KR20010106100A - 전기 변압기용 코어 및 코일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 변압기를 위한 코어와 코일에 관한 것으로서, 웨스코어(Wescore) 타입 또는 환상(toroidal-type) 코어로 된 횡방향 벽을 서로 다른 높이의 스트립을 권선하거나 또는 하나의 스트립의 폭이 점진적으로 감소하도록 권선하여 제조함으로써 횡방향 벽이 코어 상부벽에 대해 직각을 형성하게 한다. 대응 코일은 코어 패턴에 따라서 코어 상에 배치하거나 권선하여 제조한다. 본 발명의 코어와 코일을 사용함으로써 전기 변압기 제조에 사용된 재료의 실질적인 절감을 얻을 수 있고, 결과적인 특성 및 전기손실이 부하 및 무부하에 대해 개선된다.

Description

전기 변압기용 코어 및 코일{CORES AND COILS FOR ELECTRICAL TRANSFORMERS}

다수의 전기 변압기는 전기 에너지를 동일한 주파수에서 유도에 의해 하나 또는 그 이상의 회로로부터 하나 또는 그 이상의 회로로 전이시키며, 전압 및 전류 값에서 통상 변전을 이루는 것으로 알려져 있다.

단상 변압기는 하나의 코일과 2개의 코어 또는 2개의 코일과 하나의 코어로 이루어지며, 3상 변압기는 3개의 코일과 3개 또는 4개의 코어로 이루어진다. 그 목적은 전기 및 자기 회로를 코어 및 코일 내에 각각 근접시키기 위한 것이며, 이러한 타입의 변압기는 당업계에서 가장 일반적으로 사용되는 것 중 하나다.

변압기 코어는 두께, 피복제 및 품질이 다른 자성 강, 일반적으로는 방향성 규소강으로 만들어진다. 코어 재질의 품질이 좋아지면 전기손실이 작아진다.

코어 손실은 부하의 여부에 관계없이 변압기가 전선에 접속되어 있는 동안에는 항상 존재하기 때문에 "엠프티(empty)" 또는 "무부하(no-load)" 손실로 알려져 있다. 이러한 손실은 와트(watt)로 측정된다.

코일 제조공정은 단면이 사각형 또는 원형이거나 스트립의 형태이며 절연되거나 절연되지 않은 구리 또는 알루미늄 와이어 또는 도선(lead)을 수백회 또는 수천회 감는 것이다. 통상의 실시는 저전압 도전체를 먼저 권선한 다음, 변압기와전기기계의 법칙과 전통적 원리를 항상 관측하면서 고전압 전도체를 권선하는 것이다. 전통적 코일 조립체는 최종 사용자에 의해 요구되는 변환의 요건에 따라서 저전압-고전압 및 저전압-고전압-저전압과 같은 설계안을 포함한다.

변압기 디자인에 있어서, 전통적 전기학과 자기학의 법칙과 표준은 다음과 같이 채택하고 있다.

저전압부의 권수(2차 권수)에 대한 고전압부의 권수(1차 권수)의 결과인 변성비;

와이어의 전류 용량(amp/㎟);

코어 단면부에 대한 도전체의 권선에 의해 발생한 전자기 유도(테슬러(tesla)로 측정);

도전체의 저항(ohm;옴)에 의해 발생한 퍼센트(%)로서의 임피던스(impedance); 및

변압기 여기전류, 코어 재료의 특성 및 구성 패턴.

반면에 변압기는 전압 조절부를 포함하여 제조되어 송전선의 전압을 최종 사용자에 의해 요구되는 전압으로 조절하는데, 이것은 출력 전압을 ±5% 또는 어떠한 다른 특정 %로 변경할 수 있는 탭(tap) 변경부로 알려져 있다.

