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02 철심 형태

철심은 철심 기둥과 철심 요크로 구성됩니다. 철심 기둥에는 코일이 감겨 있고, 철심 요크는 철심 기둥을 연결하여 폐쇄형 자기 회로를 형성합니다.

그림 1A는 단상 변압기이고, 그림 1B는 삼상 변압기입니다. 철심 구조는 크게 두 부분으로 나눌 수 있는데, C는 코일 부분으로 코어 기둥이라고 하고, Y는 자기 회로를 닫는 데 사용되는 부분으로 철 요크라고 합니다. 단상 변압기는 코어 기둥이 두 개이고, 삼상 변압기는 코어 기둥이 세 개입니다.

변압기 철심의 자속은 교류이기 때문에 와전류 손실을 줄이기 위해 변압기 철심은 일반적으로 높은 저항률을 가진 실리콘 강판으로 만든 특정 크기의 철 칩으로 구성됩니다. 철심을 구성하는 실리콘 강판은 먼저 필요한 모양과 크기로 절단하는데, 이를 펀칭 시트라고 합니다. 그런 다음 펀칭 시트를 겹쳐서 접합합니다. 그림 2A는 단상 변압기 철심을 보여줍니다. 각 층은 4개의 펀칭 시트로 구성됩니다. 그림 2B는 삼상 변압기 철심을 보여줍니다. 각 층은 6개의 펀칭 시트로 구성되며, 각 층의 펀칭 시트를 접합할 때 서로 다른 배열 방식을 적용하여 각 층의 자기 회로 접합부를 엇갈리게 배치합니다. 이러한 조립 방식을 중첩 조립이라고 하며, 강판 사이의 와전류 흐름을 방지할 수 있습니다. 또한 층들이 서로 얽히고 끼워 맞춰지기 때문에 철심을 압착할 때 사용되는 고정 장치의 수를 줄여 구조를 단순화할 수 있습니다. 조립 시에는 먼저 펀치 조각들을 겹쳐서 하나의 철심을 형성한 다음, 하부 요크를 고정하고, 상부 요크 펀치 조각들을 빼내어 철심 기둥을 노출시키고, 미리 제작된 권선을 철심 기둥에 설치한 후, 마지막으로 빼낸 상부 요크 펀치 조각들을 삽입합니다.

변압기는 코어 내부 권선 배치 방식에 따라 코어형과 쉘형 두 가지로 나뉩니다. 두 유형의 주요 차이점은 자기 회로의 배치 방식에 있는데, 쉘형 변압기는 코어 내부에 코일을 요크가 감싸고 있는 반면, 코어형 변압기는 코일의 대부분이 코어 내부에 있고 일부만 외부에 철제 요크를 사용하여 자기 루프를 형성합니다.

03 철심의 열 방출

변압기가 정상 작동 중일 때, 철심은 철손으로 인해 열을 발생시키며, 철심의 무게와 부피가 클수록 발생되는 열도 많아집니다. 변압기 오일 온도가 95도 이상이 되면 노화가 쉽게 발생하므로, 철심 표면 온도는 가능한 한 이 온도 이하로 유지해야 합니다. 이를 위해서는 철심의 열을 신속하게 방출할 수 있는 방열 구조가 필요합니다. 방열 구조는 주로 철심의 방열 표면적을 증가시키는 것입니다. 철심의 방열은 크게 철심 오일 통로를 통한 방열과 철심 통풍구를 통한 방열로 나눌 수 있습니다.

대용량 유입식 변압기에서는 열 방출 효과를 높이기 위해 철심의 적층판 사이에 오일 홈을 설치하는 경우가 많습니다. 오일 홈은 도 4에 나타낸 바와 같이 실리콘 강판에 평행한 홈과 수직한 홈, 두 가지 유형으로 나뉩니다. 후자의 구조가 열 방출 효과는 더 좋지만 구조가 더 복잡합니다.

건식 변압기의 철심은 공랭식입니다. 철심의 온도가 허용치를 초과하지 않도록 하기 위해 철심 기둥과 철심대에 공기 덕트를 설치하는 경우가 많습니다.

