WO2020045875A1 - 냉각구조를 갖는 변압기 - Google Patents

냉각구조를 갖는 변압기 Download PDF

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Definitions

  • the lower cooling channel has a form surrounding the unit sections of the lower winding and has a first flow path connecting the unit sections, an inlet formed at one side of the lower flow path through which the insulating oil flows, and the first flow path.
  • a second flow path communicating with the second discharge port and having an outlet through which the insulating oil is discharged and formed along a longitudinal direction of the upper winding to connect the uppermost unit section of the lower winding to the outlet; And a sub flow passage communicating between the conductors of the unit sections.
  • FIG. 9 is a graph illustrating a temperature increase trend of a winding according to a conventional winding structure and a temperature rise trend of a winding according to a winding structure of the present invention.
  • the transformer 100 includes an enclosure or a tank 110 in which the transformer body 130 is accommodated, an iron core 132, a winding 134, and a support plate accommodated in the transformer body 130. 136, tie plate 138, and the like.
  • the tank 110 forms the appearance of the transformer 100, accommodates the main components, and the components are filled with insulating oil that insulates and cools.
  • the tank can be made of cold rolled steel, taking into account the mechanical strength to the extent that no deformation occurs in the internal pressure or transport and all impacts.
  • the transformer body 130 may include an iron core 132, a winding 134, a support plate 136, and a tie plate 138.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a winding structure provided with a cooling passage according to the present invention.
  • 6 is a cross-sectional view illustrating the lower winding cooling channel according to FIG. 5.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the upper winding cooling channel according to FIG. 5.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view illustrating a boundary portion between the upper winding cooling passage and the lower winding cooling passage according to FIG. 5.
  • 9 is a graph illustrating a temperature increase trend of a winding according to a conventional winding structure and a temperature rise trend of a winding according to a winding structure of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a temperature rise trend of a winding according to a conventional winding structure and a thermal flow analysis result of the winding according to the winding structure of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph illustrating the highest temperature positions for each boundary position of the winding structure of FIG. 5.
  • the conductor 312 is disposed to be spaced apart from the neighboring conductor 312 by a predetermined interval. Five conductors 312 and five neighboring conductors 312 are divided by an insulator 314. The space
  • the cooling passage P includes an upper cooling passage 332 for cooling the upper winding 330, and a lower cooling passage 352 for cooling the lower winding 350.
  • the upper cooling passage 332 and the lower cooling passage 352 do not communicate with each other, but form a flow passage through which the insulating oil moves (hereinafter, referring to FIG. 4, the right side is defined as the outer side of the transformer and the left side is defined as the inner side of the transformer. Will be described accordingly).
  • the upper cooling passage 332 includes an inlet 332a through which insulating oil is introduced, an outlet 332b through which the cooled insulating oil is discharged, and an upper winding 330 at the inlet 332a.
  • the first flow path 332c connecting the lowermost unit section 310 of), the second flow path 332d connecting the unit sections 310 of the upper winding 330, and the conductors in the second flow path 332d ( And a sub flow passage 332e communicating therebetween.
  • the first flow path 332c, the second flow path 332d, and the sub flow path 332e communicate with each other to form one flow path connecting the outlet port 332b at the inlet port 332a (Figs. 6 and 8 are cross-sectional views.
  • the communicating portion may be expressed as blocked, but the first flow passage, the second flow passage, and the sub flow passage are all in communication).
  • the insulating oil rising toward the sixth section along the second flow path 332d again moves along the sub-flow path 332e between the conductors 312 to the outside of the transformer.
  • the transformer inner direction of the sixth section is blocked and the transformer outer direction is in communication with the fifth section. Therefore, the insulating oil moved to the transformer outward direction on the sixth section moves to the fifth section along the second flow path 332d. According to this process, the insulating oil moves in a zigzag form from the seventh section to the first section.
  • the insulating oil reaching the first section is discharged from the winding part 300 through an outlet 332b formed at the inner side of the transformer.
  • the first flow path 352c is a flow path connecting each unit section 310 of the lower winding 350.
  • the first flow path 352c is formed to surround the nine unit sections 310.
  • Each unit section 310 is divided by an insulator 314, so that one side of the insulator 314 is fixed on the first flow path 352c.
  • An inlet 352a through which insulating oil flows in the outer direction of the transformer is formed in the lowermost end of the sixteenth section, and the first flow path 352c communicates with the inlet 352a. Insulating oil introduced through the inlet 352a rises along the first flow path 352c, cools each unit section 310, and is discharged to the outside of the winding part 300 through the second flow path 352d.
  • Insulating oil which rises toward the fifteenth section along the first flow path 352c moves again in the outward direction of the transformer along the sub flow path 352e between the conductors 312.
  • the fifteenth section is blocked inward of the transformer and the outward direction of the transformer is in communication with the fourteenth section. Therefore, the insulating oil which has moved outward in the transformer on the fifteenth section moves to the fourteenth section along the first flow path 352c. According to this process, the insulating oil moves in a zigzag form from the sixteenth section to the eighth section. Finally, the insulating oil reaching the eighth section moves to the second flow path 352d connected to the inner side of the transformer in the eighth section.
  • the upper winding 330 is cooled by the upper cooling passage 332, the lower winding 350 is cooled by the lower cooling passage 352.
  • the upper cooling passage 332 and the lower cooling passage 352 do not communicate with each other to form separate passages.
  • the insulating oil flows into the upper cooling passage 332 and the lower cooling passage 352, respectively, and cools the upper winding 330 and the lower winding 350 while passing in the zigzag direction.
  • the first flow passage 332c of the upper winding 330 is disposed outside the first flow passage 352c of the lower winding 350.
  • the second flow path 352d of the upper winding 330 is disposed in the transformer inner direction inside the second flow path 332d of the upper winding 330. Since two flow paths are arranged side by side, the cooling flow path P of the present invention may be defined as a parallel cooling flow path as compared with a conventional cooling structure.
