KR20000016097A - 직류변압기/리액터_ - Google Patents

Abstract

본 발명은, 하나의 자기회로가 하나의 자기철심과 적어도 하나의 권선부를 포함하는 직류변압기/리액터에 관한 것이다. 이 권선부는 적어도 하나의 전류가 흐르는 도선을 포함한다. 상기 각 권선부는 하나의 절연시스템을 포함하여 이루어지며, 이 절연시스템은 한편으로는 각 반도체층이 하나가 본질적인 등전위표면을 형성하도록 구성하는 적어도 2개의 반도체층을 포함하고, 다른 한편으로는 두 반도체층사이에 하나의 고체 절연부가 배치된다.

Description

직류변압기/리액터

본 발명의 직류변압기/리액터를 설명하기 위하여 종래의 전력변압기에 대하여 설명하기로 한다.

예를 들어 아래와 같이 잘 알려진 문헌이 참고가 될 것이다.

The J ＆ P Transformer Book, A Practical Technology of the Power Transformer(에이. 씨. 프랭클린과 디. 피. 프랭클린 공저, 버터워쓰 출판사 발행, 1990년도 11판)

권선의 내부전기절연 등에 관하여는 다음과 같은 문헌이 있다.

Transformerboard, Die Verwendung von Transformerboard in Grossleistungstransformatoren(에이취. 피. 모제르 저, 에이취. CH-8640 라퍼스빌의 와이드만 아게 출판사 발행)

뒤의 책자는 스위스의 절연체 제조회사인 와이드만에 의해 발행된 것으로서, 모든 변압기 제조업체의 기본서에 속한다.

극히 일반적인 관점에서, 전력변압기의 일차적인 임무는 동일한 주파수를 가지며 전압이 일반적으로 상이한, 둘 또는 그 이상의 전기시스템 사이의 전기에너지의 교환을 허용하는 것이다.

종래의 전력변압기는, 흔히 적층판으로 되고, 아래에서 철심이라고 불리며, 실리콘 철(silicon iron)로 보통 만들어지는 변압기 철심을 포함한다. 철심은, 함께 하나 또는 그 이상의 코어 윈도우(core window)를 형성하는 요크에 의해 연결된 다수의 코어 아암(core limb)을 포함한다. 그러한 철심을 갖는 변압기는 자주철심변압기라고 부른다. 코어아암의 주위에는 보통 1차, 2차 및 제어권선이라고 불리우는 다수의 권선이 있다. 전력변압기에 관한 한, 이들 권선은 실질적으로 항상 동심원으로 구성되고, 코어 아암을 따라 감겨진다. 원칙적으로 철심변압기는, 가능한 한 윈도우 공간을 이용하기 위하여 테이퍼형상의 다리부와 원형 코일을 갖는다.

철심형 변압기외에, 쉘형 변압기가 있다. 이들은 흔히 장방형 코일과 장방형 코어 아암부를 갖도록 설계된다.

상기 전력범위의 중간부에 대한 종래의 전력변압기는 때때로, 불가피한 고유의 손실을 제거하기 위하여 공냉부를 갖도록 설계된다. 외부접촉으로부터의 보호를 위해, 그리고 변압기의 외부자계를 감소시키기 위해서도, 환기구가 만들어진 외부케이싱이 구비되는 경우가 흔하다.

그러나, 종래의 전력변압기는 대부분 오일로 냉각된다. 그러한 이유의 하나는, 절연매체로서의 오일이 매우 중요한 추가기능을 갖기 때문이다. 오일냉각식, 오일절연 전력변압기는 따라서, 하기 설명으로부터 명백하듯이, 매우 높은 요구조건이 부과되는 외부탱크로 둘러싸이게 된다.

코일은 수냉수단을 갖추는 것이 보통이다.

아랫부분의 설명은 대부분 오일충전 전력변압기에 대한 것이다.

변압기의 권선은, 수많은 직렬 턴(turns)으로 만들어진 하나 또는 그 이상의 직렬연결코일로 형성된다, 그 외에, 코일의 단자사이의 스위칭을 허용하기 위한 특수장치가 코일에 구비되어 있다. 그러한 장치는, 전환(changeover)을 위해 스크류 죠인트의 도움을 받도록, 또는 탱크 근처에서 동작가능한 특수전환 스위치의 도움을 받도록 설계될 수도 있다. 전환이, 전압이 걸린 변압기에 대해, 일어나는 경우, 그 전환스위치는 부하시 탭전환기(on-load top changer)라고 불리우며, 그외에는 전기차단시(de-energized) 탭전환기라고 부른다.

