KR100895286B1 - 식물성 절연유를 사용한 주상변압기의 절연 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 주상 변압기의 절연 구조는 철심 주위에 각각 복수 층의 1차 코일과 2차 코일이 반경 방향으로 순차적으로 권선되어 있고 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기에 있어서, 절연지를 사용하여 1차 코일을 버트갭(butt-gap) 방식으로 복수 회 중첩하여 감아서 각 턴 사이를 절연하는 1차측 턴간절연, 상기 1차 코일의 각 층 사이에 상기 절연지를 삽입하여 절연하는 1차측 층간절연, 상기 1차 코일과 1차 코일보다 높은 전압이 인가되는 2차 코일 사이에 상기 절연지를 삽입하여 절연하는 권선간절연, 상기 2차 코일의 각 층 사이에 상기 절연지를 삽입하여 절연하는 2차측 층간절연 및 최외각 코일층과 상기 주상 변압기의 본체 내벽 사이를 일정거리 이격하여 절연하는 대지간 절연을 포함한다.

상기와 같은 주상 변압기의 절연 구조는 최고 허용온도가 높은 H종의 노맥스 절연지를 사용하고 각 절연 구조의 설계치를 최적화함으로써, 광유보다 점도가 높은 식물성 절연유를 사용할 경우 변압기 내부온도의 상승으로 인하여 절연지가 열화되는 문제점, 그리고 그에 따른 절연파괴 및 연면방전 문제를 방지할 수 있다.

주상변압기, 식물성 절연유

Description

식물성 절연유를 사용한 주상변압기의 절연 구조{Insulation Structure of Pole-Transformer using Vegetable Oil}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 평면도이다.

도 3은 도 2의 A-A 선에 의한 단면을 확대하여 나타낸 확대 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 버트갭 방식으로 절연지를 감는 방식을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 턴간절연구조에 대한 절연파괴전압-방전확률의 관계를 절연지의 적층 패턴을 따라 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 권선간절연구조에 대한 적층수-절연파괴전압의 관계를 절연지의 두께에 따라 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 권선간절연구조에 대한 연면길이-연면방전전압의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 대지간절연구조에 대한 이격거리-절연파괴전압의 관계를 나타낸 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 주상 변압기 10 : 본체

20 : 철심 33 : 1차 코일

33a : 턴간절연 33b : 1차측 층간절연

35 : 권선간절연 36 : 2차 코일

36a : 2차측 층간절연 40a : 대지간절연

본 발명은 배전용 주상 변압기의 절연 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 식물성 절연유를 사용한 친환경 주상 변압기의 절연 구조에 관한 것이다.

일반적으로 주상 변압기는 철심(지주)의 양측에 코일이 감긴 구조로서 일측 코일에 전원을 인가하면 전자기 유도 현상에 의하여 다른 쪽 코일에 발생되는 기전력을 이용하는 것으로 송전 및 배전용으로 주로 사용된다.

이러한 주상 변압기는 한국공개특허 제2001-0032572호에 개시된 건식변압기와 유입식 변압기로 크게 구분되나, 건식 변압기의 경우 고가의 절연재료 및 내열재료를 필요로 하기 때문에 제조단가가 상승하는 단점이 있기 때문에 유입식 변압 기가 널리 사용되고 있다.

유입식 변압기는 본체 내부에 냉각 및 절연용도의 절연유가 주입되는 방식으로 종래에는 광유나 광유의 단점인 낮은 인화점을 개선한 실리콘유를 주로 사용하였으나, 이들 절연유는 공업유이기 때문에 본체의 결함이나 변압기의 폐기로 인하여 외부로 누출될 경우 심각한 환경오염을 야기한다는 문제점이 있었다.

따라서, 최근에는 이를 해결하기 위하여 생분해성이 뛰어난 친환경적이고, 고갈의 우려가 없는 식물성 절연유를 사용한 변압기가 개발되었다.

