KR101468437B1 - 유도 가열을 방지할 수 있는 로용 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일체화된 절연판과 상자성체 차폐판을 이용함으로써 유도 가열을 방지할 수 있는 로용 변압기에 관한 것이다.
본 발명의 로용 변압기는, 복수 개의 상의 부싱이 외부로 인출되는 로용 변압기에 있어서, 상기 로용 변압기의 외측의 일부면을 구성하는 절연판을 포함하며, 상기 복수 개의 상의 부싱 모두는 상기 절연판을 관통하여 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 로용 변압기에 따르면, 2차 측에 근접한 탱크의 면에 발생하는 유도 가열을 최대한 억제하여, 전체적인 크기를 줄일 수 있다.

Description

유도 가열을 방지할 수 있는 로용 변압기{FURNACE TRANSFORMER BEING CAPABLE OF PREVENTING INDUCTION HEATING}

본 발명은 유도 가열을 방지할 수 있는 로용 변압기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 일체화된 절연판과 상자성체 차폐판을 이용함으로써 유도 가열을 방지할 수 있는 로용 변압기에 관한 것이다.

로용 변압기는 철, 합금 또는 비철 금속의 생산 과정에 이용되는 로 설비에 전력을 공급하는 특수 변압기이며, 공정의 특징 상 2차 측은 대전류를 필요로 한다.

일반적으로 변압기에서 2차 측의 권선, 내부 연결 리드 및 부싱 (bushing) 등에서 일정 정도의 누설 자속 (leakage flux) 이 발생하게 되며, 변압기의 외측을 이루는 탱크 (tank) 는 자성체로 이루어지기 때문에, 이러한 누설 자속에 의해 2차 측의 권선, 내부 연결 리드 및 부싱 등과 근접한 탱크의 면에는 유도 가열 (induction heating) 이 발생하게 된다. 이러한 유도 가열에 의해 2차 측의 엘리먼트와 근접한 탱크의 면의 온도는 올라가게 되며, 이에 따라 유도 가열을 제어해야 할 필요가 있다.

그런데, 로용 변압기는 2차 측에 대전류가 인가되는 특성을 가지기 때문에, 일반적인 변압기에 비해 상대적으로 큰 유도 가열 현상이 발생하게 되며, 이에 따라 2차 측 엘리먼트와 근접한 탱크의 면은 상대적으로 고온이 된다. 이렇게 탱크가 고온이 되면, 절연유 및 절연지의 열화로 절연성능이 떨어져 절연사고가 발생하거나, 화재의 위험 등의 안전상의 문제가 발생하게 되므로, 유도 가열을 피하기 위해서는 2차 측 엘리먼트로부터 탱크의 면을 멀리 떨어뜨려야 하고, 이에 따라 변압기 전체의 크기가 커지게 된다.

따라서, 이와 같은 로용 변압기의 절연 사고 방지 및 소형화를 위해서는, 2차 측에 근접한 탱크의 면에 발생하는 유도 가열을 최대한 억제하는 것이 필요하다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 2차 측에 근접한 탱크의 면에 발생하는 유도 가열을 최대한 억제하여, 전체적인 크기를 줄일 수 있는 로용 변압기를 제공함에 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 로용 변압기는, 복수 개의 상의 부싱이 외부로 인출되는 로용 변압기에 있어서, 상기 로용 변압기의 외측의 일부면을 구성하는 절연판을 포함하며, 상기 복수 개의 상의 부싱 모두는 상기 절연판을 관통하여 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 절연판은 에폭시 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 절연판은 자성체 재질의 외부 탱크와 연결되어 고정되며, 상기 외부 탱크의 내측면에는 상자성체 차폐판이 접하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 상자성체 차폐판과 상기 외부 탱크 서로 간은, KS 규격에 부합하는 육각 너트 및 사각 너트의 하측 접촉 면적보다 큰 하측 접촉 면적을 가지는 대면적 너트 및 상기 외부 탱크에 고정된 볼트의 결합에 의해 고정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 로용 변압기에 따르면, 2차 측에 근접한 탱크의 면에 발생하는 유도 가열을 최대한 억제하여, 전체적인 크기를 줄일 수 있다.

