배전용 (23kV급) 케이블변압기 설계 및

제조기술 개발에 관한 보고서

(최종보고서)

2006. 10. .

주관기관 : (주) 효성

참여기관 : 부산대학교

산 업 자 원 부

한국산업기술재단

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제 출 문

한국산업기술재단 이사장 귀하

본 보고서를 “배전용(23kV급) 케이블변압기 설계 및 제조기술 개발”에 관한

지역혁신 인력양성사업(사업기간 : 2003. 12. 01 ~ 2006. 08. 31.)사업의

최종보고서로 제출합니다.

2006. 10. .

주 관 기 관 : (주) 효성

총괄책임자 : 송희석

사업참여자 : 조익춘, 최원호

허우행, 박정호

나완기, 김지현

권영안, 김영삼

김동석, 박성조

김규태, 배병현

김현일, 박수종

우장수, 한정호

장민영, 정태화

정한진

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요 약 서 (초 록)

과 제 명 배전용(23kV급) 케이블변압기 설계 및 제조기술 개발

주 관 기 관 (주) 효성 총괄책임자 송희석

총 사 업 기 간 2003. 12. 01 ~ 2006. 08. 31 (33개월)

당 해 년 도

사 업 기 간2005. 09. 01 ~ 2006. 08. 31 (12개월)

총 사 업 비

(단위 : 천원)

정부출연금: 216,000천원

민간부담금: 72,000천원

지방자치단체부담금:0원

합 계 : 288,000천원

참 여 기 관 부산대학교

주 제 어

(6개 ~ 10개)변압기, 케이블, 철심, 권선, 프레임, 절연시험 권선 제작

1. 사업목표

1) 최종년도 사업목표

가. 기술 개발 측면

: 배전급(23kV) 케이블변압기 설계 및 제작기술 개발

- 케이블 권선 설계 및 제작 기술 정립

- 케이블 변압기 시험방법 및 시험기술 정립

- Pilot 변압기 제작

나. 인력 양성 측면

- 케이블 변압기 관련 국내의 눈물 발표 6편 이상

-동종업계 취업 2명이상

2) 당해연도(3차년도) 목표 :

가. 기술 개발 측면

: 케이블변압기의 시험운전 및 성능 보완

- 케이블 변압기 시제품 장기 운전 시험 실시

- 케이블 변압기 최적화를 위한 케이블 성능 보완 및 문제점 해결

- 과제 완료 보고서 작성

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나. 인력 양성 측면

- 케이블 변압기 관련 국내외 논문 발표 2편 이상

- 동종업계 취업 1명이상

2. 사업 목적 및 중요성

본 사업은 23kV, 1MVA급 케이블변압기 개발을 목표로 하여 다음과 같은 세부적

인 사항에 대한 연구를 수행한다.

첫째, 관련 기초 자료조사 및 특허 조사를 통해 케이블변압기에 대한 현재의 기

술 동향올 파악한다.

둘째, 부품소재별 특성 정립을 통한 케이블변압기 설계 및 제작 기반을 구축한

다.

셋째, 1MVA급 시작품 변압기의 설계, 제작 및 시험 등의 全단계의 수행 및 제

품 신뢰성 평가를 진행한다.

- 사업의 중요성

변전소의 도심지역화, 옥내화 등이 진전되면서 친환경적인 변압기의 개발 필요

성이 증대됨에 따라, 기존 변압기의 단점을 보완한 방재형 변압기의 개발이 절

실히 요구되고 있음. 케이블변압기는 기존의 유입변압기가 갖고 있는 화재 및

폭발의 위험성, 절연유 누출에 따른 환경오염 가능성 등을 극복할 수 있는 대체

변압기로서 현재까지 외국 1개사만 개발에 성공함. 본 과제를 통해 케이블변압

기를 국내에서 개발한다면 케이블변압기 관련 기술을 선도 할 수 있고, 국내의

시장에서 방재형 변압기 분야의 우위를 점할 수 있음.

3. 사업의 내용 및 범위

1) 시작품 개발을 통한 설계, 제작 기술 확보

- 케이블변압기 권선 및 철심 특성 계산

- 케이블변압기 설계 및 제작 방법 확보

- 케이블 권선지지 구조 설계 및 제작

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2) 해석 S/W를 이용 케이블 변압기의 최적설계를 구현

- 철심의 특성을 분석하고, 케이블의 특성 및 시험법을 확립

- 손실과 비용 및 안전성을 고려한 최적 설계 기법 연구

- 대학원생의 전자계 해석 기술 지원

3) 케이블 변압기 시험방법 및 시험기술 정립

- 케이블 변압기의 시험 적용 규격 확인

- 케이블 변압기의 시험방법 확보

- 시험을 통한 케이블 변압기의 기본 특징 확인

4. 사업의 성과

1) 정성적 성과

- 23kV 1MVA 케이블 변압기 국내 최초 개발

- 케이블 변압기 설계 기술 확보

- 케이블 변압기 제작 기술 확보

- 국제 규격 시험 통과

- 초고압 대용량 케이블 변압기 응용 기술 확보

2) 정량적 성과

- 인력배출 : 5명 취업(지역 내 취업 : 2명, 지역외 취업 : 3명)

- 논문발표 : 3편 발표

5. 활용방안 및 기대효과

- 국내에서 최초로 개발되는 케이블변압기로 방재형, 친환경 변압기에 대한 시

장요구에 대응

- 신제품 시장 선점 및 확대 가능

- 초고압 대용량 케이블 변압기 설계 및 제작 활용

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목 차

제1장 서론

제1절 케이블변압기 개발의 필요성

제2절 연구개발 추진 현황

제2장 기본 기술사항 검토

제1절 케이블변압기 기본이론 및 구조

제2절 케이블변압기 특징

제3절 케이블변압기 관련 기술 연구

제3장 케이블변압기 설계

제1절 케이블변압기 권선 설계

제2절 케이블변압기 철심, 프레임 설계

제4장 케이블변압기 해석

제1절 케이블변압기 철심용 전기강판 특성 해석

제2절 케이블변압기 철심온도 해석

제3절 권선용 케이블 온도상승 해석

제4절 케이블변압기 자계 해석

제5장 케이블변압기 제작

제1절 케이블변압기 권선 제작

제2절 케이블변압기 철심, 프레임 제작

제3절 케이블변압기 종단 접속재

제4절 케이블변압기 총조립

제6장 22.93kV 케이블 변압기 시험

제1절 케이블변압기 절연 및 특성 시험

제2절 케이블변압기 온도 상승 시험

제3절 케이블변압기 부분 방전 시험

제4절 케이블변압기 장기 과전압 시험

제5절 케이블변압기 FRA 시험

제7장 결론

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제 1 장 서론

제 1 절 케이블변압기 개발의 필요성

환경오염에 대한 관심이 날로 증가되는 요즘 대부분의 제품은 환경오염을 고려하여

친환경적인 관점에서 설계 및 제작되고 있다. 중전기기분야에도 마찬가지로 친환경

적인 제품에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다.

케이블변압기는 기존의 유입변압기가 갖고 있는 화재 및 폭발 위험성, 절연유 누출

에 따른 환경오염 가능성 등을 극복하기 위해 개발된 변압기로서 절연유를 사용하

지 않는 건식변압기이기 때문에 화재 및 폭발의 위험이 없을 뿐 아니라, 절연유 누

출로 인한 환경오염의 우려도 없다.

또한, 케이블 변압기는 기존 유입변압기에 비해 저손실, 고효율 변압기로서, 특히

화재나 폭발의 위험이 없기 때문에 부하 근처에 설치할 수 있고, 따라서 부하 근처

까지 고전압 송전이 가능하므로 선로의 전력손실도 저감시킬 수 있다.

세계적으로 케이블변압기는 스웨덴의 ABB社 외에는 생산업체가 없는 제품이고,

ABB社에서도 1999년 처음 상용 설치한 품목으로서 국내업체와 선진 외국사와의

기술격차가 크지 않다. [1][2] 과거 국내업체가 외국 선진업체로부터 기술 도입에

의해 변압기를 생산하던 수준에서, 현재는 일부 특정분야를 제외하면 국내업체의

자체 보유기술에 의해 변압기를 설계, 제작, 시험(평가)하는 수준에 다다르고 있어

국내업체에 의한 케이블변압기의 국산화 개발은 충분히 가능하다 할 수 있다.

또한, 케이블변압기의 핵심 소재인 초고압케이블 역시 국내업체에 의한 국산화 개

발이 충분히 가능할 것으로 예상되는 바, 케이블변압기용 부품, 소재의 국산화와 함

께 국내업체에 의한 케이블변압기의 개발 및 상품화가 이루이지면 이 품목에 대한

세계적 경쟁력 확보도 가능할 것으로 예상된다.

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제 2 절 연구개발 추진 현황

(주)효성과 부산대학교가 공동 참여하는 과제로서, (주)효성이 주관기관이 되고 부

산대학교가 참여기관이 되어, 부산대학교에서는 시도교수와 대학원생 5명이 본 과

제에 참여하였다. (주)효성에서는 지도교수(기업) 1명 외, 기업연구원 3명이 참여하

여 과제를 수행하였다.

본 과제의 1차년도에는 케이블변압기 설계기술 정립을 목표로 각 부품소재별 특성

해석 및 케이블변압기 기본 설계사양을 확정하였으며, 2차년도에는 케이블변압기의

제작을 목표로 관련 자재 선정 및 발주, 시작품 제작, 시험방법 연구 등을 진행하였

으며, 3차년도에는 시험운전 및 성능보완을 목표로 제반 특성 시험 및 신뢰성 시험

을 진행하여 제작, 시험을 통해 드러난 문제점을 보완하였다.

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표 1-4 연구개발 조직체계

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1. 최종 개발 목표

본 과제의 최종목표는 23kV, 1MVA급의 케이블변압기를 개발하는 것으로서, 당사

및 국내에서 최초로 개발하는 품목이기 때문에 설계 및 기획 단계가 매우 중요하다

할 수 있다. 이에 따라, 변압기 설계 및 제작 경험이 있는 기업인 (주)효성을 주관

기관으로 하여 부산대학교와의 산학 협동을 통해 기초자료 조사부터 각 부품소재별

특성 정립을 통한 시작품 변압기의 최적설계, 제작 및 시험 등을 진행하였다. 이와

같은 연구를 통해 케이블변압기 관련 기술력을 정립하고, 추후 초고압 대용량 케이

블변압기 개발을 위한 기술기반을 구축할 수 있다.

