KR102045895B1

KR102045895B1 - 변압기의 냉각장치

Info

Publication number: KR102045895B1
Application number: KR1020150086804A
Authority: KR
Inventors: 김성언
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2019-11-18
Also published as: EP3116000A1; ES2657308T3; CN106257604A; CN106257604B; KR20160149594A; EP3116000B1; US20160372249A1; US9818525B2

Abstract

본 발명은 변압기의 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히트 파이프 와 히트싱크가 구비되어 냉각성능이 향상되고 냉각팬이 제거되어 소음을 감소시키도록 한 변압기의 냉각장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 냉각장치는 상부 프레임 및 하부 프레임; 상기 상부 프레임과 하부 프레임 사이에 설치되는 코어; 상기 코어의 레그부를 감싸도록 구비되는 코일; 플레이트로 형성되어 상기 코일이 상하로 구분되는 코일 섹션의 사이사이에 개재되는 복수 개의 반경 방향 스페이서; 상기 반경 방향 스페이서의 지지를 받으며 상기 코어와 코일의 내,외부에 설치되는 히트 파이프 ; 상기 히트 파이프 의 상부에 결합되고, 코일의 상부에 노출되는 히트 싱크;를 포함하여 구성된다.

Description

변압기의 냉각장치{Cooling Device of Power Transformer}

본 발명은 변압기의 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히트 파이프 와 히트싱크가 구비되어 냉각성능이 향상되고 냉각팬이 제거되어 소음을 감소시키도록 한 변압기의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 전력용 변압기는 전력계통에 구성되어 발전소로부터 전압을 받아 승압 및 감압을 통해 수용가까지 전력을 송신하는데 중요한 역할을 한다. 특히, 전력손실을 줄이기 위하여 초고압변압기가 많이 사용되고 있다.

이러한 변압기는 외함으로 불리는 탱크와 부싱, 컨서베이터 등 많은 액세서리 부품으로 구성되어 있으며, 내부적으로는 자로(磁路)를 형성하는 코어(철심)과, 상기 코어 주변에 권회되는 코일이 포함된다.

상술한 변압기 중에는, 코일의 절연 및 냉각을 위해 스페이서에 의해 냉각덕트를 형성하고 이 냉각덕트를 통해 흐를 수 있는 오일(절연유)을 주입한 소위 유입식(오일) 변압기가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 유입식 변압기 지지구조의 사시도이다. 도시된 것은 삼상형 변압기로서 코어(1)에 코일(2)이 3개 일렬로 배열되어 있다. 종래기술에 따른 변압기 지지구조는 바닥에 나란하게 설치되는 한 쌍의 베드 프레임(3), 상기 베드 프레임(3) 상부에 베드 프레임(3)과 직교하는 방향으로 놓이는 하부프레임(4), 코일(2)의 상부에서 상기 하부프레임(4)과 같은 방향으로 놓이는 상부프레임(5), 그리고 상기 상,하부프레임(4,5)과 코일(2)의 사이에 개재되는 스페이서(6)를 포함하여 구성된다.

변압기는 전압을 높이거나 낮추는 과정에서 전류 인가 시 코어(1)나 코일(2) 등에서 발생하는 손실로 인해 열이 발생한다. 이때 발생한 열은 변압기 내부를 순환하는 절연유에 전달되고, 절연유의 온도상승이 발생하면 변압기의 내부 압력도 함께 상승하게 되어 과열 및 압력상승으로 인해 변압기의 폭발사고를 유발시키고, 절연유가 열화되어 절연손상이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 변압기의 외부에 방열기(미도시) 및 냉각팬(미도시) 등을 설치하여 변압기 내부에서 발생되어 절연유로 전달된 열을 방열기를 통해 배출하도록 한다. 즉, 코일 내부의 냉각덕트를 순환한 절연유를 방열기로 보내 외부로 열을 배출시키고, 온도가 낮아진 절연유는 다시 냉각덕트로 유입되어 코일에서 발생하는 열을 흡수하도록 하는 것이다. 이와 같이, 방열기와 냉각팬이 설치된 변압기의 예로 US 2012/0249275A1 'Insulation for Power Transformer' (특히, Fig. 1) 등을 참조할 수 있다.