  • the outlets 332b and 352b are limited in size to maintain the insulation performance of the transformer.
  • the maximum cross sectional area of the outlets 332b and 352b is kept below the size of the cross sectional area of the inlets 332a and 352a. This is to consider that when the cross-sectional area of the outlets 332b and 352b is larger than the size of the cross-sectional area of the inlets 332a and 352a, the insulating oil quickly escapes and the cooling performance and the insulating performance deteriorate. Therefore, a sufficient amount of insulating oil cools and discharges the winding part 300 sufficiently, and the size of the cross-sectional areas of the outlets 332b and 352b is limited to maintain the state filled in the winding part 300 to maintain the insulation performance. It is desirable to be.

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Abstract

본 발명은 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 냉각 유로 갖는 변압기에 관한 것으로, 자기 회로를 형성하는 철심; 복수의 도체와, 상기 도체의 사이에 설치되는 절연체를 구비하고, 상기 철심의 외측에 설치되는 복수의 단위 섹션과, 상기 단위 섹션 중 최하단의 단위 섹션에서부터 상기 단위 섹션 중 최상단의 단위 섹션까지 연통되고 절연유가 유입되는 냉각 유로를 구비한 권선부;를 포함하고, 상기 냉각 유로는 상기 단위 섹션 중 일부와 연통되는 유로와 상기 단위 섹션 중 나머지와 연통되는 유로가 분리되어 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

냉각구조를 갖는 변압기
본 발명은 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 냉각 유로 갖는 변압기에 관한 것이다.
변압기는 발전소 등에서 송전된 초고압의 전압을 현장에서 사용할 수 있는 전압으로 전환하는 장치이다. 변압기는 전력 전송에 있어 핵심적인 역할을 하는 장치이다. 변압기는 내부 구조에 따라 내철형과 외철형, 권철심형으로 구분한다. 또는 변압기는 냉각 방식에 따라 건식 자냉식, 건식 풍냉식, 유입 자냉식, 유입 풍냉식, 유입 수냉식, 송유 자냉식, 송유 풍냉식, 송유 수냉식 등으로 구분할 수 있다. 이외에도 상수나 용량, 극성 등에 따라 변압기의 종류를 구분하기도 한다. 이중 유입식 변압기는 철심과 권선을 탱크 내에 넣어 절연유로 냉각하는 방식이다. 유입식 변압기는 권선 내부에 절연유가 이동하는 절연유가 유동하는 냉각 유로를 구비하여 절연유를 순환시킴으로써 권선을 냉각한다.
도 1은 종래의 유입식 변압기에 따른 권선 구조를 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1에 따른 권선 하부 냉각 유로를 도시한 단면도이다. 도 3은 도 1에 따른 권선 상부 냉각 유로를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 유입식 변압기는 절연유가 충진되는 탱크 내부에 철심(10)과 권선부(30)를 포함하는 변압기 본체가 수용된다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 권선부(30) 내에서 수직 방향으로 도체(32) 및 절연물(34)을 일정한 규칙에 따라 교차해 적층함으로써 절연유가 유동하는 냉각 유로(36)가 형성된다. 냉각 유로(36)는 권선부(30)의 하부 일측에 배치된 유입구(36a)에서 상부 일측에 배치된 배출구(36b)까지 지그재그 형태로 연결된다. 유입구(36a)와 배출구(36b)는 일직선 상에 배치된다.
도 2에서와 같이, 권선 하부(A)의 일측으로 절연유가 유입되면, 절연유가 지그재그 방향으로 권선 하부(A)를 통과하면서 권선 하부(A)를 냉각시킨다. 권선 하부(A)를 통과한 절연유는 순차적으로 권선부(30)를 냉각시키면서 권선 상부(B)로 이동한다. 또한, 절연유는 권선 상부(B)에서도 지그재그 방향으로 이동하면서 권선 상부(B)를 냉각시킨다.(도 3에 도시됨)
냉각 유로(36)는 권선부(30)의 하부에서 상부까지 1개의 경로(path)를 갖는다(이하에서는 절연유의 유입구 및 배출구가 한 개씩 구비되고 이들이 일직선으로 배열되는 형태의 냉각 유로를 직렬형 냉각 구조로 정의함). 따라서 권선부(30)의 하부 일측으로 유입된 절연유는 권선부(30)의 최상단 일측으로 배출되기 전까지 지속적으로 온도가 상승하게 된다. 이에 따라 도 3에 도시된 바와 같이, 권선부(30)의 최상단 3-4번째 위치의 턴(turn) 부위(도 3에 점으로 표시)의 온도가 권선부(30) 내의 최고 온도를 나타내는 지점(C)이 된다. 그 이유는 권선부(30)의 하부로 유입된 차가운 절연유가 권선을 순차적으로 냉각시키며 상부로 이동하면서 최상단에 이르면 권선과 절연유의 온도차가 감소되어 열교환량이 감소하기 때문이다.
권선의 최고 온도 지점의 고온 환경은 권선을 감싸고 있는 절연지의 온도에 직접적으로 영향을 미친다. 절연지의 온도가 제한 온도 이상으로 상승하면 화학 반응이 발생해 절연지의 자체 절연 내력이 감소된다. 절연지의 절연 내력 감소는 변압기의 수명을 감소시키는 주요 원인이 되므로 이를 해결할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 냉각 유로 갖는 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 냉각 유로를 갖는 변압기는, 자기 회로를 형성하는 철심; 복수의 도체와, 상기 도체의 사이에 설치되는 절연체를 구비하고, 상기 철심의 외측에 설치되는 복수의 단위 섹션과, 상기 단위 섹션 중 최하단의 단위 섹션에서부터 상기 단위 섹션 중 최상단의 단위 섹션까지 연통되고 절연유가 유입되는 냉각 유로를 구비한 권선부;를 포함하고, 상기 냉각 유로는 상기 단위 섹션 중 일부와 연통되는 유로와 상기 단위 섹션 중 나머지와 연통되는 유로가 분리되어 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 권선부는 상기 단위 섹션 중 일부를 포함하고 상기 절연유의 이동 방향을 기준으로 상측에 배치되는 상부 권선; 및 상기 단위 섹션 중 나머지를 포함하고 상기 절연유의 이동 방향을 기준으로 하측에 배치되는 하부 권선;을 포함한다.