04 철심 소음

변압기는 작동 중에 소음을 발생시킵니다. 변압기 소음의 원인은 철심 실리콘 강판의 자기변형, 즉 변압기 코어 소음의 주요 원인입니다. 자기변형이란 철심에 전류가 흐를 때 실리콘 강판이 자기 유도선을 따라 팽창하고, 자기 유도선에 수직인 방향으로는 팽창하는 현상을 말합니다. 이 또한 자기변형의 한 예입니다. 더불어 철심의 구조와 기하학적 크기, 그리고 철심의 가공 및 제조 기술 또한 소음 수준에 영향을 미칩니다.

철심의 소음 수준은 다음과 같은 기술적 조치를 통해 줄일 수 있습니다.

(1) 자기변형률 ε 값이 작은 고품질 실리콘 강판을 사용합니다.

(2) 코어의 자기 플럭스 밀도를 감소시킵니다.

(3) 철심의 구조를 개선합니다.

(4) 적절한 코어 크기를 선택하세요.

(5) 고급 가공 기술을 채택합니다.

05 철심 접지

변압기의 정상 작동 시, 대전된 권선과 전선, 그리고 오일 탱크 사이에 형성되는 전기장은 불균일한 전기장이며, 철심과 그 금속 부품들은 이 전기장 내에 위치합니다. 정전기 유도로 인해 각 지점의 전위차가 발생하여 절연 파괴가 일어나 스파크 방전이 발생할 수 있습니다. 이러한 방전은 변압기 오일을 손상시키고 고체 절연체를 파괴할 수 있습니다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 철심과 그 금속 부품들을 확실하게 접지해야 합니다.

철심은 반드시 한 곳에 접지되어야 합니다. 철심이나 다른 금속 부품에 접지점이 두 개 이상인 경우, 접지점을 사이에 두고 폐쇄 루프가 형성되어 전류가 순환하게 되고, 때로는 수십 암페어에 달하는 높은 전류가 흐를 수 있습니다. 이는 국부적인 과열을 유발하고, 오일 분해를 초래하며, 심지어 접지 소자의 용융이나 철심 소손으로 이어질 수도 있으므로 절대 허용되어서는 안 됩니다. 따라서 철심은 반드시 접지되어야 하며, 접지 지점은 최소 한 곳이어야 합니다.

II. 변압기 권선 구조

01 권선의 기능

권선은 변압기의 가장 기본적인 부분으로, 자기장을 형성하고 전력을 전송하는 회로의 핵심 부분입니다. 일반적으로 절연지나 구리선 또는 알루미늄선을 감아서 변압기 코어에 설치합니다. 변압기 코어는 충분한 절연 강도, 기계적 강도 및 내열성을 갖춰야 합니다.

권선의 종류

변압기 권선 구조는 크게 층상 구조와 케이크 구조의 두 가지로 나눌 수 있습니다. 층상 구조는 권선 축을 따라 권선이 연속적으로 배열된 형태로, 주로 S8 및 S9 시리즈 저손실 전력 변압기에 사용됩니다. 케이크 구조는 권선이 반경 방향으로 케이크(부분) 형태로 연속적으로 감겨 있고, 이러한 케이크들이 축 방향으로 배열된 구조를 말합니다. 주로 110kV 이상의 고전압 대형 및 초대형 변압기에 사용됩니다.

기본적으로 중국에서 생산되는 전력 변압기의 권선은 동심 구조를 채택합니다. 동심 권선이란 권선이 코어 기둥의 어느 단면에서든 동일한 원통형 선을 따라 코어 기둥 외부에 감겨 있는 것을 의미합니다. 고전압 권선과 저전압 권선 사이, 그리고 저전압 권선과 철심 기둥 사이에는 절연 마분지로 분리된 일정 간격의 절연 간극과 방열 채널(유열 채널)이 있어야 합니다. 절연 거리는 권선의 전압 레벨과 방열 채널에 필요한 간격에 따라 달라집니다. 저전압 권선을 코어 기둥 안쪽에 가깝게 배치하면 코어 기둥과의 필요한 절연 거리가 상대적으로 작아지므로 권선의 크기를 줄일 수 있고, 변압기의 전체 크기도 줄일 수 있습니다.