* 배전용(23kV급) 케이블변압기 개발 사양

▪ 상수 및 주파수 : 단상 60Hz

▪ 1차전압 : 22900V

▪ 2차전압 : 220V

▪ 용량 : 1000kVA

2. 주요 연구개발 내용

가. 케이블변압기 관련 자료 조사

(1) 해외기술 현황 및 관련 논문 조사

(2) 관련 특허 조사 및 회피방안 검토

나. 부품소재 특성 연구

(1) 전기강판 재질별 특성 해석 및 케이블변압기용 전기강판 선정

(2) 권선용 케이블 열 특성 해석

(3) 케이블변압기용 케이블 특성 정립 및 제조업체 선정

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다. 최적설계기술 확립

(1) 저손실 고효율 최적설계 기술 확립

(2) 시작품 케이블변압기 전기설계

3. 연구개발 추진 일정

표 1-5 연구개표 발 추진일정

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제 2 장 기본 기술사항 검토

케이블 변압기를 개발하기 위하여, 변압기의 기본 원리를 검토하였으며, 이 분야 선

진사의 기술자료 및 관련 논문, 특허를 검토하여 케이블 변압기 설계시 활용하였다.

제 1 절 케이블변압기 기본이론 및 구조

1. 변압기 기본이론 및 구조

가. 변압기의 개요

변압기(Transformer)는 전기기기 중에 제일 널리 사용되고 있는 기기이며 송전(送

電)계통이나 배전(配電)계통의 일부로서 교류전압을 승압하거나 강압하여, 송배전

(送配電)선로를 통하여 산업설비나 공장 혹은 가정에 필요한 전력을 공급하는 용도

로 사용된다.

송배전계통에서 발전소(수력, 화력 및 원자력 등)로부터 발전된 전력을 수용가까지

전달하는데 있어 수용가의 설비에 요구되는 저전압으로 전력을 송전하기에는 송전

선로에서 발생하는 전력손실이 너무나 막대하므로, 경제적 송전을 위하여 여러 가

지의 변압기를 각 송배전 단계에서 필요로 하고 있다.

발전소에서 11~25kV급의 전압을 발전시키면, 이 전압은 발전소용 승압 변압기

(Step-up Transformer)를 통해 345kV 및 765kV로 승압시켜 필요한 지역으로 송전

선을 통하여 송전된다.

송전된 전력은 변전소에서 강압 변압기(Step-down Transformer)에 의해 154kV 혹

은 23kV급으로 강압되어 수용가에 공급 된다.

이상의 각 송전 단계에서 여러 종류의 크고 작은 용량의 변압기가 사용되고 있다.

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나. 변압기의 원리 및 특성

(1) 변압기의 정의

변압기는 철심(Core)을 매개로 하여, 전자유도작용(電磁誘導作用)에 의해 한쪽의 권

선에 공급한 교류 전기 세력을 다른 쪽의 권선에 동일주파수의 교류 전기 세력으로

변환하는 정지유도장치(靜止誘導裝置, Static Induction Instrument)이다.[7][8] 그

러므로 변압기는 2개 이상의 전기회로와 한 개의 공통자기희로 (Common

Magnetic Circuit)를 가져 자기회로가 이 전기회로에 쇄교(Link)되게 만들어야한다.

(2) 변압기의 원리(原理)

그림 2-1 변압기 기본이론

위의 그림과 같이 철심에 1차권선을 N1회 감고, 2차권선을 N2회 감았을 때 1차권

선에 주파수(f), 전압(E1)을 인가하면 철심 내에는 교번자속(Ø)이 발생된다.

이러한 교번자속 Ø에 의해 2차권선에 전압 E2가 아래 식2-2와 같이 유기된다.

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즉, 2차권선에는 권신의 권수에 비례한 전압이 유기된다.

이 때 철심은 발생된 자속(Magnetic Flux)의 통로 역할을 하고, 무부하손실

(No-Load Loss) 및 여자전류를 발생시킨다. 변압기 2차측에 부하를 접속해서 부하

전류 I2가 흐를 때에는 부하전류에 의해 기자력(起磁力) N2I2가 만들어진다.

1차측에서는 이것을 상쇄하려는 기자력 N1I1이 나타난다. 1차측의 여자전류 Io를

무시하면(여자전류는 정격부하전류에 비해 대단히 적은 값이기 때문에) 다음과 같

은 결과를 얻을 수 있다.

따라서 상기 식2-2, 식2-3에서 아래와 같은 수식을 구할 수가 있다.

즉, 권선에 흐르는 전류는 권선의 권수에 반비례함을 알 수 있다.

또한 식2-1의 교번자속 Ø는 자속밀도 B와 철심단면적 Sc의 비로써 표현할 수 있

으므로 식2-1과 식2-5로부터 식2-6을 얻을 수가 있다.

이 식으로부터 철심의 단면적은 권선의 권수와 자속밀도에 반비례함을 알 수 있는

데, 케이블변압기는 권선 도체로 사용되는 케이블의 가격이 고가이므로 일반적인

변압기에 비해 설계시 권선의 권수를 줄이고 철심의 단면적은 늘려 경제적인 설계

가 되도록 해야 한다.

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다. 변압기의 종류

변압기는 다음과 같은 냉각에 사용되는 매체나 냉각의 방식에 따라 분류하기도 하

며, 절연재료에 따라 분류할 수도 있다. 본 연구를 통해 개발하고자 하는 케이블변

압기는 냉각방식은 풍냉식, 절연재료는 고체 절연형이다.

(1) 냉각(冷却)방식에 의한 분류

표 2-1 냉각방식에 의한 분류

(2) 절연재료별 분류

표 2-2 절연재료별 분류

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2. 케이블변압기 기본이론 및 구조

가. 케이블변압기 개요

1880년대 초 헝가리에서 변압기가 최초로 개발된 이후 근 1세기 동안 변압기는 전

압 레벨 및 용량의 증가면에서 획기적인 발전을 해왔다. 이러한 변압기의 발전이

가능했던 것은 방향성 규소강판이라는 철심재료의 개발 및 절연유, 절연지 등의 절

연재 성능 개선을 통해 가능할 수 있었다.

그러나 현재 대표적으로 사용되고 있는 유입변압기는 변압기 내부 사고시 내부 절

연유가 인화, 폭발할 가능성이 있고, 실제로 이와 같은 사고는 국내에서도 가끔씩

일어나고 있다. 이러한 유입변압기 사고에 대한 대안으로서 불활성 기체인 가스를

사용한 가스절연 변압기가 개발되어 현재 사용되고 있으나, 가스절연 변압기도 높

은 가스 압력 하에서 사용되고 있기 때문에 폭발의 우려가 있으며, 또한 SF6 가스

는 지구 온난화를 가속시킬 수 있는 기체로서 환경 규제를 받고 있다.

케이블변압기는 이러한 기존 변압기의 단점을 극복함 수 있는 신 개념의 방재형 변

압기로서 변압기 권선재료로 케이블을 사용함에 따라 절연유, SF6 가스 등과 같은

환경오염 물질이 없어 친환경적이며, 만일의 사고시 폭발의 우려도 없는 안전한 변

압기로서, 헌재 전 세계에서 ABB社만이 개발, 상품화 시킨 변압기이다.

나. ABB社외 케이블변압기 개발 현황

• 1997년 : 세계 최초 케이블변압기 개발(상표명 : Dryformer)

(단상 10MVA, 52/17kV)

• 1999년 : 케이블변압기 2대 상용설치.

→ Birka Enerig at Lottefors hydro power station : 3상 20MVA

140/6.6kV (옥내용)

→ Stora Enso Energy‘s Bervik hydro power station : 3상 16MVA

78/11kV (옥내용)

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• 2001년 : BC hydro(Canada)에 64/25kV 42MVA 2unit 수주.

(Ludvika, Sweden 공장에서 제조).

• 현재 : 36~145kV, 150MVA급 Dryformer 상용생산.

(154kV를 초과하는 케이블변압기의 개발은 Cable 기술 개발에 좌우되며, ABB社의

경우 케이블 사업부에서 케이블변압기용 케이블을 개발함.)

그림 2-2 Stora Enso Energy's Dryformer

(ABB社 자료)

그림 2-3 BC Hydro's Dryformer (ABB사 자료)

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다. 케이블변압기 구조

(1) 철심

변압기 1차 권선에 흐르는 여자전류는 전자유도 작용에 의해 기자력(Ampere Turn)

에 비례하는 자속을 발생시키며, 철심은 이 자속이 흐르는 통로가 된다. 변압기용

철심재질로서는 포화자속밀도가 높고 손실이 작은 것이 좋다.

한편 변압기 철심은 조인트부위에서 철심면 방향 입사자속 증가로 인해 이 부위에

서의 손실이 증가하고, 이에 따른 과열이 발생하는데 케이블 변압기의 철심은 유중

에서보다 냉각성능이 떨어지는 기중에 철심이 존재하므로 이 부위에서의 국부과열

을 방지할 수 있도록 설계, 제작되어야 한다.

(2) 권선

권선은 변압기의 전류가 흐르는 통로로서, 여기에는 철심에 흐르는 자속을 발생시

키는 여자전류 및 부하의 크기에 비례하는 부하전류가 흐르게 된다. 케이블변압기

에 사용되는 권선은 적절한 절연 및 내열성을 가지는 케이블을 사용하여, 전기적ㆍ

기계적으로 지지될 수 있어야 한다.

이 변압기에 사용되는 케이블은 그 중심에 도전성이 우수한 동선을 두고, 동선 주

위에는 동심상으로 폴리에틸렌(polyethylene) 절연을 한 XLPE 케이블로서, 케이블

의 최외측은 접지가 가능한 구조로 되어 있다. 케이블변압기용 케이블은 일반 지중

용 케이블이 갖추어야 할 제반특성 외에도 변압기의 단락사고시 발생하는 전자기계

력(권선의 내외측과 상하로 작용)에 충분히 견딜 수 있는 구조를 가져야 하며, 국부

과열에 대해 견딜 수 있는 적절한 냉각구조와 내열성 및 변압기의 전 수명기간 동

안 절연특성을 보증할 수 있을 만큼의 신뢰성을 가져야 한다.

(가) 구조

권선용 케이블의 구조는 그림2-4에 나타난 것처럼 도체, 반도전층, 절연층, 반도전

층으로 구성되어 있다.

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그림 2-4 케이블 단면

① 도체

도체는 구리(Annealed Copper) 또는 알루미늄(Aluminium)의 소선을 꼰 형태로 크

게 원형(Concentric) 연선, 원형압축(Compact Circular) 연선, 분할압축(Segmental

Compact Circular) 연선으로 구분된다.

② 내부반도전층(Conductor Screen)

내부반도전층은 도체 외부의 전계를 균일하게 하여 전기적 Stress를 최소화할 목적

으로 사용된다. 내부반도전층은 압출된 반도전 폴리에틸렌 재질로 형성되며, 도체와

의 화학작용 등이 일어나지 않으므로 도체에 해로운 영향을 끼치지 않는다.

③ 절연체

절연체 재료는 압출 가교 폴리에틸렌으로 내부반도전층, 절연체층, 외부반도 전층간

의 밀착 및 공극(Void)방지를 위해 동시에 하나의 공정에서 압출하는 방법을 채택

하고 있으며, 압출 공정은 엄격히 통제된 환경조건하에 수행된다.

