변압기 탱크에 입사되는 누설자속 저감 방법

변압기 내부에서 발생되는 자속

 

1. 누설자속 저감 방법

변압기 권선이 발생시키는 자속은 주로 코어를 따라 흐르지만, 일부는 누설 되어 탱크의 표유부하손 및 국부과열을 일으킵니다. 누설자속에 의한 탱크의 표유부하손 및 국부과열을 줄이는 가장 효과적인 방법은 반자성체를 이용하여 탱크로 입사되는 누설자속을 차단하는 차폐실드를 만들거나 강자성체를 이용하여 탱크로 입사되는 자속을 대신 흡수하는 자기션트를 설치하는 것입니다. 각 방식의 기본 원리는 앞서 서술한 바와 같이 물체의 성질을 이용한 것입니다. 규소강판과 같은 강자성체는 자속을 끌어 당기는 성질이 있고, 구리/알루미늄과 같은 반자성체는 자속을 밀어내는 성질이 있습니다.   
즉, 자기차폐는 강자성체가 자속을 끌어당기는 성질을 이용하여 자기션트를 적용하는 방법으로, 권선에서 발생하는 누설자속을 탱크 앞에 설치된 비투자율이 높은 강자성체 자기션트를 통해 흐르게 함으로써 탱크로 입사되는 누설자속의 양을 줄이는 방법입니다. 다른 하나는 반자성체가 자속을 밀어내는 성질을 이용하여 차폐실드를 적용하는 방법으로, 반자성체가 탱크로 입사되는 누설자속과 반대 방향의 자속을 만들어 누설자속을 막는 방법입니다. 
자기션트는 차폐실드 보다 탱크를 보다 확실하게 누설자속으로부터 보호 할 수 있습니다. 그러나 자기차폐는 외측 권선에서의 방사방향 성분의 누설자속을 증가시킵니다. 이에 따라 변압기의 외부 권선은 누설자속에 의한 추가적인 와전류손이 증가하는 단점이 있습니다.

차폐실드의 경우에는 탱크의 표유부하손이 자기션트 보다 약간 크지만, 외부권선으로의 방사방향 성분 누설자속을 줄이고 와전류에 의한 추가적인 손실을 현저하게 줄일수 있습니다. 

 

2. 자기 션트의 제작 방식

자기 션트는 일반적으로 탱크 벽면에 수직인 방향으로 규소강판을 적층하는 Width-wise shunt와 탱크 벽면의 수평방향으로 규소강판을 적층하는 Edge-wise shunt가 있습니다. 일반적으로 자기 션트의 폭은 최소 50mm ~ 300mm까지 사용하며, 자기션트 사이의 간격은 구조적으로 가능한 최소 거리를 유지합니다. 탱크에 입사되는 자속 밀도는 자기 실드의 중앙에서 최대가 되며, 이에 따라 자기션트의 길이를 변화시켜 다음 그림과 같이 최적화 할 수 있으나, 제작 공수가 늘어난다는 단점이 있습니다.

최적화된 자기 션트

 

3. 자기션트의 자속밀도 제한치

자기션트 내부의 자속 밀도 제한치는 방향성 전기강판의 경우 1.7T, 무방향성 강판의 경우에는 1.4T로 제한합니다. 또한 Width-wise shunt의 경우 적층 강판 사이에 비자성 갭이 존재하여 유효 투자율(effective permeability)이 감소하므로, 자속 밀도 제한치를 약 20% 낮게 설정해야 합니다. 즉, Width-wise shunt의 경우 방향성 강판을 사용했다면 내부 자속밀도는 약 1.4T, 무방향성 강판을 사용했다면 약 1.15T로 설계하는 것이 바랍직합니다.

 

4. Egde-wise shunt의 장단점

Edge-wise shunt의 장점은 강판의 두께 방향으로 누설자속이 입사하기 때문에 발생하는 와류손이 무시해도 될 정도로 작다는 것입니다. 또한 자기 션트로 입사된 자속이 어떠한 비자성 갭에도 부딪히지 않는 다는 것입니다. 그렇기 때문에 Width-wise shunt에 비해 표유부하손이 약 63.8% 감소한다고 알려져 있습니다. (360MVA/500kV 변압기 기준)
반면에 Edge-wise shunt의 단점은 제작 절차가 상당히 복잡하고, 자기션트 한 세트를 에폭시 몰딩 처리하거나 wound form으로 제작해야 한다는 것입니다. 그렇게 때문에 제조 시간과 비용이 Width-wise shunt에 비해 상당히 크다는 단점이 있습니다.

 

5. 요크 자기 션트

요크 자기 션트는 권선의 상부와 하부 위치에 요크와 평행한 자기 션트를 부착하는 것으로 수직방향 자기 션트와 조합하여 사용기도 합니다. 요크 자기 션트는 3상으로 나오는 누설자속을 0으로 만들기 때문에 상당히 효과적입니다. 요크 자기 션트와 수직방향 자기 션트는 누설 자속의 효과적인 제어를 위해 충분히 좁게 설치해야 한다. 일반적인 대형 전력용 변압기에서 요크 자기 션트의 영향과 설계는 형상이 복잡하고 무방향성 강판을 사용하기 때문에 3차원 수치해석을 반드시 수행해야 합니다.