삼권선 변압기는 전력 시스템에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 삼권선 변압기를 사용하여 서로 다른 세 가지 전압의 송전 시스템을 연결하는 것은 일반 변압기 두 대를 사용하는 것보다 경제적이고, 부지를 적게 차지하며, 유지 보수 및 관리가 더 편리합니다. 삼상 삼권선 변압기는 일반적으로 YY-△ 결선을 채택하는데, 즉 1차 및 2차 권선은 Y 결선이고, 세 번째 권선은 △ 결선입니다(그림 XX 참조). △ 결선 자체는 폐루프를 형성하여 3차 고조파 전류가 같은 위상을 통해 흐르도록 함으로써 Y 결선의 1차 및 2차 권선에는 3차 고조파 전압이 발생하지 않도록 합니다. 이러한 방식으로 1차측과 2차측 모두에 중성점을 제공합니다. 장거리 송전 시스템에서는 세 번째 권선을 동기 카메라와 연결하여 선로의 역률을 향상시킬 수도 있습니다.

III. 변압기 리드 구조

01 납 소재 및 분류

변압기 권선은 외부 전원에 연결되며, 전선의 앞쪽 끝을 리드선이라고 합니다. 이 리드선을 통해 변압기는 외부 전원에 전력을 입력받고, 또한 이 리드선을 통해 변압기에서 출력되는 전력을 외부로 송전합니다.

리드는 주로 다음과 같은 유형으로 나뉩니다.

(1) 권선 끝단과 케이스에 연결된 리드선.

(2) 권선단부 사이의 연결 리드.

(3) 권선 탭핑은 스위치에 연결된 탭핑 리드에 연결됩니다.

납의 일반적인 재질은 다음과 같습니다.

(1) 나선형 구리 막대, 적용 범위: 10kV급 6300kVA 이하 변압기;

(2) 종이로 감싼 원형 구리 막대, 적용 범위: 10~35kV 소용량 변압기;

(3) 나선형 구리 막대, 적용 범위: 10kV 이하 저전압 권선 리드;

(4) 구리 연선, 적용 범위: 모든 전압 레벨, 특히 110kV 이상의 리드.

(5) 구리 파이프, 적용 범위: 220kV 이상 변압기 리드.

충분한 절연 거리를 확보하기 위해 합판이나 판지 절연재를 사용하는 전선은 전기적 성능, 기계적 강도, 온도 상승 요건을 충족해야 합니다. 전선 선택 시 전기장 강도, 기계적 강도뿐만 아니라 단락 시 온도 상승 및 장기 부하 시 온도 상승과 같은 측면도 고려해야 합니다.

02 리드 연결

변압기 리드선 연결 방식에는 브레이징, 가스 용접, 냉간 압력 용접 및 볼트 연결이 있습니다.

권선 출구와 리드 사이, 그리고 리드들 사이의 연결에는 인동합금으로 만든 브레이징 전극을 사용해야 합니다.

가스 용접은 구리 막대, 리드선 및 케이블 관통 케이싱 접합부를 용접하는 데 사용됩니다.

냉간압착 용접은 리드로 연결된 두 단자를 금속 튜브에 삽입한 후 금형을 사용하여 금속 튜브를 압착하여 두 단자를 밀착시키는 방식입니다. 냉간압착 용접은 가열이 필요 없고 용접이 비교적 안전하며, 불량 용접이나 리드 및 기타 절연 부품의 소손이 발생하지 않습니다. 또한 압출 품질이 우수하고 인장 강도가 뛰어납니다. 따라서 냉간압착 용접은 대형 변압기의 리드 연결에 주로 사용되는 방식입니다.

볼트 연결은 주로 가이드 로드 슬리브에 연결되는 리드선에 사용됩니다. 리드선은 분해가 가능하며 리드선 길이의 편차를 보정할 수 있습니다. 일반적으로 곡선형 리드선 구조는 자유롭게 늘어날 수 있어 유연한 연결 방식이라고도 합니다.

03 리드선 고정

전선의 절연 거리를 확보하고, 작동 중 전력의 진동 및 충격, 단락 시 변위 및 변형 없이 견딜 수 있도록 하기 위해서는 클램핑 부품을 사용하여 전선을 단단히 고정해야 합니다.

리드 클램핑 부품은 충분한 기계적 강도와 전기적 강도를 가져야 하므로, 일반적으로 목재 지지 구조를 채택하고 클램핑 부품과 변압기 본체의 금속 부품을 고정합니다. 기계적 강도 향상을 위해 금속 볼트를 사용할 수 있지만, 클램핑 부품 사이에는 에폭시 볼트를 사용하여 고정해야 하며, 풀림 방지 장치를 설치해야 합니다. 또한, 리드가 끼이는 것을 방지하기 위해 추가적인 절연 역할을 하는 절연판을 클램핑 부품에 추가해야 합니다.

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