KR20160026099A - 변압기 외함 소음 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기 주위에 설치된 외함의 외부에 소음 저감장치를 설치하여 변압기를 통해 외함의 외부로 방사하는 소음을 저감하도록 한 변압기 외함 소음 저감장치에 관한 것이다.
변압기의 외함 둘레면을 따라 수직으로 일정거리 떨어진 상태로 설치되는 적어도 하나 이상의 흡음편, 상기 흡음편 외면에 부착되며 전면으로 다수개의 구멍이 천공된 다공판 구조로 제작되어 상기 흡음편 사이 사이에 공기층이 존재할 수 있도록 흡음공간을 형성한 상태에서 상기 흡음공간을 통과하는 소음을 차단하는 차음판 및 상기 차음판의 외면에 순차적으로 부착되며 상기 차음판을 통과하는 소음을 반복적으로 흡음하는 제 1, 2흡음판을 포함하여 구성한 것을 기술적 요지로 한다.

Description

변압기 외함 소음 저감장치{Transformer cover noise reducing device}

본 발명은 변압기 외함 소음저감장치에 관련되는 것으로서, 더욱 상세하게는 변압기 주위에 설치된 외함의 외부에 소음 저감장치를 설치하여 변압기를 통해 외함의 외부로 방사하는 소음을 저감하도록 한 변압기 외함 소음 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로, 변압기라 함은 변압기란 자기장의 변화에 의해 유도되는 전압을 이용하여 주어진 입력 전압으로부터 원하는 출력 전압을 제공하는 장치이다. 교류 입력 전원에 의해 발생하는 자기장의 변화는 변압기 구성 요소 중 하나인 철심 자체의 진동을 유발하고, 이로 인해 변압기 소음이 발생한다. 이러한 변압기 소음은 도심지역의 확대로 도심지 변전소와 인접하여 대규모 주거지역이 건설됨에 따라 환경 문제의 일환으로 대두되고 있다.

이와 같이 다양한 변압기 가운데 변전소에서 보내온 높은 전압을 공장용이나 가정용의 낮은 전압으로 변압하는 기능을 담당하는 배전용 변압기는 우리 주변에서 지상이나 전주 위에 설치된 모습으로 쉽게 발견될 정도로 전기의 사용을 필요로 하는 곳이라면 널리 사용된다.

변압기의 진동을 설명하면, 변압기의 권선에 전압이 인가되면 Faraday의 법칙에 따라 철심에 자화전류가 흐르게 되고 다른 권선에 전압이 유기되며, 이로 인해 철심은 수축팽창을 일으켜 떨림 현상을 일으킨다. 이러한 진동이 조립체와 외함 바닥, 조립체와 외함을 연결하는 지지수단, 외함의 도어부 등을 전달경로로 하여 외부로 전달된다.

그러나, 종래 변압기는 진동을 감쇄하기 위한 구조물을 갖추지 못하였기 때문에 전기적, 기계적 원인에 의해 발생된 진동이 감쇄되지 않고 외함을 거쳐 공기를 매질로 해서 사람에게 전달되며, 이 가운데 가청주파수 대역에 속한 파동은 청각에감지되면서 상당한 소음으로 작용하게 된다.

따라서, 종래의 변압기는 대부분 거주 지역 내에 설치되는 관계로 쾌적하고 안락한 생활공간을 갖고자 하는 주민들의 욕구에 부응하지 못하고 심각한 소음문제를 야기하였으며, 환경 친화적이지 못한 문제점이 있다.

또한 최근 생활수준의 향상으로 쾌적하고 정숙한 생활환경에 대한 요구가 높아지고 있다. 그러나 변전소에서 발생하는 소음이 이런 요구를 충족하지 못함으로써 소음민원이 발생되고 증가하는 추세에 있다.

변전소에서 발생하는 소음은 변압기에서 발생하는 소음으로 전력을 공급하는 한전에서 변전소 소음을 줄이기 위해서 자체적으로 많은 노력을 기울이고 있다. 이러한 변압기 소음문제를 원천적으로 해결하기 위해서 제작사들은 소음문제를 인지하여 저소음 변압기 개발 연구를 추진하고 있다.

전력수요의 증가 및 도심지역의 확대로 인해 변전소의 설비 증설 또는 주거지역내 변전소의 신설이 필요하지만 변압기에 의해 발생하는 소음문제로 각종민원이 지속적으로 발생하고 있어 장기적으로 변전소의 건설과 운용에 차질을 가져올 수 있다.

지금까지는 운전 중인 변압기의 소음 민원발생시 방진패드 설치, 방음벽설치 본체 탱크밀폐 등의 외부대책을 시행하고 있지만 근본적인 소음저감대책이 아니어서 적용하기 곤란하고 그 효과도 만족할 정도에 이르지 못하고 있다.

