KR20160103438A - 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기 - Google Patents

권선의 와류 손실이 감소되는 변압기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 권선의 상,하단부에 도체가 제거되는 절개부가 형성되어 누설자속에 의한 와류 손실이 감소되는 변압기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기는 철심; 상기 철심을 둘러싸도록 동심원 상으로 순차적으로 설치되는 제1권선 및 제2권선;을 포함하며, 상기 제1권선의 제1 외측 상단부와 제1 외측 하단부 및 상기 제2권선의 제2 내측 상단부와 제2 내측 하단부에 도체의 일부가 제거되는 절개부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

권선의 와류 손실이 감소되는 변압기{Transformer reduced of Eddy Current Losses of Winding}
본 발명은 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 권선의 상,하단부에 도체가 제거되는 절개부가 형성되어 누설자속에 의한 와류 손실이 감소되는 변압기에 관한 것이다.
일반적으로 전력용 고압변압기는 전력계통에 구성되어 발전소로부터 전압을 받아 승압 및 감압을 할 수 있는 전기기기로서, 수용가까지 전력을 송전하는데 있어서 중요한 역할을 한다.
이러한 변압기의 운용 과정에서 전기적 손실이 생기게 마련인데, 변압기의 손실은 무부하 손실, 부하손실과 보조장치(팬, 펌프 등)에서 발생되는 손실의 합으로 나타낸다. 무부하 손실은 변압기를 구성하고 있는 철심에서 발생되는 손실이며, 부하손실은 권선, 권선 인근 지지구조물, 탱크에서 발생되는 손실이다.
부하손실에 있어서는 권선저항에 의해 발생하는 직류저항 손실이 대부분을 차지하고 있으나, 누설자속에 의해 권선, 지지구조물, 탱크에서 발생하는 와류 손실 및 표류부하손실 또한 무시할 수 없다. 특히 권선에서 발생하는 와류 손실은 권선에 국부적인 과열을 발생시키는 원인이 되며, 변압기 장기 운전 신뢰성에 큰 영향을 미치는 인자이다.
도 1에 종래기술에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 도 2에는 종래기술에 따른 변압기의 권선에 적용되는 도체의 예가 도시되어 있으며, 여기서 (a) 평각도체, (b) 복도체, (c) 전위도체 이다. 도 3은 종래기술에 따른 변압기의 권선의 세부단면도가 도시되어 있다.
변압기는 도 1과 같이 철심(1)을 기준으로 여러 개의 권선(2,3)이 동심원을 이루면서 배치된다. 도 1에서는 권선(2,3)을 2개만 도시하였지만, 권선의 개수는 변압기 사용처에 따라 2개 이상으로 구성할 수 있다.
변압기 권선(2,3)은 구리, 알루미늄 및 합금으로 구성된 도체(4)를 감아서 제작한다. 이 도체(4)들은 턴간 절연을 위하여 절연물(5)로 감싸져 있다. 도 3은 변압기 권선에 사용되는 도체의 다양한 형태를 보여준다. 빗금친 부분이 도체(4)이며, 도체를 둘러싸고 있는 부분이 절연물이다.
도 3을 참조하면, 변압기 권선(2)은 여러 가닥의 도체(4c)가 감긴 섹션(21,2b,2c,...)의 조합으로 구성된다. 권선(2)의 냉각을 위하여 권선 섹션(21,2b,2c,...)에 수직인 냉각 덕트(7)를 구성할 수도 있다. 도 3에는 전위도체(4c)를 사용하고 권선(2)의 냉각을 위해 수직냉각 덕트(7) 2개를 적용한 권선을 나타낸다.
도 4에는 변압기 권선의 누설자속과 누설자속에 의한 권선 단부 와류 손실을 나타내고 있다. 변압기 1차 권선(2)에 전원을 인가하면 2차 권선(3)에 전압이 유기되며, 2차 권선(3)에 흐르는 전류의 방향은 1차 권선(2)과 반대 방향으로 발생하게 된다. 이러한 영향으로 인하여 1차 권선(2)과 2차 권선(3) 사이에 누설자속이 크게 발생되며, 이러한 누설자속을 감쇄하기 위하여 각 권선 주변에는 와전류가 발생하게 된다. 이러한 와전류로 인한 손실을 와(전)류 손실이라 한다. 와류 손실은 변압기의 누설자속의 크기와 방향, 권선 도체의 치수, 권선의 전류밀도, 도체의 저항 및 전원주파수에 영향을 받는다. 누설자속에 의한 와류 손실이 많이 발생하는 부분은 변압기 권선의 말단 부분이며, 와류 손실에 의한 국부 온도 상승(Hot-Spot) 또한 높게 측정된다.
