KR20170001177A - 향상된 절연성을 갖는 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기 철심과 권선 사이의 전압차이로 절연지의 선택이나 간격을 주어야 하는 점, 이로 인하여 철심의 크기도 증가하고 권선의 길이도 증가하여 뿐만 아니라 누설전압과 누설전류에 의한 손실도 크다는 점, 외부에 접근 금지까지 하여야 하는 점, 그리하여 초고압 변압기는 제조가 너무 힘이 든다는 점 등을 개선하기 위한 것이다. 즉, 이상의 모든 문제점을 해결하는 전기 변압기를 제공하는 것이다. 이를 위해, 1차 권선을 1-1권선, 1-2권선, 1-3권선의 세부분으로 나누어 권선하되, 1-1권선은 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작으로 하여 시계방향으로 권선하고 끝을 단자로 뽑으며, 1-2권선은 1-1권선의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 하여 권선하고 시작을 단자로 뽑으며, 1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑으며, 1-1권선의 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작과 1-3권선의 끝과 연결 하며, 1-2권선은 1-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 한 제1 단자와 1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 한 제2 단자를 출력으로 하는 것을 특징으로 한다.

Description

향상된 절연성을 갖는 변압기{A transformer with an advanced insulation performance}

본 발명은 전기 변압기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 변압기 권선의 감는 방식을 변경하여 절연 성능이 뛰어나며, 그리하여 초고압에서도 변압기의 제조가 편리하고 안전되게 감을 수 있는 초고압에서도 절연이 잘되는 변압기장치에 관한 것이다.

전기를 발명되고 교류를 사용하면서부터는 인간은, 변압기 없이는 전기를 사용할 수가 없다. 변압기는 전기에서 뗄 수가 없는 것이다. 그리하여 변압기를 작고 간편하게 만들려고 많은 노력을 해왔으나, 특히 초고압변압기는 일반용 변압기보다 부피의 크기나 무게의 크기가 엄청나고 만드는 기술도 대단히 힘이 든 것으로 알려져 있다. 그리하여 초고압 변압기에 대하여 안전하고 편리하며, 에너지의 효율적 사용 및 크기의 소형을 원하였으며, 많은 고심과 더불어 꾸준한 연구가 수행되고 있는 실정이다.

일반적인 변압기는, 도 1에서 보는 바와 같이, 철심 코어에 1차측 권선 및 2차측 권선이 층으로 권회되어 있다. 일반적으로는 코어를 절연 보빈 및 절연지로 싸고, 경우에 딸 간극을 충분히 형성한 다음, 대체로 저압인 1차측 권선이 권회되는 바, 권선 역시 1층이 권회되고 다시 1층 권선을 절연지로 싸맨 다음, 2층을 권회하는 식으로 이루어진다. 1차측의 권선의 권회가 완료되면, 다시 절연지 및 절연 보빈으로 감싸고, 경우에 따라 간극형 다시 충분히 형성한 다음, 2차측 권선을 권회하되, 1차측과 마찬가지로 각 층의 권선들 간에는 절연지로 절연을 시키게 된다.

승압형 변압기의 경우, 2차측의 권선의 권회수가 1:n (n>1) 이 되고, 2차측이 1차측에 대해 고압이므로, 2차측을 코어에서 멀어지도록 외측에 형성하게 된다.

그런데, 초 고압 변압기의 경우, 220V 혹은 380V 상전압을 22.9kV, 154kV, 345kV, 심장 765kV까지 승압하게 되는바, 따라서 여러 대의 변압기를 사용하여 순차적으로 승압시킨다고 하더라도, 각 변압기의 권수의 비(n)가 매우 커지게 되며, 이는 변압기의 대형화를 가져오게 되고, 특히, 종래의 초고압 변압기에서는 절연이 문제가 발생하여, 보빈의 크기나 간극의 차이를 크게 하여야 하며, 절연성을 높이기 위해 이들의 크기가 더 강조되어야 할 뿐더러, 결국 같은 용량인 저압 변압기보다 부피 크기나 절연을 강조해서 제작하여야 하므로 무게도 큰 것으로 하는 경우가 일반적이다.

더욱이, 그럼에도 불구하고 고압의 영향으로 주위의 감전 위험성 및 고압으로 인한 자체 파손 위험성은 줄어들지 않는다.