변압기소음의 원인은 크게 3가지로 볼 수 있는데 첫 번째로는 철심재료의 자기변형에 따른 철심의 진동과 전자력에 따른 권선의 진동이며 두 번째는 탱크나 부속품에 전달되어 이것들을 진동시켜 생기는 본체 소음과 마지막으로는 냉각기 송유펌프에서 발생하는 냉각기 소음이 있다.

외함 설계 및 제작은 변압기 철심 자왜현상에 의해 발생하는 소음은 전기주파수의 두 배인 120Hz의 n배수의 조합으로 이루어진 진동이 그 원인이며 이러한 진동이 탱크 외벽을 통하여 공기 중으로 전달된다.

이때에 변압기 탱크가 가지는 고유진동수가 만약 변압기 내부에서 발생하는 진동수와 같을 경우 공진현상이 발생하여 진동과 소음이 급격히 증가한다.

이러한 공진현상을 방지하기 위하여 시스템에 강제적으로 감쇠를 추가시키거나 강성과 질량의 조정을 해야 하는데 일반적으로 변압기 탱크와 같은 구조물에 감쇠를 추가하는 일은 비용적인 측면과 생산적인 측면에서 어려움이 많으므로 질량 및 강성을 조정해야 한다.

소음의 특성은 저주파 소음과 고주파 소음, 협대역(narrow band) 소음과 광대역(wide band) 소음 등의 여러 가지 방법으로 분류할 수 있으며, 이러한 소음의 특성에 따라 소음 저감 방법이 다양하다. 따라서 변압기 소음 저감을 위한 방법 마련에 앞서 변압기의 작동 원리를 파악하고, 그로 인해 발생하는 소음의특성을 규명할 필요가 있다.

변압기에 전압을 인가하면 교번자속의 변동과 누설되는 자속, 전류에 의한 권선의 진동 등에 의해 소음이 발생하는데, 이 소음은 무부하 시에 가장 크고 경부하 시에 작다. 변압기의 철심은 인가전압 주파수의 두 배에 해당하는 주파수로 진동하므로, 소음은 주파수 두 배의 고주파로 구성된다.

따라서 보통 120㎐, 240㎐, 360㎐ 등의 정현파가 섞인 소음이라고 할 수 있다. 60㎐ 소음은 지각할 수 없을 정도로 작고 480㎐ 이상의 소음은 공기와 구조물에 의하여 잘 흡수되므로, 실제적인 소음의 주성분은 120㎐, 240㎐, 360㎐ 대역이라고 할 수 있다. 이러한 이유에서, 음향 resonators와 병렬 배플 타입덕트 소음기는 변압기에서 전송된 소음을 줄이기 위해 연구하고 있다.

변압기 소음은 변압기 작동 시 인가되는 교류 전류 주파수의 2배인 120Hz의 고조파(harmonics) 성분으로 구성되어 있으며, 철심의 자왜 진동에 의한 구조기인소음의 영향과 철심을 구성하는 적층 사이의 로렌츠힘(Lorentz force)에 의한 래틀링 소음(rattling noise)이 주원인이다.

먼저 자왜 진동이란 코발트, 니켈, 철 등의 강자성(ferromagnetic) 물체가 변화하는 자기장 속에 놓여 있을 때, 그 형상이 변하는 현상을 말한다.

소음기(SOUND ENCLOSURE)에서 360Hz이상의 전송소음의 높은 주파수 구성 요소가 효과적으로 병렬 배플과 다른 소음, 120㎐ 및 240Hz에서 흡수가 용이해 Helmholtz의 공명기(resonators)의 존재로 감소된다. 대형소음 감쇄는 변전소의 변압기에 resonating 장벽을 적용하여 고객은 가격과 품질이 우수한 제품을 구매할 수 있고, 제조업체의 기술개발과 품질향상을 유도할 수 있다.

유입변압기는 값싸고 절연과 냉각성능이 우수한 변압기이다. 그러나 절연유는 인화점은 높지만 인화성 물질이므로 최근 도심지 변전소에 폭발과 화재의 확산 우려로 사용이 꺼려지고 있다.

국내외 변압기의 소음레벨기준은 변압기의 용량과 기준 충격파 절연강도 BIL에 따라 정하고 있으며 국외기준인 NEMA(National Electrical Manufacturers Association) TR-1 규격에서는 154kV~60MVA 변압기의 소음레벨을 FA냉각모드에서 79dBA가 넘지 못하도록 정하고 있으며 국내 한전기준인 ES-5920에서도 FA 냉각모드에서 79dBA를 넘지 못하도록 정하고 있다. 이에 따라 국내 변압기 제작사는 이들 기준을 만족시키기 위하여 기준치보다 2∼6dBA를 줄여 약 70∼77dBA의 소음레벨을 지닌 변압기를 제작하고 있다.