도 1a는 본 발명의 로용 변압기의 부싱 부근의 탱크 표면 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 탱크 표면 모듈을 다른 각도에서 본 개략적인 사시도이다.
도 1c는 도 1b의 개략적인 정면도이다.
도 2a는 각 상의 부싱 사이에 탱크 본체와 동일한 재질의 자성체가 배치된 비교예의 개략적인 정면도이다.
도 2b는 도 1a의 탱크 표면 모듈의 개략적인 정면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 내부 결선 리드와 탱크 간격에 따른 도 2a와 같은 구성의 탱크 부분의 온도 시뮬레이션 데이터이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 도면부호를 사용함에 있어, 도면이 상이한 경우라도 동일한 구성을 도시하고 있는 경우에는 가급적 동일한 도면부호를 사용한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 로용 변압기의 실시예들에 대해 설명한다.

도 1a는 본 발명의 로용 변압기의 부싱 부근의 탱크 표면 모듈의 개략적인 사시도이며, 도 1b는 도 1a의 탱크 표면 모듈을 다른 각도에서 본 개략적인 사시도이고, 도 1c는 도 1b의 개략적인 정면도이다.

로용 변압기는 부싱 (121~126) 이 외부 탱크 내부로부터 외부로 인출되도록 구성되는데, 본 실시예에서 도 1a 내지 도 1c 이외의 구성은 일반적인 로용 변압기와 동일하므로, 나머지 부분의 자세한 설명은 생략하기로 한다. 이하에서는, 로용 변압기의 부싱 (121~126) 부근의 탱크 표면 모듈 (100) 에 대해 도 1a 및 도 1c를 참조하여 자세히 설명하기로 한다.

또한, 본 명세서에서는 U 상 부싱 (121, 122), V 상 부싱 (123, 124), W 상 부싱 (125, 126) 을 가지는 3 상의 로용 변압기에 대해 예시적으로 설명하며, 이에 따라서 본 발명의 로용 변압기는 모두 3 개의 상의 부싱을 가진다.

또한, 본 명세서에서는 탱크 표면 모듈 (100) 이 로용 변압기의 외측을 이루는 탱크의 다른 부분과 분리되어 별도의 모듈로 된 것으로 설명하나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 후술할 탱크 본체 (110) 는 탱크의 다른 부분과 분리되지 않고 일체로 형성될 수도 있다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 본 발명의 로용 변압기의 부싱 부근의 탱크 표면 모듈 (100) 은, 탱크 본체 (110) 와, 절연판 (120) 과, 상자성체 차폐판 (130) 을 포함하여 구성된다.

탱크 본체 (110) 는 로용 변압기의 외측을 이루는 탱크 (tank) 와 동일한 재질로 형성되는 부분으로서, 외측으로부터 내부의 로용 변압기의 부품 (예를 들어, 내부 리드, 권선 등) 들을 충분히 보호할 수 있게 강도를 높이기 위해 철이 포함된 금속 재질, 예를 들어 구조용강인 SS4000 또는 STS304 등의 금속으로 이루어질 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 의해 예시되는 실시예에서는 탱크 표면 모듈 (100) 이 외측의 탱크와 분리되어 모듈을 형성하도록, 상자 형상으로 탱크 본체 (110) 가 형성되어 있으나, 이는 예시에 불과하며, 외측의 탱크와 일체적으로 탱크 본체 (110) 가 형성되어도 무관하다.

한편, 탱크 본체 (110) 는 강도를 위해 철이 포함되는데, 이에 따라 자성체를 이루게 된다. 따라서, 탱크 본체 (110) 는, 로용 변압기의 2차 측의 누설 자속에 의해 유도 가열되어 표면 온도가 상승될 수 있다. 이하에서는 이를 최소화할 수 있는 구조에 대해 설명한다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 탱크 본체 (110) 는 중간 부분에 개방된 개방구가 형성되며, 이 개방구를 절연판 (120) 이 폐쇄하도록, 절연판 (120) 이 탱크 본체 (110) 에 고정 설치된다. 즉, 절연판 (120) 은 로용 변압기의 외측의 일부면을 구성한다.