상부 전력범위내의 오일냉각식, 오일 절연 전력변압기에 관하여, 부하시 탭 전환기의 차단요소(breaking elements)는, 변압기 탱크에 직접 연결된 특수 오일 충전 콘테이너에 위치한다. 그 차단요소는, 모터구동 회전 샤프트에 의해 순수하게 기계적으로 동작되고, 접점이 열려있을 때의 스위칭 중에는 급히 동작하고 접점이 닫혀있을 때에는 보다 천천히 동작하도록 구성된다. 그러나, 그와 같은 부하시 탭 전환기는 실제 변압기의 탱크내에 위치한다. 동작중에, 아크(arcing)와 스파크(sparking)가 일어난다. 이것은 콘테이너내의 오일의 열화(degradation)로 이어진다. 보다 적은 아크 그리고 그에 따라 또한 매연(soot) 발생 및 접점마모가 보다 적은 양이 되도록 하기 위해, 부하시 탭 전환기는 보통 변압기의 고전압측에 연결된다. 이것은, 차단되고 접속될 필요가 있는 전류가 각각, 부하시 탭 전환기가 저전압측에 연결될 경우보다도 고전압측에서 더 작기 때문이다. 종래의 오일 충전 전력변압기의 고장 통계는, 고장이 생기게 하는 것이 흔히 부하시 탭 전환기라는 것을 보여준다.

하부전력범위에 사용되는 오일 충전식, 오일 절연 전력변압기에서, 부하시 탭 전환기와 그 차단요소는 모두 탱크내에 위치한다. 이것은, 동작중의 아크발생 등으로 인한 오일의 열화에 관한 상기 문제점이 오일 시스템 전체에 영향을 준다는 것을 의미한다.

인가 또는 유기된 전압의 관점에서, 권선에 고정되어(stationary) 걸린 전압은 권선의 매 턴(each turn)에 대해 균등하게 분포되어 있다고, 즉 턴 전압은 모든 턴에 동일하다고, 대체적으로 말할 수 있다.

그러나, 전위의 관점에서는, 사정이 완전히 다르다. 권선의 일단은 접지에 연결되는 것이 보통이다. 그러나, 이것은, 각 턴의 전위가 지전위에 가장 가까운 턴에서 실질적으로 0으로부터 선형적으로 증가하여, 권선의 타단에 있는 턴의 전위, 즉 인가된 전압에 상응한 전위까지 상승하는 것을 의미한다.

이러한 전위분포는, 권선의 인접된 턴들의 사이 그리고 각 턴과 접지사이에 모두 충분한 절연을 가지는 것이 필요하므로, 이러한 전위분포가 절연시스템의 구성(composition)을 결정한다.

각 개별 코일의 턴은, 다른 코일로부터는 물리적으로 경계지워져서(physically delimited), 하나의 기하학적 밀착유니트(a geometrical coherent unit)로 합쳐지는 것이 보통이다. 코일사이의 거리도 또한, 코일사이에 일어나도록 허용될 수도 있는 유전 스트레스(dielectric stress)에 의해 결정된다. 그리하여, 이것은 일정한 주어진 절연간격이 코일사이에 필요하다는 것을 또한 의미한다. 상술한 바에 따라, 코일에서 국부적으로 일어나는 전위에 의한 전계내에 존재하는 다른 전기도체(electrically conducting objects)에 대하여도 충분한 절연 간격이 또한 요구된다.

그리하여, 각 개별코일의 경우, 물리적으로 인접한 도선요소사이의 내부적인 전압차는 낮고, 그 반면에 다른 금속-다른 코일 포함-에 관련된 외부적인 전압차는 상대적으로 높을 수도 있다. 그 전압차는, 변압기의 외부결선에 연결된 외부전기시스템으로부터 일어날 수도 있는 용량분포전압(capacitively distributed voltages)에 의해서 뿐 아니라 자기유도에 의해 유기된 전압에 의해서도 결정된다. 동작전압외에 외부로부터 들어가는 전압형태는, 뇌격 과전압(lightning overvoltages)와 스위칭 과전압을 포함한다.

코일의 전류도선(current leads)에 있어서, 소선주위의 누설자계(magnetic leakage field)로 인해 추가적인 손실이 발생한다. 이러한 손실들을 가능한 한 낮게 유지하기 위하여, 상부 전력범위내의 전력변압기에 대하여 특히, 도선들은 다수의 도선요소, 흔히 불리우기를 소선(strands)이라고 하는 것으로 나뉘는 것이 보통이며, 동작중에 병렬연결된다. 이들 소선들은, 각 소선에 유기된 전압이 가능한 한 동일하게 되어 각 쌍의 소선에 유기된 전압의 차이가, 손실의 관점에서 타당한 레벨로 내부회전 전류성분(internally circulating current components)이 낮게 유지될 수 있도록, 가능한 작게 되는 패턴에 의해 교차(transpose) 되어야 한다.

종래기술에 의해 변압기를 설계할 때, 일반적인 목표는, 소위 변압기 윈도우에 의해 제한되는 주어진 영역내에 가능한 한 많은 양의 도체재료(conductor material)를 가지는 것으로서, 가능한 한 높은 필 팩터(fill factor)를 가지는 것이라고 일반적으로 설명된다. 사용가능한 공간은, 도체재료외에, 일부는 코일들사이의 내부적으로 그리고 일부는 자기철심을 포함하는 다른 금속구성재에 대하여 코일들과 관련된 절연재료도 또한 포함한다.