상기 냉각 유로는 상기 상부 권선으로 상기 절연유를 안내하는 상부 냉각 유로; 및 상기 하부 권선으로 상기 절연유를 안내하는 하부 냉각 유로; 를 포함한다.
상기 상부 냉각 유로는 상기 절연유가 유입되는 유입구와, 상기 하부 권선의 길이 방향을 따라 형성되어 상기 유입구와 상기 상부 권선의 최하단 단위 섹션을 연결하는 제1 유로와, 상기 제1 유로와 연통되되 상기 단위 섹션들을 감싸는 형태를 가지며 상기 상부 권선의 상기 단위 섹션들을 연결하는 제2 유로와, 상기 제2 유로 상에 형성되어 상기 단위 섹션들의 상기 도체 사이를 연통하는 서브 유로와, 상기 제2 유로의 상부 일측에 형성되어 상기 절연유가 배출되는 배출구를 포함한다.
상기 상부 냉각 유로는 상기 유입구가 상기 철심에 대향되는 방향인 변압기 외측 방향 쪽에 형성되고, 상기 배출구의 최대 크기는 상기 유입구의 최대 단면적 이하로 형성될 수 있다.
상기 하부 냉각 유로는 상기 하부 권선의 상기 단위 섹션들을 감싸는 형태를 가지며 상기 단위 섹션들을 연결하는 제1 유로와, 상기 제1 유로의 하부 일측에 형성되어 상기 절연유가 유입되는 유입구와, 상기 제1 유로와 연통되며 단부에 상기 절연유가 배출되는 배출구가 형성되고 상기 상부 권선의 길이 방향을 따라 형성되어 상기 하부 권선의 최상단 단위 섹션과 상기 배출구를 연결하는 제2 유로와, 상기 제2 유로 상에 형성되어 상기 단위 섹션들의 상기 도체 사이를 연통하는 서브 유로를 포함한다.
상기 하부 냉각 유로는 상기 배출구가 상기 철심을 향하는 변압기 내측 방향 쪽에 형성되고, 상기 배출구의 최대 크기는 상기 유입구의 최대 단면적 이하로 형성될 수 있다.
상기 상부 권선 및 하부 권선은 상기 단위 섹션의 개수가 상이한 것을 특징으로 한다.
상기 상부 냉각 유로 또는 상기 하부 냉각 유로로 유입된 상기 절연유는 지그재그 방향으로 상기 단위 섹션을 통과하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존 직렬형 냉각 구조를 병렬형으로 구성하여 권선의 상하부에 각각 절연유를 공급해 냉각시킴으로써 권선 내로 유입되는 절연유의 양과 온도를 조절해 권선의 최고 온도를 저감하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 유입식 변압기에 따른 권선 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 권선 하부 냉각 유로를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 따른 권선 상부 냉각 유로를 도시한 단면도이다.
도 4는 일반적인 유입식 변압기의 구조를 간략하게 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 냉각 유로가 구비된 권선 구조를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5에 따른 하부 권선 냉각 유로를 도시한 단면도이다.
도 7은 도 5에 따른 상부 권선 냉각 유로를 도시한 단면도이다.
도 8은 도 5에 따른 상부 권선 냉각 유로 및 하부 권선 냉각 유로의 경계 부위를 도시한 확대 단면도이다.
도 9는 종래의 권선 구조에 따른 권선의 온도 상승 추이와 본 발명의 권선 구조에 따른 권선의 온도 상승 추이를 도시한 그래프이다.
도 10은 종래의 권선 구조에 따른 권선의 온도 상승 추이와 본 발명의 권선 구조에 따른 권선의 열 유동 해석 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 도 5에 따른 권선 구조의 경계 부위 위치별 최고 온도 위치를 도시한 그래프이다.
본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
먼저 일반적인 변압기의 구조에 대해 간단히 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 변압기(100)는 변압기 본체(130)가 수용되는 외함 또는 탱크(110)와, 변압기 본체(130) 내부에 수용되는 철심(132), 권선(134), 지지 플레이트(136), 타이 플레이트(138) 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
탱크(110)는 변압기(100)의 외관을 형성하며, 주요 구성품을 수용하고, 구성품들은 절연 및 냉각하는 절연유가 충진된다. 예를 들어, 탱크는 냉연 강판으로 만들어질 수 있으며, 내부 압력이나 수송 및 제반 충격에 변형이 생기지 않을 정도의 기계적 강도를 고려하여 만들어진다.
변압기 본체(130)는 철심(132), 권선(134), 지지 플레이트(136), 타이 플레이트(138)를 포함할 수 있다.
철심(core)은 자기 회로를 형성하는 구성으로, 예를 들면 경년 변화(에이징, aging)가 없는 고투자율의 전기 강판(방향성 규소강판)을 절연 적층해 형성될 수 있다. 철심(132)은 적층한 후 상부 및 하부를 지지 플레이트(136)로 지지하고, 타이 플레이트(138) 및 글라스 레진 테이프(미도시)를 감아 고정하는 형태로 변압기 본체(130) 내에 설치된다.
권선(coil)은 선형의 도체를 고리 모양으로 감아 만든 구성이고, 전압을 변화시킬 수 있도록 소정의 권선 비를 갖는다. 권선(134)은 구리나 알루미늄 등과 같은 전도성이 좋은 선재를 절연성 재료로 피복해 원통형이나 나사선형으로 감아 만들어진다. 이렇게 고리 모양으로 감긴 한 층을 '턴(turn)'이라고 한다. 복수의 턴 사이에 일정 간격으로 절연체가 삽입된다.