이러한 절연판 (120) 에는 3 상의 부싱 (121 내지 126) 모두가 관통되어 설치된다. 즉, 각 상의 부싱 (121~126) 사이에도 절연판 (120) 이 위치하도록, 절연판 (120) 은 일체적으로 하나의 판으로 형성된다.

절연판 (120) 은 누설 자속에 의해 유도 가열되지 않는 재질로 형성되며, 예를 들어 에폭시 (epoxy) 재질 등의 수지 재질로 이루어질 수 있다. 절연판 (120) 의 크기는 최대한 크게 형성하는 것이 유도 가열을 방지하는 측면에서는 바람직하나, 탱크 본체 (110) 에 비해서는 강도가 떨어지기 때문에 무한정 크게 할 수는 없으며, 부싱 (121~126) 을 충분히 고정함과 함께 외부 충격 등에도 충분히 견딜 수 있는 범위 내에서 크기를 정할 수 있다.

한편, 부싱 (121~126) 은 각 상 당 한 쌍씩 외부로 인출되며, 같은 상의 부싱 간에도 절연판 (120) 이 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 부싱 (121~126) 들 사이에는 탱크 본체 (110) 와 같은 자성체를 위치하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 부싱 (121~126) 과 절연판 (120) 사이에는 로용 변압기 내부의 절연유의 누유를 방지하도록 고무 등의 탄성 재질의 패킹 (packing) (127) 이 삽입되는 것이 바람직하다.

도 1b를 참조하면, 탱크 본체 (110) 의 내측 표면에는 상자성체 차폐판 (130) 이 접하도록 설치된다. 상자성체 차폐판 (130) 은 누설 자속을 반사하는 효과를 가지므로, 자성체인 탱크 본체 (110) 의 유도 가열을 완화시킬 수 있다. 참고로, 도 1b에서는 설명의 편의를 위해, 상측과 우측의 탱크 본체 (110) 의 절곡부를 생략하여 도시하였다.

일반적으로는 누설 자속의 차폐를 위하여 자속을 끌어당기는 특성을 가진 규소 강판을 사용하는데, 규소 강판은 방향성을 가지고 있어서 누설 자속이 발생하는 방향에 맞게 배열을 해야 한다. 따라서, 누설 자속이 다방향으로 형성되는 경우 규소 강판의 차폐 효과는 떨어지게 되며, 또한 불가피하게 발생할 수 있는 미세한 틈에서는 프린징 효과 (fringing effect) 가 발생하여 해당 공간에 가열 현상이 집중된다. 이에 반하여 상자성체 차폐판 (130) 은 자속을 그 방향과 관계없이 반사하는 특성을 가지므로, 다방향의 누설 자속에 대처하기 적합하며, 또한 프린징 효과에 의한 가열 현상의 집중을 방지할 수 있다.

상자성체 차폐판 (130) 의 재질은 상자성의 성질을 가진 재질, 즉 알루미늄, 구리 등의 재질로 이루어질 수 있다. 상자성체 차폐판 (130) 의 두께는 설계에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

상자성체 차폐판 (130) 은 탱크 본체 (120) 의 내측 표면과 최대한 접하도록 고정되는 것이 바람직하다. 상자성체 차폐판은 (130) 은, 탱크 본체 (110) 의 내측 표면에 용접 등에 의해 고정 설치되고 상자성체 차폐판 (130) 을 관통하는 볼트 (미도시) 의 단부에 대면적 너트 (131) 를 체결하여 고정될 수 있다. 대면적 너트 (131) 는 상자성체 차폐판 (130) 이 탱크 본체 (110) 와 밀착 고정될 수 있도록 하며, 대면적 너트 (131) 의 직경은 최대한 큰 것이 바람직하다.

구체적으로 설명하면, 대면적 너트 (131) 의 직경은, 일반 규격의 너트보다 크게 설정되는 것이 바람직하다. 명확한 규격으로서 말하면, 대면적 너트 (131) 의 하측 접촉 면적은 KS 규격에 부합하는 육각 너트 및 사각 너트의 하측 접촉 면적보다 크게 설정되는 것이 바람직하다. 여기서, 육각 너트의 KS 규격은 KS B 1012 에 따른 것이며, 사각 너트의 KS 규격은 KS B 1013 에 따른 것이다.