일부는 하나의 코일/권선내에 그리고 일부는 코일/권선들과 다른 금속부분과의 사이에 있어서, 개별도체요소에 가장 가까운 곳은 고체 셀룰로즈 베이스 절연 또는 고체 바니쉬 베이스 절연으로 그리고 그 밖의 부분은 고체 셀룰로즈와 액체 절연, 그리고 기체 절연도 가능하게 절연시스템이 설계되는 것이 보통이다. 이렇게 절연부와 함께 지지부(bracing parts)도 구비할 수 있는 권선은, 변압기의 능동전자부(active electromagnetic parts) 내부 및 그 주위에서 일어나는 높은 전계강도에 지배당하게 마련인, 큰 체적을 갖는다. 브레이크다운이 일어날 위험성이 최소가 되도록 치수결정(dimensioning)을 하는 유전 스트레스를 미리 결정할 수 있도록, 절연재료의 성질에 대한 올바른 이해가 필요하다. 절연특성을 바꾸거나 감소시키지 않는 그러한 주변환경을 이루는 것도 또한 중요하다.

고전압전력변압기용으로 현재 많이 채용되고 있는 절연시스템은 고체 절연재로서 셀룰로즈, 액체 절연재로서 변압기 오일이 있다. 변압기 오일의 베이스오일은 소위 미네랄 오일이다.

변압기오일은, 절연기능에 더하여, 변압기의 손실열을 제거함으로써 철심, 권선 등의 냉각에도 활발히 기여하는, 두가지 기능을 가진다. 오일 냉각에는 오일펌프, 외부냉각요소, 신축커플링(expansion coupling)등이 필요하다.

변압기의 외부결선과 그에 바로 연결되는 코일/권선들 사이의 전기적 접속부는, 오일 충전 전력변압기의 경우에 있어서, 실제 변압기를 둘러싸는 탱크를 통한 도전성 연결을 겨냥하는, 하나의 붓싱이다. 붓싱은 흔히 탱크에 고정된 별개의 부품이며, 탱크의 내외부에 요구되는 절연요건을 견디도록 설계되며, 전류부하와 그 결과로 생기는 전류력(current forces)을 동시에 견딜 수 있어야 한다.

권선에 관하여 상술한 절연시스템과 동일한 요건이, 코일들사이 및 붓싱과 코일사이에 필요한 내부결선, 상이한 형태의 전환스위치 및 그러한 붓싱에도 적용된다.

전력변압기 내부의 모든 금속구성재는 전류가 흐르는 도선을 제외하고는 모두, 주어진 지전위에 연결되는 것이 보통이다. 이렇게 하여, 원하지 않는, 그리고 제어하기 어려우며, 고전위의 전류리드선과 접지사이의 용량전압분포의 결과로서의 전위증가(potential increase)가 회피된다. 그러한 원하지 않는 전위증가는 부분방전, 소위 코로나를 일으킬 수도 있다. 부분적으로 발생하는 코로나는 통상의 수령 검사(acceptance tests)에서 일어날 수 있으며, 정격데이타, 증가전압 및 주파수와 비교된다. 코로나는 운전중에 손상을 일으킬 수도 있다.

변압기내의 개별 코일들은, 단락프로세스중에 생기는 전류와 그 결과로 생기는 전류력의 결과로 일어나는 여하한 스트레스에도 견딜 수 있도록 기계적인 치수결정이 되어야 한다. 일반적으로, 코일들은, 발생하는 힘(forces)들이 각 개별 코일내에 흡수되도록 설계되며, 이는, 반대로, 코일이 정상동작중의 정상기능에 적합하도록 치수가 결정되어서는 안된다는 것을 의미한다고 할 수도 있다.

오일 충전 전력변압기의 좁은 전압 및 전력범위내에서, 권선들은 소위 박판권선(sheet windings)으로 설계된다. 이것은, 상술한 개별 권선들이 얇은 박판으로 대체되는 것을 의미한다. 박판을 감은 전력변압기는 20-30kV에 이르는 전압 및 20∼30MW에 이르는 전력용으로 제작된다.

상부 전력범위에 사용되는 전력변압기의 절연시스템은, 상대적으로 복잡한 설계외에도, 절연시스템의 성질을 가장 좋은 방법으로 이용하기 위한 특수 제작법을 필요로 한다. 양호한 절연을 위해서는, 절연시스템이 낮은 수분함량을 가져야 하고, 절연부의 고체부분이 주변 오일에 잘 함침되어야 하며, 고체부분내에 "개스" 포켓이 남아있을 위험성이 최소한이어야 한다. 이를 보장하기 위하여, 변압기가 탱크내에 넣어지기 전에 권선이 감긴 전체 철심에 대하여 특별 건조 및 함침공정이 수행된다. 이러한 건조 및 함침공정을 거친 후에, 변압기가 탱크안으로 하강되고 그리고 나서 밀봉된다. 오일을 채우기에 앞서서, 액체(오일)에 잠긴 변압기를 가진 탱크로부터 모든 공기를 빼내야 한다. 이것은 특수 진공처리에 의해 이루어진다. 이 진공처리가 수행되고나서 오일 충전이 이루어진다.

예정된 사용수명 등을 얻을 수 있도록, 진공처리와 관련하여 거의 절대진공도를 갖도록 하기 위한 펌핑이 필요하다. 이것은, 따라서, 변압기를 둘러싸는 탱크가 완전진공을 유지할 수 있도록 설계되는 것을 전제로 하며, 이렇게 하는데는 재료와 제작시간이 상당히 소모된다.