그러나, 자연대류현상을 이용하여 냉각되는 주상 변압기의 경우 식물성 절연유는 점도가 높기 때문에 변압기 내부온도를 상승시키는 원인이 되고, 그 결과 종래의 절연재 및 절연 구조를 그대로 사용할 경우 절연재의 열화로 인한 변압기 수명 감소를 야기한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 식물성 절연유를 사용하는 주상 변압기에 있어서 종래의 주상 변압기의 권선 구조를 그대로 유지하면서 종래의 절연재와 절연 구조를 개선하여 최적화된 절연 구조를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 주상 변압기의 절연 구조는 철심 주위에 각각 복수 층의 1차 코일과 2차 코일이 반경 방향으로 순차적으로 권선되어 있고 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기에 있어서, 상기 1차 코일에 절연지를 버트갭(butt-gap) 방식으로 복수 회 중첩하여 감아서 동일한 층에 권선된 1차 코일의 각 턴 사이를 절연하는 1차측 턴간절연, 상기 1차 코일의 각 층 사이에 상기 절연지를 삽입하여 절연하는 1차측 층간절연, 상기 1차 코일과 1차 코일보다 높은 전압이 인가되는 2차 코일 사이에 상기 절연지를 삽입하여 절연하는 권선간절연, 상기 2차 코일의 각 층 사이에 상기 절연지를 삽입하여 절연하는 2차측 층간절연 및 최외각 코일층과 상기 주상 변압기의 본체 내벽 사이를 일정거리 이격하여 절연하는 대지간 절연을 포함하되, 상기 1차측 턴간절연은 상,하층간 절연지가 서로 50%씩 중첩되도록 4회 이상 상기 절연지를 상기 1차 코일에 감는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기 절연지를 감는 4회 이상의 회수 중 적어도 1회는 감는 방향을 다른 회수의 감는 방향과 반대로 하여 절연지의 풀림을 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연지는 H종인 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도1 및 도2는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 구조를 나타낸 개략도 및 평면도이며, 본 실시예에서는 22.9kV급 변압기에 식물성 절연유로 미국 Cooper Power System사의 FR3 제품을 사용한 경우를 예로 서 설명한다.

도1 및 도2의 주상 변압기(1)는 원통형인 변압기의 본체(10) 내부에 환형의 철심(20)이 배치되고, 철심(20)에 의해 본체의 바닥면에 대해 수직하도록 형성된 서로 평행한 지주 각각에 코일부(30)가 본체의 반경 방향으로 권선되어 있으며, 권선된 코일부(30)는 식물성 절연유(40)에 함침되는 구조이다.

코일부(30)를 보다 상세하게 설명하면, 철심(20)으로 된 지주 주위에 2층으로 된 1차 코일(33)과 32층으로 된 2차 코일(36)이 본체의 반경 방향으로 순차적으로 권선되어있다.

도3은 도2의 A-A 선에 의한 단면을 확대하여 나타낸 확대 단면도로서 철심(20)을 중심으로 권선되어 있는 1,2차코일(33,36)의 절연 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명의 일실시예에 따른 식물성 절연유(40)를 사용한 주상 변압기(1)의 경우 전술한 바와 같이 광유를 사용하는 경우보다 내부온도가 상승하기 때문에 종래에 주 절연재로 사용되던 A종의 크라프트지(kraft paper, 최고 허용온도가 105℃)를 사용할 경우 절연지가 열화되어 절연파괴가 발생하는 문제점이 있다.

즉, 일반 광유를 이용한 변압기의 경우 권선 온도상승을 55℃로 규정하고 있는데, 식물성 절연유는 광유에 비해 점도가 높아 자연대류현상을 이용한 주상변압기의 경우 변압기 내부온도가 그 이상으로 상승하게 된다.

이때, 내부온도가 상승하게 되면 절연재료의 수명은 급속하게 짧아지게 되므 로 식물성 절연유를 이용한 주상변압기에 기존의 상기 크라프트지를 사용하게 될 경우 절연기능이 상실되어 주상 변압기(1)의 수명 또한 급속히 짧아지게 된다.

따라서, 본 발명에서는 고온에서 기계적 및 전기적 특성 변화가 거의 없고 허용온도가 180℃ 이상인 절연지를 식물성 절연유를 사용하는 주상 변압기(1)에 적용함으로써 위와 같은 문제점을 해결하였으며, 본 실시예에서는 일예로서 아라미드 계통의 H종 Nomex 절연지(Dupont사)를 사용하였다.

상기 Nomex 절연지는 레진(resin)이나 바니쉬(barnish)로 보강하지 않더라도 우수한 내전압 강도 및 기계적 강도를 가질 뿐만 아니라 200℃ 까지는 그 특성변화가 거의 없으며, 주요 특성들이 약 220℃의 온도에서 최소 10년 이상은 유지되는 특성을 가진다.

이하에서는 동일한 층에 감긴 1차 코일(33)에 있어서 각 턴 사이의 절연인 1차측 턴간절연(33a), 1차 코일(33)의 각 층간 절연인 1차측 층간절연(33b), 1차 코일(33)과 2차 코일(36) 사이의 절연인 권선간절연(35), 2차 코일(36)의 각 층간 절연인 2차측 층간절연(36a) 및 최외각 코일과 변압기 본체(10) 내벽과의 절연인 대지간절연(40a)을 순서대로 설명한다.