④ 외부반도전층

외부반도전층은 절연체 표면의 이온화 가능성을 최소화하기 위하여 반도전

Compound를 압출하여 형성시킨다.

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(나) 절연설계

케이블의 허용전류 및 내전압 특성을 고려하여 권선용 케이블을 설계해야 한다.

케이블의 최외측은 반도전층(semi-conductive screen)으로, 권선의 매 턴마다 접

지시킨다. 따라서 케이블 내에만 전계가 형성되며, 권선간 절연 및 대지간 절연은

고려할 필요가 없다.

권선 및 철심의 냉각을 위해 적절한 냉각통로 확보가 중요하다.

(3) 권선 리드 접속재

변압기 권선의 케이블과 전력계통상의 선로를 접속시켜 변압기에 흐르는 전류가 인

입, 인출되도록 하며, 케이블과 동등이상의 절연성능 및 장기 신뢰성을 가져야 한

다.

이 접속재를 통하여 변압기의 각 권선의 단자와 부하시 탭절환기에 연결하는 단자,

그리고 각 상의 권선 단말처리에 이용이 가능하다.

(가) 권선연결용 접속재(I형, T형)

케이블변압기 권선 중간에 적용할 접속재료는 자기 융착형 아말감 테이프를 사용하

며, 기존 케이블과 동경(同徑) 작업이 가능하다.

(나) 케이블 종단 접속재

케이블 권선의 종단 부위 접속재는 현재 여러 접속재 업체에서 양산 중인 일반적인

접속재를 사용한다.

(4) 냉각장치

변압기 권선에 흐르는 전류 및 철심에 흐르는 자속에 의해 권선과 철심에 손실이

발생하며, 이 손실은 주로 열에너지의 형태로 변환되어 변압기 각 부위의 온도를

상승시키게 된다. 그런데 케이블변압기용 케이블은 그 사용가능온도가 90℃ 정도로

제한되어 있으므로 발생 열을 적절히 방출시키는 것이 필요하게 된다.

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냉각장치는 이와 같은 기능을 위해 필요한 기기로서, 케이블변압기용 냉각장치는

냉각팬(fan) 및 냉각통로를 형성하는 통풍 Box로 구성된다.

이러한 냉각장치는 권선의 냉각통로와 철심의 발열부위에 강제로 공기를 순환시켜

변압기 권선과 철심 등을 냉각시키는데, 발열상태와 온도상승 수준에 따라 수동 및

자동운전이 가능한 제어 시스템도 선택적으로 요구된다.

냉각장치에는 2개의 팬(fan)이 적용되는데, 팬의 용량은 하나의 팬이 고장이 났을

때, 나머지 한 대가 변압기의 냉각을 커버할 수 있는 정도의 용량을 갖도록 설계해

야 한다.

(5) 본체 및 지지구조물

변압기 권선과 철심의 조립 형태를 유지시켜주며, 변압기가 단락사고시에 발생하는

막대한 전자기계력에 견딜 수 있도록 해 준다. 또한, 운송, 설치 및 운전중에 변압

기가 받을 수 있는 여러 가지 형태의 충격으로부터도 변압기가 손상 없이 견딜 수

있도록 해 준다.

(6) 계기류 및 제어장치

변압기 운전 중 변압기 온도 감시를 위해 온도계가 취부 되는데, 이 온도계는 변압

기 운전시의 특정부위 온도를 계측하여 일정온도 초과시에는 제어장치에 신호를 보

내 냉각장치를 구동시킴으로써 변압기를 보호하는 기능을 한다.

그림 2-5 케이블변압기 구조

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제 2 절 케이블 변압기 특징

1. 유입변압기(Oil immersed Tr.)와 케이블변압기(Cable Tr.) 비교

가. 주요 절연 재질의 비교

(1) 유입변압기 : Paper insulated conductor impregnated oil

(2) 케이블변압기 : Dry polymer insulated cable

나. 케이블변압기는 권선의 턴간, 권선간 절연이 필요 없음.

다. 고전압 XLPE cable의 내부에만 전계가 분포하며, 표면은 접지전위를 유지하고

있음.

라. 케이블변압기는 유입변압기와는 다른 최적설계가 필요 - 도체량과 철심량의 비

율, 온도상승 한도, 내단락 기계력 등

다. 케이블변압기가 유지보수 측면에서 매우 간편함.

(1) 케이블변압기는 온도계와 냉각팬 등의 장치만 점검하면 됨.

(유입식변압기는 오일 탱크, 오일 게이지, 가스 알람 장치, 오일 온도계 등에 대한

점검 및 누유여부, 유중가스 분석 등에 대해서도 점검이 필요함)

라. 냉각장치는 유입변압기보다 케이블변압기에서 더욱 중요한 역할 및 위치를 차

지함.

(1) 두 개의 분리된 팬 시스템이 권선의 적정온도 유지를 위해 권선 층간의 공기를

흡입함.

(2) 하나의 팬이 고장나면 나머지 팬만으로 냉각이 가능하도록 팬의 용량을 선정해

야 함.

(3) 자연 냉각 방식의 경우에는 권선의 손실 및 케이블의 온도 상승 검토 필요.

- 23 -

그림 2-6 조립된 케이블 권선

(ABB社 케이블변압기)

그림 2-7 냉각팬을 포함한 냉각장치 (ABB社 케이블변압기)

- 24 -

2. 케이블변압기 용도

• 방재, 방폭성이 요구되는 지역

• 친환경적 특성이 요구되며 안전성이 중요시되는 지역

• 인구밀집지역 및 도심지

• 기타 개별적 요구에 의한 지역

3. 케이블변압기의 환경측면에서의 장점

• 오일을 사용하지 않으므로 절연유 누출에 의한 환경오염의 우려가 없음.

• 절연유 누출 위험 및 폭발의 위험이 없음.

• 부하 밀집지역 및 수용가 근처에 설치 가능.

• 폭발 및 환경오염 등의 우려가 없어 수용가 근처에 설치 가능하므로 장기간 운전

시 송전손실이 철탑 주변에 위치해야 하는 유입식변압기 보다 훨씬 적게 됨.(154kV

급 이상의 초고압 케이블변압기의 경우임)

- 25 -

제 3 절 케이블변압기 관련 기술 연구

1. 관련 논문 연구

가. 케이블 변압기 설계 주요기술

(1) 케이블 표면접지

외측 반도체 레이어는 접지 : 외측 반도체 레이어의 정확한 저항성분을 결정, 레이

어의 접지점에서의 접촉저항 제어

- 너무 높은 저항 : 두 개의 레이어에서 높은 전압 포텐셜을 야기시키고,

- 너무 낮은 저항 : 반도체 레이어에서 높은 전력 손실

- 반도체 레이어와 접지점 사이 접촉저항 고려

그림 2-8 권선용 케이블 (1)도체 (2)내부반도전층

(3)XLPE절연 (4)외부반도전층

(2) 저감절연시의 케이블 절연 고려사항

(가) 전계의 세기 : 선 끝에서 중성점 까지 케이블 권선을 따라 감소

→ 절연물질 사용을 최소화하기 위해서 길이마다 다른 절연 두께

(나) 써지 전압 분포 : 평상시 교류 전압 상태에서와는 다름. 단자에 걸린 순시 과

전압을 견딜 수 있어야 함

→ 전체적인 절연 두께 및 절연구조 고려

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※ 케이블 권선 : 외측 반도체 레이어가 접지

케이블의 절연은 기존 변압기의 주절연과 같이 동작

(3) 전계강도

(가) 케이블 도체 사용에 따른 절연설계 단순화

(나) 턴간 절연의 전계

① 오일 변압기 : 전계의 세기가 턴 사이 오일 갭에서 집중

② 케이블 변압기 : 외부 반도체 레이어 접지, 케이블의 절연은 기존 변압기의 주절

연과 같이 동작

→ 전체적으로 균일한 전계

(다) 현재의 케이블 기술 : 동작 전계 강도 15kV/mm

※ 케이블 변압기의 경우 실험적으로 10kV/mm

(라) 권선 케이블 : 그림 2-9에서 보는 바와 같이 도체 표면의 전계분포를 일정하

게 유지한다.

→ 따라서 케이블에 의한 절연은 절연성능의 극대화가 가능

(마) 케이블 변압기의 설계 이점 : 하부 요소들의 기능이 독립

① 오일 변압기 : 절연 시스템의 유전 강도와 권선의 기계적 강도, 열 제한은 서로

종속적

→ 설계에 제한

② 케이블 변압기 : 철심-권선-절연재료 등 요소들이 독립적으로 최적화

→ 각 요소별 성능의 극대화 가능

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그림 2-9 일반 발전기의 고정자 바와 케이블 발전기의 고정자 케이블 권선

(4) 구조설계

(가) 케이블발전기의 경우 케이블과 슬롯 벽 사이의 갭에 삼각형 고무 조각을 삽입

하여 케이블을 고정시키는 역할을 함.

→ 떨림에 의한 외측 반도체 레이어의 마모 방지

→ 케이블의 열팽창을 조절

→ 외측 반도체 레이어의 접지력 향상

(나) 케이블 변압기의 경우

케이블의 바깥쪽 반도체 레이어의 저항은 현재 약 40Ω-cm이고 표면 포텐셜을 제

어하기 위해 케이블 권선의 외부 표면은 각 턴마다 접지

그림 2-10 케이블발전기 : 케이블

슬롯내 고정

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(5) 냉각 설계 고려사항

(가) 오일 변압기의 절연유 : 절연 및 냉각 매체

→ 두 요소가 서로 종속적이므로 trade-off 식 최적화로 제한

(나) 케이블 변압기 : 공랭식 또는 수냉식 냉각 시스템

→ 절연문제와는 독립적이므로 개별 최적화 가능

나. 케이블 응용기술

(1) 신기술 적용

새로운 기술이나 기존 기술에 새로운 응용법이 소개되면, 많은 개선 가능성이 발생

한다. 1998년과 1999년에 각각 새로운 형태의 발전기 변압기로 Powerformer와 케

이블변압기가 발표되었다. 이들 기기들은 이미 존재하지만 잘 발달된 고전압 케이

블 절연 기술이 적용된 것이다.