변압기는 각각의 기하학적 구조에 따른 스틸 탱크에 배치되는데, 단상 변압기에 대해서 탱크는 일반적으로 그 단면이 원형이고, 3상 변압기에 대해서 탱크는 일반적으로 그 단면이 사각형이다. 탱크는 부가적으로 고전압 부싱(bushing), 저전압 부싱, 탭 변경기, 접지 플레이트 또는 볼트, 오일 드레인(oil drain)과 하부필터 밸브의 조합체, 압력 블리더(bleeder)와 안전밸브, 누전 테스트(leak test)를 위한 오버헤드 커넥션(overhead connection), 변압기를 들어올리기 위한 후크, 일련 번호를 가진 명판 및 냉각 라디에이터와 같이 당업자에 잘 알려진 일련의 부속물을 구비하고 있다.

사용자 요구에 따라서 고전압 및 저전압 용도에서 자기보호 변압기가 제공되는데, 이에 따른 부속물은 퓨즈, 차단기 및 고장 표시등 등이다.

패드마운트(padmount)로서 알려진 또 다른 타입의 변압기가 있는데, 이것은 상기한 동일 부품들을 포함한다. 이러한 변압기류의 기본적인 차이점은 탱크 형태와 정상적으로 추가된 별도의 보호 및 제어 부속물이다. 일반적으로 이러한 변압기류는 방사상 급전선의 종료와 환상 급전선의 연속 네트워크에 사용된다.

변압기는 일련의 실험실 테스트와 구조 표준을 따라야 한다. 즉 변압기는 다양한 멕시코 또는 국제 표준 또는 규격을 만족시키거나 이행해야 한다. 이 분야의 주요 적용 가능한 표준에는 멕시코 표준 NMX J 116, NMX J 285, NMX J 284, NMX J 169와, 미국 표준 ANSI C 5712. 00(1993), NEMA MW 1000과, 캐나다 표준 CSA의 CS M 91, C 227. 1, C 227. 2, C 227. 3, C 227. 4, C 301. 1, C 2 M 91 그리고 국제 IEC 공보 76(1993)이 있다.

변압기류의 경제적 비교를 하기 위해서는 변압기 판매가격을 고려해야 하며, 또 킬로와트(㎾)당 전력발생 비용에 대한 Power Utilities 또는 Electricity Companies의 인덱스를 고려해야 한다. 이와 같은 방식으로 산정된 가격은 다음과 같은 공식에 따라서 변압기 판매가격에 무부하 손실비용과 부하 손실비용을 더하여구한다.

산정가격 = 변압기 가격 + 무부하 손실비용 + 부하 손실비용

상기에서,

무부하 손실비용 = 인덱스×V×무부하 손실

부하 손실비용 = 인덱스×C×부하 손실

세계적으로 사용된 전형적인 인덱스는 부하 손실과 인덱스 C에서 와트당 USD 2. 00이고, 무부하 손실과 인덱스 V에서 와트당 USD 4. 00이다.

Power Utilities 또는 Electricity Companies에 의한 변압기 구매는 일반적으로 입찰에 의해 이루어지는데, 최저 산정가격을 지닌 제조업체가 공급업체로 지정된다.

수년동안 변압기 디자인에 대한 개발은 변압기 자체의 구조 재료의 개선에만 지향되어 왔다. 코어에 대해서는 우수한 규소강 스트립이 존재하고, 전기절연 재료에 대해서는 출력 인자와 전압 저항 테스트 특성이 첨가제와 수지(resin)에 의해 개선되어 왔다.

현재 재료의 가장 뚜렷한 개발은 비정질 강의 발명으로서, 이것은 정상적 무부하 손실을 80%까지 감소시켜주는데, 그러나 이와 같은 큰 장점은 다음과 같은 이유로 반감되고 있다.

적층율(stacking factor)이 최대 82%인 반면, 규소강은 약 97%에 달함;

자기 포화 상한이 13.5 테슬러인 반면, 규소강은 17 테슬러임;

밀도가 7.18g/㎤으로서 7. 65g/㎤인 규소강에 비해 낮음; 및

㎏당 가격이 USD 4.08로서 ㎏당 가격이 USD 1.80인 규소강에 비해 비싸다.

이제 코어에 대해서 언급하면, 그 구조에 사용된 재료는 전형적으로 방향성 규소강 시이트로서, 두께가 다르고, 기본적으로 저탄소 철-규소 합금이며, 시이트의 양면이 "칼라이트(Carlite)" 또는 유리섬유로 알려진 절연재료로 피복되어 있다. 현재 코어에는 3가지 기본적인 타입, 즉 웨스코어(Wescore) 타입 코어, 십자형 코어 및 환상(toroidal-type) 코어가 있다.

