KR20000070417A - 변압기의 축형 공냉 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

복수의 소선(112)들을 갖는 하나의 코어, 상기 코어를 감싸는 하나의 내부 반도전층(113), 상기 내부 반도전층(113)을 감싸는 하나의 절연층(114) 및 상기 절연층(114)을 감싸는 하나의 외부 반도전층(115)으로 이루어지는 고전압 케이블(111)로 감긴 하나의 변압기 코어를 포함하며, 축 실린더형 냉각 덕트(3)들를 만들기 위해 방사방향으로 각각의 케이블 권회선을 분리하도록 배치된 스페이서들(4, 12)이 권선에 구비된, 전력 변압기(1).

Description

변압기의 축형 공냉 장치 및 방법{AXIAL AIR-COOLING OF TRANSFORMERS}

최근의 전력 변압기는 대부분 오일냉각식으로서, 요크가 결합된 다수의 코어 레그로 이루어진 코어 그리고 권선들(1차, 2차, 제어)이 오일로 충전된 밀폐용기에 침지되어 있다. 코일들과 코어에서 발생된 열은 오일이 코일들과 코어를 통해 내부적으로 순환함으로써 제거된다. 이 오일이 순환되어 외부 유니트에서 냉각되는 것이다. 오일 순환은 오일을 주위에 펌프하여 강제적으로 이루어지거나, 오일내의 온도차에 의해 자연적으로 이루어질 수 있다. 순환하는 오일은 공냉식 또는 수냉식 설비에 의해 외부적으로 냉각된다. 외부 공기냉각은 강제적 또는 자연 대류(natural convection)를 통하여 이루어질 수 있다. 오일은 또한 열의 운반자로서의 역할외에, 고전압용 오일냉각식 변압기에서 절연기능을 갖는다.

건식(dry) 변압기는 보통 공냉식이다. 오늘날의 건식 변압기가 낮은 전력 부하에서 사용되기 때문에, 이 건식 변압기들은 주로 자연 대류를 통하여 냉각된다. 본 출원발명의 기술은 영국특허 제1,147,049호에 개시된 굴곡형(pleated) 권선에 의해 형성된 축형 냉각 덕트, 유럽특허 제83107410.9호에 개시된 주조 수지(casting resin)내에 매몰된 냉각 권선용 축형 덕트 및 스웨덴 특허 제7303919-0호에 개시된 최대 부하(peak loads)에서의 횡류팬(cross-current fan)의 용도와 관련된 것이다.

냉각 필요성은 케이블 권회식 전력 변압기에서 더 크다. 모든 권선들을 냉각시키기 위해서는 강제대류가 필요한데, 자연 대류는 권선을 냉각하는데 충분하지 못하다. 열의 냉각제에 대한 이동경로가 짧고, 열이 효율적으로 이동하는 것이 중요하다. 따라서, 모든 권선들이 충분한 양의 냉각제와 직접 접촉하는 것이 중요하다.

반도전성 열분해 유리섬유(semiconducting pyrolized glassfiber)로 된 내부층 및 외부층이 절연부에 형성된 도선(a conductor)이 미국특허 제5,036,165호에 의해 공지되어 있다.

동력-전기 기계(dynamo-electric machine)의 도선에 그러한 절연부를 형성하는 것도 공지되어 있는데, 예를 들어 미국 특허 제5,066,881호에는 반도전성 열분해 유리섬유층이 도선을 형성하는 두 개의 평행 로드(parallel rods)와 접촉되어 있고, 고정자 슬롯내의 절연부는 반도전성 열분해 유리섬유의 외부층으로 둘러싸여 있다. 이 열분해 유리섬유 물질은, 주입 처리(impregnation treatment)한 후에도 여전히 고유저항(resistivity)을 유지하기 때문에 적합한 것으로 기술되어 있다.

발명의 목적

본 발명의 목적은 청구범위에 따른 장치, 즉 상세한 설명에 나타낸 형태의 하나의 고전압 도선을 포함하여 이루어진 케이블 권회식 전력변압기를 공냉식으로 냉각할 수 있는, 본 발명 명세서의 도입부에 기술된 형태의 장치를 제공하는 데 있다. 첫 번째 실시예에서, 본 발명은, 권선들의 서로 다른 냉각 요건을 충족시키기도록 냉각제를 올바르게 분포시킴으로써, 권선내의 각 권회선(each turn of the winding) 사이에 축실린더형 덕트(axial cylindrical duct)를 형성하는 것을 목적으로 한다. 실린더형 덕트는 코일을 감는 동안 스페이서를 삽입함으로써 만들어진다. 냉각제의 흐름은 팬에 의해 이루어지며, 상기 스페이서들은 덕트를 통한 흐름이 개별 권선들의 냉각 요건을 충족시킬 수 있는 칫수를 갖도록 만들어진다.

