비정질 합금 배전 변압기의 메트로 전력 공급 시스템 적용

최근 몇 년 동안 중국의 도시 철도 교통 규모가 급속히 발전하면서 지하철의 전력 및 조명 부하가 급격히 증가하였으며, 배전 변압기의 자체 손실로 인한 전기 에너지 소비 문제가 점점 두드러지고 있다. 국가의 에너지 절약 및 환경 보호 촉진을 배경으로, 우수한 자기 전도성을 가진 비정질 합금 테이프를 자기 전도 재료로 사용하는 비정질 합금 코어 변압기는 상대적으로 낮은 무부하 손실과 무부하 전류를 달성하여 에너지 절약형 변압기의 발전 방향 중 하나가 되었다. 본 논문은 베이징 지하철 14호선을 배경으로, 비정질 합금 코어 건식 변압기(이하 "비정질 건식 변압기"라고 함)의 원리, 구조, 기술적 특성을 시작으로 현장 적용 효과를 간략히 설명하고 장기 운영에 대한 관련 제안을 제시하여 지하철에서의 배전 변압기 선택 및 적용에 참고와 경험을 제공하고자 한다.
비정질 건식 변압기의 구조와 작동 원리
비정질 건식 변압기의 구조
비정질 합금 배전 변압기는 연자성 특성을 가진 비정질 합금을 코어 재료로 선택한다. 이는 높은 포화 자기 유도 강도, 초저 손실, 낮은 자극 전류, 낮은 강자성 등이 특징이며, 안정성이 좋은 에너지 절약형 친환경 변압기이다. 비정질 건식 변압기는 에폭시 주입 건식 변압기의 저 할로겐 함량, 난연성, 낮은 연기 발생, 자소성 등의 특성과 비정질 합금 테이프의 저손실 장점을 결합하여 지하철과 같은 공공 환경의 요구를 더 잘 충족할 수 있다.

비정질 합금 테이프는 약 0.03mm 두께의 얇고 취약한 자기 전도 재료이다. 따라서 이를 감아 만든 코어 구조로 설계하는 것이 적절하다. 현재 에폭시 주입 비정질 건식 변압기의 구조는 주로 세 가지 상 세 개의 지지대 구조와 세 가지 상 다섯 개의 지지대 구조로 나눌 수 있으며, 그림 1과 같다. 세 가지 상 다섯 개의 지지대 구조의 코어는 네 개의 프레임을 결합하여 형성되며, 그림 2a와 같다. 세 가지 상 세 개의 지지대 구조의 코어는 세 개의 프레임을 결합하여 형성되며, 그림 2b와 같다. 비정질 합금 변압기의 코어 단면은 직사각형이므로, 고압 및 저압 코일은 일반적으로 둥근 모서리를 가진 직사각형 구조로 설계된다. 또한, 비정질 합금 코어의 자기 유도 밀도와 층화 계수가 실리콘 강판보다 낮기 때문에, 동일 용량의 실리콘 강판 코어보다 비정질 합금 코어의 부피가 훨씬 크다. 특정 지하철 노선의 비정질 건식 변압기는 열 방출 성능이 좋고 전체 구조가 컴팩트하며 부피가 상대적으로 작은 세 가지 상 다섯 개의 지지대 코어 설계를 채택하였다.

비정질 건식 변압기의 작동 원리

비정질 합금 코어 재료인 실리콘 강판의 결정 구조와 특성은 자기화 및 탈자기화에 더욱 유리하다. 대표적인 비정질 합금은 약 80%의 철을 포함하며, 다른 주요 성분은 규소와 붕소 등의 재료이다. 많은 실험 결과, 비정질 합금의 결정화 온도는 550°C이고, 커리 온도는 약 415°C이다. 이러한 온도는 비정질 합금의 가공, 코어 성형 후의 소성, 정상 작동 온도, 그리고 단락 시의 열 안정성 온도 요구사항을 충족시키므로, 비정질 건식 변압기의 적용에는 문제가 없다.