옥내변전소 주변 소음은 전원 주파수 60Hz의 2배 성분을 주파수로 하는 하모닉 성분을 가진다. 기존 변전소의 흡, 차음설비는 변압기의 소음특성들 고려하지 않은 채 유리섬유와 같은 재료를 사용한 일반적인 흡, 차음 처리만 되어 있어 소음 감소효과가 미흡한 실정이다.

특히 변압기에서 발생한 소음이 주파수인 120Hz에서 가장 클 때에는 이 주파수 대역에서 일반 흡음재의 두께대비 흡, 차음 성능이 상당히 떨어져 이에 대한 대책이 시급한 실정이다.

해외에서도 변전소의 흡차음설비는 변압기의 소음특성들 고려하지 않은 채 유리섬유와 같은 재료를 사용한 일반적인 흡차음 처리만 되어 있어 소음감소효과가 미흡한 실정이다.

변압기에서 발생한 소음이 기저 주파수인 120Hz에서 가장 클 때에는 이 주파수 대역에서 일반 흡음재의 두께대비 흡차음 성능이 상당히 떨어져 이에 대한 대책이 시급한 실정이다.

변전소에서 발생하는 소음이 이런 요구를 충족하지 못함으로써 소음 민원이 발생되고 증가하는 추세이며 변전소에서 발생하는 소음은 변압기에서 발생하는 소음으로 전력을 공급하는 한전에서 변전소 소음을 줄이기 위해서 노력 중에 변압기 소음으로 인하여 발생하는 변압기 소음민원 등을 사전에 방지 필요성이 인식되어 현대중공업과 보다 저소음의 변압기를 개발하여 변전소의 원활한 건설로 전력의 안정적 공급과 변전소 주변 주거환경 개선에 기여할 수 있도록 개발을 추진 중에 있다.

소음발생원의 소정위치에 발생되는 소음의 주파수대에서 공명이 되는 공명기를 제작하여 설치하므로서 발생되는 소음과 공명되는 음파간의 위상차에 의하여 파동의 간섭으로 상쇄되도록 하는 것으로 어느 음파와 그 음파와 동일한 주파수를 갖는 음파간에는 2의 짝수배에서는 보강간섭이 되고 반파장의 홀수배에서는 상쇄간섭이 되어 1∼2개의 주주파수를 감소시켜 주는 데에는 어느 정도 효과를 보고 있으나, 소음에는 다수의 주파수가 존재하므로 높은 효과를 가지지 못하며, 또한 공명주파수가 소음의 목표주파수와 보강간섭을 하는 경우에는 오히려 역작용에 의하여 소음이 증폭되는 문제점이 발생되고 있다.

변압기에서 발생되는 소음은 일반생활 소음과는 구별되게 전원 주파수(60Hz)의 2배 성분을 기저 주파수로 하는 것으로서 이와 같이 기저 주파수 순음성분을 가지는 변압기소음 중 120 Hz(파장2.86m) 성분은 매우 저주파수에 해당되어 일반적으로 널리 사용되어지는 방음설계로는 충분히 소음저감을 달성할 수 없게 된다. 또한 변압기는 소음원이 상부에 위치하며 하루 24시간 계속하여 소음을 배출하기 때문에 소음제어 측면에서 악성소음이라 할 수 있다.

공명형소음기는 변압기에서 발생 소음을 저감시키기 위한 장치 중의 하나로 공기의 유통이 원활히 될 수 있는 적절한 위치에 설치한다.

아래 그림은 밀폐장치용 소음기에 대한 모식도를 보여준다. 실제로 현장에 적용되는 소음기는 각 모듈들을 전후 좌우 및 상하로 적층하여 사용한다.

개발된 소음기 모듈은 공기풍도를 둘러싸는 3면에 흡음재와 공명기를 배치하여 소음전달을 차단한다. 변압기는 특정주파수 성분만을 배출하기 때문에 공기풍도의 하부면에는 120 및 240Hz 소음저감용 공명기를 배치하여 소음 저감성능을 배가시킨다. 공기풍도 좌우면에는 흡음재를 부착하여 360Hz 이상의 소음을 흡수한다

흡음재는 방화력 인장강도 및 결합력이 우수하고 옥외에 사용이 되므로 배수성 및 형태의 안정성이 뛰어나야 한다. 우수한 흡음성능을 가지는 흡음재를 사용한다

일반적으로 소음은 소음원으로부터 거리가 멀어질수록 비례하여 감쇠가 일어나며 주변환경에 따라 반사 흡음 및 회절등에 의해 소음이 증가되거나 감쇠된다.