본 발명의 목적은, 상술한 종래기술의 공통된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 변압기 철심과 권선 사이의 전압차이로 절연지의 선택이나 간격을 주어야 하는 점, 이로 인하여 철심의 크기도 증가하고 권선의 길이도 증가하여 뿐만 아니라 누설전압과 누설전류에 의한 손실도 크다는 점, 외부에 접근 금지까지 하여야 하는 점, 그리하여 초고압 변압기는 제조가 너무 힘이 든다는 점 등을 개선하기 위한 것이다. 즉, 이상의 모든 문제점을 해결하는 전기 변압기를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 향상된 절연성을 갖는 변압기는, 1차 권선을 1-1권선, 1-2권선, 1-3권선의 세부분으로 나누어 권선하되, 1-1권선은 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작으로 하여 시계방향으로 권선하고 끝을 단자로 뽑으며, 1-2권선은 1-1권선의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 하여 권선하고 시작을 단자로 뽑으며, 1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑으며, 1-1권선의 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작과 1-3권선의 끝과 연결 하며, 1-2권선은 1-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 한 제1 단자와 1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 한 제2 단자를 출력으로 하는 것을 특징으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 향상된 절연성을 갖는 변압기는, 2차 권선을 2-1권선, 2-2권선, 2-3권선의 세부분으로 나누어 권선하되, 2-1권선은 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작으로 하여 시계방향으로 권선하고 끝을 단자로 뽑으며, 2-2권선은 2-1권선의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 하여 권선하고 시작을 단자로 뽑으며, 2-3권선은 2-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑으며, 2-1권선의 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작과 2-3권선의 끝과 연결 하며, 2-2권선은 2-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 한 제3단자와 2-3권선은 2-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 한 제4단자를 입력으로 하는 것을 특징으로 한다.

상술한 과제의 해결 수단을 갖는 본 발명에 의하면, 철심과 변압기 권선, 1차권선과 2차권선 사이의 절연지의 사이 전압이 거의 0V의 전압을 가져서 안전하고, 변압기 외형도 전압이 0V 전압을 가져서 외부에도 안전하여, 변압기를 작게 제조가 가능하여 무효 철심 전력과 정격 동손를 모두 줄일 수 있어, 안전과 절약을 모두 실현이 가능하다. 절연성이 향상된 변압기를 사용하므로 감전 위험도 없으며, 누설전압, 전류가 최소화될 수 있다는 추가적인 장점이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 변압기를 초고압 변압기에 적용하면, 초고압에서도 절연이 잘되는 변압기의 제공이 가능하여, 무게와, 크기 및 부피를, 저압 용량의 변압기와 비슷하게 구현 가능하여, 사용하는데 저렴하게 제작되며 안전한 초고압 변압기의 제공이 가능하게 된다.

도 1은 종래기술의 전기 변압기사시도.
도 2는 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 전체 사시사진.
도 3a는 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 전체 평면사진.
도 3b는 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 2차측 상세사진.
도 4는 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 개략 회로도.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 2상장치의 상세 회로도.
도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 2상장치의 변압기철심 구조도.
도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기변압기 3상장치의 상세 회로도.
도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기변압기 3상장치의 전압벡터도.
도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기변압기 3상장치의 상세 회로도.
도 7b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기변압기 3상장치의 전압벡터도.
도 8은 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 실제 권회 방법을 설명하는 도면.
도 9a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 입력측 전압측정 사진.
도 9b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 출력측 전압측정 사진.
도 9c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 출력측 4번과 8번 단자 간 전압측정 사진.
도 9d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 출력측 권철과 8번 단자 간 전압측정 사진.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나, 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체 할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면 도 2 내지 도 9d를 참조하여 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 전체 사시사진이고, 도 3a는 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 전체 평면사진이고, 도 3b는 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 2차측 상세사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 개략 회로도이고, 도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 2상장치의 상세 회로도이고, 도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 2상장치의 변압기철심 구조도이고, 도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기변압기 3상장치의 상세 회로도이고, 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기변압기 3상장치의 전압벡터도이고, 도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기변압기 3상장치의 상세 회로도이고, 도 7b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기변압기 3상장치의 전압벡터도이고, 도 8은 본 발명에 따른 전기변압기 장치의 실제 권회 방법을 설명하는 도면이고, 도 9a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 입력측 전압측정 사진이고, 도 9b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 출력측 전압측정 사진이고, 도 9c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 출력측 4번과 8번 단자 간 전압측정 사진이며, 도 9d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변압기 출력측 권철과 8번 단자 간 전압측정 사진이다.

본 발명에서의 전기변압기의 결선 장치는, 도 2 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 전기 변압기 권선부 내에서 1차 권선 과 2차 권선이 있는데 1차 권선을 각 층으로 구분하여, 1-1권선, 1-2권선, 1-3권선의 3층의 권선으로 나누어 권선한다.