전술한 바와 같이, 권선에서 발생하는 와류 손실의 크기에 영향을 미치는 인자는 누설자속의 최대값, 권선에 대한 자속의 입사 방향, 권선 도체의 형상 및 크기에 따른 치수, 권선의 전류밀도, 도체의 저항 및 전원주파수의 크기이다. 이 중에서, 변압기에 요구되는 특성(%임피던스, 용량 등)을 만족시키면서 와류 손실을 조정하기 위한 인자(factor)는 권선 도체의 치수이다(도 2에서 a 또는 b). 일반적으로 권선의 와류 손실 저감을 위하여 평각도체(4a)보다는 복도체(4b)를, 복도체(4b)보다는 전위도체(4c)를 사용한다. 도체 치수 중 권선의 와류 손실에 가장 큰 영향을 미치는 치수(a)가 도 2에 도시되어 있다.
따라서 와류 손실을 줄이기 위하여 권선 도체의 치수 a가 가장 작은 전위도체(4c)를 사용한다.
그런데, 종래기술에 있어서 권선 도체 치수를 조정하여 와류 손실을 저감시키는 방법은 권선의 기계적 강도를 유지하기 위하여 도체의 치수 조정이 어렵다는 단점을 가지고 있었다. 또한, 권선이 갖고 있는 적정한 전류밀도를 유지하여야 하는데, 도체 치수 a를 줄이면 상대적으로 치수 b가 늘어나고 b 치수에 의한 와류 손실이 증가하는 등 문제점을 안고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 변압기에서 발생하는 누설자속에 의한 와류 손실을 감소시키는 변압기를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기는 철심; 상기 철심을 둘러싸도록 동심원 상으로 순차적으로 설치되는 제1권선 및 제2권선;을 포함하며, 상기 제1권선의 제1 외측 상단부와 제1 외측 하단부 및 상기 제2권선의 제2 내측 상단부와 제2 내측 하단부에 도체의 일부가 제거되는 절개부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1권선의 제1 내측 상단부와 제1 내측 하단부 및 상기 제2권선의 제2 외측 상단부와 제2 외측 하단부에 도체의 일부가 제거되는 절개부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절개부의 절개면은 경사면, 라운드면, 계단면 중에서 어느 하나를 이루는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 절개부에는 절연물이 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기에 의하면 권선의 단부에 절개부가 형성되어 변압기에서 발생하는 누설자속에 의한 와류 손실이 감소하는 효과가 있다. 이에 따라, 발열이 감소하여 기기의 안정성이 향상되고 내구연한이 증가하게 된다. 또한, 상기 절개부에는 절연물이 채워짐으로써 단락기계력은 감소하지 않는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다.
도 2는 종래기술에 따른 변압기의 권선에 적용되는 도체의 예가 도시되어 있다. 여기서 (a) 평각도체, (b) 복도체, (c) 전위도체 이다.
도 3은 종래기술에 따른 변압기의 권선의 세부단면도가 도시되어 있다.
도 4는 종래기술에 따른 변압기의 1차 권선과 2차 권선에 발생하는 누설자속 및 와전류 손실이 나타나 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도이다.
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 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기는 철심(10); 상기 철심(10)을 둘러싸도록 동심원 상으로 순차적으로 설치되는 제1권선(21) 및 제2권선(26);을 포함하며, 상기 제1권선(21)의 제1 외측 상단부(22)와 제1 외측 하단부(22) 및 상기 제2권선(26)의 제2 내측 상단부(29)와 제2 내측 하단부(30)에 도체(31)의 일부가 제거되는 절개부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
철심(10)은 자로를 형성하도록 하고 자속밀도를 높일 수 있도록 한다. 철심(10)의 재질은 냉간 압연 방식으로 제조된 방향성 규소강판을 사용할 수 있다. 철심(10)은 열적,기계적 특성이 우수한 절연 테이프로 감싸질 수 있으며, 철심(10) 표면에는 보호용으로 방청도장 처리가 될 수 있다.
철심(10)은 동일한 크기의 강판이 적층되어 제조된다. 적층된 강판은 하나의 그룹을 이루는 층을 이룰 수 있다. 이와 같은 층이 다시 복수 개 쌓여 철심(10)을 이루게 된다.
철심(10)의 주변에 권선(20)이 철심(10)을 동심원 형태로 감싸면서 설치된다. 철심(10)에 가장 인접한 권선을 제1권선(21)이라 하고, 그 다음에 설치된 권선을 제2권선(26)이라 하기로 한다. 권선(20)은 더 많은 층으로 형성될 수 있으나 편의를 위하여 2개의 권선을 대상으로 설명하기로 한다. 제3 이상의 권선에 대하여도 본 실시예 및 다른 실시예에 대한 설명이 적용될 수 있다.
단면도 상에서 제1권선(21)의 모서리를 이루고 있는 각 단부를 구분하는 부호를 붙여, 제1 외측 상단부(22), 제1 외측 하단부(23), 제1 내측 상단부(24), 제1 내측 하단부(25)로 칭하기로 한다.