만일 오일충전 변압기에서 방전이 일어나거나, 변압기의 어느 부분에서 상당한 국부적인 온도증가가 일어나는 경우, 오일이 분해되고 개스모양의 생성물이 오일내에 용해된다. 따라서, 변압기는 오일내에 용해된 개스를 탐지하기 위한 감시장치를 구비하는 것이 일반적이다.

중량문제로 인해, 대형전력변압기는 오일을 충전하지 않은 상태로 수송된다. 그에 따라, 변압기를 고객이 있는 곳에서 현지 설치함에 있어서는, 진공처리를 새로 해야 한다. 그에 더하여, 이러한 과정은 어떤 조치 또는 검사를 위해 탱크를 개방할 때마다 반복되어야 한다.

이러한 과정이 많은 시간을 소비하고 경비가 많이 들며 제작과 보수를 위한 총소요시간중 상당한 부분을 차지하며, 한편으로는, 그와 동시에 광범위한 자원을 동원해야 한다는 것이 명백하다.

종래의 전력변압기내의 절연재료가 변압기의 전체 체적의 큰 부분을 차지한다. 상부전압범위에 사용되는 전력변압기에 있어서, 변압기 오일의 양이 수십 평방미터에 이르는 경우도 흔하다. 디젤오일과 상당히 비슷한 성질을 보여주는 오일은 약하게 유동성을 가지며(thinly fluid) 상대적으로 낮은 인화점을 가진다. 따라서, 셀룰로즈와 함께 오일은, 예를 들어 내부 섬락(flashover)과 그로 인한 오일 유출이 있을 때, 고의적이 아닌 가열이 일어나도 무시할 수 없는 화재위험을 초래한다.

또한, 특히 오일충전 전력변압기의 경우, 매우 큰 운송문제가 생기는 것도 명백하다. 상부 전력 영역에 사용되는 그러한 전력변압기는 오일전체 체적이 수십평방미터에 이르고, 그 중량이 수백톤에 이르기도 한다. 변압기의 외부 디자인이 때때로 현재의 수송측면, 즉 교량, 터널 등의 통과조건에 맞추어져야 함을 알 수 있다.

통상의 오일 충전 전력변압기에서 문제되는 영역을 개략적으로 설명하면 아래와 같다:

종래의 오일충전 전력변압기는,

- 코일을 구비한 변압기 철심, 절연과 냉각을 위한 오일, 각종의 기계적 지지구등으로 이루어진 변압기를 수용하기 위한 외부탱크를 포함한다. 따라서, 매우 큰 기계적 요구조건이 탱크에 따라 다니는데, 그것은 오일이 충전되지 않은 변압기 자체만으로도 실질적으로 완전한 진공상태가 되도록 진공처리할 수 있어야 되기 때문이다. 탱크는 매우 광범위한 제작 및 시험과정을 필요로 하며, 탱크의 대형 외부 치수도 또한 상당한 수송문제를 수반한다;

- 소위 압력 오일 냉각부를 가진다. 이 냉각방법은 하나의 오일펌프, 하나의 외부 냉각요소, 하나의 신축베셀 및 신축커플링 등을 필요로 한다;

- 변압기의 외부결선들과 그리고 곧바로 연결되고 탱크에 고정된 하나의 붓싱형상의 코일/권선들 사이의 하나의 전기적 결선부를 포함한다. 붓싱은, 탱크의 내외부 모두에 대해서, 여하한 절연 요건도 견뎌내도록 설계된다;

- 그 도선들이 다수의 도선요소들, 즉 소선으로 나뉘어지는 코일/권선들을 포함하며, 그 소선들은, 인접 소선들 사이에 유기된 전압을 최소화하기 위해, 각 소선에 유기된 전압이 인접 소선들에 대해 가능한 한 균등하게 되도록 교차(transpose)되어야 한다;

- 일부는 코일/권선내에 그리고 일부는 코일/권선들과 다른 금속부들 사이에 형성되고, 개별도선요소에 가장 가까운 곳은 하나의 고체 셀룰로즈 절연부 또는 바니쉬 베이스 절연부로서 그리고 그 외측에는 고체 셀룰로즈 및 하나의 액체 절연부로 되고 또한 기체 절연부도 가능하게 설계되는, 하나의 절연시스템을 포함한다. 그 외에, 그 절연시스템은 하나의 매우 낮은 수분함량을 나타내는 것이 극히 중요하다;

- 오일로 둘러싸여 있고 전압제어를 위해 변압기의 고전압권선에 보통 연결되는 하나의 부하시 탭 전환기를 일체부(an integrated part)로서 포함한다;

- 내부 부분방전, 소위 코로나, 부하시 탭 전환기의 스파크 및 다른 고장상태와 관련된, 하나의 무시할 수 없는 화재위험을 수반할 수도 있는 오일을 포함한다;

- 방전의 경우 또는 국부적인 온도상승의 경우에 일어나는, 오일내에 용해된 개스를 감시하는 하나의 감시장치를 보통 포함한다;

- 손상 또는 사고의 경우 광범위한 환경적 피해로 이어지는 오일유출을 일으킬 수도 있는 오일을 포함한다.