이하에서는 전술한 구조의 유입식 변압기에 적용할 수 있는 개선된 냉각 유로를 구비한 권선 구조에 대해 설명하기로 한다(철심과 권선의 위치나 배치 등은 도 4의 구조를 참조하여 설명하되, 권선의 세부 구성은 이하 본 발명의 도면을 기초로 설명하기로 한다. 본 발명의 냉각 구조가 적용된 변압기는 도 4의 변압기와 상이한 것이므로 도 4와 다른 도면 부호를 부여한다.).
도 5는 본 발명에 따른 냉각 유로가 구비된 권선 구조를 도시한 단면도이다. 도 6은 도 5에 따른 하부 권선 냉각 유로를 도시한 단면도이다. 도 7은 도 5에 따른 상부 권선 냉각 유로를 도시한 단면도이다. 도 8은 도 5에 따른 상부 권선 냉각 유로 및 하부 권선 냉각 유로의 경계 부위를 도시한 확대 단면도이다. 도 9는 종래의 권선 구조에 따른 권선의 온도 상승 추이와 본 발명의 권선 구조에 따른 권선의 온도 상승 추이를 도시한 그래프이다. 도 10은 종래의 권선 구조에 따른 권선의 온도 상승 추이와 본 발명의 권선 구조에 따른 권선의 열 유동 해석 결과를 도시한 도면이다. 도 11은 도 5에 따른 권선 구조의 경계 부위 위치별 최고 온도 위치를 도시한 그래프이다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 하나의 철심(200)을 기준으로 권선부(300)의 단면을 상세히 살펴보면, 권선부(300)는 복수의 단위 섹션(310)으로 구분된다. 각 단위 섹션(310)은 냉각 유로(P)에 의해 연통되고, 냉각 유로(P)를 따라 절연유가 유동한다. 절연유는 부력에 의해 권선부(300)의 하부에서 상부를 향해 이동한다. 복수의 단위 섹션(310)을 임의로 나누어 상부 권선(330) 및 하부 권선(350)으로 구분할 수 있다. 본 발명에서는 권선부(300)가 16개의 단위 섹션(310)으로 이루어지고, 상부 권선(330)이 7개, 하부 권선(350)이 9개의 단위 섹션(310)을 포함하는 구조를 일례로 설명한다.
단위 섹션(310)은 권선부(300)를 임의로 구획한 단위이다. 하나의 단위 섹션(310)은 복수의 도체(312)와 도체(312)의 상하부에 설치된 한 쌍의 절연체(314)를 포함한다. 하나의 단위 섹션(310)은 5개의 도체(312)로 구성될 수 있다. 따라서 본 실시 예에서 권선부(300)는 총 80개의 턴으로 이루어진다.
도체(312)는 이웃한 도체(312)와 미리 설정된 간격만큼 이격되도록 배치된다. 5개의 도체(312)와 이웃한 5개의 도체(312)는 절연체(314)로 구분된다. 도체(312) 사이의 간격이 후술할 서브 유로(332c, 352c)가 된다.
절연체(314)는 복수의 도체(312) 사이에 설치되되 이웃한 절연체(314)와 서로 엇갈리게 배치될 수 있다. 하나의 절연체(314)는 후술할 냉각 유로(P)의 일측이 개방되도록 배치된다. 이웃한 다른 하나의 절연체(314)는 냉각 유로(P)의 타측이 개방되도록 배치된다. 이와 같은 절연체(314)의 배치에 의해 냉각 유로(P)는 전체적으로 지그재그 방향으로 절연유가 유동하는 유로를 형성하게 된다.
냉각 유로(P)는 상부 권선(330)을 냉각하기 위한 상부 냉각 유로(332)와, 하부 권선(350)을 냉각하기 위한 하부 냉각 유로(352)로 구성된다. 상부 냉각 유로(332)와 하부 냉각 유로(352)는 상호 연통되지 않고 각각 절연유가 이동하는 유로를 형성한다(이하에서는 도 4를 기준으로 우측을 변압기의 외측 방향, 좌측을 변압기의 내측 방향으로 정의하고 이에 따라 설명하기로 한다).
도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상부 냉각 유로(332)는 절연유가 유입되는 유입구(332a)와, 냉각을 마친 절연유가 배출되는 배출구(332b)와, 유입구(332a)에서 상부 권선(330)의 최하단 단위 섹션(310)을 연결하는 제1 유로(332c)와, 상부 권선(330)의 단위 섹션(310)들을 연결하는 제2 유로(332d)와, 제2 유로(332d) 내 도체(312)들 사이를 연통하는 서브 유로(332e)를 포함한다. 제1 유로(332c), 제2 유로(332d) 및 서브 유로(332e)는 상호 연통되어 유입구(332a)에서 배출구(332b)를 연결하는 하나의 유로를 형성한다(도 6 및 도 8은 단면도이므로 연통된 부분이 막힌 것으로 표현될 수 있으나 제1 유로 및 제2 유로, 서브 유로는 모두 연통된다).
유입구(332a)는 제1 유로(332c)의 일측 단부인 입구에 형성되며, 배출구(332b)는 제2 유로(332d)의 최상단 중 변압기 내측 방향에 형성된다.
제1 유로(332c)는 하부 권선(350)의 길이 방향을 따라 상하 방향으로 배치되는 유로이다. 제1 유로(332c)는 도 5를 기준으로 상하 방향을 따라 일직선으로 배치된다. 상부 권선(330)의 최상단 단위 섹션(310)을 제1 섹션이라고 하면, 제1 유로(332c)는 유입구(332a)와 제7 섹션을 연결하는 유로이다. 유입구(332a)를 통해 유입된 절연유는 제1 유로(332c)를 따라 상승해 제7 섹션으로 이동한 후, 제2 유로(332d) 및 서브 유로(332e)에 의해 배출구(332b) 쪽으로 이동하게 된다.