발명의 개요

본 발명은, 케이블이 감긴 하나의 변압기 코어를 포함하여 이루어지고, 그 권선이 축실린더형 덕트를 만들기 위해, 권선내에 방사방향으로 감기는 각각의 케이블을 분리시키는 스페이서를 구비한 구조의 전력 변압기에 관한 것이다.

따라서, 본 발명의 첫 번째 실시예는, 상하로 겹치는, 즉 하나의 권회선이 다른 권회선위에 위치되는 각 권회선 사이의 축실린더형 냉각 덕트들을 포함하여 구성되는데, 이 덕트들은 코일이 감길 때 삽입된 스페이서들에 의해 만들어진다. 하나의 실린더형 덕트는 또한 코어의 레그들과 코어에 가장 가까운 제1 케이블층 사이에 배치된다. 본 실시예는 또한 축실린더형 덕트를 통하여 공기를 이동시키기 위한 팬들을 포함한다. 덕트들내의 스페이서들은 저항이 변하도록 하는 칫수로 이루어져 있으며, 그에 따라 각 권선의 냉각 요건이 다르기 때문에, 개개의 축형 덕트내의 냉각 요건을 충족시키도록 냉각제의 흐름을 분포시킨다. 냉각제로서 "공기"를 예로 들었지만, 다른 가스 냉각제들, 예를 들어 헬륨가스 냉각제도 또한 적합하다.

본 발명에 따른 전력 변압기에서, 권선들은, XLPE-케이블 또는 EPR-절연체를 구비한 케이블과 같이, 배전(power distribution)을 위해 현재 사용되고 있는 형태의 고체의 압출성형된 절연부를 갖는 케이블로 구성된다. 그러한 케이블은 하나 또는 그 이상의 소선부(strand parts), 도선을 둘러싸는 하나의 내부 반도전층, 이 내부 반도전층을 둘러싸는 하나의 고체 절연층 및 이 절연층을 둘러싸는 하나의 외부 반도전층으로 구성된다. 그와 같은 케이블은 유연성을 가지며, 본 발명에 의한 장치의 기술이 본래, 조립 (assembly)시에 휘어지는 케이블로 형성되는 하나의 권선 시스템에 바탕을 두고 있어, 이러한 관계에서 이 유연성이 하나의 필수적인 특성이다. XLPE-케이블의 유연성은 보통, 직경이 30㎜인 케이블에 대하여 대략 20㎝의 곡율반경 및 직경이 80㎜인 케이블에 대하여 대략 65㎝의 곡률반경에 해당한다. 본 출원에서, "유연성"이란 용어는, 권선의 유연성이 케이블 직경의 4배, 바람직하게는 케이블 직경의 8배 내지 12배 정도의 곡률반경을 가지는 유연성을 가지는 권선에 대해 사용된다.

본 발명에서의 권선들은, 구부려졌을 때 그리고 동작하는 동안 열적 스트레스를 받게 되어도 여전히 그들의 특성을 유지하도록 만들어진다. 이러한 관계에서, 층들은 서로에 대한 점착력(adhesion)을 유지하는 것이 매우 중요하다. 여기서, 층들의 재질 특성, 특히 신축성 및 상대적 열팽창계수(relative coefficients of thermal expansion)가 결정적이다. XLPE-케이블에서, 예를 들어, 절연층은 가교(cross-linked) 저밀도의 폴리에틸렌으로 이루어지며, 반도전층은 혼합된 유연(soot)과 금속 입자를 갖는 폴리에틸렌으로 구성된다. 온도 변화에 따른 부피의 변화는 케이블의 반경이 변함에 따라 완전히 흡수되며, 이 재료들의 신축성에 대한 층들내의 열팽창계수들 사이의 차이가 비교적 근소하므로, 층들 사이에 있어서의 점착력의 손실없이 방사형 팽창이 일어날 수 있다.

위에 설명한 재질의 결합은 단지 예를 든 것으로 인식되어야 한다. 상술한 조건들 및 반도전성이 되는 조건, 즉 10^-1∼10⁶ohm-㎝ 범위이내의 고유저항을 갖는 조건, 예를 들어 1∼500 ohm-㎝ 또는 10∼200 ohm-㎝인 조건을 충족시키는 다른 결합도 당연히 본 발명의 범위에 포함된다.