KS 규격과 같은 일반 규격의 너트를 사용하면, 너트의 하측 접촉 면적이 작아 상자성체 차폐판 (130) 이 탱크 본체 (110) 에 고르게 접촉하지 못하여, 유도 가열 방지 성능이 떨어진다. 반면에, 대면적 너트 (131) 를 사용하면, 상자성체 차폐판 (130) 을 탱크 본체 (110) 에 고르게 접촉하게 하여, 더 좋은 유도 가열 방지 성능을 기대할 수 있다.

한편, 대면적 너트 (131) 의 상측으로는 4 개의 홀이 형성되어, 대면적 너트 (131) 를 탱크 본체 (110) 에 고정된 볼트에 고정할 때 이용할 수 있다. 또한, 대면적 너트 (131) 는 상자성체 차폐판 (130) 상에 등간격으로 분포시키는 것이 바람직하다. 또한, 대면적 너트 (131) 를 상자성체로 구성하면, 누설 자속에 의한 유도 가열을 방지할 수 있어, 바람직하다.

도 1c를 참조하면, 부싱 (121~126) 각각은 내부에서 한 쌍의 리드 (121a, 121b ~ 126a, 126b) 로 연결부 (128) 에 의해 분할되어 있다. 예를 들어, 부싱 (121) 은 내부에서 리드 (121a) 및 리드 (121b) 로 분할되어 있다.

각 상의 부싱 간의 내부 결선에는 버스바 플레이트 (busbar plate) (129a, 129b, 129c) 가 사용되며, 버스바 플레이트 (129a, 129b, 129c) 는 각 상의 부싱 간을 전기적으로 연결하여, 내부 결선을 행한다. 본 실시예에서는 델타 결선을 예시하고 있는데, 버스바 플레이트 (129a) 는 U 상의 부싱 (121, 122) 과 V 상의 부싱 (123, 124) 을 연결하고, 버스바 플레이트 (129b) 는 U 상의 부싱 (121, 122) 과 W 상의 부싱 (125, 126) 을 연결하며, 버스바 플레이트 (129c) 는 V 상의 부싱 (123, 124) 과 W 상의 부싱 (125, 126) 을 연결한다. 그러나, 이러한 결선은 공지의 다른 결선 방법으로 행하여질 수도 있다.

이하에서는 온도 해석을 통해 본 실시예의 탱크 표면 모듈 (100) 의 효과를 설명하기로 한다.

먼저 절연판 (120) 에 따른 효과에 대해 설명한다.

도 2a는 각 상의 부싱 사이에 탱크 본체와 동일한 재질의 자성체가 배치된 비교예의 개략적인 정면도이고, 도 2b는 도 1a의 탱크 표면 모듈의 개략적인 정면도이다.

도 2a의 비교예는 본 실시예와 다른 구성은 동일하되, 절연판 (120') 을 각 상의 부싱에 3 개로 분할하여 배치한 것에서만 차이가 있다. 즉, 도 2a에서 각 절연판 (120') 사이는 자성체 재질로 되어 있다. 또한, 2차 권선과 떨어진 거리, 내부 결선 등의 외부 요인도 모두 동일하게 설정되었다. 참고로, 실험에서는 2차 측 정격 전류가 50000A로 설정되었으며, 내부 절연 매체는 광유를 사용하였다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같은 점 A, 점 B, 점 C 및 점 D에서의 온도를 실측하였고, 결과는 아래 표와 같다.

	점 A에서의 온도(℃)	점 B에서의 온도(℃)	점 C에서의 온도(℃)	점 D에서의 온도(℃)
비교예 (도 2a)	112	90	64.5	52
실시예 (도 2b)	26.9	25	28	25.8
편차	85.1	65	36.5	26.2

상기 표 1에서와 같이, 본 실시예에서는 각 지점마다 온도의 편차가 거의 없이 25 ~ 28 ℃ 정도로 가열되는 것을 알 수 있다. 반면에 도 2a의 비교예에서는 각 지점에서의 온도 편차가 최대 60 ℃ 정도로 크고, 또한 본 실시예의 각 지점과 비교하여서도 편차가 최대 85.1 ℃ 로서, 상당한 온도로 자성체 부분이 가열되는 것을 알 수 있다.

