temperature) (5) (4) 절연유 (Insulating Oil) Mineral Oil( 광유 ) 이란? : 원유 ( 석유 ) 에서항공유, 휘발유, 경유, 등유등을추출하고남은오일로무색, 무취, 투명함 화학적성분에따른분류 : 포함되어있는탄화수소의성분및분자결합모양에따라 3 종류나뉨 -. Paraffinic Oil : 파라핀계탄화수소를많이함유 ( 아라비안라이트, 펜실바니아, 대경원유등 ) -. Naphthenic Oil : 나프탄계탄화수소를많이함유 ( 캘리포니아, 택사스, 맥시코, 베네수엘라원유등 ) -. Aromatic Oil: 위의중간성질을나타내는아로마틱계를많이함유 ( 세계대부분의원유 ) IEC60296 의분류 : 변압기절연유는산화억제첨가물의정도에따라 3 group 으로나뉨 -. Uninhibited transformer oils : U -. Trace inhibited transformer oils : T -. Inhibited transformer oils : I Unused insulating oils of the same class(transformer oils), the same group and the same LCSET(Lowest cold start energizing temperature) are considered to be mixable and compatible with each other 20/41
Ⅳ. 주요주변장치 (1) (1) 변압기기본구성 용어 CORE COIL 절연물 TANK BUSHING 냉각장치유보존장치온도계 B-H RELAY 의미 1 자속전압 / 전류절연 / 냉각보호외부연결방열유량보존온도지시고장검출 의미 2 철손동손수명부착외부인출보조손절연유지수명지침보호 (2) 주요주변장치 순번 명칭 관련용어 / 장비 / 부품 1. Oil Preservation System. Conservator, Air seal cell, N 2 Gas Equipment 2. Bushing. OIP( 콘덴서형 ), RIP(Resin 함침 ), Solid( 단일형 ), Oil-to-Air/Oil/Gas 3. B-H Relay. 브흐홀쯔릴레이 (Protective Relay) 4. Temperature Indicator. OTI( 유온도계 ), WTI( 권선온도계 ), RTD, Fiber-Optic 5. Pressure Relief Device. 방출안전장치 ( 자동복귀형 ) 6. Oil Level Indicator. 유면계 (Magnetic type) 7. Suddern Pressure Relay. 충격압력계전기 ( 유압 /Gas 압 ) 8. Tap Changer. OLTC( 부하시탭절환기 ), NLTC( 무부하시탭절환기 ), AVR, TPI 9. 기타부착물. Jacking Pad, Pulling eye, Lifting i hook, Valve( 진공, 배유등 ) 21/41
Ⅳ. 주요주변장치 (2) 1. Oil Preservation System( 유보존장치 ) 1) 목적 -. 변압기내부온도상승 / 하강에따른 Oil 의팽창 / 수축공간확보및본체절연유량유지 -. 먼지 / 수분으로부터 OIL( 절연유 ) 보호 ( 차폐 ) 먼지와수분은변압기의적 2) 종류 -. 일반 Conservator + Breather( 호흡기 ) -. 일반 Conservator + Air Seal Cell( 고무백 ) -. N 2 Gas Equipment( 질소봉입장치 ) -. 일반 Conservator + N2 Gas Equipment 3) 구조 22/41
Ⅳ. 주요주변장치 (3) 2. Bushing 1) 목적 -. 변압기내부의결선과외부 Line 과의연결 -. 외부의절연매체에의하여기본형태및특성이결정됨 - 0il to Air : 변압기내부 (Oil) 와외부와의연결시외부절연매체가공기 (Air) - Oil to Gas : 가스 (Gas) - Oil to Oil : 절연유 (Oil) Oil to Air Oil to Oil Oil to Gas 변압기내부 Oil 변압기외부 Air Oil Gas 연결방법 -. 일반가공선로 -. 지중선로 -. Gis와직결시 -. 지중선로 (Oil Cable Box) (Air Cable Box) 2) 종류 -. Oil-impregnated paper bushing : 주로 350BIL(72.5kV) 이상에서주로사용, 절연내력이매우우수 -. Resin impregnated paper bushing : 상기와유사하나 Oil 대신 Resin 함침 Paper 사용 -. Ceramic bushing : 단일형애자로저압 (22.9kV) 이하에서사용, Solid or Bulk Type이라고도함 23/41
Ⅳ. 주요주변장치 (4) 3) 구조 ( 외형 ) 24/41
Ⅳ. 주요주변장치 (5) 4) 구조 ( 상세 ) 25/41