제2 유로(332d)는 상부 권선(330)의 각 단위 섹션(310)을 연결하는 유로이다. 제2 유로(332d)는 7개의 단위 섹션(310)을 감싸는 형태로 형성된다. 각 단위 섹션(310)은 절연체(314)에 의해 구분되므로 절연체(314)의 일측은 제2 유로(332d) 상에 고정된다.
제7 섹션의 최하단 중 변압기의 외측 방향에 제1 유로(332c)의 상단부가 연통된다. 제1 유로(332c)를 거쳐 상승한 절연유는 변압기의 외측 방향에서 내측 방향으로 도체(312) 사이의 서브 유로(332e)를 가로질러 이동된다. 이때 제7 섹션 상에서 제2 유로(332d)의 변압기 외측 방향은 절연체(314)에 의해 막히고, 변압기의 내측 방향은 제6 섹션과 연통된다. 제7 섹션 상에서 절연유는 제2 유로(332d)를 따라 상승함과 동시에 서브 유로(332e)를 따라 변압기의 내측 방향을 확산된다. 제2 유로(332d)의 변압기 외측 방향이 막혀 있으므로 절연유는 변압기 내측 방향으로 이동하며 제6 섹션 쪽으로 상승한다.
제2 유로(332d)를 따라 제6 섹션 쪽으로 상승한 절연유는 도체(312) 사이의 서브 유로(332e)를 따라 다시 변압기 외측 방향으로 이동한다. 제6 섹션의 변압기 내측 방향은 막히고 변압기 외측 방향은 제5 섹션과 연통된다. 따라서 제6 섹션 상에서 변압기 외측 방향으로 이동한 절연유는 제2 유로(332d)를 따라 제5 섹션으로 이동한다. 이러한 과정에 따라 절연유는 제7 섹션에서 제1섹션까지 지그재그 형태로 이동한다. 마지막으로 제1 섹션에 도달한 절연유는 변압기 내측 방향 쪽 단부에 형성된 배출구(332b)를 통해 권선부(300)로부터 배출된다.
이와 같이, 절연유가 하부 권선(350)을 거치지 않고 상부 냉각 유로(332)로 바로 유입되어 상부 권선(330)을 냉각하므로 상부 권선(330)의 냉각 성능이 향상된다. 이에 따라 종래의 냉각 구조(도 1 내지 3 참조)에 비해 상부 권선(330)의 온도가 저하되므로 종래의 냉각 구조에서 권선부(30) 최상단에 최고 온도를 나태내는 지점(최고 온도 위치, hot spot)이 발생하는 문제를 해결할 수 있다(이에 대해서는 후술하기로 함).
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 하부 냉각 유로(352)는 절연유가 유입되는 유입구(352a)와, 냉각을 마친 절연유가 배출되는 배출구(352b)와, 유입구(352a)에서 단위 섹션(310)들을 연결하는 제1 유로(352c)와, 하부 권선(350)의 최상단 단위 섹션(310)과 배출구(352b)를 연결하는 제2 유로(352d)와, 제1 유로(352c) 내 도체(312)들 사이를 연통하는 서브 유로(352e)를 포함한다. 제1 유로(352c), 제2 유로(352d) 및 서브 유로(352e)는 상호 연통되어 유입구(352a)에서 배출구(352b)를 연결하는 하나의 유로를 형성한다(도 7 및 도 8은 단면도이므로 연통된 부분이 막힌 것으로 표현될 수 있으나 제1 유로 및 제2 유로, 서브 유로는 모두 연통된다).
도 7을 기준으로 하부 권선(350)의 최상단 단위 섹션(310)을 제8 섹션, 최하단 단위 섹션(310)을 제16 섹션이라고 정의한다.
제1 유로(352c)는 하부 권선(350)의 각 단위 섹션(310)을 연결하는 유로이다. 제1 유로(352c)는 9개의 단위 섹션(310)을 감싸는 형태로 형성된다. 각 단위 섹션(310)은 절연체(314)에 의해 구분되므로 절연체(314)의 일측은 제1 유로(352c) 상에 고정된다.
제16 섹션의 최하단 중 변압기의 외측 방향에 절연유가 유입되는 유입구(352a)가 형성되고, 제1 유로(352c)는 유입구(352a)와 연통된다. 유입구(352a)를 통해 유입된 절연유는 제1 유로(352c)를 따라 상승하면서 각 단위 섹션(310)을 냉각하고 제2 유로(352d)를 통해 권선부(300) 외부로 배출된다.
좀더 상세히 살펴보면, 유입구(352a)를 유입된 절연유는 변압기의 외측 방향에서 내측 방향으로 도체(312) 사이의 서브 유로(352e)를 가로질러 이동한다. 이때 제16 섹션 상에서 제1 유로(352c)는 변압기 외측 방향이 절연체(314)에 의해 막혀있고, 변압기의 내측 방향은 제15 섹션과 연통된다. 제16 섹션 상에서 절연유는 제1 유로(352c)를 따라 상승함과 동시에 서브 유로(352e)를 따라 변압기의 내측 방향을 확산된다. 제1 유로(352c)의 변압기 외측 방향이 막혀 있으므로 절연유는 변압기 내측 방향으로 이동하며 제15 섹션 쪽으로 상승한다.
제1 유로(352c)를 따라 제15 섹션 쪽으로 상승한 절연유는 도체(312) 사이의 서브 유로(352e)를 따라 다시 변압기의 외측 방향으로 이동한다. 제15 섹션은 변압기의 내측 방향이 막혀있고 변압기의 외측 방향은 제14 섹션과 연통된다. 따라서 제15 섹션 상에서 변압기 외측 방향으로 이동한 절연유는 제1 유로(352c)를 따라 제14 섹션으로 이동한다. 이러한 과정에 따라 절연유는 제16 섹션에서 제8 섹션까지 지그재그 형태로 이동한다. 마지막으로 제8 섹션에 도달한 절연유는 제8 섹션의 변압기 내측 방향 쪽 단부와 연결된 제2 유로(352d)로 이동한다.