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(2) 케이블변압기

(가) 기존 전력 변압기 절연

• 미네랄 오일과 종이 사용 → 효과적인 절연 수행

• 절연강도 : 종이(49kV/mm), 오일(12kV/mm), 종이/오일(64kV/mm)

• 오일/종이 절연 : 기계적으로 약하며 화재나 폭발의 위험, 오일유출 등의 단점

(나) SF6가스와 SF6/N2 절연 및 냉각 전력변압기(1980년대 이후)

• 낮은 유지 보수와 높은 신뢰도

그림 2-11 케이블변압기, 신형 건식 변압기

(다) 건식 변압기 (케이블변압기)

• 기존 변압기 기술과, 고전압 XLPE 케이블 기술에 기반

⇒ 철심에 고전압 케이블을 레이어 형으로 권신

• 강제 공기순환 방식 냉각

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(3) Powerformer

▪ 승압 변압기가 없이 전송선로에 바로 연결시킬 수 있는 발전기

▪ 새로운 설계개념과 권선 절연 개념 도입

▪ XLPE 케이블이 고정자 권선에 사용

▪ 고전압 발전이 가능 : 현재 발전전압 500kV까지 개발

▪ 승압 변압기를 필요로 하지 않으므로 저손실, 고효율, 고유용성 저 유지비, 높은

신뢰도

그림 12 Powerformer: 시작품의 고정자의

상부 모습

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(4) 전력케이블 기술

(가) 1880년대 백열광 시스템에서 시작

(나) 고가선로가 많아지면서 안전성과 미관 문제가 등장, 1900년대 초반까지 절연

케이블을 사용한 지중선로 계획 수립

(다) 초기 케이블의 절연 물질은 공기

• 유리와 도자기로 만든 장치로 대지와 절연된 구리 도체가 1889년 파리의 하수도

에 장치

• 그 외 지하 케이블의 절연물질은 자연고무, 구타페르카, 오일, 왁스, 쥬트섬유, 대

마. 면화, fp진, 아스팔트 등

• 후에 절연 물질로 미네랄 오일과 종이의 조합이 등장

(라) 1차 세계대전 말, 전력 수요가 증가하면서, 초기 케이블의 전압 범위 확대에

대한 시도에서 압축오일절연 케이블 소개

• 절연문제에서 단순히 두께를 증가시키는 것으로는 충분하지 못한 사설 발견

ex) 3상 다발 전력케이블에서 전계의 불균일은 코로나 발생과 고장(단락)을 발생

• 고전압이 요구되면서, 빈 공간에 부분 방전이 일어나는 것을 막기 위해 압축오일

케이블이 개발됨

(마) 현재의 전력 케이블

• 주요 부분은 도체, 전기적 절연 및 금속 쉬스로 구성

• 도체 : 많은 전선 가닥으로 구성, 구리나 알루미늄의 규칙적인 층 구조, 나선형이

면서 층층이 반대 방향으로 감겨있는 형태

• 도체와 절연부, 쉬스 사이에 접하는 면은 전계 제어의 향상을 위해 전기적으로

평탄화

(바) 1933년 폴리에틸렌이 발명되고, 60년대 중반 XLPE가 개발되면서 고체 절연물

질 개발이 가속화

(사) XLPE 케이블 : 주거지나 공장, 상업적인 장소로의 지중배전에 흔하게 쓰임

(아) 케이블변압기와 Powerformer에 XLPE 사용(금속스크린이나 쉬스불필요)

• 고전압 권선 케이불은 도체, 내부반도전층, 고체 절연물질, 외부반도전층으로 구

성

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• 외부반도전층 저항 범위

- 너무 높은 값은 반도전층 표면에서 높은 포텐셜을 유발

- 너무 낮은 값은 반도전층에서의 손실 증가

- 케이블변압기의 경우, 케이블 외부반도전층의 저항은 약 40Ω-cm

(5) 새 가능성

고전압 케이블 기술과 변압기 기술의 결합은 기존 변압기나 발전기의 전통적인 기

능을 제공할 뿐만 아니라 새로운 형태나 응용에 대한 가능성도 제시한다. 환경 공

해를 줄이는 면과 새로운 기능면, 시스템의 손실 저감면의 가능성은 이 개념 안에

있다.

요소 면에서 볼 때, 냉각재 및 절연재로서의 변압기 오일 사용을 제거할 수 있다.

기름유출과 폭발의 위험성이 최소화된, 절연유가 없는 변압기는 이론적으로 400kV

까지 가능하다. 또한, 변압기 전체를 구성하는 하부 요소들의 기능이 분리된 결과로

서 새로운 가능성이 제시되었다. 예로서 기존 변압기에서 절연 시스템의 유전강도

와 권선의 기계적강도, 그리고 열 한도가 모두 내부적으로 의존적이다. 새로운 기술

에서는 변압기의 기본 기능이 독립적으로 최적화되었다.

이 개념은 오는 21세기에도 중심 이슈로 자리 잡을 것이다. 자연자원이 제한되어

있고, 행성 지구가 견딜 수 있는 자원의 남용에도 한계가 있다는 관점에서 제조사

와 사용자는 구형 기기들이 교체되고 새로운 장비들이 건설되는 것처럼 이러한 요

인들이 자리 잡을 수 있도록 잘 반영해야 한다. 이러한 관점에서 케이블변압기는

오일 유출의 위험성이 없고, 폭발에 대한 위험이 최소화되고, 향상된 개량 가능성이

제시되었다.

- 33 -

그림 2-13 일반 고정자 바와 권선케이블 도체 표면의 전계분포

위와 같이 더 많은 확실한 장점에도 불구하고, 케이블 절연시스템 기술은 변압기와

발전기 설계에서 역사적으로 제기되었던 기본 원리에 대한 오류를 수정하고 있다.

그림 2-13는 Powerformer의 케이블 도체 주위의 전계와 기존 발전기의 직사각형

도체 바의 전계를 보여주고 있다.

그림 2-13로부터

① 케이블 절연의 운전 전계 강도는 훨씬 높다. 운모와 에폭시에 기반을 둔 기존

코일의 절연에서는 그런 높은 전계를 얻을 수 없다.

② 케이블 권선은 도체 표면을 따라 전계가 균등하게 한다. 따라서 케이블의 절연

은 다 사용되고 있다.

기존 변압기의 절연 시스템을 고려하여 비슷한 형태가 만들어졌다. 철심 창구

(window) 내에 최대한의 도체면적을 갖도록 직사각형 도체를 사용한 원통형 권선

에 대한 최초 특허권은 버려지게 되었다. 이것은 전압 상승에 따른 기기 내부의 부

분 방전 문제를 일으키기 때문이다.

- 34 -

(6) 결론

근래에 가스 절연은 특별한 응용분야에 사용되었다. 그러나 SF6배 가스는 최근 심

한 지구온난화를 유발하는 가스로 알려지고, 이 때문에 환경공해를 줄이는 연구가

탄력을 받게 되었다. 오늘날, SF6 가스의 재활용에 더더욱 관심이 모아 지고 있다.

그동안 GIL과 GIT 같은 가스절연 시스템에서 10~20% SF6/N2 혼합가스가 사용되

어졌다. 또한, 궁극적으로 SF6를 사용하지 않는 N2나 공기/화합물 절연시스템 같은

하이브리드 절연이 장기간 과제로서 연구되고 있다.

케이블 권선 절연은 1998년 소개되어 새로운 형태의 발전기 변압기인

Powerformer와 변압기 케이블변압기에 사용되었다. 새로운 형태의 고전압 발전기

와 변압기는 고효율, 긴 수명의 특징을 가지고 환경공해가 적다. 이러한 새로운 개

념에서의 발전은 지금까지 1세기의 기술보다도 더욱 빠른 발전을 할 것 이다.

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다. High and Dry 논문

발전소는 주로 소비자로부터 멀리 떨어져 있는데, 긴 송진선로 때문에 손실을 줄이

기 위한 고전압 시스템이 필요하다. 그러나 전력선이 소비자에게 가까워지면, 안전

과 실용적인 면 때문에 낮은 전압으로 하게 된다, 발전소와 소비자 사이에 보통

4~5개 단계의 변압기가 투입된다. 변압기는 자동차의 기이박스에 비교될 수 있다.

토크는 전압에 속도는 전류에 해당한다. 각각의 기어는 치의 개수가 다른데, 변압기

로 보면 각각의 권선이 다른 수의 턴을 가지고 있는 것 과 같다.[2]

일반적인 전력 변압기에서는 철심과 오일/셀룰로스지로 절연된 권선, 권선 아래위

로 있는 프레스보드 판을 볼 수 있다. 권선을 둘러싸고 있는 것은 방열기와 냉각을

위한 팬, 부싱 등을 포함한 탱크이다. 철심과 권선 사이에는 절연유가 유입되어 있

고, 오일FIT(절연유 유출시 모아두는 그릇)은 변압기 하부에 위치하고 있다.

절연유(mineral oil)는 냉각 매체 및 좋은 전기 절연 재료로서의 기능을 제공 한다.

한 개의 가격으로 두 개의 기능을 한다는 점에서 설계시 높은 매력을 가질 수 있지

만 잘못된 가정이다. 사실, 냉각과 절연 기능의 상호접속은(미분 방정식의 결합형태

로 표현된) 본래부터 최적설계가 매우 어렵다. 절연유 방식은 지난 100년 전 처음

으로 변압기에 사용되어왔다. 당시 20kV 이상의 변압기에 필요했다. 90년이 훨씬

지난 지금, 절연유는 여전히 전력용 변압기에 사용되고 있으며, 그 기술은 1000kV,

1000MVA급의 정격까지 확대되었다.

비록 전벽변압기에서 절연유 방식이 근간을 이룬다고 해도, 절연재로서 SF6 가스를

사용하는 건식 변압기도 생산되고 있다. 가스 절연 변압기는 부분적으로 아시아권

에서 시장이 형성되어 있는데, 높은 땅값으로 인해 SF6 가스를 사용한 콤팩트한 설

계가 호응을 얻게 되었으며, 높은 인구밀도 때문에 절연유를 사용한 변압기는 유해

한 것으로 생각되었다. 그러나, 불행하게도 SF6 가스는 온실효과를 초래하는 가스

이다.

SF6 가스 변압기의 전압 정격은 275kV까지 가능하다. 대체적으로 에폭시 수지와

유리섬유 절연시스템에 기반을 둔 건식 설계 역시 사용 가능하지만, 36kV전압 정격

을 가지는 설계에서 3kV/mm이하의 내부 전계강도를 유지해야 할 필요가 있다.

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(1) 신제품

1999년 말 까지 ABB社는 새로운 형태의 전력용 건식 변압기를 생산했는데, 이것은

변압기 권선의 절연에서 절연유/절연지 대신에 고전압 XLPE 케이블을 사용한 것이

다.

케이블변압기는 사용자나 환경 둘 다에 상당한 이점을 가진다. 절연유를 사용하지

않기 때문에 토양이나 지하수 오염의 우려가 없으며, 폭발 위험도 최소화 된다. 그

결과 호수나 강, 지하, 인구 밀집 지역 어디든지 설치가 가능하다.

현제 설치되어 있는 전력 변압기의 대다수가 절연 및 냉각 방식으로 절연유 방식을

사용하고 있는데, 케이블변압기의 잠재 수요는 현재의 절연유 변압기와 절연 용량

과 냉각 용량에 대한 비교를 통해 결정될 것으로 판단된다.