1-1권선은 안쪽의 철심에서 절연을 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑고, 1-2권선은 1-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 하여 권선하고 시작을 단자로 뽑고, 1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑고, 1-1권선의 안쪽의 철심에서 절연을 하여 단자에서 시작과 1-3권선의 끝과 연결한다. 1-2권선은 1-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 한 단자와 1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 한 단자를 출력으로 하도록 이루어진다.

아울러, 상기 전기 변압기 권선부 내에서 2차 권선을 2-1권선, 2-2권선, 2-3권선의 3층의 권선으로 나누어 권선하는바, 2-1권선은 안쪽의 철심에서 절연을 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑고, 2-2권선은 2-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 하여 권선하고 시작을 단자로 뽑고, 2-3권선은 2-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑고, 2-1권선의 안쪽의 철심에서 절연을 하여 단자에서 시작과 2-3권선의 끝과 연결한다.

2-2권선은 2-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 한 단자와 2-3권선은 2-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 한 단자를 출력으로 하는 초고압에서도 절연이 잘되는 변압기를 제공한다.

이를 도 3b, 도 5a 및 도 8을 참조하여 좀더 상술하면, 도 5b의 내측 변압기 철심이 들어갈 위치에 있는 보빈의 가장 안쪽에서부터 1차 코일의 1층을 시계방향으로 감기 시작하여, 일례로 98회 권회하고, 같은 방향으로 98회전을 하여 2층을 권회한 다음 1-1차 코일의 종으로 한다. 각 층의 사이에는 절연지를 사용하여 절연하는바, 이하 동일하다.

다음, 1-1차 코일의 종에서 1-2차 코일의 종으로 연결하여 반시계 방향으로 98회전을 권회하여 3층으로 하고, 다시 같은 반시계 방향으로 98회전을 권회하여 4층 내지 6층을 감아 1-2차 코일의 시작으로 정한다.

다음, 다시 1-2차 코일의 시작을 1-3차 코일의 시작으로, 시계 방향으로 98회를 권회하여 7층을 형성하고, 계속해서 시계방향으로 8층을 형성한 다음 2-3차 코일의 종으로 한다. 그리고 2-3차 코일의 종을 1-1차 코일의 시작과 연결한다.

한편, 2차 코일은 1차 코일과 감는 횟수나 권선의 굵기 또는 층의 회수만 상이할 뿐, 2차 코일의 처음 1/4인 2-1차 코일을 시계방향(혹은 반시계방향)으로, 2차 코일의 중간 2/4인 2-2차 코일를 반시계 방향(혹은 시계방향)으로, 다시 2차 코일의 마지막 1/4인 2-3차 코일을 시계방향(혹은 반시계방향)으로 감고, 2-1차 코일의 종을 2-2차 코일의 종과, 2-2차 코일의 시작을 2-3차 코일의 시작을 각각 연결하여, 2차 코일의 각 전기적 단자로 심고, 2-3차 코일의 종과 2-1차 코일의 시작을 연결하는 점은 1차 코일의 경우와 동일하다.

이들의 순서 역시, 1차 코일을 내부 철심 쪽에 2차 코일을 외부쪽에 권회해도 되고, 반대로 2차 코일을 내부 철심 쪽에 1차 코일을 외부쪽에 권회해도 상관없다.

결국 이렇게 권회된 코일을 도 5b의 내부 변압기 철심에 삽입하여, 변압기를 완성한다.

도 3 및 도 4는 실제 완성된 변압기인바, 내부 철심에 코일이 권회된 보빈이 삽입되어 있음을 알 수 있으며, 특히 도 3b에서, 단자 ①은 2-1차 코일의 시작점, 단자 ②는 2-1차 코일의 종료점, 단자 ③은 2-2차 코일의 종료점, 단자 ⑤는 2-2차 코일의 시작점, 단자 ⑥은 2-3차 코일의 시작점, 단자 ⑦은 2-3차 코일의 종료점에 해당한다 (단자 ④ 및 단자 ④'는 2-2차 코일의 중간 전압을 확인하기 위한 탭에 불과하며, 전선 ⑧은 중간에 2-3차 코일의 권회 수에 에러가 생겨서 권회 수를 정확히 맞추기 위해 3회를 더 감은 경우로 본 발명의 기술사상과는 무관하다).

상기 단자 ②와 단자 ③의 접속단이 도 5a의 'u' 단자이며, 상기 단자 ⑤와 단자 ⑥의 접속단이 도 5a의 'w 단자이다. 이들 간에는 22.9kV의 출력전압이 걸리지만, 1차 권선과 마주하는 단자 ① 및 최외측 (변압기 완성 외측 변압기 철심쪽) 단자에는 0V의 전압이 걸리게 된다. 물론, 단자 ④ 및 ④'에도 0V의 전압이 걸린다.