위의 실험 결과로서, 도 1a 내지 도 1c와 같이 일체로 형성된 절연판 (110) 에 의해 부싱 주변의 온도를 25 ~ 28 ℃ 범위 내에서 안정적으로 제어할 수 있어, 로용 변압기 전체의 크기를 줄일 수 있다는 점이 확인될 수 있다.

도 3a 내지 도 3f는 내부 결선 리드와 탱크 간격에 따른 도 2a와 같은 구성의 탱크 부분의 온도 시뮬레이션 데이터이다.

시뮬레이션 조건으로서, 2차 측 정격전류는 약 50000A로 설정되었고, 해당 부위의 탱크 재질은 STS304, 탱크 내부 절연 매체는 광유로 설정되었으며, 탱크 내부에는 규소 강판이 적용되었다. 시뮬레이션은 VIT 사의 'H lead' 소프트웨어에 의해 행하여졌다.

시뮬레이션은 내부 결선 리드와 탱크의 간격을 300 mm, 500 mm, 800mm, 1000 mm, 1200 mm, 1500 mm 로 각각 설정하여 행하여졌으며, 그 결과가 도 3a 내지 도 3f에 도시된다.

도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 내부 결선 리드와 탱크의 간격이 300 mm 일 경우에는 탱크 표면 온도가 212 ℃, 500 mm 일 경우에는 186 ℃, 800 mm 일 경우에는 153 ℃, 1000 mm 일 경우에는 134 ℃, 1200 mm 일 경우에는 125 ℃, 1500 mm 일 경우에는 110 ℃ 로 상승하는 것을 알 수 있다.

IEC (International Electrotechnical Commmission) 규격에 따르면, 변압기의 탱크 온도의 허용치는 140 ℃ 이므로, 내부 결선 리드와 탱크 간에 최소한 1000 mm 의 간격을 확보해야 한다.

이에 반하여, 도 1a 내지 도 1c에 따른 본 실시예의 구성에 따르면, 내부 리드와의 간격을 작게 하더라도 절연판 (120) 의 온도가 상승되지 않고, 실험 결과 약 225 mm 의 간격만 확보하더라도, 절연판 표면 온도가 30 ℃ 를 초과하지 않음을 발견하였다.

상술한 바에 따르면, 절연판 (120) 및 상자성체 차폐판 (130) 의 구성에 의해 유도 가열을 최소화할 수 있고, 이에 따라 내부 결선 리드와의 간격을 최소화할 수 있다. 구체적으로 도 2a의 비교예의 구성에 따른 시뮬레이션 결과 (도 3a 내지 도 3f) 와 비교하여서는 내부 결선 리드와의 간격을 대략 77.5% 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 안정적으로 IEC 규격을 준수하면서도, 크기를 최소화한 로용 변압기가 제공될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

110…탱크 본체 120…절연판
121~126…부싱 127…패킹
121a~126b…내부 리드 128…연결부
129a~129c…버스바 플레이트 130…상자성체 차폐판
131…대면적 너트
100…탱크 표면 모듈

Claims (4)

1. 복수 개의 상의 부싱이 외부로 인출되는 로용 변압기에 있어서,
   상기 로용 변압기의 외측의 일부면을 구성하는 절연판을 포함하며,
   상기 복수 개의 상의 부싱 모두는 상기 절연판을 관통하여 설치되는 것을 특징으로 하는 로용 변압기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 절연판은 에폭시 (epoxy) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로용 변압기.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 절연판은 자성체 재질의 탱크 본체와 연결되어 고정되며, 상기 탱크 본체의 내측면에는 상자성체 차폐판이 접하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 로용 변압기.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 상자성체 차폐판과 상기 탱크 본체 서로 간은, KS 규격에 부합하는 육각 너트 및 사각 너트의 하측 접촉 면적보다 큰 하측 접촉 면적을 가지는 대면적 너트 및 상기 탱크 본체에 고정된 볼트의 결합에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 로용 변압기.
   

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