저지 임피던스 접지 변압기 설계에 대한 논의

전력 시스템의 규모 확장과 도시 전력망의 케이블화 과정으로 인해 6kV/10kV/35kV 전력망의 용량성 전류가 크게 증가했습니다 (일반적으로 10A를 초과). 이 전압 수준의 전력망은 대부분 중성점 불접지 운전 모드를 채택하고 있으며, 주 변압기의 배전 전압 측은 보통 델타 접속을 사용하여 자연적인 접지점을 갖추지 못합니다. 따라서 접지 고장 시 아크를 신뢰성 있게 소멸시키지 못하므로, 접지 변압기를 도입해야 합니다. Z형 접지 변압기는 제로 시퀀스 임피던스가 작아서 주류가 되었지만, 일부 시스템에서는 더 낮은 제로 시퀀스 임피던스가 필요합니다. 임피던스 값이 작을수록 편차가 커져서, 저 제로 시퀀스 임피던스 접지 변압기 설계에 특화된 대책이 필요합니다.

1. Z형 접지 변압기의 제로 시퀀스 임피던스 계산 방법
1.1 위상 구조

Z형 접지 변압기의 고압 와인딩은 지그재그 연결을 채택합니다. 각 상의 와인딩은 상단 및 하단 반-와인딩(도 1 참조)으로 나뉘어 서로 다른 철심 기둥에 감습니다. 동일한 상의 두 개의 반-와인딩은 역극성을 가진 상태로 직렬로 연결되어 특수한 자기-전기 결합 구조를 형성합니다.

제로 시퀀스 임피던스는 식 (1)에 따라 계산됩니다.

식에서 X0 는 제로 시퀀스 임피던스, W는 한 와인딩(즉, 반-와인딩)의 회전수, ΣaR는 유동자기 면적, ρ 는 로렌츠 계수, 그리고 H 는 와인딩의 반응 높이입니다.

2 제로 시퀀스 임피던스 편차 분석

IEC 60076-1 표준에 따르면, 접지 변압기의 제로 시퀀스 임피던스 편차가 ±10% 범위 내에 있을 때 합격으로 판단됩니다. 최근 몇 년 동안 회사에서 생산한 수백 개의 접지 변압기(유체 침지형과 건식 포함)의 시험 결과를 분석하고, 실제 측정값과 설계값 사이의 차이를 비교한 결과, 다음과 같이 세 가지 범주로 대략 나눌 수 있습니다:

• 측정값이 설계값과 가까운 경우: 편차 범위 내에 있습니다. 이 유형이 가장 많은 비율을 차지하며, 대부분의 제품이 합격입니다.

• 측정값이 설계값보다 작은 경우: 편차가 주어진 값보다 큽니다. 그러나 사용자가 일반적으로 임피던스의 상한만 지정하고 하한 요구사항이 없으므로, 여전히 합격이지만 발생 비율은 매우 적습니다.

• 측정값이 설계값보다 큰 경우: 고객의 요구 사항을 크게 초과하여 불합격으로 판단됩니다. 마찬가지로 매우 드문 상황입니다.

다양한 사용자의 제로 시퀀스 임피던스 요구 사항에 따라 다양한 유형의 접지 변압기가 있습니다. 그 중 35kV 클래스가 가장 높은 비율을 차지하고, 다음으로 10kV 클래스가 있습니다. 일반적으로 35kV 클래스 접지 변압기의 경우, 제로 시퀀스 임피던스는 대부분 120Ω 이하를 요구하며, 10kV 클래스의 경우는 일반적으로 15Ω 이하를 요구합니다. 일부 사용자는 더 작은 값을 요구하거나 명확한 요구 사항을 제시하지 않습니다.

3 데이터 분석

여러 접지 변압기의 시험 결과를 종합적으로 고려할 때, 제로 시퀀스 임피던스의 큰 편차 원인은 사용자가 요구하는 값이 일반적인 임피던스 값과 크게 차이나기 때문입니다. 너무 크거나 너무 작은 값 모두 생산 및 제조에 큰 도전을 가져옵니다. 식 (1)에서 볼 수 있듯이, 제로 시퀀스 임피던스는 회전수와 제곱 관계를 가지며, 이는 제로 시퀀스 임피던스에 가장 중요한 영향을 미치는 요소입니다: 회전수가 많을수록 사용되는 선의 양이 증가하고, 회전수가 적을수록 철심의 양이 증가합니다. 제로 시퀀스 임피던스가 너무 크거나 너무 작으면, 생산 비용이 크게 증가합니다.