그런데, 이와 같이 변압기 외부에 방열기 및 냉각팬 등의 냉각장치가 구성됨에 따라 차지하는 공간이 급격히 증대되고, 냉각팬의 가동에 의한 소음이 크게 발생하게 된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 소음이 저감되면서도 냉각성능이 감소하지 않는 변압기 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 냉각장치는 상부 프레임 및 하부 프레임; 상기 상부 프레임과 하부 프레임 사이에 설치되는 코어; 상기 코어의 레그부를 감싸도록 구비되는 코일; 플레이트로 형성되어 상기 코일이 상하로 구분되는 코일 섹션의 사이에 개재되는 복수 개의 반경 방향 스페이서; 상기 반경 방향 스페이서의 지지를 받으며 상기 코어와 코일의 내,외부에 설치되는 히트 파이프; 상기 히트 파이프 의 상부에 결합되고, 코일의 상부에 노출되는 히트 싱크;를 포함한다.

여기서, 상기 반경 방향 스페이서에는 복수 개의 관통홀이 형성되어 상기 히트 파이프 가 상기 관통홀에 삽입 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 관통홀은 슬릿형태로 형성되고, 상기 히트 파이프 가 복수 개 나란하게 삽입되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 관통홀은 복수 개 이격 형성되어 상기 히트 파이프가 이격 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코일이 방사상으로 구역을 이루는 코일 세그먼트의 사이에 개재되는 복수 개의 축방향 스페이서를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 축방향 스페이서에 형성되는 축홀에 상기 히트 파이프가 삽입 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히트 싱크는 상기 상부 프레임에 고정 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히트 싱크와 히트 파이프 사이에는 일단은 하나의 관으로 구성되어 상기 히트 싱크에 연결되고, 타단은 복수 개의 관으로 구성되어 각각 히트 파이프에 연결되는 분류관이 개재되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 히트 싱크는 복수 개로 구비되어 상기 원주상으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 냉각장치에 의하면 코일 내부에 설치되는 히트 파이프 와 코일 외부에 설치되는 히트 싱크가 구비되어 코일에서 발생하는 열이 효과적으로 방출되며, 냉각팬이 제거되어 소음이 저감되는 효과가 있다. 또한, 코일 내부의 히트 파이프는 반경 방향 스페이서 또는 축방향 스페이서에 설치되어 지지력을 받게 되는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 유입식 변압기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 측단면도이다.
도 4는 도 3에서 A-A 부분 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 반경 방향 스페이서의 평면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 사시도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 측단면도, 도 4는 도 3에서 A-A 부분 단면도이고, 도 5A 및 도 5B는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 반경 방향 스페이서의 평면도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 변압기의 냉각장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 냉각장치는 상부 프레임(10) 및 하부 프레임(15); 상기 상부 프레임(10)과 하부 프레임(15) 사이에 설치되는 코어(20); 상기 코어(20)의 레그부(22)를 감싸도록 구비되는 코일(30,40); 플레이트로 형성되어 상기 코일(30,40)이 상하로 구분되는 코일 섹션(41,42,...)의 사이사이에 개재되는 복수 개의 반경 방향 스페이서(55); 상기 반경 방향 스페이서(55)의 지지를 받으며 상기 코어(20)와 코일(30,40)의 내,외부에 설치되는 히트 파이프(60); 상기 히트 파이프(60)의 상부에 결합되고, 상기 코일(30,40)의 상부에 노출되는 히트 싱크(65);를 포함하여 구성된다.

하부 프레임(15)은 베이스 프레임(16)의 중앙에 베이스 프레임(16)과 직교하는 방향으로 설치된다. 하부 프레임(15)은 3상의 코일을 모두 수용하는 길이로 형성될 수 있다. 하부 프레임(15)은 형강(section shape steel)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 프레임(15)은 한 쌍의 'ㄷ'형강(channels)으로 구성될 수 있다. 베이스 프레임(16) 위에 한 쌍의 'ㄷ'형강이 서로 대칭으로 놓이도록 설치될 수 있다.

상부 프레임(10)은 코일(30,40)의 상부에 하부 프레임(15)과 같은 방향으로 설치된다. 상부 프레임(10)은 한 쌍의 'ㄷ'형강(channels)으로 구성될 수 있다.