(2) 절연

(가) 절연유 방식 변압기

• 절연지/절연판/절연유 방식의 절연 시스템은 정격부하에서 낮은 전압 스트레스

• 부하의 순간적인 초고전압이나 차단기 스위칭 시의 고전압에 노출

- 턴과 턴/ 권선과 권선의 절연시 이러한 스위칭 동작 영향을 고려

- 설계시 제조 방법이나 크기를 고려

- 권선 배치의 정확도와 권선 내부의 청결도 : 권선 내부의 전기적 강도 결정에 영

향

• 덕트 형태의 절연

- 권선이 코어와 탱크, 각 상 사이의 전기적 스트레스를 견딜 수 있도록 설계 단계

에서 덕트의 형태 고려

- 냉각기능 : 권선을 따라 절연유를 흐르게 한다.

- 큰 덕트는 얇은 프레스 보드를 장치한 작은 덕트로 나눠진다.

• 절연 시스템 내부의 뾰족한 모서리 부분 및 불규칙한 형태를 피함으로써 전기적

강도 향상

→ 뾰족한 부분은 둥글게

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→ 이것만으로는 충분하지 못하기 때문에 모서리 부분은 차폐링으로 보호

• 절연유/절연지 절연 시스템은 철저한 건조 과정을 거친 후에야 좋은 유전 특성을

가질 수 있었다.

- 자연 상태의 종이와 프레스보드는 대체로 5~10%의 습기 함유

- 건식 과정은 고온(130℃) 진공상태를 이용하여 0.5%이하로 습기 제거

- 건식 처리 후에 핵심 파트(철심, 권선, 클리트, 리드) 등이 진공상태에서 탱크 속

에서 조립

→ 건식 및 조립 공정이 끝난 후 정격 부하에 대한 테스트 가능

(나) 케이블변압기

• 전계는 XLPE 케이블 안에 대부분 집중, 케이블 표면은 접지

• 모든 형태의 전기적 스트레스에 대처하기 위한 절연 시스템이 간단하고도 신뢰성

있게 설계됨.

• 케이블의 절연 특성을 그대로 가진다.

→ 절연 시스템의 테스트가 변압기 조립 공정 전에 이미 끝났음을 의미

(3) 냉각

(가)절연유 변압기

• 변압기의 손실은 철심과 권선에 집중 → 소스로부터 전달된 상당량의 열 형태

• 절연유 형태 전력 변압기 : 절연유와 절연지를 통한 열전도도의 적정 수준을 보

장하는 것이 중요

- 두꺼운 절연지를 사용한 경우 : 높은 열 과부하와 부분적 열점은 가스 발생을 유

발, 최후에는 절연 파괴.

• 외부 방열기 : 뜨거워진 절연유를 탱크 윗부분에서 냉각하여 아랫부분으로 순환.

→ 절연유가 온도에 따라 점성이 다른 점과 냉각 덕트를 통해 흐르는 절연유의 관

성에 근거

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• 절연유 변압기의 가장 불리한 점은 절연과 냉각 사이의 관계를 뗄 수 없다는 것

이다.

- 절연유는 절연과 냉각 두 가지 기능

- 절연성능을 향상시키려고 해도 냉각이나 다른 문제 때문에 제한됨.

• 절연유 변압기의 열점에 의한 권선온도의 상승 제한

(나) 케이블변압기

• 절연과 냉각이 연결되어 있지 않으며, 따라서 한 쪽 성능 향상에 대한 제약이 크

지 않음.

→ 케이블변압기의 냉각 매체로는 공기가 될 수 있고, 물이 될 수도 있다.

ex) 공랭식 케이블변압기의 경우, 공기와 XLPE 절연 사이에 최소 열전도도 수준을

유지하는 것이 중요

• 공기는 변압기 바닥으로부터 압력을 받아, 권선을 따라 상승. 밖으로 배출된다.

(공기 흡입형, 공기 배출형)

• 케이블변압기 권선의 온도는 맨 위쪽 케이블의 PT100Ω 센서를 통해 측정

→ 직접측정 방식이기 때문에 절연유 변압기에 비해 팬 속도 조절 등이 더욱 정확

하고, 안전한 온도범위에서 제어가 가능

- 39 -

그림 2-14 팬을 사용한 케이블 변압기 강제 냉각

(4) 제작치수

• 현재의 케이블변압기는 기존 절연유 변압기보다 설계상 부피가 크지만 일반적으

로 바닥 면적은 비슷하며, 제작 시간은 더 적다.

• 설계와 조립에 있어서의 유연성 크기 때문에 이전에는 자유롭지 못했던 사용자의

요구에 맞는 크기나 면적을 고려하여 설계될 수 있다.

• 설치 공간에서 직접 조립 가능하므로 운송이 간편

• 변압기의 중성점(star-neutral connection)이 직접 또는 간접적으로 접지

→ 중성점 끝의 절연 계급은 단자 끝보다도 낮으므로 권선의 두께가 길이마다 다

름.

→ 충분히 큰 크기의 케이블을 사용했을 때 효과적이며 철심과 권선의 부피 최적화

정도가 뛰어남

※ 절연유 변압기 : 턴이나 레이어 사이의 전계 스트레스는 턴당 전압의 근사와 관

련이 있으므로 권선의 두께는 일정해야 하고 총 길이에 제한.

- 40 -

(5) 단락회로 임피던스

• 케이블변압기의 큰 장점 중의 하나는 고유의 낮은 단락회로 임피던스

(필요시 쉽게 증가시킬 수 있음)

• 단락회로 임피던스 용량은 접지된 케이블 바깥 표면적에 기인

→ 저전압/고전압측 권선은 매우 근접한 상태로 배치될 수 있음

(저전압측 권선은 고전압 권선층 사이에 같이 섞일 수 있음)

(6) 손실

• 현재의 케이블변압기는 기존 변압기보다 무부하 손실이 높다고는 해도 총 손실은

(무부하+부하) 적다.

• 자속밀도와 전류밀도는 기존 변압기의 수치 범위 내에 있다.

(7) 과도현상

• 전력계통이 직격뇌를 맞았을 때 순시 고주파, 고전압이 변압기 상단이나 케이블

에 전달

→ 설치된 전기 설비에 영향 (기존 변압기와 같이 피뢰기를 사용)

• 기존 변압기에서 순시 과전압은 디스크형 권선을 사용해야 함

• 케이블변압기 권선은 디스크형 권선이 아니라도 고른 분포를 얻을 수 있음.

(8) 단락희로 현상

• 케이블 바깥 표면이 접지

- 권선 내부에 비자성 강철 사용 가능

• 단락 발생시 일어날 수 있는 측방향 인장력에 대하여 기계적으로 지탱 가능

• 강철로드는 권선 양 끝에 반경 방향 섬유유리 빔으로 지탱하며 나사로 고정

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• 섬유 유리 실린더는 철심에 대해 지탱하며 이것은 철심과 (에폭시 수지로 채워진)

실린더 사이의 공간에 존재하는 반경 방향의 누르는 힘을 전달한다.

그림 2-15 케이블 권선의 단면도

(9) 소음

• 모든 변압기에서처럼 케이블변압기에서도 철심과 냉각 장비로부터 소음 발생

• 철심에 의한 소음은 자기변형(자기에 의한 신축)에 의한 진동이 원인

• 기존 변압기에서 소음은 절연유와 철심을 통해 쉽게 외부 탱크로 전달

• 케이블변압기의 경우 절연유에 비해 공기의 낮은 음향 전도도 때문에 상대적으로

작음

• 소음이 생기는 가장 큰 원인은 냉각팬 시스템 때문인데 노이즈 감소 튜브를 사용

하면 쉽게 감소

• 건식 변압기는 25MVA의 경우 50dB(A)까지, 150MVA의 경우 70dB(A)까지 소음

이 감소함.

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(10) 장점

케이블변압기는 기존 변압기에서는 실현할 수 없었던 장점을 가진다.

• 화재와 폭발위험의 감소, 화제진압 기구의 필요성 감소

• 토양오염에 대한 위험 감소, 수명 비용 감소

• 총 손실 감소, 주어진 에너지에 대해 전체적으로 높은 시스템 효율과 대기중으로

의 방출 감소

• 설치 위치에 따른 제약 감소, 최종 부하단 근처에 설치가 가능하고 배전 시스템

에서의 실질적인 손실 감소

• 변전소 건설비용 감소, 케이블변압기는 오일PIT(유입변압기 폭발시 변압기 분출

OIL 집유조)이 필요없음.

그 설치공간의 필요성을 제거,

• 간단한 설계와 적어진 부품 요소는 제작 시간을 단축시키고 설치를 빠르게 할 수

있게 함.

• 사전에 테스트되고 신뢰성이 보장된 요소들을 적용하여, 시스템 신뢰도를 높임.

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라. 케이블변압기 권선 열회로 모델 연구

(1) 개요

여기서는 케이블 변압기 코일에 대해서 유한요소 방정식을 사용하여 온도 분포 및

유체 흐름을 유도해낸다. 여기에 근거하여 분포 정수를 가진 열 회로 모델이 만들

어졌다. 다양한 부하에 대하여 이 모델을 사용하면 열 분포를 알 수 있다. 마지막으

로 이 모델은 계산 결과와 실험 결과의 비교를 통해 타당성이 검증되었다. 이 연구

를 통하여 케이블 변압기의 온도특성에 관한 연구의 길이 열렸다.[5]

(2) 서론

(가) XLPE 케이블로 만들어진 새로운 형태의 건식변압기 : 오일 변압기의 절연 오

일과 오일탱크 제거

(나) 방열 문제는 전통적인 오일 변압기보다 못하다.

• 변압기 코일의 기계적 강도와 절연 노화 비율, 그리고 절연 수명 등이 영향

• 케이블 변압기의 열 발생 및 방열에 대한 연구로서 내부 열 분포를 잡는 것은 매

우 중요

(다) 오일 변압기의 온도 상승 계산식 : 많은 실험 데이터에 의한 실험식

(라) 케이블 변압기의 실험식 : 실험적 데이터가 부족으로 얻을 수 없음

(마) 케이블 변압기 코일의 열 분포와 가스 유동 상태

• 코일의 열계와 유동계 유한요소 방정식 : 유체역학 및 열전달 메커니즘에 기반

→ 시간이 많이 들고 실험이 동반되지 못함

• 분포정수에 의한 열 회로 : 유한요소 방법에 근거

- 44 -

(3) 코일의 FE 모델 및 계산

(가) 코일의 모델

• 모델의 중간은 반경 400mm 에폭시 튜브

• 축방향 레이어 당 46턴의 코일

• radial 방향으로 14개의 레이어

• 레이어간 10mm 이격 → 방열공간

(나) 모델의 유한요소

• 열계와 유동계는 축방향 대칭 → 2차원 유한요소 모델

• 경계 1은 축대칭이고 경계 2~4는 멀리 떨어진 경계

그림 2-16 코일 온도장의 FE 모델

• 영역별 유한요소의 세분화 → 정밀도, 효율 향상

- 한 레이어를 중심으로 가스가 흐르는 안쪽 및 바깥쪽의 이웃한 면

→ 유동 레이어의 영향을 정밀하게 고려하여 세분화

→ 영역 A1은 세분화하고, A2~A5 영역은 세분화하지 않아도 됨

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(4) 차분방정식 및 경계조건

(가) 열원 : 직접적인 열저항 손실, 코어의 와전류손

(나) 열전달

• 코일의 방열에 의한 열전달

• 전력 케이블과 에폭시 튜브로부터 외부로의 대류에 의한 열전달

→ 온도계와 유동계의 연립방정식 요구

(다) 전제조건

① XLPE의 물리적 특성과 외부 반도체는 불변

② 코일에서 먼 공기의 온도는 일정

③ 코일이 감겨있는 코어는 고르게 열을 방촐

④ 밀도를 제외한 공기의 물리적 특성은 불변

(라) 공기의 온도와 속도 : 유체전달, 운동량 전달, 에너지 전달에 지배 이것은 다

음 유체미분방정식으로 표현된다.(연속 방정식)

x축 방향 운동 미분방정식은

y축 방향 운동 미분방정식은

에너지 미분방정식은

u1 v : 단위 공기량 p에 대한 x측과 y축 방향의 속도성분

p : 공기밀도

cp : 비열

λ@@ : 동기 전도인자

- 46 -

t : 단위 공기량의 온도

p : 단위 공기량의 압력강도

Fx@@ Fy : 단위 공기량이 적용된 힘의 요소

μ : 절대점도이다.