직류변압기/리액터는 또한, 그 전계가 하나의 교류전계와 하나의 직류전계가 중첩된 것이라고 하는 추가적인 문제도 가지고 있다. 철심을 통한 자속은 매우 큰 디자인으로 이끄는 하나의 직류성분을 더 포함할 수도 있다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 상술한 문제점들을 해결하여, 케이블 스크린의 외부에는 본질적으로 전위가 없는, 하나의 직류변압기/리액터를 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 특허청구의 범위 제1항의 도입부에 정의되어 있고, 동 청구항의 특징부의 이점을 가지는 직류변압기/리액터를 제공함으로써 달성된다.

그에 따라, 직류변압기/리액터의 권선은 적어도 하나의, 전류가 흐르는 (current-carrying), 도선을 가지며, 각 권선부는 하나의 절연시스템을 포함하는데, 이 절연시스템은 한편으로 각 층이 실질적으로 하나의 등전위 표면(equipotential surface)을 가지는, 적어도 2개의 반도체층(semiconducting layer)을 가지며, 다른 한편으로 두 반도체층 사이에는 하나의 고체 절연부가 배치되어 있다.

본 발명의 하나의 매우 중요한 이점은, 특허청구의 범위 제1항에 정의되어 있듯이, 특수권선을 사용함으로써, 열적(thermal), 전기적 및 기계적으로 최적의 디자인을 갖는 하나의 변압기/리액터를 얻는 것이 가능하다는 것이다. 이것은 결과적으로, 상기한 DC전위를 가지는 권선사이의 공간부의 감소를 가져오고, DC전위를 가진 권선들과 철심사이의 공간부의 감소를 가져오며, 하나의 캐패시터가 장착된 하나의 보상권선에 의해 50/60Hz에서 에어갭의 보상이 가능하게 해준다. 이렇게 하여, 크기, 특히 리액터의 크기가 감소된다.

본 발명은 특허청구의 범위 제1항의 도입부에 의한 직류변압기/리액터에 관한 것이다.

직류변압기/리액터는, 정격전압이 3∼4 kV로부터 1MV에 이르는 매우 높은 송전전압을 가지는 수백 kVA로부터 1,000MVA 및 그 이상에 이르기까지의 정격 전력을 가진다.

본 발명의 실시예를 첨부도면과 관련하여 아래에 설명하고자 한다.

도 1은 전류수정 표준 케이블(current modified standard cable)의 부분들을 나타내고;

도 2는 송전계통도이며;

도 3은 종래의 변압기/리액터내의 권선주위의 전계분포도이고;

도 4는 본 발명에 의한 하나의 직류변압기/리액터를 나타내며;

도 5는 본 발명에 의한 하나의 보상된 에어갭을 가진 하나의 리액터를 보여주고;

도 6은 하나의 개량된 에어갭 구성을 포함하는 하나의 직류변압기의 다른 실시예의 사시도를 나타내며; 그리고

도 7은 본 발명에 의해 높은 전력을 하나의 직류전압 레벨로부터 다른 직류전압 레벨로 변화시키기 위한 통합구조의 회로도를 나타낸다.

실시예의 상세한 설명

본 발명의 설명에 따라 하나의 변압기/리액터를 제작할 수 있기 위한 하나의 중요한 조건은, 도선과 케이싱에 모두 하나의 반도체층을 포함하여서 되는 하나의 성형(extruded) 전기절연부를 가지는 하나의 도선 케이블을 권선으로서 사용하는 것이다. 그러한 케이블들은 다른 전력공학분야의 표준 케이블로서 사용되고 있다. 그러나, 발명의 요약에 기술되어 있듯이, 본 발명에서는 그러한 표준 케이블을 개량한 것이 권선으로 사용된다. 하나의 실시예를 설명할 수 있도록 하기 위해, 먼저 표준 케이블에 대하여 간단히 설명하기로 한다. 내부의 전류가 흐르는 도선은 다수의 소선들로 이루어진다. 소선들의 주위에는 하나의 반도체 내부케이싱(semiconducting inner casing)이 있다. 이러한 반도체 내부 케이싱의 주위에는 성형절연부로 된 하나의 절연층이 있다. 그러한 성형 절연부의 예로서는 PEX가 있고, 또는 그 대신에 소위 EP고무도 있다. 이러한 절연층은 하나의 외부 반도체층에 의해 둘러싸여 있는데, 이 외부반도체층은 다시 하나의 금속차폐(shield)와 하나의 외장(sheath)으로 둘러싸여 있다. 그러한 케이블을 아래에서는 전력케이블이라고 부르기로 한다.

개량케이블의 바람직한 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 그에 따라, 케이블(1)은 도면에서, 교차된(transposed) 비절연 소선 및 절연 소선을 모두 포함하는 하나의 전류가 흐르는 도선(2)을 포함하여 이루어지는 것으로 나타나 있다. 전기기계식으로 교차되고, 성형된 절연 소선들도 또한 사용할 수 있다. 도선 주위에 하나의 내측 반도체층(3)이 있고, 그것은 다시 하나의 성형 절연층(4)으로 둘러싸여 있다. 이 절연층은 하나의 외측 반도체층(5)으로 둘러싸여 있다. 바람직한 실시예에 사용되는 케이블은 금속차폐와 외부피복이 없다.