웨스코어 코어는 본래 60년대 웨스팅하우스에 의해 개발되었다. 이 타입의 코어는 시장에서 이용할 수 있는 포괄적인 기계가 있기 때문에 대량 생산이 가능하다. 또 이 타입의 코어는 일반적으로 자극(pole) 타입 및 서브스테이션(substation) 타입의 단상 또는 3상 변압기에서 볼 수 있다. 이 타입의 코어는 또한 "분포형 에어-갭 권선 코어(distributed air-gap wound core)"로서 알려져 있다.

웨스코어 코어는 연속 형태의 권선 강 스트립으로 형성되는데, 연속 형태에서 결과적인 절단부는 코어를 코일 주위에서 분해 및 재조립할 수 있도록 되어있다. 환언하면, 코일과 코어는 두 가지의 분리된 공정으로 제조되는데, 코어는 코어 시이트에 행해진 절단부로 인해 추후 코일 상에서 제조립된다. 이 타입의 코어의 단면은 일반적으로 사각형이다. 전술한 바로부터 대량 생산이 가능하게 되는 것이다. 이 타입의 코어로 제조된 변압기에 추천되는 최대 전압은 쉘(shell) 타입의 변압기인 경우에 약 69,000볼트와 3000㎸A에 달한다.

반면에 환상 코어는 절단부 없이 연속 원형 형태로 감긴 강 스트립으로 형성된다. 도전체는 코어 주위에 감겨서 또한 토로이들(toroidal)을 형성한다. 이러한 패턴은 코어 자기통로와 권선 전기통로를 더욱 근접하게 유지시켜주고, 또 코어에는 예로서 웨스코어 코어에서 볼 수 있는 바와 같이 절단부로 인해 손실이 존재하지 않는다. 환상 코어를 사용한 결과는 전체 손실이 극적으로 감소된 효과적인 변압기를 이끌어낸다. 범위를 확대하면, 환상 코어의 장점은 무엇보다도 낮은 코어 손실, 낮은 소음 수준, 낮은 전화기 간섭, 단락시의 큰 지지 및 우수한 열 특성이다.

마지막으로, 십자형 코어는 일반적으로 다수의 플레이트를 절단하고 적층하여 형성하는데, 레그(leg)당 하나와 요우크(yoke)당 하나 또는 둘을 교차하여 형성한다. 이 타입의 코어는 배전 및 전력 변압기에 이용된다. 이 타입의 코어의 구성은 전력 변압기에는 큰 장점을 주지만 생산성이 낮다. 추천되는 용도는 단지 2,500㎸A 이상이다.

이상 기술한 바를 기초로 한 본 발명의 목적은 모든 국내 및 국제 조건과 표준에 부합될 뿐 아니라 재료를 상당히 절감할 수 있는 코어와 코일 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 변압기에 사용할 때 무부하 손실과 부하 손실을 상당히 감소시킴으로써 산정 가격을 대폭 유리하게 할 수 있는 코어와 코일 조립체를 제공하는 것이다.

도 1은 최신 기술의 웨스코어 타입의 변압기용 코어의 사시도,

도 2는 부분 권선된 최신 기술의 웨스코어 타입의 변압기용 코어 조립체의 사시도,

도 3은 도 2의 선 3-3을 따른 최신 기술의 코일과 웨스코어 타입의 변압기용 코어 조립체의 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 변압기용 코어의 사시도,

도 5는 부분 권선된 본 발명에 따른 변압기용 코어 조립체의 사시도,

도 6은 도 5의 선 6-6을 따른 본 발명의 코일과 변압기용 코어 조립체의 단면도,

도 7은 본 발명에 따른 환상 변압기용 코어의 사시도,

도 8은 부분 권선된 본 발명에 따른 환상 변압기용 코어의 사시도,

도 9는 본 발명에 따른 변압기와 통상의 변압기에 대한 제조단가의 비교 그래프,

도 10은 본 발명에 따른 변압기와 통상의 변압기에 대한 전체 전기손실의 비교 그래프,

도 11은 본 발명에 따른 변압기와 통상의 변압기에 대한 산정가격의 비교 그래프,

도 12는 본 발명에 따른 변압기와 통상의 변압기에 대한 산정가격의 비교 그래프,

도 13은 본 발명에 따른 변압기와 통상의 변압기에 대한 전체 전기손실의 비교 그래프,

도 14는 본 발명에 따른 변압기와 통상의 변압기에 대한 전체 단가의 비교 그래프.