경계조건은 식 2-13~식 2-18에 나타나있다.

식 2-13~식 2-15는 경계 경계조건이다. ta는 코일로부터 먼 영역의 온도, λ2는

XLPE의 전도인자, q는 코일이 감긴 코어의 열 발생비, ε1은 코일의 blackness 이

다.

식 2-16~식 2-10은 유동계의 조건이다. u0는 대층축의 x축 방향 속도성분이고, p0

는 출구부 압력,

u, v는 단위공기량의 x, y축 속도성분이다.

(5) 계산 결과

경계조건이 이상화되었다. 이것은 식 2-9~식2-12로부터 변문 문제로 대체된다. 코

일의 전체 온도계의 분포가 그림 2-18에 나와 있다.

그림 2-18의 밝기는 온도를 나타낸다. 단위는 K이다.

전체 코일의 온도분포는 균일하지 않으며, 가장 온도가 높은 부분은 전체 코일의

윗부분이다.

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그림 2-17 코일의 온도분포

(6) 코일의 열회로 모델

(가) 코일의 열특성 : 자연상태의 열유동계의 문제

(나) 열유동에 있어서 모든 물리량은 직류전류계의 물리량에 상당

→ 열 회로모델은 전류계를 분석하는 방법으로 해석 가능

• 전위 : 온도

• 전류 : 열흐름

• 저항 : 열저항

(7) 단일 케이블의 열회로 모델

(가) 케이블의 열원은 일정한 열흐름원 I이고, 열흐름의 양은 다음과 같다.

p는 열발생비, V는 케이블 코일이 감긴 코어의 용량이다.

(나) 코어에서 외부 표면까지의 열전도도는 고정 열저항 Rs로 말할 수 있다.

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pT는 XLPE의 열저항 계수, ι은 케이블의 길이, Ri는 케이블 외경,

rc는 케이블 내경이다.

(다) 케이블로부터 외부 공간으로의 열복사 저항은 가변 열저항이라 부른다.

ε은 코일의 blackness, C0는 복사 인자, Ti는 외부 표면의 절대온도, S는 의부 표

면의 복사면적

(라) 케이블로부터 가스경로로의 대류 열저항은 가변 열저항이라 부른다.

이 값은 많은 인자에 의해 영향을 받고 결과는 계산 가능하다. 그림 2-18에 나타

나있다.

T1, T2는 케이블 외부표면의 온도이며, 각 잔류가스경로의 중간지점 온도에 해당한

다. Q1은 케이블 외부 표면으로부터 잔류가스 경로로의 열 발산 용량의 합이다.

이러한 방법에서 RC2, Rk1 Rk2가 얻어진다.

접촉 면적이 작기 때문에 이 열지항은 RS, RC1 RC2보다 매우 크다.

종합하면, 단상 케이블의 열회로 모델이 그림 2-19과 같이 된다.

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그림 2-18 대류저항의 계산 그림 2-19 케이블의 열회로 모델

(8) 가스경로의 열회로 모델

(가) 가스 경로상의 열저항 고려(Rq1, Rq2) : 대류 열지항의 계산과 유사

→ 온도와 열유동의 비

(나) 전체 코일의 열회로 모델 : 단상 케이블 열회로 모델과 가스경로를 결합

(다) 전체 모델 : 두 개의 케이블과 그 사이 가스경로의 열회로 모델로 구성(그림

2-20)

• 각 케이블의 RC1, RC2 결합

• Rq1, Rq2 : 부하전류의 변화와 가스 흐름에 의해 직접적으로 영향

※ 정확한 온도분포를 얻기 위해 열저항은 인자들의 변화에 의해 수정

① 부하전류 변화의 특정한 범위

② 이 범위 내에서 몇 개의 동작점이 선택되는데, 각각 다른 부하전류 상태의 열회

로 모델을 유한요소법으로 해석

③ 부하전류로 인한 변화곡선은 모든 동작점의 대류 열저항과 가스경로의 열저항을

일치시킴으로써 얻어짐

④ 특정 부하전류는 특성곡선에 의해 모든 점의 대류 열저항과 가스경로의 열저항

을 계산하고, 이 부하전류 상태의 열회로 모델을 만든다.

- 50 -

그림 2-20 권선의 열회로 모델셀

(9) 결과비교

(가) 열저항 모델의 계산 결과 입증 → 온도센서 설치 : 코일의 온도상승 측정

(나) 센서의 위치(그림 2-21) → 각 위치의 순시온도 측정

• 어두운 색 부분에 있는 1번은 코일의 가장 안쪽을 의미 / 틈 사이의 7번은 일곱

번째 센서를 의미

• 3~6의 샘플링 포인트는 에폭시 튜브의 1/3 지점

• 7~10의 샘플링 포인트는 에폭시 튜브의 2/3 지점

• 1~2는 에폭시 튜브의 1/2 지점

※ 10개의 순시 온도점의 변화가 0.2K 이하일 때, 복사는 열발생의 균형을 이루고

온도분포는 시간에 대해 변하지 않는다고 할 수 있다.

시험 결과와 계산 결과, 열회로 모델을 시뮬레이션 한 결과를 비교한 것이 표 2-3

에 나와 있다.

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그림 2-21 센서의 위치

그림 2-22 측정치(1), FEM해석치(2), 열회로 해석치(3) 비교

→ 이 결과는 유한요소법과 열저항 모델 방법이 정확함을 입증한다.

(10) 결론

유한요소법으로 얻어진 온도분포에 근거하여 분포정수의 열회로 모델이 만들어졌

다. 이 방법은 제반 문제들을 쉽게 한다.

- 52 -

2. 특허 조사 및 회피 방안 연구

가. 특허분석(ABB社)

그림 2-23 특허의 구성요소

특허의 구성요소 : Core(A)+저압권선(B)+고압권선(C)

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표 2-3 특허 청구항

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나. 특허 회피방안

케이블변압기 관련 ABB社에서는 "Dryformer" 라는 상표명으로 케이블변압기에 대

해 특허를 출원해 놓은 상태로서, ABB社 특허구성 내용에 대한 검토 결과, 다음과

같은 방법으로 특허 회피가 가능하다고 판단됨.

※ 특허 회피방안 : 저압권선의 mold type 적용

ABB社의 Dryformer 는 "코어-저압 케이블권선-고압 케이블권선" 의 구성에 대해

특허를 출원한 것으로서, 이와 같이 제시된 구성을 피하기 위해 저압권선용으로 케

이블 대신 몰드형 권선을 사용하도록 한다. 이러한 변경된 구성의 케이블변압기 제

작 가능성에 대한 검토는 1차년도에 완료하였으며, 2차년도에는 설계, 제작을 위한

상세 검토를 거쳐 시작품 제작시 반영하고자 한다.

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제 3 장 케이블 변압기 설계

제 1 절 케이블 권선 설계

1. 케이블 전선 특성 연구

가. 케이블 권선용 전선의 특징

케이블 변압기에 사용될 케이블 전선은 일반 송전케이블과 달리 최 외부층이 외부

반도전층이다. 이는 기존 송전케이블의 경우에는 자기적 차폐를 위한 차폐층이 존

재하였으나, 케이블 변압기의 경우에는 이러한 차폐층이 새로운 권선으로서의 역할

을 하기 때문에 불필요하게 된다.

따라서, 기존 케이블에서 평등전계를 구성하기 위한 외부 반도전층은 케이블 권선

의 경우에는 아래와 같은 이유로 중요하다.

첫째, 케이블 변압기는 전신끼리 서로 인접하여 선 접촉하는 형상을 가지게 된다.

이럴 경우는 일반 변압기 권선의 경우 턴 간 단락현상으로 간주되며, 따라서 큰 사

고로 이어질 수 있다. 따라서, 케이블 변압기의 경우에도 턴 간 단락 현상이 발생되

지 않기 위해서는 단락전류를 억제할만한 충분한 저항을 외부 반도전층이 가져야

한다.

둘째, 외부 자속에 의한 와전류손이 발생되지 않을 만큼의 충분한 저항을 가져야

한다.

셋째, 권선으로 사용되는 전선은 고전압이 인가됨에 따라 절연내력을 가져야 한다.

일반적으로 케이블은 XLPE가 절연부분을 감당하게 된다. 그러나, 권선의 경우 수십

턴이 구성됨에 따라 턴 중간에서 발생되는 전압을 알 수 없으므로 이러한 문제점을

해결하기 위해서는 케이블 권선 전체를 접지하여야 한다. 케이블 권선 표면이 접지

는 외측 반도전층이 접지되게 된다. 따라서, 모든 턴에서 동일하게 접지되기 위해서

는 외부 반도전층의 저항이 낮아야 하나 그럴 경우 턴 단락등의 문제가 발생하므로

저항율의 선택이 매우 중요하다.

또한 접지 전류가 흐르지 않게 하기 위한 접지 도체의 선택도 고려해야 한다.

즉, 외부반도전층은 권선의 턴 단락, 외부 자장에 의한 와전류가 발생되지 않을 만

큼의 큰 저항이어야 하며, 또한 모든 권선이 접지를 이룰 수 있는 저항이어야 한다.

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나. 케이블 사양

(1) 케이블 종류

일반적인 23kV급 XLPE케이블의 종류는 다음과 같다.

표 3-1 23kV급 XLPE케이블 종류

- 57 -

케이블변압기용 권선으로 사용될 케이블의 구조는 도체-내부반도전층-XLPE절연-

외부반도전층이므로, 위의 여러 가지 종류의 케이블 중 어느 것을 선정하여도 외부

반도전층까지는 동일한 구조가 된다. 따라서 제조사 및 제조의 용이성 등을 고려하

여 적절한 케이블을 선정하는 것이 중요하다 하겠다.