먼저, 1차측 턴간절연(33a)은 코일의 작업성을 개선하기 위하여 일정한 폭으로 절단된 절연지를 버트갭(butt-gap) 방식으로 1차 코일(33) 외주면에 감아서 절연하는 구조이며, 버트갭에서 절연성이 저하되는 것을 방지하기 위해 서로 인접하는 층에 대해 버트갭을 중심으로 50%씩 중첩하도록 복수 층으로 절연지를 감았다.

일반적으로, 절연지를 이용한 변압기 도체의 절연방식에는 오버랩(Overlap) 방식과 버트갭(butt-gap) 방식으로 구분되는데, 오버랩 방식(한 장의 절연지를 이용하여 일정폭이 겹치도록 하여 원하는 절연 두께만큼 감는 방식)은 신축성이 없는 절연지의 경우 구겨진다는 단점과 작업도중 한 지점의 절연지가 손상을 입어 찢어지게 되면 전체 절연지가 풀어질 수도 있는 단점을 가진다.

따라서, 본 실시예에서는 버트갭 방식(원하는 절연 두께만큼의 절연지를 여러 장 이용하여 감는 방식)을 적용하였으며, 도4는 버트갭 방식으로 절연지를 감는 방식을 나타낸다.

도4에 도시된 바와 같이, 먼저 한 장의 절연지를 겹치지 않도록 소폭(butt-gap)을 띄워가면서 감고, 그 위에 두 번째 장의 절연지를 원하는 비율로 중첩하여 동일한 방식으로 감는다. 이렇게 원하는 절연 두께만큼 여러 장을 중첩하여 감게 되는데, 이 경우 중첩비율이라 함은 절연지 상,하층간에 절연지의 폭이 겹치는 정도를 의미한다. 따라서, 본 실시예에서 50%씩 중첩한다는 것은 절연지 상,하층간에 절연지의 폭이 절반이 겹치도록 감는것을 의미한다.

이때, 감는 회수(층) 마다 반대방향으로 감아 절연지의 풀림을 방지하였는데, 예를 들면 1차 코일(33)에 제일 먼저 감기는 절연지층을 코일의 길이 방향에 대해 ↘ 방향으로 감은 경우이면 그 위층에 감기는 절연지는 ↙ 방향으로 감게 된다.

1차측 턴간절연(33a)의 경우 턴간절연 내전압이 매우 낮기 때문에 작업성과 경제성을 향상시키기 위하여 최대한 얇은 두께의 절연지를 사용하는 것이 바람직하 다.

본 실시예에서는 0.05mm 두께의 절연지를 사용하였으며, 작업공정상의 결함이나 절연지 자체의 불량을 감안하여 감는 회수를 4회로 하여 단위 면적에서 버트갭을 제외하고 적어도 2장의 절연지가 적층되도록 하였다.

본 실시예에서는 상기와 같은 턴간절연구조에 대한 절연파괴전압-방전확률의 관계를 절연지의 적층 패턴을 달리하면서 실험하였으며, 그 결과를 도5의 그래프에 나타내었다.

통상적으로 전력기기의 절연설계시 절연재료의 절연파괴 실험을 수십 회 반복하여 수행하고 그 실험데이터를 Weibull 통계 처리하여 방전확률이 0.1% 내지 3%인 전압을 설계 기준전압으로 활용하는데, 본 실시예에서는 방전확률이 0.1%인 지점의 전압(즉, 절연파괴전압)을 22.9kV급 주상 변압기(1)의 턴간절연 내전압과 비교하여 절연성능을 판단하였다.

그래프 좌측 상단에 표시된 4가지 적층 구조는 버트갭 방식으로 서로 중첩하여 절연지를 감는 경우 발생할 수 있는 절연 구조 중 가장 취약한 절연 구조(즉, 버트갭이 2개 포함되는 경우)를 나타낸 것으로, 음영을 표시하지 않은 부분이 버트갭을 나타낸다.

도5에 나타난 바와 같이 가장 낮은 절연파괴전압을 보이는 case1의 경우에 있어서 방전확률 0.1%인 지점의 절연파괴전압이 2.5kV로 나타났으며, 이는 본 실시예에 따른 절연 구조가 상기 턴간절연 내전압과 비교할 때 충분한 절연내력을 구비한다는 것을 나타낸다.

한편, 2차 코일(36)의 턴간절연의 경우 종래의 절연방식이 약 200℃의 고온에서도 전기적 및 열적 특성이 유지될 수 있으므로, 본 실시예에서는 2차 코일(36)의 턴간절연은 종래 방식을 그대로 사용하였으며 상세한 설명은 생략한다.

한편, 1차측 층간절연(33b), 권선간절연(35) 및 2차측 층간절연(36)의 경우 각 층 또는 1차 코일(33)과 2차 코일(36) 사이에 절연지를 삽입하여 관통 절연파괴 및 연면방전을 방지하는 절연 구조인데, 본 실시예에서는 각 경우에 대해 서로 다른 두께를 가지는 노맥스 절연지를 서로 다른 수만큼 적층하여 절연파괴 및 연면방전에 관한 실험을 하였으며 그 결과를 도6과 도7의 그래프에 나타내었다.