도 2는 하나의 송전계통도를 나타낸 것이다. 이 도면에는 2개의 직렬연결되고, 이상된(移相된 ; phase-shifted) 밸브 브릿지(6, 7)를 포함하는 하나의 변압기가 개시되어 있는데, 그 밸브들은 다이오드 밸브이다.

도 3은 종래의 직류변압기/리액터내의 권선주위의 전계분포를 도시한 것이다. 도 3에는, 하나의 철심(9)주위에 감긴 하나의 권선(8)이 나타나 있다. 도면부호 "10"은, 권선의 하부가 지전위에 있을 때 종래의 권선의 전계분포의 등전위선(equipotential lines)을 나타낸다. 철심과의 관계에 있어서의 권선부의 디자인과 배치는, 철심 윈도우내의 전계분포에 의해 주로 결정된다.

도 4는 본 발명에 의한 하나의 직류변압기/리액터를 나타낸다. 도 4에는 하나의 3상 적층 철심변압기가 나타나 있다. 그 철심은, 종래의 방식대로, 3개의 철심각(20, 22, 24)과 연결요크(26, 28)를 포함하여 구성된다. 위에 개시된 실시예에서, 철심각과 요크는 모두 테이퍼부를 가지고 있다. 그 직류변압기는 3개의 동심원권선 턴(30, 32, 34)을 포함한다. 가장 안쪽에 있는 권선 턴(30)은 1차 권선을, 나머지 2개의 권선 턴(32, 34)은 2차권선을 나타낸다고 할 수 있다. 그 직류변압기는 또한 몇가지 다른 기능을 가진 간격유지 레일(36, 38)을 포함한다. 간격유지 레일(36, 38)은 절연재로 만들 수 있으며, 이 절연재는 냉각, 지지를 위한 동심원 권선 턴사이의 일정한 공간부로서의 기능을 한다. 도 4에 개시된 직류변압기는, 도 3에 도시된 변압기와는 반대로, 권선의 케이블의 외측에 여하한 전계도 발생시키지 않는다.

도 5는 본 발명에 의한, 하나의 보상된 에어갭을 가지는, 직류설비용 리액터의 원리도를 나타낸다. 그 리액터는 도 1에 따른 하나의 케이블을 포함하는 하나의 권선(62)과 하나의 자기철심(60)을 포함한다. 그 리액터는 또한 자기철심(60)내의 하나의 에어갭(64)도 포함한다. 여기서, 에어갭은 여하튼, 주자속(magnetic main flux)내의 낮아진 절대유전율(permittivity)을 가지는 하나의 구역(zone)을 갖는 것을 의미한다. 그 리액터는 또한, 하나의 캐패시터(68)에 의해 용량성 부하를 갖게 되는 하나의 보상권선(66)도 포함한다.

이러한 구역이 주자속내의 낮아진 절대유전율을 갖게 하는 다른 방법은, 에어갭 길이를 감소시키는 것이며, 예를 들어 자속의 방사상 성분(ratial components)을 제한하기 위하여, 에어갭을 일련의 보다 작은 갭으로 분할하는 것이다. 주자속내의 낮아진 절대유전율을 가지는 이러한 구역을 만드는 또 다른 방법은 공기이외의 다른 재료를 사용하는 것이며, 그것은 식(1 ≤ μ_r≤μ_core)을 만족시키는 하나의 상대투과율(a relative permeability; μ_r)을 가지는 물질이다.

도 6은 개량 에어갭 구조를 가지는 직류변압기의 다른 실시예의 사시도이다. 낮은 음향노이즈(acoustic noise)를 위한 하나의 직교형 또는 방사형 에어갭을 가지는 자기철심구조가 도 3에 도시되어 있다. 이처럼 3개의 철심각을 가지는 자기철심은, 서로 마주보는 양측방부(30s)와 양단부(30e)를 가지며 하나의 필수적으로 장방형인 일체형 외측부재(30)와, 세로방향으로 계속되는 원통형 중앙부재(31)로 이루어져 있다. 한 쌍의 일렬로 정렬된 원형개구부(32)가 외측부재의 양단부(30e)에 형성되어 있는데, 그와 달리 이 장방형 외측부재는 이러한 형태로 프레스 가공되어 만들어지기도 한다. 원통형 중앙부재(31)의 양단은 일렬로 정렬된 원형개구부(32)내로 각각 뻗어 있고, 그에 따라 양단에 각각 일정하게 미리 정해진 길이의 방사상 자기 에어갭을 구획하게 되며, 이 에어갭은 원주상에서 계속 이어지며 끊어져 있지 않다. 하나의 비자성(non-magnetic) 스페이서(33)가, 방사상의 에어갭을 유지하고 중앙부재를 지지하기 위해, 각 단부(30e)와 중앙부재(31)의 해당 단부사이에 있는 자기 에어갭 공간부에 장치되어 있다. 중앙부재 또는 치형돌기가 있는 분할형 보빈에 직접 감겨진, 하나의 권선 어셈블리가, 외측부재(30)와 중앙부재(31) 사이에 만들어진 윈도우 구역(35)내의 중앙부재의 주위에 설치된다. 필요한 경우, 스페이서(33)를 하나의 단부에는 없애고, 하나의 제로 에어갭을 그 단부에 형성할 수도 있다.