세 가지 상, 네 개의 프레임, 다섯 개의 지지대를 가진 비정질 합금 배전 변압기를 예로 들어, 각 코일은 독립적인 자기 회로를 가진 두 개의 프레임 위에 장착되어 있으므로, 각 프레임의 자기 유도는 기본파 자기 유도와 일부 세 번째 고조파 자기 유도로 구성된다. 세 번째 고조파와 기본파의 비율은 정격 자기 유도 밀도에 따라 달라진다. 그러나 한 코일의 두 코어 프레임에서의 세 번째 고조파 자기 유도는 위상이 반대이고 값이 같으므로, 각 코일의 세 번째 고조파 자기 유도 벡터는 0이다. 고압 코일이 삼각형(D) 구성을 갖는 경우, 코일 내에서 세 번째 고조파 전류의 경로가 있으므로, 유도된 2차측 전압 파형에는 일반적으로 세 번째 고조파 전압 성분이 없다. 그러나 각 프레임의 무부하 손실은 여전히 해당 프레임 내의 세 번째 고조파 전류에 영향을 받는다. 이 구조의 두 측면의 요크는 자기 유도의 제로 순서 성분이나 고차 고조파에 대한 경로를 제공할 수 있다.

비정질 건식 변압기의 주요 기술적 특성
비정질 건식 변압기의 특성

비정질 합금 테이프는 압력에 매우 민감하다. 손상되면 복구할 수 없다. 따라서 제조 과정에서는 다음 두 가지 사항을 반드시 준수해야 한다. 첫째, 코어는 자신의 무게만을 지탱하며, 고압 및 저압 코일의 무게는 바닥, 상단 및 하단 클램핑 조각과 같은 철제 구조물에 의해 지탱된다. 둘째, 최적화된 설계 구조를 통해 단락 내구성을 향상시킨다.

비정질 건식 변압기의 직사각형 구조 코일은 원형 코일만큼 균일하게 스트레스를 받지 않는다. 변압기가 단락 전류를 견딜 때, 긴 축 방향이 더 쉽게 변형된다. 실제 생산에서는 고압 코일은 에폭시 수지를 주입한 강체 구조 선으로 제작되어 수지층에 고정된다. 동적 및 열적 안정성 계산과 실제 시뮬레이션을 통해 고압 코일이 단락 시 전동력을 견딜 수 있음이 입증되었다.

저압 코일은 대부분 구리 호일로 감겨져 있고, 열 경화형 에폭시 수지 단면 구조를 가지고 있어 강도가 약간 낮다. 단락 시 변형되기 쉽고, 비정질 합금 테이프에 스트레스를 줄 수 있다. 따라서 설계 과정에서는 저압 코일의 긴 축과 짧은 축 사이의 비율이 너무 크게 되지 않도록 해야 한다. 또한, 조립 과정에서는 코어와 저압 코일 사이에 지지 스페이서를 설치하여 단락 내구성을 향상시켜야 한다.

변압기의 소음은 주로 코어의 자기 수축에서 오는 것이다. 비정질 합금의 자기 수축은 실리콘 강판보다 약 10% 높다. 국가 표준 "JB/T 10088-2004 6kV~500kV 전력 변압기의 소음 수준"과 "GB/T 22072-2008 비정질 합금 코어 배전 변압기의 기술적 매개변수 및 요구사항"을 비교하면, 비정질 건식 코어 배전 변압기의 소음 요구사항이 실리콘 강판 코어 배전 변압기와 동일하다는 것을 알 수 있다.

이는 비정질 건식 변압기의 제조를 어렵게 만든다. 그러나 비정질 건식 변압기의 구조를 합리적으로 설계함으로써, 소음을 국가 표준 범위 내로 유지할 수 있다. 자기 유도 밀도는 비정질 건식 변압기의 소음에 중요한 요인이다.

자기 유도 밀도가 0.05T 증가할 때마다 무부하 소음은 약 2dB(A) 증가하고, 변압기 소음은 5dB(A)[1] 증가한다. 따라서 비정질 건식 변압기의 자기 유도 밀도는 소음을 줄이기 위해 합리적으로 선택되어야 한다. 일반적으로 비정질 건식 변압기의 자기 유도 밀도는 1.25T 미만으로 충분하다.

그러나 지하철의 특수한 상황, 즉 높은 승객 밀도를 고려할 때, 소음 수준은 더 낮게 제어되어야 하며, 자기 유도 밀도는 일반적으로 1.2T 미만으로 선택된다. 또한, 비정질 건식 변압기의 소음을 구조 최적화를 통해 억제해야 한다. 예를 들어, 코어와 클램핑 조각으로 구성된 프레임에 적당한 공간을 남겨두어야 하며, 코어에 과도한 스트레스를 가하지 않고 코어 진동의 증가를 제어해야 한다. 코어와 프레임 사이에 소음 흡수 재료를 패딩하여 효과적으로 소음을 줄여야 한다.

운송 및 설치 시, 비정질 건식 변압기는 운용 명세 및 절차에 따라 엄격히 작업되어야 하며, 코어가 스트레스를 받거나 충격을 받는 상황을 피해야 한다.