따라서 변압기의 소음레벨과 주변지형에 의한 반사 흡음 회절을 계산함으로써 변전소 경계지역의 소음예측이 가능하다. 그러므로 소음원으로부터 경계지역까지의 소음전파 경로를 파악하여 소음예측에 필요한 정보를 수집할 필요가 있다

변전소는 구조상 옥외변전소와 옥내변전소 2가지로 분류될 수 있으며 소음전파특성도 각각 다른 양상이 나타난다.

옥외 변전소는 일반적으로 변압기 사이에 방화벽이 설치되어 있으며 변전소 내에 차단기, 단로기 등의 철재 구조물들이 존재한다. 방화벽으로 인해 변압기의 소음이 반사 회절현상이 나타나지만 그 밖의 구조물들은 흡음성능이 거의 없는 구조물로써 소음감쇠에 미치는 영향이 적다. 따라서 옥외변전소는 소음원인 변압기와 반사에 영향을 주는 방화벽만 모델링함으로써 하면 소음예측이 가능하다.

옥내변전소는 변압기가 건물 내부에 설치되어있어 3가지 경로를 통해 외부로 소음이 유출된다. 일부 소음은 변압기 반출입에 이용되는 셔터를 투과하여 유출되고 나머지 소음은 변압기실의 통풍을 위해 마련된 상부풍도와 하부풍도를 통해 유출된다. 따라서 셔터 상부풍도, 하부풍도 가지소음 유출경로의 흡음 및 반사영향을 모두 고려해야하므로 소음 예측이 복잡하고 오차가 커질 우려가 있다. 그러므로 3가지 소음유출경로에서 측정된 소음레벨을 소음원으로 가정하면 소음예측이 간단해지고 정확도가 높아질 수 있다.

옥내변전소는 건물에 의해 직접적인 변압기의 소음전파를 차단하기 때문에 유출되는 소음이 옥외변전소에 비해 작은 장점이 있다. 그러나 옥내변전소는 주로 주택이 밀집한 도심지에 건설되기 때문에 변전소 부지를 확보하기 어려운 상황이다. 이로 인하여 변전소 부지가 상대적으로 협소하여 경계지역 및 주거지역까지의 거리가 옥외변전소에 비해 짧으므로 소음문제가 발생할 가능성이 높다. 따라서 소음문제 발생 가능성이 높은 옥내변전소를 대상으로 소음을 예측하였다.

소음예측은 ISO 9613-2(공기 중의 소리감쇠에 대한 일반적인 계산방법에 나타난 공식을 적용하여 만들어진 변전소 소음예측 프로그램을 이용하였다). 이 프로그램은 소음예측을 하고자하는 변전소의 변압기, 건물, 지형의 형태를 모델링하고 소음원인 변압기의 소음레벨과 1/1옥타브밴드(63Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz)의 주파수 특성을 입력하면 ISO 9613-2의 명시된 소음이 전파되면서 공기 지면 주변건물 등에 의해 흡음 반사 회절되어 소음이 감쇠되는 양을 예측 계산하여 소음원 주변의 예측된 소음레벨을 표시하게 된다.

국내외 변압기의 소음레벨 기준은 변압기의 용량과 기준 충격파 절연강도(BIL)에 따라 정하고 있으며 국외기준인 NEMA(National Electrical Manufacturers Association) TR-1 규격에서는 154kV 60MVA 변압기의 소음레벨을 FA 냉각모드에서 79dBA가 넘지 못하도록 정하고 있으며 국내 한전기준인ES-5920에서도 FA 냉각모드에서 79dBA를 넘지 못하도록 정하고 있다. 이에 따라 국내 변압기 제작사는 이들 기준을 만족시키기 위하여 기준치보다 2∼26dBA를 줄여 약 73∼77dBA의 소음레벨을 지닌 변압기를 제작하고 있다.

변전소 소음으로 인한 민원의 발생원인은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 전력수요의 증가로 기존변전소의 설비 용량을 확보하기 위해 변압기를 추가로 설치하거나 신규 변전소건설로 인해 소음레벨이 증가하는 상황이다. 두 번째는 도심지역의 확대로 기존 변전소주변으로 주거지역이 근접하여 소음문제가 발생하는 상황이다.