도 7은, 고전압 전력을 하나의 직류전압 레벨로부터 다른 직류전압 레벨로 변압하기 위한 하나의 통합구조의 회로도이다.

여하한 중간 AC전압 네트워크도 없이 고전압 전력을 하나의 직류전압 레벨로부터 다른 직류전압 레벨로 직접 변압하기 위한 구조로 된, 하나의 DC/DC 전력변압기가 제공된다. DC전압은 오늘날 고전압전력을 장거리에 송전하는데 기본적으로 사용된다. 이러한 송전을 위한 DC전압은 수백 kV정도이다. DC/DC 전력변압기는 상이한 전압을 가진 DC 네트워크를 연결함으로써 몇 개의 DC 전압레벨을 사용할 수 있게 해준다. 이러한 구조를 위한 원칙은, 하나 또는 수개의 콘버터 변압기(47)로부터의 밸브권선(43, 45)들이 2개의 밸브 브릿지에 접속되는 것인데, 이 밸브 브릿지는 변압기 철심(44)내에 대립되어 주기적으로 변동하는 자기흐름(magnetic flows)을 발생시킨다. 밸브 브릿지중의 하나는 인버터(42)로서 동작하고, 다른 것은 정류기(46)로 동작하며, 이와 같은 방법으로 전력이 하나의 DC 전압레벨(U_d1)로부터 다른 DC 전압레벨(U_d2)로 변압된다. 고전압레벨에서 변압기의 누설 인덕턴스가, 큰 절연거리의 결과로서 종래의 변압기에서는 높게 마련이고, 따라서 한 단계(phase)의 변압기로부터 다른 단계의 변압기로 큰 손실을 일으키지 않고 자기에너지를 절환시키기(commutate) 위해서는 특별한 구조가 만들어져야 한다.

본 발명에 의한 하나의 DC 변압기는 매우 낮은 누설 인덕턴스를 갖도록 만들 수 있다.

본 발명에 의한 직류변압기/리액터는, 예를 들어 하나의 HVDC 또는 MVDC 변압기/리액터로 할 수 있다.

본 발명은 앞에 설명한 실시예에 한정되지 않는다. 첨부된 특허청구의 범위의 범위내에서 많은 상이한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.

Claims (30)

1. 하나의 자기회로가 하나의 자기철심과 적어도 하나의 권선부를 포함하여 이루어진 것으로서; 상기 권선부가 적어도 하나의 전류가 흐르는 도선을 포함하고, 각 권선부는 하나의 절연시스템을 포함하여 이루어지며, 이 절연시스템은 한편으로는 각 반도체층이 하나의 등전위표면을 실질적으로 구성하는 적어도 2개의 반도체층을 포함하고 다른 한편으로는 두 반도체층사이에 하나의 고체 절연부가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 하나의 자기회로를 포함하여 구성된, 직류변압기/리액터.
2. 제1항에 있어서, 상기 반도체층의 적어도 하나는 상기 고체 절연부와 같은 대체로 동일한 열팽창 계수를 가지는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
3. 제2항에 있어서, 상기 반도체층중 내측에 있는 것의 전위가 도선의 전위와 본질적으로 동일한 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 반도체층중 외측에 있는 것이, 도선을 둘러싸고 있는 하나의 등전위표면을 구성하도록 그렇게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
5. 제4항에 있어서, 상기 반도체층중 외측에 있는 것이 하나의 특수전위에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
6. 제5항에 있어서, 상기 특수전위가 지전위인 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
7. 제1항 내지 제6항의 어느 하나에 있어서, 상기 반도체층의 적어도 2개는 실질적으로 동일한 열팽창계수를 가지는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
8. 제1항 내지 제7항의 어느 하나에 있어서, 전류가 흐르는 도선이 다수의 소선을 포함하고 그중 소수만이 각각 서로 비절연상태인 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
9. 제1항 내지 제8항의 어느 하나에 있어서, 상기 2개의 반도체층과 고체 절연부가 실질적으로 전체의 연결표면을 따라 각각 인접반도체층 또는 고체 절연부에 연결되어 고정된 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
10. 하나의 자기회로가 하나의 자기철심과 적어도 하나의 권선부를 포함하여 이루어진 것으로서; 상기 권선부는 적어도 하나의 전류가 흐르는 도선(2)을 포함하는 하나의 케이블을 포함하며,