마찬가지로, 단면도 상에서 제2권선(26)의 모서리를 이루고 있는 각 단부를 구분하여 제2 외측 상단부(27), 제2 외측 하단부(28), 제2 내측 상단부(29), 제2 내측 하단부(30)로 칭하기로 한다.
권선의 와류 손실이 가장 크게 발생하는 권선 단부의 도체 부위가 제거되도록 형성된다. 즉, 제1권선(21)과 제2권선(26)이 마주하는 측의 상,하단부의 도체 부위가 제거된다. 다시 말하면, 제1권선(21)의 제1 외측 상단부(22)와 제1 외측 하단부(23) 및 제2권선(26)의 제2 내측 상단부(29)와 제2 내측 하단부(30)에 절개부가 형성된다.
제1권선(21)의 제1 외측 상단부(22)와 제1 외측 하단부(23) 및 제2권선(26)의 제2 내측 상단부(29)와 제2 내측 하단부(30)에 절개부가 형성됨에 따라 각 단부에 발생하는 누설자속에 따른 와류 손실이 감소하게 된다.
여기서 상기 절개부는 도 5에 도시된 바와 같이 경사면으로 형성될 수 있다. 또는 별도로 도시하지는 않았지만 상기 절개부는 라운드 형태로 형성될 수 있다. 각 단부의 절개면이 라운드 형태로 형성되어 누설자속의 형태와 유사한 면을 형성하도록 하여 와류 손실을 최소화하도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도가 도 6에 도시되어 있다.
이 실시예에 있어서는 각 권선의 모든 단부에 절개부가 형성된다. 즉, 제1권선(21)의 제1 외측 상단부(22), 제1 외측 하단부(23), 제1 내측 상단부(24), 제1 내측 하단부(25)에 모두 절개부가 형성된다. 또한, 제2권선(26)의 제2 외측 상단부(27), 제2 외측 하단부(28), 제2 내측 상단부(29), 제2 내측 하단부(30)에 절개부가 형성된다. 각 권선(20)의 모든 단부에 절개부가 형성됨에 따라 누설자속에 의한 와류전류를 최대한 감소시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도가 도 7에 도시되어 있다.
이 실시예에 있어서는 각 권선의 단부에 형성되는 절개부가 계단 형태로 형성된다. 이는 상세도에 나타난 제1권선(21) 및 제2권선(26)을 구성하는 각 도체(31)의 실질적 구성을 보면 명확히 알 수 있다. 제1권선(21) 및 제2권선(26)을 구성하는 단위는 도체(31)이므로 이러한 도체를 제거하는 방식으로 각 권선(20)을 제조하는 경우 도 7에 도시된 바와 같이 절개부가 계단 형태로 이루어질 수 있다.
도 8에 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선의 단면의 개략도가 도시되어 있다.
이 실시예에서 각 권선(20)에 있어서 도체(31)가 제거된 절개부에는 절연물(35)이 채워진다. 이와 같이 제1권선(21) 및 제2권선(26)의 단부에 도체(31)가 제거되고, 절연물(35)이 채워짐에 따라 누설자속에 의한 와류 손실은 감소하고 권선(20)을 이루는 형상을 유지함으로써 단락기계력을 감소시키지 않게 되는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기에 의하면 권선의 단부에 절개부가 형성되어 변압기에서 발생하는 누설자속에 의한 와류 손실이 감소하는 효과가 있다. 이에 따라, 발열이 감소하여 기기의 안정성이 향상되고 내구연한이 증가하게 된다. 또한, 상기 절개부에는 절연물이 채워짐으로써 단락기계력은 감소하지 않는 효과가 있다.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 철심 20 권선
21 제1권선 22 제1 외측 상단부
23 제1 외측 하단부 24 제1 내측 상단부
25 제1 내측 하단부 26 제2권선
27 제2 외측 상단부 28 제2 외측 하단부
29 제2 내측 상단부 30 제2 내측 하단부
31 도체 35 절연물

Claims (4)

  1. 철심;
    상기 철심을 둘러싸도록 동심원 상으로 순차적으로 설치되는 제1권선 및 제2권선;을 포함하며,
    상기 제1권선의 제1 외측 상단부와 제1 외측 하단부 및 상기 제2권선의 제2 내측 상단부와 제2 내측 하단부에 도체의 일부가 제거되는 절개부가 형성되는 것을 특징으로 하는 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1권선의 제1 내측 상단부와 제1 내측 하단부 및 상기 제2권선의 제2 외측 상단부와 제2 외측 하단부에 도체의 일부가 제거되는 절개부가 형성되는 것을 특징으로 하는 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절개부의 절개면은 경사면, 라운드면, 계단면 중에서 어느 하나를 이루는 것을 특징으로 하는 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절개부에는 절연물이 배치되는 것을 특징으로 하는 권선의 와류 손실이 감소되는 변압기.
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