문헌 1: 대한민국 특허청 출원번호 제 20-2011-0003583 호 문헌 2: 대한민국 특허청 출원번호 제 10-2005-0079607 호 문헌 3: 대한민국 특허청 등록번호 제 10-0941482 호

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 변압기 주위에 설치된 외함의 외부에 소음 저감장치를 설치하여 변압기를 통해 외함의 외부로 방사하는 소음을 저감하도록 한 변압기 외함 소음 저감장치를 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 변압기 외함 소음 저감장치에 있어서, 변압기의 외함 둘레면을 따라 수직으로 일정거리 떨어진 상태로 설치되는 적어도 하나 이상의 흡음편, 상기 흡음편 외면에 부착되며 전면으로 다수개의 구멍이 천공된 다공판 구조로 제작되어 상기 흡음편 사이 사이에 공기층이 존재할 수 있도록 흡음공간을 형성한 상태에서 상기 흡음공간을 통과하는 소음을 차단하는 차음판 및 상기 차음판의 외면에 순차적으로 부착되며 상기 차음판을 통과하는 소음을 반복적으로 흡음하는 제 1, 2흡음판을 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

본 발명은 실내에 설치된 변압기에 의해서 외부로 전달되는 소음을 저감하기 위해서 변압기의 외부에 소음저감장치를 설치하여 변압기의 소음을 흡음 처리해 기존 변압기의 소음레벨인 80dB을 획기적으로 저감하여 64dB이하로 낮추고, 실내와 외부를 통과하는 소음 취약부분의 흡, 차음 성능을 높일 수 있는 효과를 가진다.

또한 변압기 소음 경감을 통해 변전소의 대지면적 대폭 줄일 수 있어 신설 변전소의 대지 매입비용도 대폭 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 변압기 외함 소음 저감장치의 전체 구성을 입체적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 단면을 도시한 도면.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 후술 될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.

본 발명은 변압기 제작시 변압기 탱크의 모드 해석을 통하여 고유진동수가 얼마인지 알아보고 진동형태를 해석하여 변위의 최고점을 찾아 영향이 제일 큰 모드에서 변위억제가 가능한 형태로 외함을 설계하고자 한다.

즉, 변압기 내의 철심의 적층구조를 개선하고, 철심의 진동을 억제하는 클램프와 첨심과 탱크사이의 음향전달을 차단하는 제진고무, 차음판이 형성된 변압기를 제공하여, 기존변압기의 소음레벨인 79dB을 획기적으로 저감하여 64dB 이하로 구현할 수 있도록 함으로써, 변전소의 원활한 건설로 전력의 안정적 공급과 변전소 주변 주거환경 개선에 기여할 수 있도록 하는 45MVA 저소음 변압기 외함장치를 개발하는데 있다.

통상 변압기 설치 시에는 안전 및 보호의 목적으로 변압기 주위로 외함(enclosure)이 함께 설치된다. 본 발명의 목적은 이러한 외함의 외부로 방사하는 소음을 저감하는 것이며, 특히 외함 전체로부터 방사되는 소음을 저감하기 위한 광역제어를 시도한다. 이때, 최근 많은 경우 변압기가 설치되는 환경이 주로 도심지임을 고려할 때 기존의 방법들과 같이 외함 외부의 넓은 공간에 오차센서를 설치하는 방법은 현실적으로 어렵다.

이를 보완하기 위하여 이중 외함 변압기를 고안한 바가 있고 이 구조를 이용하여 외함 외부표면의 유수수용공간에 판형 소음제거층을 설치함으로써 변압기에서 발생하는 소음을 획기적으로 제거시키는 계기를 마련하였다. 도심지에 건설되는 변전소의 경우 변압기 소음이 주변에 거주하는 사람들의 건설반대 민원 중 대부분임을 감안할 때 본 연구개발이 파급효과는 매우 크다고 판단된다.

변압기로 인가되는 고압 전원에 대한 안전사고의 예방 및 변압기의 보호를 목적으로 실제 설치 시에는 변압기 주위로 외함(enclosure)이 함께 설치된다. 이때 외함 내부의 변압기의 과열을 방지하기 위해 외함의 표면에는 슬릿(slit)형의 통풍구가 존재하며, 외함 전체 표면적의 약 15%를 차지한다. 변압기 철심의 진동으로부터 방사된 소음이 외함을 통해 외부로 방사될 때, 외부로 방사되는 소음에는 외함의 표면의 진동에 의한 구조기인 소음(structure-borne noise)의 영향과 통풍구로부터 누출되는 공기기인소음(air-borne noise)의 영향이 함께 존재한다.