    - 각 도선(2)은 다수의 소선을 포함하고,

    - 상기 도선(2)의 주위에는 하나의 내측 반도체층(3)이 배치되고,

    - 상기 도선(2)의 주위에는 하나의 내측 반도체층(3)이 배치되고,

    - 상기 내측 반도체층(3)의 주위에는 고체 절연재로 된 하나의 절연층(4)이 배치되고, 그리고

    - 상기 절연층(4)의 주위에는 하나의 외측 반도체층(5)이 배치된 것을 특징으로 하는, 하나의 자기회로를 포함하여 구성된, 직류변압기/리액터.
11. 제10항에 있어서, 상기 케이블이 또한 하나의 금속차폐와 하나의 외장도 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
12. 제11항에 있어서, 상기 케이블이 대략 20∼250㎜에 이르는 직경을 가지며, 하나의 도선은 대략 80∼3,000㎟에 이르는 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
13. 제1항 내지 제12항의 어느 하나에 있어서, 상이한 전위의 권선들이 각각 직접 접촉하여 감겨진 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
14. 제1항 내지 제13항의 어느 하나에 있어서, 자기철심에 대한 DC 전위를 가지는 하나의 권선이 자기철심위에 직접 또는 매우 가깝게 감겨져 있는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
15. 제1항 내지 제14항의 어느 하나에 있어서, DC자화(magnetisation)를 위해 노출된 자기회로들이, 주자속내에 낮춰진 절대유전율을 갖는 적어도 하나의 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
16. 제15항에 있어서, 낮춰진 절대유전율을 가지는 구역이 상기 자기철심에 만들어진 하나의 에어갭에 의해 성취되는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
17. 제15항에 있어서, 낮춰진 절대유전율을 가지는 구역이 상기 자기철심에 만들어진 일련의 작은 에어갭에 의해 성취되는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
18. 제15항에 있어서, 낮춰진 절대유전율을 가지는 구역이 상기 자기철심에 만들어진 하나의 갭에 의해 성취되고, 상기 갭은 식 (1 ≤ μ_r≤μ_core)을 만족시키는 상대투과율(μ_r)을 가지는 재료에 의해 만들어지는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
19. 제15항 내지 제18항의 어느 하나에 있어서, 상기 자기철심이, 마주보는 측방부와 이를 연결하는 양단부를 가지며, 본질적으로 장방형인 외측부재와, 그리고 길이방향으로 연속되는 하나의 원통형 중앙부재와를 포함하여 구성되고, 상기 자기철심 양단부는 한쌍의 일렬로 정렬되고 중단없이 이어지는 원형개구부를 가지며 그 안에 상기 원통형 중앙부재의 양단이 연장되어 위치하여, 적어도 그 일측단과 상기 중앙부재의 해당 단부사이에 방사상 자성 에어갭이 구획되고 그 에어갭은 상기 자기철심의 투과율을 제어하기 위한 미리 정해진 일정한 길이로 된 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
20. 제16항, 제17항, 또는 제19항에 있어서, 각 에어갭이 용량적으로 부하가 걸린 보상권선에 의해 보상되는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
21. 제1항 내지 제20항의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 사이리스터 밸브를 포함하는 하나의 하우징을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
22. 제21항에 있어서, 상기 사이리스터 밸브는 모두 통합형(integrated type)인 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
23. 하나의 자기회로가 하나의 자기철심과 적어도 하나의 권선부를 포함하여 구성되는 것으로서; 권선부가 적어도 하나의 전류가 흐르는 도선과 하나의 절연시스템을 포함하고, 그 절연시스템이 그 열적, 전기적 성질에 있어서 36kV를 초과하는 전압레벨을 허용하는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
24. 제1항 내지 제23항의 어느 하나에 의한 2개의 변압기/DC 변압기 군을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 통합배면결합 스테이숀(an integrated back-to-back station).
25. 특허청구의 범위 제1항 내지 제23항의 어느 하나에 의한 하나의 직류변압기를 포함하여 구성되고, 상기 직류변압기는 제1밸브권선들과 제2밸브권선들을 포함하며, 제1밸브권선들은 제1밸브 브릿지에 연결되고 제2밸브권선들은 제2밸브 브릿지에 연결되어, 제1밸브 브릿지는 하나의 인버터로서 동작되고 제2밸브 브릿지는 하나의 정류기로서 동작되는 것을 특징으로 하는, 고전압 전력을 하나의 직류전압 레벨에서 다른 직류전압 레벨로 변압하기 위한 통합구조.
26. 제25항에 있어서, 상기 제1밸브 브릿지가, 복수의 자체전환(commutation) 사이리스터를 포함하는 적어도 하나의 6펄스 인버터 브릿지와 복수의 다이오드를 포함하여 구성되고, 각 다이오드가 하나의 자체전환 사이리스터에 역평행으로 연결되며, 상기 제2밸브 브릿지가, 복수의 다이오드밸브를 포함하는, 하나의 6펄스 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고전압전력을 하나의 직류전압 레벨에서 다른 직류전압 레벨로 변압하기 위한 통합구조.
27. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 케이블이 혼합전압에 특히 적합한 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
28. 제20항에 있어서, 상기 보상권선이, 리액터의 인덕턴스를 다양화할 수 있도록 하기 위해, 하나의 가변용량으로 로딩되어(loaded)되어 있는 것을 특징으로 하는, DC 설비용 리액터.
29. 제10항 내지 제22항, 제27항의 어느 하나에 있어서, 상기 외측 반도체층(5)이 다수 부분으로 커트되어 각각 지전위에 연결된 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.
30. 제1항 내지 제22항, 제27항, 제29항에 있어서, 감시와 진단을 위해 적어도 하나의 센서/트랜스듀서를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류변압기/리액터.