상부 프레임(10)과 하부 프레임(15) 사이에 코어(20)가 설치된다. 코어(20)는 수평하게 형성되는 상부코어(21), 하부코어(23) 및 상부코어(21)와 하부코어(23) 사이에 형성되는 레그부(22)로 구성될 수 있다. 여기서 레그부(22)는 각 상의 갯수에 따라 복수 개로 구성될 수 있다. 예를 들어, 3상 회로의 경우 3개의 레그부(22)가 형성될 수 있다.

한편, 코어(20)는 베이스 프레임(16)에 얹혀진 상태로, 상부코어(21)는 상부 프레임(10)에 의해 고정 지지되고, 하부코어(23)는 하부 프레임(15)에 의해 고정 지지되는 방식으로 설치될 수 있다.

코어(20) 재질은 냉간 압연 방식으로 제조된 방향성 규소강판을 사용할 수 있다. 코어(20)는 열적,기계적 특성이 우수한 절연 테이프로 감싸질 수 있으며, 코어(20) 표면에는 보호용으로 방청도장 처리가 될 수 있다.

코일(30,40)은 코어(20)를 감싸도록 설치된다. 코일(30,40)은 저압 코일(30)과 고압 코일(40)로 구성될 수 있다. 코일(30,40)은 상부 프레임(10)과 하부 프레임(15)의 사이에 스페이서(11)에 의해 이격된 채 설치될 수 있다.

저압 코일(30)은 레그부(22)를 감싸도록 설치된다. 저압 코일(30)는 시트형 도체(Sheet conductor) 또는 선형 도체(Line Conductor)로 권선되어 형성될 수 있다. 저압 코일(30)의 주변부는 프리프레그 절연지(Pre-Preg Insulated Sheet) 등을 사용하여 절연성을 갖도록 할 수 있다.

고압 코일(40)은 상기 저압 코일(30)을 감싸도록 저압 코일(30)의 외부에 이격 설치된다. 즉, 고압 코일(40)의 내경은 저압 코일(30)의 외경보다 크게 형성된다. 이때, 고압 코일(40)과 저압 코일(30)의 사이에는 냉각 덕트(39)가 마련될 수 있다. 고압 코일(40)은 저압 코일(30)과 마찬가지로 전기전도성이 우수한 도체로 제조되는 것이 바람직하다.

저압 코일(30) 또는 고압 코일(40)은 구체적으로 코일 세그먼트 및 코일 섹션으로 구성될 수 있다. 여기서, 코일 세그먼트는 방사 방향으로 복수의 벽을 이루는 것을 말하고, 코일 섹션은 상하 방향으로 복수의 층을 이루는 것을 말한다.

고압 코일(40)을 예로 들어 설명하기로 한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 코일 세그먼트(40a,40b,40c)는 다수개의 코일 또는 동판이 벽의 형태를 이루도록 권선 또는 적층되어 형성될 수 있다. 여기서, 코일 세그먼트(40a,40b,40c)를 3개의 구성으로 도시하였지만, 이는 하나의 예로서 임의의 갯수로 형성될 수 있음은 물론이다.

저압 코일(30) 또는 고압 코일(40)에는 열이 많이 발생하므로 이 열을 방출하기 위하여 냉각덕트(38,39)가 형성된다. 냉각덕트(38,39)는 저압 코일(30) 또는 고압 코일(40)의 사이 및 각 코일 세그먼트(40a,40b,40c)의 사이사이에 마련된다. 냉각덕트(38,39)를 형성하기 위해 스페이서가 설치된다.

저압 코일(30) 또는 고압 코일(40)의 내,외측 및 각 코일 세그먼트(40a,40b,40c)의 사이에 축방향 스페이서(50, 50a,50b)가 개재된다. 축방향 스페이서(50)에 의해 코일 세그먼트(40a,40b,40c)는 서로 이격되고, 인접한 코일 세그먼트(40a,40b,40c)의 사이에는 냉각덕트(38)가 형성된다.

여기서, 코일(30, 40)의 내,외측에 설치되는 축방향 스페이서(50a,50b)는 단면이 사다리꼴 형상으로 형성되어 후술하는 반경 방향 스페이서(55)에 결합되어 분리되지 않도록 하여, 코일(30,40)을 지지하는 역할을 한다.