절연층은, 예를 들어 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌(PB), 폴리메틸 펜텐(PMP), 가교 폴리에틸렌 (XLPE)과 같은 가교 물질 및 에틸렌 프로필렌 고무(EPR) 또는 실리콘 고무 등의 고무와 같은 고체 열가소성 물질로 이루어질 수 있다.

내부 및 외부 반도전층들은 동일한 기본 재질로 이루어질 수 있지만, 혼합된 유연 또는 금속 분말과 같은 도전성 재질의 입자를 포함할 수 있다.

이들 물질의 기계적인 성질, 특히 열팽창계수들은, 유연 또는 금속 분말이 혼합되든 혼합되지 않든, 적어도 본 발명에 의한 도전성 요건을 달성하는 데 필요한 비율(proportions)내에서는 상대적으로 거의 영향을 받지 않는다.

에틸렌-비닐-아세테이트 공중합체/니트릴 고무, 뷰틸 그라프트 폴리에틸렌, 에틸렌-부틸-아크릴레이트-공중합체 및 에틸렌-에틸-아크릴레이트 공중합체도 반도전층으로서 적절한 폴리머에 속한다. 다른 형태의 재질이 여러 층에서 베이스로서 사용되더라도, 그 물질의 열팽창계수가 대체로 동일한 것이 바람직하다. 이것은 위에 열거된 물질이 결합된 경우이다.

위에 열거된 물질은, E<100MPa의 E-게수(E-modulus), 바람직하게는 <200MPa의 E-계수를 갖는 비교적 양호한 신축성을 갖는다. 그 신축성은, 층들내의 재질들의 열팽창계수들 사이에 작은 차이가 있더라도 방사 방향의 신축성에 의해 흡수되기에 충분하며, 그에 따라 갈라진 틈 또는 다른 손상이 생기지 않으며 층이 서로 떨어지지 않는다. 층들의 재질은 신축성을 가지며, 층들사이의 점착력은 적어도 그 재질들 중에서 가장 약한 것과 동일한 수준이다.

두 반도전층의 도전성은 각 층의 전위차를 대체로 균일하게 하기에 충분하다. 외부 반도전층의 도전성은 케이블내에 전기장을 포함할 정도로 충분히 크지만, 층의 길이 방향으로 유도된 전류에 의한 큰 손실을 발생시키지 않는데 충분할 만큼 작다.

따라서, 두 반도전층은 각각 하나의 등전위면을 필수적으로 구성하며, 이 층들은 그들 사이의 전기장을 실질적으로 에워싼다. 물론, 하나 또는 그 이상의 추가적인 반도전층들이 절연층내에 배치되는 것을 막는 것은 아무 것도 없다.

본 발명은 도선 권회식(conductor-wound) 전력 변압기의 공냉식 냉각장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명을 첨부도면을 참고로 더욱 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 사시도로서, 본 발명에 의한 전력 변압기의 첫 번째 실시예를 나타낸다.

도 2a는 본 발명에 의한 첫 번째 실시예에 있어서의 냉각 덕트, 스페이서 및 외부 커버를 가진 권선의 평면도를 나타낸다.

도 2b는 코일당 하나의 팬코일이 구비된 도 2a의 실시예의 측면도이다.

도 3은 권선들 사이에 축형 덕트를 갖는 도 1의 실시예에 의한 코일의 단면도를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 고전압 케이블의 단면도를 나타낸다.

도 1은, 세 개의 권선 코일(2)이 구비된 전력 변압기(1)에 관한 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로서, 각각의 권선 코일은, 축형 스페이서(4)에 의해 방사상으로 분리된 권회선들이 동축 냉각 덕트(3)를 만들도록 배열된 다수의 권선을 갖는다. 변압기는 종래의 방식으로 된 철심을 구비한다.