외부로 방사되는 소음에 대해 구조기인 소음의 영향은 외함의 표면에 제어가진원(vibration control source)을 부착하여 표면의 진동 속도 및 분포를 제어함으로써 효과적인 제어가 가능하며, 공기기인 소음의 영향은 제어음원(acoustic control source)을 이용함으로써 효과적인 제어가 가능하다. 따라서 실험을 통해 외함의 외부로 방사되는 소음의 원인을 파악하고 그에 적합한 제어원(control source)의 선택이 필요하다. 외함 외부로 방사되는 변압기 소음 중에서 구조기인 소음과 공기기인 소음의 기여를 파악하기 위해 외함의 판(panel)을 모두 제거한 경우, 정상적으로 외함이 설치된 경우, 외함의 통풍구를 모두 차음한 경우 등 조건을 고려하여야 한다.

한편, 변압기 조의 외함에서 차음판 설계시 변압기의 소음주파수, 공기층의 두께, 판재의 강성, 판재의 밀도, 판재의 두께, 판재를 지지하는 구조 등을 고려하여 최적화 설계를 실시하였다.

특히, 차음판의 두께와 외함 벽면과 차음판 사이의 공기층 두께에 대한 차음성능을 알아보기 위하여 소음이 차음판에 입사전 음향효과와 투과 후 음향효과에 대해 해석적으로 평가하였다. 또한 변압기의 주소음원인 120Hz성분과 고조파 성분에 대해 차음판의 고유진동수를 검토하여 공진을 회피할수 있도록 차음판의 형상 및 크기를 설계하였다.

한편, 변압기의 구조물에서 방사되는 소음은 아래의 식과 같이 구조물의 진동수준(V), 방사면적(S) 그리고 모드형상(p.q)에 관계된다.

그러므로 변압기 외함의 진동수준과 방사면적을 줄임으로써 변압기 소음레벨을 저감시킬 수 있다.

변압기 외함의 강도를 해석하기 위한 유한요소 해석을 실시하였다. 아래의 비교예 1을 통해 확인할 수 있는 바와 같이 동일한 압력하에서 외함의 응력은 타원형 외함일 경우는 19.5kgf/㎟ 원형 외함일 경우는 8.3kgf/㎟로 원형외함일 경우 응력이 약58%가 감소하며 변위량의 경우 72%가 감소한다.

변압기 외함의 형상을 기존 타원형에서 원형으로 변경함으로써 방사면적은 16%가감소하였으며 원형외함의 특성상 외함강성의 증가로 진동수준이 상당히 감소하여 변압기 소음레벨 저감에 효과가 있음을 알 수 있다.

<비교 예 1: 동일한 압력하에서의 외함 응력분포 비교도>

외함의 고유진동수와 기진 주파수인 120Hz의 조화성분과의 공진여부를 확인하기 위하여 원형외함에 대한 충격시험을 실시하였다. 계측결과 기진주파수인 120, 240, 360Hz부근에서 고유진동수가 발견되었다. 원형외함의 경우 모드밀도가 매우 높으므로 공진회피에 의한 소음저감은 어려울 것으로 판단된다. 충격시험과 병행하여 원형외함의 진동양상을 파악하기 위하여 무부하 조건에서 원형외함에 대한 진동계측을 수행하였다.

ODS(Operating Deflection Shape) 분석결과 기존 타원형 외함의 경우120Hz에서 비교적 뚜렷한 진동모드가 나타나지만 원형 외함의 경우에는 해당 주파수에서 특정한 진동모드가 발견되지 않는다. 따라서 원형외함의 경우에는 기존 타원형 외함에 비하여 주요 기진원 성분인 120Hz와 240Hz 부근에서 뚜렷한 진동모드에 지배받는 것이 아니라 외함 전체에 걸친 국부적인 진동모드의 영향을 받으므로 해 당 주파수 영역에서의 방사 소음역시 진동 모드의 영향보다는 외함의 전체적인 진동수준에 영향을 받는다고 할 수 있다.

외함 두께에 따른 원형 외함의 진동수준을 파악하기 위하여 외함 두께를 t1에서 t4까지 점차 증가시키며 기진원 주파수성분인 120Hz±10%, 240Hz±10%, 360 Hz±10%의 범위에서 주파수 응답해석을 수행하였다.

외함 두께 변화에 따른 진동 수준 변화

외함두께 주파수	t1	t2	t3	t5
120Hz±10%	3.01	2.24	2.96	1.86
240Hz±10%	3.92	2.93	3.05	2.64
360Hz±10%	3.98	4.10	3.62	3.55

위 표 1로부터 외함두께가 증가할수록 주요 기진원 주파수 성분에서의 외함측면 oveall rms value는 진동모드의 영향으로 일부 높아지는 경우도 있지만 전체적으로는 감소하는 경향을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.