제2 유로(352d)는 상부 권선(330)의 길이 방향을 따라 상하 방향으로 배치되는 유로이다. 제2 유로(352d)는 도 7을 기준으로 상하 방향을 따라 일직선으로 배치된다. 하부 권선(350)의 제16 섹션 내지 제8 섹션을 냉각한 절연유는 제2 유로(352d)를 따라 이동한 후 배출구(352b)를 통해 권선부(300)의 외부로 빠져나간다.
상기한 바와 같이, 절연유가 상부 권선(330)을 거치지 않고 하부 냉각 유로(352)로 유입되어 하부 권선(350)만을 냉각하고 배출되므로 하부 권선(350) 상에서 최고 온도 위치의 온도는 종래의 냉각 구조(도 1 내지 도 3 참조)에 따른 최고 온도 위치의 온도보다 낮아지는 효과를 얻을 수 있다(이에 대해서는 후술하기로 함).
이상에서와 같이, 상부 권선(330)은 상부 냉각 유로(332)에 의해 냉각되고, 하부 권선(350)은 하부 냉각 유로(352)에 의해 냉각된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 분할된 상부 권선(330)과 하부 권선(350)을 결합하면, 상부 냉각 유로(332)와 하부 냉각 유로(352)는 상호 연통되지 않고 각각 별도의 유로를 형성한다. 절연유는 상부 냉각 유로(332)와 하부 냉각 유로(352)로 각각 유입되어 지그재그 방향으로 통과하면서 상부 권선(330)과 하부 권선(350)을 냉각한다.
상부 권선(330)과 하부 권선(350)이 결합된 상태에서, 하부 권선(350)의 제1 유로(352c) 외측인 변압기 외측 방향에 상부 권선(330)의 제1 유로(332c)가 배치된다. 상부 권선(330)의 제2 유로(332d) 내측인 변압기 내측 방향에 상부 권선(330)의 제2 유로(352d)가 배치된다. 이렇게 두 개의 유로가 나란히 배치되므로 본 발명의 냉각 유로(P)는 종래의 냉각 구조와 비교하여 병렬형 냉각 유로로 정의할 수 있다.
한편, 상부 냉각 유로(332), 하부 냉각 유로(352)의 유입구(332a, 352a) 및 배출구(332b, 352b)는 절연 성능 및 냉각 성능을 위해 그 단면적 및 위치 상에 제한 조건이 필요하다.
유입구(332a, 352a)는 변압기의 설계 사양에 따라 그 단면적이 미리 정해질 수 있다. 유입구(332a, 352a)의 단면적 크기는 충분한 절연유의 유입을 통해 권선부(300)의 냉각 성능을 유지할 수 있는 크기로 만들어진다.
배출구(332b, 352b)는 변압기의 절연 성능 유지를 위해 그 크기가 제한된다. 배출구(332b, 352b)의 최대 단면적은 유입구(332a, 352a)의 단면적 크기 이하로 유지된다. 이는 배출구(332b, 352b)의 단면적이 유입구(332a, 352a) 단면적 크기보다 커지면 절연유가 빠르게 빠져나가 냉각 성능 및 절연 성능이 저하됨을 고려한 것이다. 따라서 충분한 양의 절연유가 권선부(300)를 충분히 냉각하고 배출되며, 절연성능을 유지할 수 있을 정도로 권선부(300) 내부에 충진된 상태를 유지할 수 있도록 배출구(332b, 352b)의 단면적 크기가 제한되는 것이 바람직하다.
또한, 권선부(300)의 변압기 내측 방향은 철심(200)의 발열에 의해 변압기 외측 방향 보다 상대적으로 고온이다. 따라서 상부 권선(330)으로 유입되는 절연유의 온도를 낮추어 전체적인 방열 성능을 높이기 위해 상부 냉각 유로(332)의 유입구(332a) 위치는 변압기 외측 방향 쪽에 배치되어야 한다. 그러나 상부 냉각 유로(332)의 배출구(332b)는 변압기 외측 방향 또는 내측 방향 어디에 배치되어도 무방하다.
또한, 하부 냉각 유로(352)의 유입구(352a)는 변압기 외측 방향 또는 내측 방향 어디에 배치되어도 무방하나 배출구(352b)는 변압기 내측 방향에 배치되어야 한다. 권선부(300)는 상부 권선(330) 및 하부 권선(350)으로 분할되고 냉각 유로(P) 역시 상부 냉각 유로(332) 및 하부 냉각 유로(352)로 분할된다. 이러한 권선 분할 구조에 따라 권선부(300)의 반경 증가를 최소화하기 위해 하부 냉각 유로(352)의 배출구(352b)가 변압기 내측 방향에 배치되는 것이다.
전술한 실시 예에서는 권선부(300)가 이분할된 것을 예로 하여 설명하였다. 그러나 권선부(300)는 3, 4, 5 분할 등 이분할 이상으로 분할될 수 있다. 다만, 권선 반경의 증가 및 변압기의 원가 상승 등을 고려하여 본 실시 예에서는 권선부(300)를 이분할 한 것을 최적의 실시 예로 설명한 것이다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 권선부 냉각 구조와 종래의 냉각 구조를 비교해 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3에 따른 기존의 냉각 구조(이하 직렬형 냉각 구조)는 복수의 단위 섹션을 구비한 권선부(300)를 하나의 냉각 유로(P)를 이용해 냉각하는 구조이다. 이에 비해 본 발명의 냉각 구조는 냉각 성능의 향상을 위해 복수의 단위 섹션을 구비한 권선부(300)를 상부 권선(330) 및 하부 권선(350)으로 분할하고, 각각에 냉각 유로(332, 352)를 형성해 냉각하는 구조(이하 병렬형 냉각 유로)이다.