금번 시작품 케이블변압기 고압(22.9kV) 권선용 케이블로는 CN/CV-W를 선정하였

으며, 이때 적용 가능한 케이블의 도체사이즈는 표 3-2와 같다.

* 시작품 변압기는 용량이 1000kVA로서 도체 공칭단면적이 최소 Size인 38㎟면 가

능하나 국내 케이블 제작사의 제조가능 도체 단면적이 최소 60㎟ 이므로 이를 따르

기로 했다.

표 3-2 케이블 도체의 사이즈

- 58 -

(2) 허용곡률반경

관련 규격에 제시된 케이블 사이즈별 최소 허용곡률반경은 다음과 같다. 케이블을

철심 주위에 감는 방식으로 변압기가 제작되므로, 케이블 선정시 철심 직경, 저압권

선 직경 등을 고려, 케이블이 충분한 곡률반경을 갖고 있는지 검토해야 한다.

표 3-3 저압케이블

표 3-4 고압케이블

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다. 케이블변압기용 케이블 제조 가능 회사

본 과제에서 필요로 하는 케이블은 상용생산품이 아니라 상용 생산품과는 구성이

다른 주문 제작품이다. 따라서 본 케이블의 제조 및 납품이 가능한 제조사를 찾고,

제조사와 제품에 대한 지속적인 기술 협력을 유지할 수 있도록 적절한 케이블 제조

사를 선정하는 것이 중요하다.

이에 따라, 1차적으로 국내의 케이블 제조업체(약 100개사)를 파악하고, 그 중 연

구개발 능력이 있는 10여개 업체를 선정, 각 업체와의 개별 접촉을 통해 본 과제에

요구되는 케이블의 제조가능성에 대해 협의를 진행하였으며, 최종적으로 본 케이블

개발에 대해 가장 적극적이었던 대한 전선을 케이블 제조업체로 선정하였다.

라. 케이블 사양 선정

(1) 케이블변압기용 케이블 특성

(가) 도체

도체는 구리(Annealed Copper) 또는 알루미늄(Aluminium)의 소선을 꼰 형태로 크

게 원형(Concentric) 연선, 원형압축(Compact Circular) 연선, 분할압축

(Segmental Compact Circular) 연선으로 구분된다. 본 과제에 사용될 케이블변압

기 권선용 케이블 도체는 구리 소선을 꼰 원형 연선이다.

(나) 내부반도전층(Conductor Screen)

내부반도전층은 도체 외부의 전계를 균일하게 하여 전기적 Stress를 최소화할 목적

으로 사용된다.

(다) 절연체

절연체 재료는 압출 가교 폴리에틸렌으로 내부반도전층, 절연체층, 외부반도 전층간

의 밀착 및 공극(Void)방지를 위해 동시에 하나의 공정에서 압출하는 방법을 채택

하고 있으며, 압출 공정은 엄격히 통제된 환경조건하에 수행된다.

- 60 -

(라) 외부반도전층

외부반도전층은 절연체 표면의 이온화 가능성울 최소화하기 위하여 반도전

Compound를 압출하여 형성시킨다.

(2) 케이블권선에 요구되는 특성

① 기중절연방식으로 이웃한 철심의 온도 등에 견딜 수 있는 내열성을 구비 할 것.

② 단락사고시 발생하는 전자기계력에 의하여 권선의 내외측과 상하로 막대한 단락

기계력이 작용하는 바, 이에 견딜 수 있는 구조일 것.

③ 국부과열에 견딜 수 있는 냉각통로를 확보해야 하며, 국부과열 부위의 온도 상

승에 견딜 수 있는 절연 Class의 소재일 것.

④ 케이블 최외층은 접지하여, 전체 절연내력은 XLPE층에서 담당하는 구조로 함.

⑤ 굴곡특성이 우수하고 열적인 스트레스에서도 경년열화가 최소화 되도록 절연 및

반도전 재료를 선정할 것.

(3) 케이블권선의 절연설계

케이블권선의 케이블 최외측은 반도전층(semi-conductive screen)이고 매 턴마다

접지가 된다. 따라서 케이블 내에만 전계가 형성이 되므로, 권선간 절연 및 대지간

절연은 고려할 필요가 없다.

변압기 권선에 이상전압이 인가될 때 유기되는 전압은 권선 부위(layer, section)마

다 다른데, 원칙적으로 권선부위별 유기전압에 맞춰 케이블의 절연 두께를 달리하

는 것이 변압기의 소형화에 유리하나, 현실적으로 이러한 케이블의 제작이 곤란하

므로 시작품 변압기용 케이블의 절연두께는 전체적으로 권선의 최고 유기전압에 견

딜 수 있도록 했다,

(4) 케이블변압기용 케이블 사양

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본 과제로 개발할 시작품용 케이블변압기 권선의 사양은 다음과 같다. 본 조건을

만족하는 케이블은 현재 시판중인 사양이 아니므로, 시판 및 상용생산중인 케이블

중 적절한 사양을 갖는 케이블을 선정해야 한다.

표 3-5 케이블사양

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라. 케이블 특성 비교

ABB社에서 개발한 케이블변압기용 케이블과 당사 개발품에 적용할 대한전선 케이

블의 특성은 다음과 같다.

표 3-6 케이블 특성 비교

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(2) 케이블 변압기용 케이블 특성치

본 연구에 사용될 케이블 22.9kV CNCV-W 60㎟이며, 특성은 표3-5 와 같다.

표 3-7 케이블 전선 특성

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2. 케이블 권선 설계

가. 권선 기본 설계 기준

권선 설계 Procedure별 주요 고려 사항은 다음과 같다

(1). 적정 V/T(Volt per Turn) 선정

V/T은 변압기 권선 한 턴당 걸리는 전압으로 변압기 제반특성 및 철심량과 케이블

양의 비율을 결정짓는 매우 중요한 Factor라 할 수 있다. V/T을 어떻게 선정하는지

에 따라 변압기의 모든 특성이 달라지기 때문에 변압기 형식 및 전압 용량 등에 따

라 적절한 V/T을 선정하는 것이 설계의 첫 단계에서 중점적으로 고려할 사항이다.

본 시작품용 변압기 권선의 경우에는 케이블 도체의 사용량을 줄이기 위해 V/T이

일반 유입변압기에 비해 상당히 커야하나, V/T에 비해 2차전압(220V)이 낮은 편이

어서 V/T 조정의 폭이 어느 정도 제약을 받게 된다.

실제 2차 전압이 220V이므로 V/T은 44, 55, 73.4, 110 등으로 선정할 수 있으나,

케이블 사용량의 저감을 위해 V/T을 110 정도로 할 경우 2차 권선의 권수가 겨우

2턴에 불과한 변압기가 되어 특성치 오차가 커질 우려가 있다. V/T의 선정에는 이

외에도 임피던스 및 철손, 동손 특성 등을 고려해야 한다.

(2) Turn 수 결정

1, 2차전압은 사양서 상에 제시되는데, 이와 같이 정해진 전압을 기준으로 몇 턴을

감을 것인지는 사양서 상에서 요구하는 임피던스 특성과 기계력 구조, 손실 등을

만족하는 수준에서 V/T의 고려와 함께 선정되어야 한다.

(3) 변압비 오차 체크

2차전압을 기준으로 계산된 턴수를 정수화하여 1차 전압을 계산하고, 정격1차전압

과 비교하여 변압비를 계산한다. 변압비 허용오차는 대부분의 변압기 규격에서

±0.5%로 하고 있다.

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(4) 도체 단면적 및 병렬 도체수 선정

사양서에 1,2차 전압과 용량이 제시되면, 각 권선에 해당하는 허용전류가 계산된다.

설계자는 동손(load loss) 및 임피던스 등을 고려하여 적절한 도체 단면적 및 병렬

도체수를 선정해야 한다.

나. 저압 권선 설계

본 연구에서 설계되어진 22.9kV 1MVA 케이블 변압기는 저압측은 몰드 권선 형태

이며, 고압권선은 케이블 권선 형태이다.

저압권선의 정격전압은 220V 이며, 정격전류는 4545.45A로써, 전류가 매우 큰 권

선으로 전류에 의한 자기적 영향 및 온도 부분의 고려가 중요하다.

저압권선을 몰드 형태의 권선으로 제작한 것은 몰드 권선은 건식변압기로써 몰드

수지로 큰 기계력을 확보할 수 있으며, 대용량의 전류에 대해 안전성을 확보할 수

있기 때문이다. 또한, 기존 개발된 저압측이 케이블인 변압기와는 달리 저압권선을

몰드 형태로 함으로써 새로운 형태의 변압기에 대해 검토코자 한다.

고압권선으로 사용될 도체는 60㎟로써 고압 권선의 전류밀도는 0.728A/㎟이다.

본 연구의 저압 권선은 Sheet권선 형태이며, 2개 병렬 구조로 설계하였다.

총 턴 수는 4턴이며, Sheet 치수는 2t×1,300mm로써, 2병렬 이므로, 정격전류시

전류밀도는 0.874A/㎟ 로써 고압권선과 유사한 전류밀도를 갖게 하였다. 이는 온도

상승시험시 케이블 고압 권선의 온도상승 부분을 확인하기 위함이다.

전류 인출 리드는 동부스바를 사용하였으며, 그림3-1 에 저압권선의 설계 치수를

나타낸다.

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그림 3-1 저압권선 설계

그림 3-1과 같이 2병렬 구조이며, 사이에는 냉각 덕트를 구성하게 된다. 리드는

Sheet전선 전체와 용접되게 된다.

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그림 3-2 몰드 저압권선 설계

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다. 고압 권선 설계

케이블 고압권선의 정격전압은 22.900V 이며, 정격전류는 43.67A로이다. 사용 전

선은 60㎟의 일반적인 케이블 전선이다.

권선 방식은 레이어 방식이며, 1 레이이당 턴 수는 변압기 크기와, 저압권선 높이

를 고려하여 결정하였다.

케이블 권선 레이어간의 공간은 냉각, 접지 및 권선의 지지를 위하여 스테인리스

볼트를 사용하였으며, 30도 동간격으로 배치된다.

저압권선과 고압권선의 지지를 위하여 권선 상하부에 FRP 블록을 사용하였다. 스

테인리스 볼트를 고정하고 기계적 강도를 유지하기 위해 스테인리스 판을 사용하여

고정하였으며, 스테인리스판 사용에 의한 와전류 손실은 없다.

표 3-8 케이블 변압기 설계 사양

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그림 3-3 케이블 고압 권선 배치도

그림 3-4 케이블 변압기 몰드 저압권선 및

케이블 고압 권선

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제 2 절 케이블변압기 철심, 프레임 설계

1. 철심 설계

일반적으로 변압기에 있어서 철심이라 함은, 자기적 회로를 구성하는 핵심 부품이

다. 철심을 설계하기 위해서는 적절한 자속밀도의 선정과 손실을 최소화 하도록 설

계 하여야 한다.