Ⅳ. 주요주변장치 (6) 3. Buchholz Relay 1) 목적 -. 변압기내부의정상가스또는이상가스의수집 / 분석내부절연상태확인 -. 부분방전등에의한이상가스발생시경고 (alarm) 및중고장등으로인한 Oil Surge 발생시차단 (Trip) 기능 2) 구조 Fukuda / JAPAN 26/41
Ⅳ. 주요주변장치 (7) 4. Temperature Indicator 1) 목적 -. 변압기내부의절연유및평균권선의온도의 Monitoring 및이상온도상승시경고또는차단신호의발생 -. 부하로인한온도상태에따라냉각장치 (Fan, Pump 등 ) 의동작 / 멈춤신호의발생 2) 종류및원리 -. 유온도계 : 최고유온 (Top Oil) 을지시하기위한것으로 Tank 의 Cover 또는상부에 Hole 을만들고그곳에온도를 감지하는감온부를취부하면 Capiliary Tube 내의액체가온도에따라수축 / 팽창을하며온도계의 지침을밀어온도를지시하게된다. -. 권선온도계 : 변압기권선의평균온도를나타내는것으로유온도계의기능에미리계산된최고유온과평균권선온도와의차이만큼 BCT로부터전류를공급받아추가적인열을발생시켜가상의온도를지시하게된다 3) 구조 AKM / SWEDEN 27/41
Ⅳ. 주요주변장치 (8) 5. Pressure Relief Device( 방출안전장치 ) 1) 목적 -. 내부의중고장 ( 단락 ) 으로급격한내부압력 (0.7 kg / cm2 ) 발생시 Oil 의분출을통한압력완화및차단 (Trip) 신호발생 2) 구조 TAEJIN / KOREA 28/41
Ⅳ. 주요주변장치 (9) 6. Oil Level Indicator( 유면계 ) 1) 목적 -. Conservator 또는 Tank 에취부되어온도와누유등에의한절연유의변화량을지시하며 누유등에의한절연유부족등을방지하기위하여 Oil Level Low 에경고 (Alarm) 신호발생 2) 구조 ( 외형 ) Qualitrol / U.S.A 29/41
Ⅳ. 주요주변장치 (10) 7. Suddern Pressure Relay( 충격압력계전기 ) 1) 목적 -. 변압기내부의부분방전등에의한이상압력경고 (alarm) 또는차단 (Trip) 신호발생 2) 종류 -. 유압에의하여동작하는방식과질소압에의하여동작하는 2가지방식이있으며서로동작하는압력및매질 (Oil or Gas) 이달라호환되지않는다 ( 별도사용 ) 3) 구조 ( 외관 ) Qualitrol / U.S.A 30/41
Ⅳ. 주요주변장치 (11) 8. Tap Changer( 탭절환기 ) 1) 목적 -. 1 차전압의변동이나부하의변동 (2 차측 ) 에관계없이 2 차측의전압을일정하게유지하기위함 2) 종류 -. On-Load Tap Changer( 부하시탭절환기 ) : 변압기에부하가걸려있는상태에서자동또는수동으로전압 ( 비 ) 을변경할수있도록탭권선에부착하는장치 -. No-Load Tap Changer( 무부하시탭절환기 ) or De-energized Tap Changer : 변압기의전원을차단한상태에서수동으로전압 ( 비 ) 을변경할수있도록탭권선에부착하는장치 3) 기본원리 : 변압기에있어서 1, 2 차권선의각각의권회수 (Turn) 에걸리는전압 (V/T) 은일정하다 따라서출력전압은권선에있는탭 ( 추가 Turn) 에의하여어떠한원하는전압으로바꿀수있다 OLTC NLTC MR / Germany ELMEK / Turkey 31/41
Ⅳ. 주요주변장치 (12) 4) 권선구조 OLTC(1) OLTC(2) NLTC 32/41
Ⅳ. 주요주변장치 (13) 9. 기타부착물 33/41
Ⅳ. 주요주변장치 (14) 1 Lifting Lug(hook) : 변압기운반을위하여로프를걸어올리기위한부착물 2 Filtering Valve : 절연유의주입 / 여과를위한밸브 ( 상부위치 ) 3 Jack Boss(Jacking Pad) : 변압기를들어올리기위한유압잭을지지하기위한패드 4 Oil Drain Valve : 절연유의배유 / 여과를위한밸브 ( 하부위치 ) 5 Grounding Pad : 변압기를접지 (Ground) 하기위하여사용하는구리판 6 Name Plate 6 Name Plate : 변압기기본사양및규정된특성치 / 시험치를나타내는명판 1 2 3 4 5 34/41
별첨. 주요공정 (1) 1) 철심 (Core) : 유기전압의발생을위한자속의이동통로 단상 3 각 (1phase-3leg) 3 상 3 각 (3phase-3leg) 35/41
별첨. 주요공정 (2) 2) 권선 : 규정된전압을나타내기위하여절연물을포함한 Turn 수로구성된집합체 36/41
별첨. 주요공정 (3) 3) 본체조립 (Core & Coil Assembly) : 권선 (winding) + 철심 (Core) 3 상 3 각 (3phase-3leg) 단상 3 각 (1phase-3leg) 37/41
별첨. 주요공정 (4) 4) 진공건조 : 본체 (Core & coil assembly) 의수분및이물질제거 38/41
별첨. 주요공정 (5) 5) 총조립 : 본체 + Tank + 주변장치 ( 탭절환기, 부싱, 온도계, 콘서베이터, 라디에이터등 ) + 39/41
별첨. 주요공정 (6) 6) Test GOOD! 40/41
별첨. 주요공정 (7) 6) 출하 41/41