3.1 사례 분석

두 개의 소용량 10kV 접지 변압기 배치를 예로 들어 분석하겠습니다:

• 유체 침지형 접지 변압기: 모델 DKS11-125/10.5, 2차 와인딩 없음. 사용자는 제로 시퀀스 임피던스가 4Ω 미만을 요구합니다. 이전의 계산 방법을 고려하고 제조 편차와 여유를 고려하여 설계값을 2.2Ω로 설정했습니다. 그러나 동일한 생산 공정에서도 시험 측정 결과는 표준을 크게 초과하여 설계값의 3.5배였습니다; 첫 번째 배치의 7개 제품 모두 제로 시퀀스 임피던스가 7Ω - 8Ω 범위였습니다.

• 건식 접지 변압기: 모델 DKSC11-125/10.5, 제로 시퀀스 임피던스의 설계값은 2.25Ω이고, 완성품의 시험 결과는 6.8Ω로, 약 3배를 초과했습니다. 사용자와 협의 및 허가 후 출하되었습니다.

비교하면, 유체 침지형의 편차가 건식보다 약간 더 큽니다. 이유는 매우 작은 제로 시퀀스 임피던스를 설계할 때, 회전수가 적고, 와인딩의 방사형 크기가 작으며, 높이가 상대적으로 높아 제로 시퀀스 값이 조절하기 어려워집니다. 기본값이 작을 때, 크기의 제어가 부족하면 편차가 쉽게 증가합니다. 반면 건식 와인딩은 수지를 주입하여 성형되므로, 금형의 도움으로 외부 차원을 쉽게 제어할 수 있어 편차가 상대적으로 작습니다.

실제 생산 데이터는 기존의 계산 방법이 저 제로 시퀀스 임피던스의 접지 변압기에 적용되지 않는다는 것을 보여줍니다. 이전 제품의 통계 데이터와 함께, 보정 계수를 도입해야 한다고 추측되며, 다른 제로 시퀀스 값에는 다른 보정 계수가 해당됩니다: 제로 시퀀스 값이 증가함에 따라 계수는 비선형적으로 감소합니다; 제로 시퀀스 값이 약 10Ω에 도달하면 계수는 1.0에 가까워지고, 10Ω를 초과하면 제조 공정의 미세한 차이로 인해 계수의 변화는 거의 없습니다(때때로 1.0보다 작을 수도 있지만, 전체 편차는 낮습니다), 표현 형태는 제1 사분면에서 역수 함수와 유사합니다(도 2 참조).

참고로, 위 분석은 10kV 제품에만 적용됩니다. 10kV 이상의 제품은 저 제로 시퀀스 임피던스에 대한 엄격한 요구 사항이 없으므로, 아직까지 제로 시퀀스 임피던스 편차가 과도한 현상을 발견하지 않았습니다.

4 해결책

저 제로 시퀀스 임피던스 접지 변압기에서 측정된 제로 시퀀스 임피던스가 과도한 문제를 해결하기 위해, 데이터 수집 및 분석을 바탕으로 다음과 같은 최적화 조치를 제안합니다:

4.1 설계 최적화 전략

사용자가 매우 작은 제로 시퀀스 임피던스 값을 요구할 때, 와인딩 차원의 정밀도를 보장하기 어렵고, 측정 편차가 쉽게 증가합니다. 요구되는 제로 시퀀스 임피던스가 5Ω 미만인 제품의 경우, 2-5배의 설계 여유를 남겨둡니다. 임피던스 값이 작을수록 여유를 크게 설정하여 측정값이 요구 사항을 충족하도록 합니다.

4.2 제조 관리 포인트

생산 공정은 제품 성능의 정확성을 보장하는 데 결정적인 역할을 합니다:

• 금형 정밀도 관리: 설계 사양에 따라 와인딩 금형을 엄격하게 제작하여 차원 허용 오차를 준수합니다.

• 와인딩 차원 관리:

• 와인딩의 방사형 및 축방향 차원을 정밀하게 관리합니다. 이러한 매개변수는 회전수가 결정된 후 제로 시퀀스 임피던스에 직접 영향을 미칩니다. 모든 차원은 도면 허용 오차를 준수해야 합니다.

• 저 임피던스 제품에서 작은 게이지 에나멜선을 사용할 때, 층간 절연재는 평평하게 깔아야 하며, 와인딩은 꽉 감아야 합니다.

4.3 기술 협약 권장 사항

• 협약에서 우선적으로 제로 시퀀스 임피던스 5Ω 이상을 지정합니다.

• 사용자가 5Ω 미만을 고집할 경우, 사전에 제조 어려움을 명확히 전달하고 협의 메커니즘을 설정하여 출하 리스크를 피합니다.

5 결론

저 제로 시퀀스 임피던스 접지 변압기의 경우, 일반 공식으로 계산된 설계값과 실제 측정값 사이에 큰 편차가 존재합니다. 발주 단계에서 제조 가능성을 평가하고, 설계 시 보정 계수를 도입하며, 충분한 생산 여유를 확보하여 제품의 일관성과 출하 신뢰성을 향상시킬 것을 권장합니다.