〈발명의 개요〉

본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서, 변압기용 웨스코어 타입의 코어는 코어 몸체를 이루는 권선된 강 스트립이 높이에서 차등을 보여서 직선 또는 점진적 경사가 하나 또는 그 이상의 경사지거나 만곡된 벽을 규정하여 형성되는 것이 특징이다. 경사는 두 개의 인접한 코어의 단면 영역이 8각형, 6각형 또는 타원형이나 원형을 이루도록 되어있다.

본 발명의 제 2 실시예에서, 변압기용 환상 코어는 몸체를 이루는 권선된 강 스트립이 폭에서 점진적으로 감소하여 직선 및 점진적 경사가 하나 또는 그 이상의 경사지거나 만곡된 벽을 규정하여 형성되는 것이 특징이다. 폭의 감소는 환상 코어의 단면 영역이 8각형, 6각형 또는 타원형이나 원형을 이루도록 되어있다.

도 1은 최신 기술의 웨스코어(Wescore) 타입의 변압기(10)를 위한 코어를 도시한 것으로서, 복수개의 사각형 스트립(12)이 복수개의 각각의 횡절단부(14)를 포함하여 코어 주위에서 코일과 분해 및 재조립될 수 있는 사각형 코어를 함께 형성하고 있다. 도시된 바와 같이, 코어 내부벽, 예로서 표면벽(16)은 코어 상부벽, 예로서 상단벽(18)과 직각을 이룬다. 즉 모든 코어 시이트는 동일한 높이로 되어있다.

도 2는 단지 예시용으로 부분 도시한 것으로서, 웨스코어 타입의 변압기(22,24)를 위한 두 개의 코어의 조립체(20)가 권선(26)에 의해 접합된 것이다.

도 3은 도 2의 선 3-3을 따른 단면도로서, 권선(26)이 코어(22,24)의 두 개의 벽(32,34)을 각각 접합시키고 있다.

도 4는 본 발명에 따른 변압기용 코어(40)를 도시한 것으로서, 코어(40)의 상부벽(42)이 복수개의 스트립(44)으로 구성되어 있는데, 그 높이는 상부벽(42)이 코어의 외면과 내면에 대해 직각이 아닌 각을 이루도록 되어있다. 이와 같은 방식으로 시이트 높이는 최외부에서 최내부로 점진적으로 감소하여 외벽과 내벽을 예정된 경사각으로 접합시키는 경사진 상부벽(42)을 형성하게 된다.

상부벽 경사각은 도 5에 도시된 바와 같이 대응 권선을 조립하기 위해 두 개의 코어를 접합할 때 그 단면 영역이 변압기 디자인에 따라서 가변할 수 있도록 형성하여 이루어진다. 이와 같은 방식으로 단면 영역은 도 6에 도시된 바와 같이 8각형으로 되거나, 6각형 또는 둥근 모서리를 가진 사각형, 또는 타원형이나 원형과 같은 형상으로 될 수 있다.

이와 같은 방식으로 코어(50)의 조립체 주위에 장착된 코일(52)은 도전체의 방향 변경시에 직각 외의 코어에 더욱 근접한 형태로 될 수 있기 때문에 보다 효과적인 방식으로 수용된다.

코일(52)은 디자인의 타입에 특정된 여유를 관측하면서 코어 단면과 대략 동일한 패턴을 가져야한다.

단상 변압기에 코어 조립체를 형성하기 위해 접합된 두 개의 코어 단면을 형성하는 직사각형의 주변은 수학적으로 해석할 필요 없이 도 5 및 6에 본 발명의 코어 조립체로 예시된 형태인 8각형 주변보다 크다.