먼저 권선부(300)를 상부 권선(330) 및 하부 권선(350)으로 분할하는 기준을 살펴보면 다음과 같다.
권선부(300) 전체 턴 수를 t0, 상부 권선(330)의 턴 수를 t1, 하부 권선(350)의 턴 수를 t2라고 정의하면, t0는 t1과 t2의 합이 된다(t0=t1+t2). 따라서 t1을 t2로 나눈 값은 1보다 작거나 같다.
또한, 직렬형 냉각 구조에서 권선부(30) 전체의 절연유 유동량을 m0, 본 발명의 병렬형 냉각 구조에서 상부 권선(330)의 절연유 유동량을 m1, 하부 권선(350)의 절연유 유동량을 m2라고 정의하면, m1과 m2의 합은 m0보다 크다(m0<m1+m2). 이것은 본 발명의 병렬형 냉각 구조는 상부 권선(330)과 하부 권선(350) 각각으로 절연유가 유입되므로 유입되는 절연유의 양이 더 많이 때문이다.
상부 권선(330)의 배출구(332b)에서 절연유의 온도 상승을 Tu, 하부 권선(350)의 배출구(352b)에서 절연유의 온도 상승을 Tb, 각 단위 섹션(310) 출구의 절연유 온도 상승을 Ti, 각 단위 섹션의 손실(발열량)을 Qi, 각 단위 섹션(310)의 절연유 유동량을 mi라고 정의한다(이하 '온도 상승'이란 용어는 주위 온도 대비 온도가 상승한 폭을 의미함). 이때, 직렬형 냉각 구조에서의 권선부(30) 내 절연유 온도 상승과 본 발명의 병렬형 냉각 구조에서의 권선부(300) 내 절연유 온도 상승은 하기의 수식식에 의해 도출될 수 있다.
[수학식]
Figure PCTKR2019010540-appb-I000001
Figure PCTKR2019010540-appb-I000002
상기 수학식에 의해 도출된 절연유의 온도 상승을 도 9에 그래프로 도시하였다. 도 9에 도시된 바와 같이, 종래의 직렬형 냉각 구조에서 섹션 수가 증가할수록(권선부 하부에서 상부로 갈수록) 절연유의 온도가 점차 상승한다. 그러나 본 발명의 병렬형 냉각 구조에서는 섹션 수가 증가하더라도 절연유의 온도가 지속적으로 증가하지 않는 것을 알 수 있다.
이것은 권선부(300)를 이분할하여 상부 권선(330) 및 하부 권선(350) 각각을 냉각하기 때문이다. 따라서 도 9에서와 같이, 하부 권선(350)에서 섹션 수가 증가할수록(하부 권선에서 상측으로 갈수록) 절연유의 온도가 증가하나 어느 지점에 이르러서는 다시 절연유의 온도가 최저점에서부터 증가하는 추이를 나타낸다.
또한, 직렬형 냉각 구조에 비해 공급되는 절연유의 양이 크기 때문에 절연유 자체의 온도 역시 직렬형 냉각 구조에 비해 낮게 나타난다.
권선부(300)를 분할하는 경우, 종래의 직렬형 냉각 구조를 갖는 권선부(30)와 병렬형 냉각 구조를 갖는 본 발명의 권선부(300) 간 열유동을 해석해 온도 분포를 비교해 보면 다음과 같다(도 10은 내경이 672mm, 외경이 762mm이고 턴수가 80턴, 턴당 손실이 1.66kW/turn인 경우를 기준으로 열유동을 해석한 것이다).
도 10에 도시된 바와 같이, 종래의 냉각 방식에 따르면, 냉각 유로(36)가 하나의 경로를 갖는다. 따라서 권선부(30)의 최하단 섹션 쪽으로 유입된 절연유는 최상단 섹션까지 순차적으로 단위 섹션들을 거치며 이동하게 된다. 이에 권선부(300)의 하부(도 1의 A) 쪽은 온도가 낮고, 상부(도 1의 B) 쪽은 온도가 높아진다. 따라서 권선부(300)의 최상단 부위에 최고 온도 위치가 나타난다.
권선부(30)와 절연유의 온도 차이가 클수록 냉각 효율이 증가하므로 종래의 직렬형 냉각 구조는 권선부(30)의 상부로 갈수록 냉각 효율이 저하된다.
이에 비해, 본 발명의 병렬형 냉각 구조에 따르면, 냉각 유로(P)가 상부 냉각 유로(332) 및 하부 냉각 유로(352)의 2개 경로를 갖는다. 따라서 절연유가 다른 단위 섹션(310)을 거치지 않고 바로 유입되는 상부 권선(330)의 최하단 섹션과 하부 권선(350)의 최하단 섹션의 온도가 유사하게 나타난다. 또한, 상부 권선(330)의 최하단 섹션(전술한 제7 섹션)과 하부 권선(350)의 최하단 섹션(전술한 제16 섹션)의 온도가 권선부(300) 전체에서 최저 온도를 나타낸다.
상부 권선(330)의 경우, 절연유가 상부 권선(330)만을 냉각하고 배출되므로 종래의 직렬형 냉각 구조 대비 낮은 온도를 나타낸다.
하부 권선(350)의 경우, 절연유가 하부 권선(350)만을 냉각하고 배출되므로 종래의 직렬형 냉각 구조 대비 낮은 온도를 나타낸다. 다만, 본 발명에서 상부 권선(330)과 하부 권선(350)이 불균등하게 이분할(상부 권선 7개 섹션, 하부 권선 9개 섹션으로 분할)되므로 하부 권선(350) 최상단 섹션의 온도가 상부 권선(330) 최상단 섹션의 온도보다는 높게 나타난다. 그러나 하부 권선(350)에 형성되는 최고 온도 위치의 온도 역시 종래의 최고 온도 위치에서의 온도보다는 현저하게 낮은 온도를 나타낸다.