코일 세그먼트(40a,40b,40c)는 방사상으로 여러 겹의 벽을 이루며 다수개의 구역을 형성하게 된다.

코일 세그먼트(40a,40b,40c)의 외측 테두리의 축방향 스페이서(50b)는 내측 테두리의 축방향 스페이서(50a)와 동일한 형상으로 형성되나, 면대칭되는 방향으로 설치될 수 있다.

코일(30,40)은 상하 방향으로 층을 이루는 코일 섹션(41,42,...)으로 구획이 이루어 질 수 있다.

도 3을 참조하면, 각 코일 섹션(41,42,...)은 상하방향으로 반경 방향 스페이서(55)에 의해 이격하여 층을 이룬다. 반경 방향 스페이서(55)의 양측에는 사다리꼴 형상의 홈부(56)가 형성된다. 이 홈부(56)에 내측 테두리의 축방향 스페이서(50a) 및 외측 테두리의 축방향 스페이서(50b)가 각각 끼움결합되어 고정된다. 반경 방향 스페이서(55)에 의해 각 코일 섹션(41,42,...)은 이격되며, 층을 이루는 각 코일 섹션(41,42,...)의 사이사이에 공간을 형성한다.

반경 방향 스페이서(55)는 장방형의 플레이트로 이루어질 수 있다. 반경 방향 스페이서(55)의 길이방향으로 양측에는 홈부(56)가 형성되어 내측 테두리의 축방향 스페이서(50a) 및 외측 테두리의 축방향 스페이서(50b)가 각각 고정 결합될 수 있다. 반경 방향 스페이서(55)의 중앙부에는 히트 파이프(60)가 삽입될 수 있는 관통홀(57)이 형성된다. 여기서, 관통홀(57)은 슬릿 형태로 형성될 수 있다.

반경 방향 스페이서(55)의 관통홀(57)에 히트 파이프(60)가 삽입 설치된다. 히트 파이프(60)는 반경 방향 스페이서(55)에 설치되어 지지를 받는다. 관통홀(57)에는 히트 파이프(60)가 복수 개 삽입 설치될 수 있다. 이때, 히트 파이프(60)는 병렬로 나란하게 설치되는 관다발로 구성될 수 있다. 히트 파이프(60)가 관다발 형상으로 여러 개 설치됨에 따라 방열 성능을 향상시킬 수 있다.

도 5B에는 반경 방향 스페이서(55)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서는 반경 방향 스페이서(55)에 원형으로 형성된 관통홀(58)이 복수 개 이격되어 형성된 것이 나타나 있다. 각 관통홀(58)이 이격 형성됨에 따라 히트 파이프(60)가 서로 이격된 채 설치되어 방열 성능을 향상시킬 수 있다.

별도로 도시하지는 않았지만, 내,외측 테두리의 축방향 스페이서(50a,50b)에는 축홀(미도시)이 형성되고, 상기 축홀에 히트 파이프(60)가 삽입 설치될 수 있다. 내,외측 테두리의 축방향 스페이서(50a,50b)에도 히트 파이프(60)가 설치되어 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

냉각덕트(38,39)에는 냉각을 위해 절연유를 흐르게 한다. 절연유는 하방에서 상방으로 흐르면서 냉각덕트(38,39)가 형성된 곳마다 흐르게 될 수 있다.

히트 파이프(60)는 주지하디시피 감압(減壓)한 파이프 내부에 물 또는 알코올 등의 액체(작동유체)를 넣고 한쪽을 가열하면 액체가 증기로 되어 다른 쪽으로 흐르고, 그곳에서 방열하여 액체가 되면 모세관 현상에 의해 액체가 가열부로 되돌아오게 되는데, 이러한 작용이 반복적으로 일어나면서 열을 가열부에서 방열부로 전달하는 원리를 응용한 것이다.

히트 파이프(60) 작동의 핵심 부품인 윅(Wick)은 응축부에서 증발부로 액체 상태의 작동 유체를 되돌려 보내는 내부의 모세관 구조물로서, 보통 메쉬(mesh) 또는 그루브(groove)의 형상을 가지는데, 이것은 액체의 표면 장력에 의한 모세관 현상을 일으킨다.