따라서 코일 조립체의 길이는 더 짧고, 변압기의 전기 손실도 또한 더 작다. 마찬가지로 코어 영역이 감소하여 자기밀도의 증가를 얻을 수 있고, 이에 따라서 무부하 손실에 있어서도 몇몇의 변수를 조절하여 영역을 보상함으로써 무부하 손실의 감소를 얻게된다. 이것이 경사진 벽 부분의 크기를 계산하여 최소 단가의 재료와 낮은 전기손실을 얻게되는 이유이다.

코어(40)의 벽(42)의 경사가 증가함에 따른 주요 변수의 작용은 다음과 같다.

권선에서의 손실이 감소됨;

코어 모서리로부터 제거된 영역이 보상되지 않은 경우, 자기밀도는 증가함;

변압기의 단가가 낮아짐;

변압기의 경제적 평가에 대단히 중요한 역할을 하는 것으로서, 상기 세 가지의 바람직한 거동을 제한하는 변수인 무부하 손실은 증가하게 된다.

전술한 바로부터 본 발명의 장점은 다음과 같이 분명해진다.

저전압 구리 또는 알루미늄 스트립, 층 사이에 배치된 절연 종이 및 저-고 전압부 절연체를 포함하여 코일 재료를 12%까지 절감할 수 있는 직접적인 이익;

권선 와이어의 길이가 짧아져서 전기 손실이 약 4%까지 감소됨;

손실의 감소로 인해 변압기가 더욱 효과적인 방식으로 작동함;

단락 테스트에 의해 발생한 기계적 응력에 대한 저항능력이 상당히 증가함;

코어-코일 조립체의 구조 여유가 거의 50%까지 감소하여 부가적인 재료 절감을 얻음;

코일과 코어 사이의 표면이 대폭 덮이지 않기 때문에 변압기 작동온도가 1내지 2℃ 내려감;

작동온도의 하강으로 인하여 변압기 수명이 증가함; 및

손실 감소로 인해 탱크 크기를 약간 줄일 수 있고, 절연 액채의 양을 그만큼 줄일 수 있는 직접 효과가 따른다;

변압기 단가에서 얻은 이익에 부가하여, 산정가격은 손실이 더욱 작아짐으로 해서 더 낮아지며, 이것은 발전소에서의 대단히 중요한 연료의 경제적 절감에 따른 저 에너지 소비(전기)와 관련 생태학적 이점을 반영한다.

반면에 코일은 직각인 아닌 45°또는 이보다 작은 각도로 약간 만곡되어 있기 때문에 통상의 코일에서 나타나는 것과 같은 윈도우 센터로 구부려지는 경향을 보이지 않는다. 통상적인 코일의 경우에 이와 같은 효과를 피하는 것이 바람직하게 될 때는 오븐(oven)에서의 프레스 공정을 포함시킬 필요가 있으므로 노동력과 시간 및 에너지를 필요로 하게 된다.

고전압에서의 13,200 볼트 3상 변압기와 본 발명의 코어- 코일 조립체로 제조된 저전압에서의 440Y/254를 제조단가에 대해 평가했다. 이 결과는 도 9에 예시했는데, 전체 절감이 출력에 따라서 약 6%에서 약 0. 5%인 것을 알 수 있다. 15KVA 변압기의 특수한 경우에 있어서는 절감이 알루미늄에 대해서 약 7. 57%이고,구리에 대해서 약 5. 65%이며, 전체 절감은 약 5. 8%이다.

도 10은 통상의 코어-코일 조립체를 갖는 변압기와 본 발명의 변압기의 비교 형태에서 전체 전기손실을 예시한 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 코어-코일 조립체를 이용한 손실은 300KVA 변압기에 대해 약 4%에 달한다.

요약하면, 본 발명에 따라 제조된 변압기의 산정 가격은 도 11에 예시된 바와 같이 최신의 변압기와 비교하여 3%까지 낮다.

본 발명의 제 2 실시예에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이 내벽(72) 또는 외벽(74) 또는 양자의 벽 상에 경사진 벽 부분을 갖는 환상 코어(70)를 제조하는 것이 가능하다.