도 10에 도시한 바와 같이, 종래의 권선부(30)는 상부 3턴 및 그 주변에 최고 위치 온도가 나타났으나, 본 발명의 권선부(300)에는 39턴 및 그 주변에 최고 온도 위치가 나타났다. 또한, 최고 온도 위치에서의 온도 역시 347.8k에서 322.1k로 약 25도 감소 추세를 보였다.
권선부(300)를 어느 위치에서 분할하는지에 따라 최고 온도 위치가 달라지고, 최고 온도 위치에서의 절연유 온도 역시 달라진다.
권선부(300)의 최상측인 제1 섹션에서 제7 섹션까지 분할 지점을 달리하여 시험하면, 도 11에 도시된 바와 같이 최고 온도 위치가 점차 낮아지며, 온도 역시 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 분할 지점이 권선부(300)의 하측을 향해 낮아질수록 최고 온도 위치 역시 권선부(300)의 하측을 향해 이동하게 된다.
또한, 최고 온도 위치는 종래의 권선부(30) 최상단 섹션에서 분할된 섹션의 위치로 변경된다(도 11에서 점으로 표시된 위치의 이동 참조). 병렬 냉각 효과에 따라 최고 온도 위치의 온도 상승은 권선부(300) 높이의 1/2 지점까지 낮아질 수 있다(도 11의 병렬 7 섹션 그래프 참조). 최고 온도 위치에서의 온도가 최저가 되는 병렬 냉각지점은 전술한 수식에 따라 권선부(300)의 1/2 지점보다 상위 지점이 될 수 있다(도 11의 점들 중 최하단 점의 위치 참조).
이러한 방법으로 몇 번째 단위 섹션을 기준으로 권선부(300)를 분할할지 시험할 수 있다. 16개의 단위 섹션(310)을 구비한 권선부(300)를 예로 하면, 상부 권선(330)에 7개의 단위 섹션(310)을 배치했을 때 최고 온도 위치의 온도 저감 정도가 가장 클 수 있다.
전술한 권선부(300)의 분할 위치는 권선의 내경 및 외경, 턴 수, 턴당 손실 등에 의해 달라질 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (9)

  1. 자기 회로를 형성하는 철심;
    복수의 도체와, 상기 도체의 사이에 설치되는 절연체를 구비하고, 상기 철심의 외측에 설치되는 복수의 단위 섹션과, 상기 단위 섹션 중 최하단의 단위 섹션에서부터 상기 단위 섹션 중 최상단의 단위 섹션까지 연통되고 절연유가 유입되는 냉각 유로를 구비한 권선부;를 포함하고,
    상기 냉각 유로는
    상기 단위 섹션 중 일부와 연통되는 유로와 상기 단위 섹션 중 나머지와 연통되는 유로가 분리되어 형성된 것을 특징으로 하는
    변압기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 권선부는
    상기 단위 섹션 중 일부를 포함하고 상기 절연유의 이동 방향을 기준으로 상측에 배치되는 상부 권선; 및
    상기 단위 섹션 중 나머지를 포함하고 상기 절연유의 이동 방향을 기준으로 하측에 배치되는 하부 권선;
    을 포함하는
    변압기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 유로는
    상기 상부 권선으로 상기 절연유를 안내하는 상부 냉각 유로; 및
    상기 하부 권선으로 상기 절연유를 안내하는 하부 냉각 유로;
    를 포함하는
    변압기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부 냉각 유로는
    상기 절연유가 유입되는 유입구와, 상기 하부 권선의 길이 방향을 따라 형성되어 상기 유입구와 상기 상부 권선의 최하단 단위 섹션을 연결하는 제1 유로와, 상기 제1 유로와 연통되되 상기 단위 섹션들을 감싸는 형태를 가지며 상기 상부 권선의 상기 단위 섹션들을 연결하는 제2 유로와, 상기 제2 유로 상에 형성되어 상기 단위 섹션들의 상기 도체 사이를 연통하는 서브 유로와, 상기 제2 유로의 상부 일측에 형성되어 상기 절연유가 배출되는 배출구를 포함하는
    변압기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부 냉각 유로는
    상기 유입구가 상기 철심에 대향되는 방향인 변압기 외측 방향 쪽에 형성되고, 상기 배출구의 최대 크기는 상기 유입구의 최대 단면적 이하인
    변압기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 하부 냉각 유로는
    상기 하부 권선의 상기 단위 섹션들을 감싸는 형태를 가지며 상기 단위 섹션들을 연결하는 제1 유로와, 상기 제1 유로의 하부 일측에 형성되어 상기 절연유가 유입되는 유입구와, 상기 제1 유로와 연통되며 단부에 상기 절연유가 배출되는 배출구가 형성되고 상기 상부 권선의 길이 방향을 따라 형성되어 상기 하부 권선의 최상단 단위 섹션과 상기 배출구를 연결하는 제2 유로와, 상기 제2 유로 상에 형성되어 상기 단위 섹션들의 상기 도체 사이를 연통하는 서브 유로를 포함하는
    변압기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하부 냉각 유로는
    상기 배출구가 상기 철심을 향하는 변압기 내측 방향 쪽에 형성되고, 상기 배출구의 최대 크기는 상기 유입구의 최대 단면적 이하인
    변압기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 상부 권선 및 하부 권선은
    상기 단위 섹션의 개수가 상이한 것을 특징으로 하는
    변압기.
  9. 제4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 상부 냉각 유로 또는 상기 하부 냉각 유로로 유입된 상기 절연유는 지그재그 방향으로 상기 단위 섹션을 통과하는 것을 특징으로 하는
    변압기.
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