변압기의 경우에 모드밀도(modal density)가 높은 관계로 주요 기진원 성분에서는 외함 공진모드의 영향을 완전히 벗어나는 것이 사실상 어려울 것으로 예상되지만 비록 공진이 발생한다고 할지라도 외함 두께가 증가된 경우의 oveall rms value가 그렇지 않은 경우보다 더 낮을 것으로 예상된다. 하지만 외함 두께의 증가는 변압기중량의 증가를 야기시키므로 변압기 중량을 고려해 적절한 수준에서 선택되어야 한다.

외함변압기는 유입변압기의 외함이 터질 경우 절연유가 외부로 유출되어 화재가 발생하는 것을 막기 위하여 고안되었다. 일반 유입변압기에는 외함인 1차외함안에 철심과 권선이 수용되고 절연유 냉각을 위하여 방열기 또는 열교환기가 1치외함에 관통되도록 설치된다. 이중 외함변압기는 일반 유입변압기의 외함인 1차외함을 절연유수용공간을 유지하면서 감싸도록 설치된 2차외함이다. 1차외함이 파손될 경우 내부에 수용된 절연유가 1차외함 외부로 유출이 되지만 2차외함에 의해 막아져서 절연유 수용공간에 머무르게 되어 2차화재로 연결되지 않는 장점이 있다.

기존의 변압기의 경우 기존의 외함을 1차외함으로 하고 1차외함과 2차외함 사이에 절연유 수용공간을 갖도록 기존의 변압기 외함의 전체 또는 일부(측면 등)에 추가로 2차외함을 새로 설치하여 이중외함 변압기로 개조하여 적용할 수도 있다. 붓싱 등 기존 구조물의 구조상 완벽하게 이중외함 변압기를 만들 수는 없지만 측면만 또는 측면과 상부 일부만이라도 가능한 부위를 이중외함으로 만들 수 있다. 표면으로 열을 발산하는 량은 변압기에서 발생하는 열의 약10%이므로 외함을 이중으로 만들면 냉각성능이 약10% 감소한다. 따라서 변압기 냉각장치를 보완하거나 변압기 용량을 감하여 사용할 필요가 있다.

변압기 내부에서 발생하는 소음은 대체로 500Hz이하의 저주파소음이다. 특히 60Hz인 전기주파수의 2배인 120Hz와 4배인 480Hz의 저주파가 가장 비중이 많다. 변압기 내부에서 발생한 소음이 1차외함 외부표면에 설치된 판형 소음제거층에 의해 소멸되어 외부로 유출되지 않도록 한 사례이다. 1차외함과 2차외함 사이의 방열기 배관에도 판형 소음제거층을 설치할 수 있다.

2차외함 내부표면에 판형 소음제거층을 추가로 설치한 사례를 보여준다. 이 경우 1차외함 외부표면에 설치된 판형 소음제거층에 의해 소멸되고 잔류한 소음이 2차외함 내부표면에 설치된 판형 소음제거층에 의해 추가로 소멸되어 소음제거 효과가 더욱더 높아졌다고 할 수 있다.

절연유수용공간에 판형 소음제거층 1개층을 추가로 설치한 사례를 보여준다. 경우에 따라서는 공간 간격을 두고 판형 소음제거층을 1개층이 아니라 여러 층을 겹으로 설치할 수 있다. 절연유수용공간에 설치되는 판형 소음제거층은 외함 표면에 붙이는 형태가 아니라 공간에 설치하는 형태이므로 형상을 유지하도록 보조지지대를 필요한 장소에 설치하고 흡음재, 차음재, 흡음재의 형태로 적층하여 좌우 공간의 소음을 효과적으로 소멸시킬 필요가 있다. 절연유수용공간은 1차외함이 파손될 경우 내부에 수용한 절연유가 수용될 공간이므로 판형 소음제거층이 절연유수용공간의 전부가 아닌 일측에 한정하여야한다. 이 경우 1차외함 외부표면에 설치된 판형 소음제거층에 의해 소멸되고 잔류한 소음이 절연유수용 공간에 설치된 판형 소음제거층에 의해 추가로 소멸되고 잔류한 소음이 2차외함 내부표면에 설치된 판형 소음제거층에 의해 또 다시 소멸되어 소음제거 효과가 최대로 높아졌다고 할 수 있다. 소음의 크기에 따라 1차외함 외부표면에 설치된 판형 소음제거층, 2차외함 내부표면에 설치된 판형 소음제거층, 절연유수용공간의 일측에 설치된 판형 소음제거층을 조절하여 설치할 수도 있고 생략할 수도 있다. 즉 이중외함변압기의 1차외함 외부표면 또는 2차외함 내부표면 또는 절연유수용공간 일부에 조합된 부위에 설치할 수 있다.