가. 철심 설계시 고려사항

변압기 철심은 자기회로를 구성하는 변압기의 핵심적인 구조의 하나로 자속의 흐름

을 양호하게 하기위해 입자의 결정구조가 압연방향으로 배열된 방향성 규소강판으

로 제작되어 자속이 이 방향으로 양호하게 흐를 수 있도록 되어있으며, 철심의

Eddy Loss가 철심의 두께의 제곱에 비례하게 되므로 Eddy loss를 최소화하기 위

해 각장의 두께를 얇게하고 양쪽면을 Phosphate coating하여 전기적으로 절연하여

적층 제작한다.

나. 자속밀도에의 영향 검토

방향성 전기강판의 외부에서 자장을 가하면 전기강판의 내부에 자기력선이 유도된

다. 이때 유도된 자기력선의 밀도가 자속밀도이며 방향성 전기강판의 경우에는 외

부에서 가해준 자장의 세기가 1000A/m일때의 자속밀도를 Tesla(Weber/㎡)로 나타

낸 값을 기준으로 하여 특성을 평가한다. 방향성 전기강판의 자속밀도는 2차 재결

정립의 방향성과 관련이 있으며 각 결정립의 자화용이 방향과 압연방향과의 편차각

이 작을수록 높은 값을 보인다.

변압기 설계시 자속밀도를 계산하여 일정 범위내에서 설계하는 이유는 변압기의 특

성이 선형적인 영역에서 일정하게 유지되도록 하기 때문이며, 포화 자속밀도 이내

에서 설계토록 하고 있다.

다. 철손

방향성 전기강판을 변압기의 철심으로 사용할 때 발생하는 에너지손실을 철손이라

한다.

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철손은 철심 ㎏당의 전력손실 즉 W/㎏으로 표시되며 방향성 전기강판의 경우

50Hz의 주파수로 1.7Tesla의 자속밀도를 유도시킬 때의 전력손실울 측정하여 평가

하며, 60Hz에서는 적절한 보정계수로 환산하거나 제작사에서 공급하는 시험성적서

로 계산한다.

방향성 전기강판의 철손은 교류자화시의 자기이력현상(Hysteresis)에 의해 발생하는

이력손 (Hysteresis loss)과 자화를 방해하는 방향으로 발생하는 와류에 의해 발생

하는 손실인 와류손 (Eddy Current Loss)로 나누어진다. 와류손은 비저항과 강판의

두께 등에 의해 결정되는 고진적 와류손 (Classical Eddy Current Loss)와 자구의

폭에 의해 결정되는 이상와류손 (Anomalous Eddy Current Loss)로 구분된다.

방향성 전기강판의 전철손을 Wt라 하면 Wt는

로 나타나며, 여기서 전철손을 구성하는 각 요소인 이력손실 Wh, 고전적 와류손

Wec 및 이상와류손 Wea는 아래와 같은 식으로 표시된다.

여기서, K1, K2, K3 = 상수 n = Steinmetz 상수로 1.6-3.5

Bm = 최대 자화값 t = 강판의 두께

ρ = 비저항 c = 광속

Bs = 최대 자화값 v = 자구의 이동속도

2L = 자구의 폭

전체 철손을 줄이기 위해서는 각각의 구성성분을 줄여야 한다. 이력손실을 줄이기

위해서는 강판의 방향성을 좋게 하여 자속밀도를 높여야 하며 청정도, 잔류응력, 표

면조도 등을 개선하여 자구벽의 이동이 용이하도록 하여야 한다.

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고전적 와류손을 줄이기 위해서는 두께를 얇게하고 Si 등의 원소를 첨가하여 비저

항을 높여야 하며 이상 와류손을 줄이기 위해서는 자구 미세화처리에 의하여 자구

폭을 좁게 하여야 한다.

라. 철심 적층과 Joint 방식

철심을 적층하는 것은 앞에서 언급한 것과 같이 와류손을 줄이기 위한 것이다. 그

러나, 철심은 규소강판을 절단 펀칭한 후 적층하게 되므로 철심간 적층 방식에 따

라 와류손의 손실이 변한다.

철심 적층은 형태에 따라 여러 가지 적층방식이 있으나, 여기서는 Symmetric-D,

Stepped-Lap 방식을 그림 3-6에 나타내었으며, 케이블 변압기의 철심은

Symmetric-D방식을 채택하였다.

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그림 3-5 철손의 구성

그림 3-6 철심 적층 방식

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마. 철심의 최대단면적

동일한 공간에서 최대의 단면적을 얻기위해 철심의 적층시 폭을 달리하여 컷팅 적

층한다. 최대의 단면적은 원의 형태일 때이므로, 이를 위하여 철심에 단을 주어 설

계 및 제작한다. 철심의 최대 단면적을 얻기 위한 방법은 아래의 식에 따른다.

여기서, n : 1/4분면에서의 step수

여기서, x0=0이고, xi가 독립변수라 하면, yi는 종속변수이므로

여기서, x0=0이고 xn+1=R이다.

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그림 3-7 철심 최대 단면적

그림 3-8 단상 외철형 3각 철심 3D 모델

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2. 케이블 변압기용 단상 삼각 철심

1MVA 22.9kV / 6.6kV급 케이블 변압기의 철심은 권선부위가 철심으로 안쪽에 위

치한 외철형 단상 3각 구조이다. 케이블 변압기의 철심 설게는 자속밀도와 철심의

단면적 그리고 V/T은 아래와 같은 관계가 있으므로

권선 설계, 철심의 자속밀도를 고려하여 표 3-9와 같이 케이블 변압기용 철심을 설

계하였다. 또한, 적층방식을 Symmetric-D 방식으로 하여 철손을 최소로 하였다.

사용된 철심은 POSCO에서 공급하는 0.3 mm 두께의 PG - 10 규소강판을 사용하

였으며, 변압기 적용시 자속밀도는 18,000 Gauss 이내에서 운전된다.

표 3-7에 사용된 철심의 사양과 철심 설계치수를 나타내었다. 또한 그림 3-9에 설

계된 철심의 치수를 보인다.

표 3-9 단상 외철형 철심 설계 사양

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그림 3-9 22.9kV 케이블 변압기의 단상 외철형 철심

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제 4 장 케이블변압기 해석

제 1 절 케이블변압기 철심용 전기강판 특성 해석

1. 관련 이론

가. 철손 계산

전기기기의 철손을 추정하기 위한 방법으로 전기강판 제조사에서 제공하는 자속밀

도 대 철손 데이터를 참고 하지만 실제 기기에 있어서는 철심내의 자속 밀도가 균

일하지 않고, 또한 교번자속뿐 아니라 회전자속도 포함되어 있으므로 철손은 실제

데이터 보다 증가하게 된다. 따라서 이를 추정하기 위한 수치적 모델이 필요한데,

현재 널리 사용되는 방법은 다음과 같이 수정된 steinmetz 식이다.

여기서,

kh : 히스테리시스손 계수

Kc : eddy 손 계수

Ke : excess 손 계수

B : 철심의 최대 자속밀도 [T]

f : 주파수

나. 무부하 시험방법 분석

변압기의 2차측을 개방하고, 무부하의 상태에서 1차측에 정격전압 V1을 가해 이때

의 전류 Io와 손실 Po를 측정한다 이때의 등가회로는 다음과 같다.

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그림 4-1 변압기 등가회로

Io는 무부하 전류지만 일반적으로 Io에 의한 1차권선 임피던스의 전압강하는 V1에

비해 매우 작기 때문에 E1=V1이라고 할 수 있으므로, Io를 여자전류라고 할 수 있

다.

또한 등가희로에서 알 수 있는 바와 같이 Po에는 1차권선의 동손도 포함되나 철손

에 비해 매우 작으므로 이 Po를 철손으로 보아도 좋다.

다. 외부회로를 결합한 FEM transient 해석

무부하 전류 계산을 위한 FEM transient 해석을 위해 다음과 같이 가정했다.

① 변압기의 모델은 길이 방향(z축) 으로 대칭이다

② 계산의 편의성을 위해 2D로 해석을 실시하고, 이에 따른 3D 효과는 무시한다.

③ 권선의 eddy loss는 계산에서 제외한다.

철손을 고려하기 위한 등가저항은 다음 식으로 계산한다.

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2. FEM 시뮬레이션

무방향성 규소강판은 일반적으로 전력용변압기의 철심으로 사용하기에는 손실이 커

서 부적합하나, 본 케이블변압기의 경우 일반 유입변압기에 비해 철심량이 약 2배

수준이므로 보다 경제성 있는 변압기 구현을 위해 가격이 저렴한 무방향성 규소강

판의 적용가능성을 검토해 보았다. 이를 위해 방향성 규소강판 (POSCO,

30PG185) 및 무방향성 규소강판(POSCO, 50PN595)의 재질을 사용하여 기 제작된

3상 3각 40MVA 변압기를 대상으로 FEM 과도해석 시뮬레이션을 실시하며, 시험결

과와 비교함으로써 해석방법의 타당성을 검증하여, 케이블변압기용 철심 재질을 선

정했다.

가. CASE I

30PG185의 BH curve는 다음과 같다.

그림 4-2 30PG185 곡선

B=1.36T일 때 철손을 구하면,

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식 4-2에서,

R=1/g=824617 Ω

계산한 철손 등가저항을 이용 다음과 같이 외부회로를 연결하였다.

그림 4-3 여자전류 계산 변압기 등가 의부희로

여기서,

① : 입력전압

② : 1차측 권선 인덕턴스

③ : 등가 철손저항

④ : 1차측 권선 저항

⑤ : 2차측 권선 인덕턴스

⑥ : 2차측 부하지항(무부하조건 : 1×109Ω)

⑦ : 2차측 권선 저항

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MAXWELL transient solver를 이용하여 비선형 자계해석을 실시, 다음과 같은 여자

전류 파형을 얻었다.

그림 4-4 계산된 여자전류 파형

여기서 Ipeak = 0.148 A

따라서 여자전류 Irms = 0.105A

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나. CASE II

50PN595의 BH curve는 다음과 같다.

그림 4-5 50PN595 BH 곡선

동일한 방법으로 철손 및 등가지항을 구하면,

P0 = 99kW

R=1/g=239556 Ω

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그림 4-6 계산된 여자전류 파형

여기서 Ipeak = 0.638 A

따라서 여자전류 Irma=0.451A

3. 결론

상기 2종의 전기강판에 대해 전자장 해석을 사용하여 철손 및 여자전류를 계산해

보았다. 무방향성 규소강판(50PN595)을 사용할 경우 철손이 규소강판 (30PG185)

대비 3.4배가 증가하고 여자전류가 4.3배 상승된다. 따라서 무방향성 규소강판을

사용할 경우 무부하 손실이 너무 커져 효율이 떨어질 뿐 아니라 방열기의 용량도

커져 비효율적이므로 본 케이블변압기는 방향성 규소강판