도6과 도7은 권선간절연(35)에 대한 실험데이터를 Weibull 통계처리를 통해 0.1%의 절연파괴 또는 연면방전 확률을 가지는 절연파괴전압과 절연두께 및 연면거리의 관계를 나타낸 것으로, 유입식 변압기의 상용전압 시험기준인 AC 50kV 조건에서 0.1%의 절연파괴를 나타내는 절연두께는 0.25mm 두께의 절연지를 약 7.3장 사용하는 두께이고 연면거리의 경우는 약 47mm 인 것으로 나타났다.

한편, 1차측 및 2차측 층간절연(33b, 36a)에 있어서 각 층간 내전압은 상기 시험기준인 AC 50kV 조건에서 약 1.6kV 이내이다. 따라서, 1차측 및 2차측 층간절연(33b, 36a)에 있어서 절연두께는 도6의 그래프에 나타난 바와 같이 0.13mm 두께(이때, 절연파괴전압 및 절연두께의 관계에 대한 실험식은 y=4.262x^0.8876으로 구해진다.)의 절연지 1장을 사용하는 경우에도 약 4.3kV를 견딜 수 있기 때문에 층간절 연(33b, 36a)에 요구되는 내전압을 만족하는 것으로 나타났다.

또한, 1차측 및 2차측 층간절연(33b, 36a)에 있어서 연면거리는 도7의 그래프(이때, 연면방전전압 및 연면거리의 관계에 대한 실험식은 y=4.0016x^{0. 6575}으로 구해진다.)에 나타난 바와 같이 약 1.6kV의 내전압에 대해서 약 0.25mm의 연면거리가 계산되어진다.

마지막으로 대지간절연(40a)의 경우 최외각 코일층과 상기 주상 변압기(1)의 본체(10) 내벽 사이를 일정거리 이격하여 그 사이에 채워진 식물성 절연유(40)에 의해 절연하는 구조인데, 본 실시예에서는 이격거리를 달리하여 절연파괴 실험을 하였으며 그 결과를 도8에 나타내었다.

도8은 Weibull 통계처리를 통해 0.1%의 절연파괴 확률을 가지는 전압과 이격거리의 관계를 나타낸 것으로, 유입식 변압기의 상용전압 시험기준인 AC 50kV 조건에서 0.1%의 절연파괴를 나타내는 조건은 이격거리가 약 6.2mm 인 것으로 나타났다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 절연 구조는 기존의 주상 변압기에서 사용되던 A종 크라프트지 보다 최고 허용온도가 높은 H종의 노맥스 절연지를 사용하고, 각 절연 구조의 설계치를 최적 화함으로써 광유보다 점도가 높은 식물성 절연유를 사용함에 따라 상승하는 변압기 내부온도로 인하여 절연지가 열화되는 문제점, 그리고 그에 따른 절연파괴 및 연면방전 문제를 방지할 수 있다.

Claims (4)

1. 철심 주위에 각각 복수 층의 1차 코일과 2차 코일이 반경 방향으로 순차적으로 권선되어 있고 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기에 있어서,

   상기 1차 코일에 절연지를 버트갭(butt-gap) 방식으로 복수 회 중첩하여 감아서 동일한 층에 권선된 1차 코일의 각 턴 사이를 절연하는 1차측 턴간절연, 상기 1차 코일의 각 층 사이에 상기 절연지를 삽입하여 절연하는 1차측 층간절연, 상기 1차 코일과 1차 코일보다 높은 전압이 인가되는 2차 코일 사이에 상기 절연지를 삽입하여 절연하는 권선간절연, 상기 2차 코일의 각 층 사이에 상기 절연지를 삽입하여 절연하는 2차측 층간절연 및 최외각 코일층과 상기 주상 변압기의 본체 내벽 사이를 일정거리 이격하여 절연하는 대지간 절연을 포함하되,

   상기 1차측 턴간절연은 상,하층간 절연지가 서로 50%씩 중첩되도록 4회 이상 상기 절연지를 상기 1차 코일에 감는 것을 특징으로 하는 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 절연 구조.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 절연지를 감는 4회 이상의 회수 중 적어도 1회는 감는 방향을 다른 회수의 감는 방향과 반대로 하여 절연지의 풀림을 방지하는 것을 특징으로 하는 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 절연 구조.
4. 제3항에 있어서,

   상기 절연지는 H종인 것을 특징으로 하는 식물성 절연유를 사용한 주상 변압기의 절연 구조.

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