히트 파이프(60)의 흡열부는 코일(30,40) 내부에 위치하게 되며, 방열부는 코일(30,40)의 상부로 노출된다. 즉, 코일(30,40)에서 발생하는 열은 히트 파이프(60)의 상부로 이동하여 외부로 방출된다. 히트 파이프(60)는 구리 등 열전도성이 우수한 재료로 형성될 수 있다.

히트 싱크(65)가 히트 파이프(60)의 상부에 결합된다. 히트 싱크(65)는 알루미늄 등 열전도성이 우수하고 단가가 낮은 재료로 이루어질 수 있다.

히트 싱크(65)는 상부 프레임(10)에 고정되도록 설치될 수 있다. 이에 따라, 히트 싱크(65)가 안정적으로 설치되며, 상부 프레임(10)의 열까지 방출시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

여기서, 히트 싱크(65)는 복수 개로 구비되어 상기 원주상으로 배치될 수 있다(도 2 참조). 히트 싱크(65)가 복수 개 구비되어 복수 개의 히트 파이프(60)에 연결될 수 있다. 이러한 히트 싱크(65)는 반경 방향 스페이서(55)의 위치에 일치하도록 배치되거나, 복수 개의 반경 방향 스페이서(55)를 포괄하는 위치에 배치될 수 있다.

상기 히트 싱크(65)와 히트 파이프(60) 사이에는 일단은 하나의 관으로 구성되어 상기 히트 싱크(65)에 연결되고, 타단은 복수 개의 관으로 구성되어 각각 히트 파이프(60)에 연결되는 분류관(61)이 개재될 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 히트 파이프(60)와 하나의 히트 싱크(65)와의 구성이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 히트 싱크(65)의 설치 면적의 한계를 고려하여 다양한 방식의 구성으로 설계가 가능해진다.

이 실시예에서 주로 고압 코일(40)에 대해서 냉각장치가가 설명되고 도시되었지만, 저압 코일(30) 부분에 있어서도 적용될 수 있음은 물론이다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변형은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.

10 상부 프레임 15 하부 프레임
16 베이스 프레임 20 코어
21 상부코어 22 레그부
23 하부코어 30 저압 코일
38,39 냉각덕트 40 고압 코일
40a,40b,40c 코일 세그먼트 41,42,... 코일 섹션
50 축 방향 스페이서 50a,50b 내,외측 테두리 축 방향 스페이서
55 반경 방향 스페이서 56 홈부
57,58 관통홀 60 히트 파이프
61 분류관 65 히트 싱크

Claims

상부 프레임 및 하부 프레임;
상기 상부 프레임과 하부 프레임 사이에 설치되는 코어;
상기 코어의 레그부를 감싸도록 구비되는 코일;
플레이트로 형성되어 상기 코일이 상하로 구분되는 코일 섹션의 사이에 개재되는 복수 개의 반경 방향 스페이서;
상기 반경 방향 스페이서의 지지를 받으며 상기 코어와 코일의 내,외부에 설치되는 히트 파이프;
상기 히트 파이프의 상부에 결합되고, 코일의 상부에 노출되는 히트 싱크;를 포함하고,
상기 반경 방향 스페이서에는 복수 개의 관통홀이 형성되어 상기 히트 파이프가 상기 관통홀에 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 관통홀은 슬릿형태로 형성되고, 상기 히트 파이프가 복수 개 나란하게 삽입되는 것을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 관통홀은 복수 개 이격 형성되어 상기 히트 파이프가 이격 설치되는 것을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 코일이 방사상으로 구역을 이루는 코일 세그먼트의 사이에 개재되는 복수 개의 축방향 스페이서를 더 포함하는 변압기의 냉각장치.
제5항에 있어서, 상기 축방향 스페이서에 형성되는 축홀에 상기 히트 파이프가 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 상부 프레임에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 히트 싱크와 히트 파이프 사이에는 일단은 하나의 관으로 구성되어 상기 히트 싱크에 연결되고, 타단은 복수 개의 관으로 구성되어 각각 히트 파이프에 연결되는 분류관이 개재되는 것을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 히트 싱크는 복수 개로 구비되어 원주상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 변압기의 냉각장치.