환상 코어(70)는 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이 공지의 일반 기계를 사용하여 실질적으로 용이하게 권선할 수 있기 때문에 코일의 권선에 장점을 갖고 있다.

본 발명의 환상 코어(70)를 사용함으로써 권선되는 와이어의 분포가 향상되고, 와이어의 각각의 권선에 사용된 재료의 양이 감소되며, 또한 이것은 저전압에서 코일을 코어에 더 근접시킨다. 본 발명의 코어에 와이어를 권선함에 있어서, 통상의 환상 코어에 형성되는 공극(void)이 직각으로의 권선에 의해 방지되며, 또 직각으로 권선하기 위해 힘을 가할 때 도전체에 야기되는 손상이 감소된다.

통상의 환상 코어에 대한 본 발명의 환상 코어의 장점은 본 발명의 직사각형 코어에서 언급한 것과 동일하다.

13,200 볼트 고전압 단상 변압기와 본 발명의 환상 코어로 제조된 저전압 변압기에서의 120/240을 통상의 변압기와 산정가격, 즉 전술한 바와 같이 제조단가와손실에 대해 평가하고, 그 결과는 도 12에 제시했다. 전체 절감이 출력에 따라서 약 6%에서 약 16%에 달하는 것을 알 수 있다.

도 13은 전체 전기손실을 통상의 코어-코일 조립체와 본 발명의 코어-코일 조립체로 제조된 변압기를 비교한 것이다. 본 발명의 환상 코어의 전기손실을 통상의 변압기와 비교한 결과, 15KVA 변압기에서 7. 19%까지 절감할 수 있었다.

웨스코어 타입의 변압기와 환상 변압기간의 단가에는 큰 차이가 있다는 사실이 중요한데, 환상 변압기가 더 저렴하다. 도 14는 그 비교치를 도시한 것이다.

요약하면, 본 발명에 따라서 제조된 변압기의 전체 단가는 최신 기술에 의해 제조된 변압기보다 낮다.

이상 본 발명을 상세히 설명했지만, 당업자는 본 발명이 첨부된 특허청구의 범위에 따라서 본 발명의 영역과 정신 내에서 수정 및 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 웨스코어(Wescore) 타입의 변압기용 코어에 있어서,

   상기 코어 몸체를 형성하는 권선된 스트립이 높이에서 차등으로 위치하여 직선 또는 점진적 경사가 하나 또는 그 이상의 경사지거나 만곡된 벽을 형성하는 웨스코어 타입의 변압기용 코어.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 경사는 서로 접합된 두 개의 인접한 코어의 단면 영역이 8각형을 형성하도록 이루어지는 웨스코어 타입의 변압기용 코어.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 경사는 서로 접합된 두 개의 인접한 코어의 단면 영역이 6각형을 형성하도록 이루어지는 웨스코어 타입의 변압기용 코어.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 경사는 서로 접합된 두 개의 인접한 코어의 단면 영역이 타원형 또는 원형을 형성하도록 이루어지는 웨스코어 타입의 변압기용 코어.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 코어의 패턴을 따라 감긴 웨스코어타입의 변압기용 코일.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 코어와 제 5 항에 따른 코일을 포함하는 웨스코어 타입의 변압기용 코어와 코일 조립체.
7. 변압기용 환상(toroidal-type) 코어에 있어서,

   상기 코어 몸체를 형성하는 권선형 스트립의 폭이 직선 또는 점진적 경사를 이루도록 점진적으로 감소하여 하나 이상의 경사 또는 곡선 벽을 규정하는 변압기용 환산 코어.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 폭의 감소는 환상 코어의 단면 영역이 8각형을 형성하도록 이루어지는 변압기용 환상 코어.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 폭의 감소는 환상 코어의 단면 영역이 6각형을 형성하도록 이루어지는 변압기용 환상 코어.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 폭의 감소는 환상 코어의 단면 영역이 타원형 또는 원형을 형성하도록이루어지는 변압기용 환상 코어.
11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 코어와 상기 코어에 권선된 하나 또는 그 이상의 코일을 포함하는 변압기용 환상 코어 및 코일 조립체.