도 2a는, 방사상으로 놓인 각각의 권회선사이에 위치하며 축방향으로 뻗어 있는 스페이서(4)들에 의해 형성된 냉각 덕트(3)들을 갖는 코일들을 구성하는 권선들(2)이 구비된 삼상 전력 변압기(1)의 평면도를 나타낸다. 도시된 실시예에서는 여섯 개의 스페이서들이 각각의 동축 냉각 덕트(3)에서 위치하도록 스페이서들(4) 사이의 분포가 이루어진다. 냉각 양상으로 볼 때, 스페이서들의 형태와 재질은 그다지 중요하지 않다. 변압기의 기계적, 자기적 및 전기적인 양상들이 스페이서들의 형태, 수 및 재질을 결정한다. 본 도 2a는 또한, 변압기의 요크(5)도 나타내며, 이것은 철심(iron core)의 일부분을 구성한다. 요크는 표시된 종형 냉각 튜브(6)의 단면으로 도시되어 있다. 각각의 권선 코일은 또한, 그 내측에 냉각 공기가 흐르도록 배치된 팬 덕트(7)에 의해 둘러싸여 있다. 냉각 요건은 권선에 따라 다르며, 이것은 동축 덕트내의 냉각 흐름이 다르다는 것을 의미한다. 냉각제의 정확한 분포를 위해, 덕트는, 덕트내에 서로 다른 저항력을 제공하여 덕트의 요구에 맞는 흐름을 분포시키도록, 방사 방향으로 서로 다른 칫수(dimensions)를 갖는다. 따라서, 냉각 필요성이 거의 없는 덕트는, 냉각 필요성이 더 크기 때문에 보다 큰 방사상 간격(radial distance)을 갖는 덕트보다 작은 방사상 간격을 갖는다. 본 실시예에 기술된 케이블이 감긴 변압기는, 고전압 권선들 사이보다, 저전압 권선, 즉 코어에 가장 가까운 권선들 사이에 보다 큰 공간부(spacing)를 갖는다.

도 2b는, 도 2a에 있어서의 전력 변압기의 측면도를 나타내며, 철심을 형성하는 코어의 3개의 레그들(8)과 함께, 해당 권선들과 하나의 대응 요크(5)를 구비한다. 팬 덕트(7)가 코일들의 일측 단부에 있고, 적어도 하나의 팬(10)이 장치된 하나의 팬 덮개(fan cowl)(9)를 형성한다. 도 2b에 있어서의 실시예는, 축실린더형 냉각 덕트(3)내에 공기 흐름을 제공하도록, 각 코일에 관하여 폐쇄식으로 된 3개의 팬을 보여준다. 코일들이 외측 실린더형 케이싱(11)내에 설치되어, 공기의 방사형 누출을 방지하고, 공기를 코일들을 통해 방사상으로 안내한다. 최외곽 케이블 권선 주위에 위치하는 케이싱(11)은, 최외곽 케이블 권선의 외부를 냉각하기 위한 외부 덕트를 형성한다. 본 실시예에서는 팬이 각각의 코일마다 장치되는 것도 또한 분명하다. 공기는 각각의 팬(10)에 의해 코일로부터 배출되거나 코일을 통하여 강제로 흡입된다. 팬(10)의 반대측에 있는 코일측의 팬 덕트(7)는, 팬의 흡인 또는 압출(pressure) 기능에 따라 공기가 내부 또는 외부로 흐르도록 완전히 개방된다. 팬측의 팬 덕트(7)에는 상응한 기능을 가진 개구부가 구비된다.

도 3은, 각각의 방사형 권선(2)사이에 축실린더형 냉각 덕트(3)를 갖는 코일의 횡단면도를 나타낸다. 스페이서들은 또한 코어 레그들(8)과 코어에 가장 가까운 권선 사이에 축형 냉각 덕트를 형성하도록 배치된다. 냉각 덕트는 권선들 사이에 놓인 스페이서들에 의해 만들어진다(도 2a 참조). 스페이서들은 원형의 횡단면 주위에 놓여지며, 축방향으로 뻗어 있다. 스페이서들은 코일을 감는 동안 권회선들 사이에 놓여진다. 도면의 화살표들은 코일의 권선들을 통과하는 공기의 흐름을 나타낸다. 공기는 흡인 또는 압출동작에 따라 어느 방향으로든 흐를 수 있다.

도 4는, 본 발명에 의한 변압기 권선으로 사용하기 위한 고전압 케이블(111)의 횡단면도를 나타낸다. 고전압 케이블(111)은 예를 들면, 원형 횡단면을 갖는 복수의 구리(Cu) 소선(112)들을 포함한다. 이 소선(112)들은 고전압 케이블(111)의 중앙에 배치된다. 소선(112)들은 제1 반도전층(113)으로 둘러싸인다. 제1 반도전층(113)은 예를 들어, XLPE 절연체인 절연층(114)으로 둘러싸인다. 절연층(114)은 제2 반도전층(115)으로 둘러싸인다. 따라서, 본 출원에서 "고전압 케이블"이란 통상 배전용 케이블을 둘러싸는 외장을 포함하지 않는다. 고전압 케이블은 20∼250㎜ 범위내의 직경 및 40∼3,000㎟ 범위이내의 도전영역(conducting area)을 가진다.