판형 소음제거층은 제진페인트와 차음재, 흡음재를 순차적으로 적층하여 만든 사례를 보여준다. 소음의 크기와 설치여건에 따라 제진페인트와 차음재, 흡음재의 적층순서를 바꾸거나 일부를 생략하고 판형 소음제거층을 구성할 수도 있다. 즉 제진페인트 또는 차음재 또는 흡음재 또는 이들의 중복조합 즉 1재료 또는 2재료 중복조합 또는 3재료 중복조합으로 판형 소음제거층을 만든다. 제진페인트는 전달되는 진동을 제거시키는데 효과가 있고, 차음재는 음파의 진행을 막는 역할을 하며, 흡음재는 발생한 소음을 흡수하여 소음을 소멸시키는 역할을 하므로 제진페인트, 차음재, 흡음재를 순차적으로 적층하여 판형 소음제거층을 만들면 매우 효과적이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 기술하기로 한다.

{실시 예 1}

첨부된 도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 변압기 외함 소음 저감장치의 전체 구성을 입체적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 단면을 도시한 도면이다.

도 1과 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이, 변압기(100)는 자기장의 변화에 의해 유도되는 전압을 이용하여 주어진 입력 전압으로부터 원하는 출력 전압을 제공하는 장치로서, 상기 변압기(100)의 외부에는 변압기(100)를 안전하게 보호할 목적으로 외함(200)이 설치되며, 상기 외함(200)의 외면으로 본 발명에서 구현하고자 하는 소음저감장치(300)가 설치된다.

상기 소음저감장치(300)는 상기 변압기(100)의 외함(200) 둘레면을 따라 일정간격 떨어진 상태로 설치되는 적어도 하나 이상의 흡음편(10), 상기 흡음편(10) 외면에 부착되며 상기 흡음편(10) 사이 사이에 흡음공간(20)을 밀폐 형성하는 차음판(30), 상기 차음판(30)의 외면에 순차적으로 부착되는 제 1, 2흡음판(40, 50) 및 상기 제 2흡음판(50)의 외면에 부착되는 마감패널(60)을 포함하여 구성한다.

상기 흡음공간(20)은 상기 차음판(30)에 의해 밀폐되는 공간으로서 이 흡음공간(20)에 존재하는 공기층이 변압기(100)에서 발생한 소음이 외함(200) 외부로 방사될 때, 이때의 소음을 일차적으로 감쇄시키게 된다.

상기 차음판(30)은 평판의 플레이트 타입으로 전면에는 다수개의 구멍이 천공된 다공판 구조로 제작되어 상기 흡음공간(20)을 통과하는 소음을 차단하는 기능을 수행한다. 이때 상기 차음판(30)은 변압기의 주소음원인 120Hz성분과 차음판의 고유진동수를 검토하여 공진을 회피할수 있도록 차음판의 형상 및 크기를 설계함이 바람직할 것이다.

상기 제 1, 2흡음판(40 ,50)은 상기 차음판(30)으로 차단되지 못한 일부의 소음을 반복적으로 흡음하여 제거하게 된다.

즉, 상기와 같이 구성된 소음저감장치(300)를 변압기(100)의 외함(200) 외면에 설치토록 함으로서 변압기(100)의 소음을 흡음 처리해 기존 변압기의 소음레벨인 80dB을 획기적으로 저감하여 64dB이하로 낮추고, 실내와 외부를 통과하는 소음 취약부분의 흡, 차음 성능을 높일 수 있음은 물론 부피를 최소화 하면서도 소음 경감 효과를 구현할 수 있어 변전소의 대지면적 대폭 줄일 수 있어 신설 변전소의 대지 매입비용도 대폭 절감할 수 있게 된다.

10: 흡음편 20: 흡음공간
30: 차음판 40: 제 1흡음판
50: 제 2흡음판 100: 소음저감장치
200: 변압기 300: 외함

Claims (1)

1. 변압기 외함 소음 저감장치에 있어서,
   변압기(200)의 외함(300) 둘레면을 따라 수직으로 일정거리 떨어진 상태로 설치되는 적어도 하나 이상의 흡음편(10);
   상기 흡음편(10) 외면에 부착되며 전면으로 다수개의 구멍이 천공된 다공판 구조로 제작되어 상기 흡음편(10) 사이 사이에 공기층이 존재할 수 있도록 흡음공간(20)을 형성한 상태에서 상기 흡음공간(20)을 통과하는 소음을 차단하는 차음판(30);
   상기 차음판(30)의 외면에 순차적으로 부착되며 상기 차음판(30)을 통과하는 소음을 반복적으로 흡음하는 제 1, 2흡음판(40, 50) 및 ;
   상기 제 2흡음판의 외면에 부착되는 마감패널(60)을 포함하여 구성함을 특징으로 하는 변압기 외함 소음 저감장치.
   
   
   

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