비정질 건식 변압기의 경제성 분석

비정질 건식 변압기는 뚜렷한 에너지 절약 효과가 있다. 다음은 SCBH15형 비정질 건식 변압기와 SCB10형 실리콘 강판 배전 변압기의 다양한 용량에 대한 경제성 분석이다. 비교는 비정질 재료와 실리콘 강판 재료의 가치, 연간 전기 비용 절감, 추가 비용 회수 기간, 비용 절감 등을 기준으로 하며, 표 1과 같다.

표 1에서 볼 수 있듯이, 비정질 건식 변압기는 전통적인 실리콘 강판 변압기에 비해 에너지 절약 면에서 더 많은 장점을 가지고 있다. 운영 비용으로 환산하면 매우 눈에 띈다. 최대 추가 비용 회수 기간은 5년뿐이며, 큰 적용 가능성을 보여준다.

지하철에서의 비정질 건식 변압기의 적용 및 효과
지하철에서의 비정질 건식 변압기의 적용

비정질 건식 변압기의 구조와 원리, 경제성 분석을 통해, 베이징 지하철 14호선의 공학 상황을 종합적으로 고려하여, 비정질 건식 변압기의 적용 방안을 연구할 때, 단락 내구성, 소음 제어, 손실 지표, 설치 방안 등 기술적 측면에 대한 핵심 연구가 필요하다. 이를 통해 비정질 건식 변압기의 우수한 에너지 절약 성능을 최대한 활용하고, 지하철의 에너지 절약 수준을 향상시킬 수 있다.

현장 적용 효과

지하철 14호선에 이미 운용되고 있는 SCBH15-800/10/0.4 비정질 건식 변압기를 예로 들면, SCB10-800/10.0.4 건식 변압기와 비교하여, ΔP0 = 1.05 kW; ΔPk = 0이다. 한 대당 연간 전력 소비량 감소는 다음과 같이 계산할 수 있다:

ΔWk = 8 760×(1.05 + 0.62×0) = 9 198 kW·h

계산을 통해, 비정질 건식 변압기의 에너지 절약 효과가 상대적으로 분명하다는 것을 알 수 있다.

장기 온라인 운용에 대한 관련 제안

지하철 노선에서의 비정질 건식 변압기의 장기 운용을 위해서는, 그 고유한 특성에 따라 설계, 제작, 유지 관리, 및 대수리를 세밀하게 수행해야 한다. 저자는 다음과 같은 제안을 한다:

• 비정질 합금 재료의 자기 포화 밀도가 상대적으로 낮고 자기 수축이 상대적으로 크기 때문에, 제품 설계 시 정격 자기 유도 밀도를 너무 높게 설정하지 않아야 한다. 일반적으로 1.2T 미만의 값을 선택하는 것이 좋다.

• 설계 및 제작 과정 전반에 걸쳐, 비정질 건식 변압기의 단락 내구성에 충분한 주의를 기울여야 한다. 이는 공정 세분화 및 구조 최적화 등의 방법을 통해 향상시킬 수 있다.

• 비정질 합금은 기계적 스트레스에 매우 민감하다. 따라서 구조 설계 시, 코어를 주요 하중 지지 구성 요소로 사용하는 전통적인 설계 접근법을 피해야 한다.

• 우수한 저손실 특성을 달성하기 위해서는, 비정질 합금 코어의 소성 처리가 필수적인 공정이다.

• 비정질 건식 변압기의 정기적인 유지 보수 및 수리는 필수적이다. 이를 통해 잠재적인 안전 위험을 제거하고 변압기의 수명을 연장할 수 있다.

결론

국가의 에너지 절약 및 온실가스 감축 촉진을 배경으로, 모든 산업계에서 에너지 소비를 줄이기 위한 노력을 기울이고 있다. 도시 전력망 내의 주요 전력 소비자인 지하철에서 비정질 건식 변압기의 광범위한 채택은 국가 산업 정책에 부합하며, 넓은 적용 가능성을 가지고 있다.

비정질 합금 배전 변압기의 비용은 전통적인 실리콘 강판 변압기보다 높으며, 설치에도 일정한 고유한 특성이 있다. 따라서 지역 및 노선별 조건을 종합적으로 분석하여 합리적인 변압기 선택 방안을 수립해야 한다.

비정질 합금 배전 변압기는 설계 및 제작 공정에 높은 기준을 요구하므로, 공급업체를 선택할 때는 성공적인 적용 사례와 첨단 기술 능력을 갖춘 기업을 선택하는 것이 바람직하다.