본 발명은 도시된 실시예에 국한되는 것이 아니다. 몇 가지의 변형이 본 발명의 범위내에서 만들어질 수 있다. 예를 들어, 각각의 코일마다 하나의 팬이 설치될 필요는 없다. 세 개의 코일 모두에 충분한 공기를 공급하는 하나의 팬을 설치할 수도 있다. 원하는 냉각을 위해 공기를 코일들내에 흡입할 수도 있고 코일을 통하여 뽑아낼 수도 있다. 비슷하게, 스페이서들의 수 및 그것들의 형태 모두 한정되는 것이 아니라서, 몇 가지 다른 스페이서의 변형들에 의해서도 올바른 냉각을 할 수 있다. 상술한 첫 번째 실시예에서 스페이서들이 모두 축방향으로 뻗어 있을 필요가 없고, 여러 방향으로 위치시킬 수 있다.

또 다른 변형은, 변압기의 부하(load)에 따라 다양한 냉각 요건을 부여할 수 있도록, 온도 센서로 팬의 속도를 조절하는 것이다.

케이싱도 또한 위에 상술한 실시예들에 도시된 것 보다 여러 가지 다른 방법으로 배치될 수 있다. 최외곽 케이블 권선은 외부케이싱으로서 사용될 수 있고, 자연 대류에 의하여 외측을 냉각할 수 있다.

Claims (14)

1. 하나의 변압기 코어를 포함하여 구성되는 것으로서, 상기 코어가 하나의 케이블에 의해 감겨지고, 상기 케이블이 복수의 소선(112)들, 상기 코어를 감싸는 하나의 내부 반도전층(113), 상기 내부 반도전층(113)을 감싸는 하나의 절연층(114) 및 상기 절연층(114)을 감싸는 하나의 외부 반도전층(115)으로 이루어지는 고전압 케이블(111)이며, 축실린더형 냉각 덕트(3)를 만들기 위해 권선내의 각 케이블 권회선을 방사형 방향으로 분리시키도록 배열된 스페이서들(4, 12)이 권선에 설치된 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
2. 제1항에 있어서, 상기 스페이서들(4, 12)이 권선의 각 권회선 사이에 축방향으로 배열된 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
3. 제2항에 있어서, 적어도 여섯 개의 스페이서들(4)이, 변압기의 레그(8) 주위에 균일하게 분포된 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 변압기 권선이 최외곽 권회선의 일단을 밀폐하는 팬 덮개(9)를 구비하며, 권선의 모든 권회선을 통해 변압기 코어(8)의 축방향으로 공기와 같은 가스를 강제로 주입하거나, 반대로 그로부터 배출시키도록 상기 팬(10)이 연결 및 배치된 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
5. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 고전압 케이블(111)이 20∼25㎜ 범위내의 직경 및 40∼3,000㎟ 범위내의 도전영역을 갖는 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
6. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 케이블(111)이 유연성을 가지며, 상기 층들이 서로 접해 있는 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
7. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 층들이, 동작중의 온도 변화에 의해 생기는 층들내의 체적의 변화가 재질의 신축성에 의해 흡수되는 정도의 신축성과 열팽창계수를 갖는 재질로 이루어지며, 그에 따라 동작중에 발생하는 온도 변화가 있어도 상기 층들이 서로의 점착을 유지하는 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
8. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 층들내의 상기 재질이, 고신축성, 바람직하게는 500MPa보다 낮은 신축계수를, 바람직하게는 200MPa보다 낮은 신축계수를 갖는 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
9. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 층들내의 상기 재질의 열팽창계수가 대체로 동일한 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
10. 제1항 내지 제9항의 어느 하나에 있어서, 층들 사이의 점착력이, 적어도 상기 재질중에서 가장 약한 것과 같은 정도인 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
11. 제1항 내지 제10항의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 각각의 반도전층들이 하나의 등전위면을 필수적으로 구성하는 것을 특징으로 하는, 전력 변압기(1).
12. 적어도 하나의 팬(10)이 변압기 코어의 레그(8)들의 표면을 따라, 그리고 권선의 각각의 권회선 사이의 축방향으로, 공기를 강제로 주입하거나 배출하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제11항의 어느 하나에 의한 권선식 전력 변압기의 공냉식 냉각방법.
13. 제12항에 있어서, 변압기의 권선작업을 하는 동안에 스페이서들(4)이 권회선사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는, 권선식 전력 변압기의 공냉식 냉각 방법.
14. 제13항에 있어서, 알맞은 공기 흐름을 제공하도록 온도 센서들이 팬의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 권선식 전력 변압기의 공냉식 냉각방법.