도 9a에서 보는 바와 같이, 입력전압을 23V로 하고 권선비를 7배로 하여 권회시, 도 3b에서 보는 바와 같이, 2차측 입력출단(u 및 w 상)에는 158V가 관측되며, 그럼에도 불구하고 도 9c 및 도 9d에서 보는 바와 같이, ④번과 ⑧번 단자 및 철심과 ⑧번 단자 간에는 거의 0V임을 확인할 수 있다.

그리고, 1차 권선과 2차 권선의 절연지 사이의 전압도 거의 0 볼트를 만들 수 있으므로 절연의 파괴로부터 안전하다. 절연으로 소모 전력량이 거의 없다는 것이며, 절연변압기로 구성하는 경우에는 본 발명에서와 같이 1-1권선 및 1-3권선의 저항 및 턴수가 결국, 1-2 권선 및 저항, 턴수와 같기 때문 순환전류가 흐르지 않는다. 아울러, 노출되는 권선의 절연지가 거의 0전압을 가르키므로 안전성을 강화할 수 있다는 점이며, 자기장이 외부로 나가지 않게 절심의 폐루프의 길이도 줄일 수 있다는 점, 대류현상으로 대류를 빠르게 순환시킬 수 있다는 점, 및 두 종류의 전기변압기의 두 가지 장점을 동시에 이용할 수 있다는 점과 같이, 본 발명은 종래의 변압기보다 현저한 작용효과를 갖는다.

따라서, 종래방식의 변압기에서는 3kV 용 에 비해 765kV 용 초고압 변압기를 제작하려면 거의 100배 정도로 커져야 하나, 본 발명의 방식에 의하면 내부 철심과 코일간, 외부 철심과 코일가, 1차 코일과 2차 코일 간에 거의 전압이 제로이므로, 1.5배 정도의 크기만으로도 충분하다.

더욱이, 각 코일에서 각 층의 전선의 길이는 달라질 수 밖에 없으나 그럼에도, "1층과 2층 및 7층과 8층"의 시계방향으로 권회한 총 전선의 길이와, "3층과 4층 및 5층과 6층"의 반시계방향으로 권회한 총 전선의 길이가 동일하므로, 전체 저항값 역시 동일하게 되어, 순환 전류가 흐르지 않게 된다.

이제, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 대해 설명한다. 도 6a에서 보는 바와 같이, 제2 실시예는 3상 전원장치의 변압기이며, 3상 1차 코일을 내측에 3상 2차 코일을 외측에 권회한 'Δ' 결선 형태이다. 각 상의 코일 권회 방식은 단상의 경우와 동일하다. 역시, 도 6b에서 보는 바와 같이, 순환 전류가 제로이며, 각 코일의 중간 단의 전압이 제로임을 알 수 있다.

마지막으로, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 대해 설명하고 있는바, 도 7a에서 보는 바와 같이, 제3 실시예는 3상 전원장치의 변압기이되 3상 2차 코일을 내측에 3상 1차 코일을 외측에 권회한 'Y' 결선 형태이다. 각 상의 코일 권회 방식은 단상의 경우와 역시 동일하다. 역시, 도 7b에서 보는 바와 같이, 각 코일의 중간 단의 전압이 제로임을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 최적 실시예를 기준으로 설명하였으나, 이외에도 여러가지 변형이 가능하며, 앞에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (2)

1. 전기변압기에 있어서,
   1차 권선을 1-1권선, 1-2권선, 1-3권선의 세부분으로 나누어 권선하되,
   1-1권선은 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작으로 하여 시계방향으로 권선하고 끝을 단자로 뽑으며,
   1-2권선은 1-1권선의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 하여 권선하고 시작을 단자로 뽑으며,
   1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑으며,
   1-1권선의 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작과 1-3권선의 끝과 연결 하며,
   1-2권선은 1-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 한 제1 단자와
   1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 한 제2 단자를
   출력으로 하는 향상된 절연성을 갖는 변압기.
2. 전기변압기에 있어서,
   2차 권선을 2-1권선, 2-2권선, 2-3권선의 세부분으로 나누어 권선하되,
   2-1권선은 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작으로 하여 시계방향으로 권선하고 끝을 단자로 뽑으며,
   2-2권선은 2-1권선의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 하여 권선하고 시작을 단자로 뽑으며,
   2-3권선은 2-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑으며,
   2-1권선의 안쪽의 철심쪽에서 절연을 하여 단자에서 시작과 2-3권선의 끝과 연결 하며,
   2-2권선은 2-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 한 제3단자와
   2-3권선은 2-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 한 제4단자를
   입력으로 하는 향상된 절연성을 갖는 변압기.

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