송전 변압기의 종합적인 성능 향상 솔루션: 냉각 최적화 및 자기 회로 손실 감소

1. 배경 및 도전과제

전력 부하의 지속적인 증가와 안정적인 전력망 운영에 대한 요구 사항이 점점 엄격해짐에 따라 송전 변압기의 운영 효율성, 온도 상승 제어, 장기 신뢰성에 대해 심각한 도전 과제를 마주하고 있습니다. 과도한 운전 온도는 절연 재료의 노화를 가속화하여 장비 수명을 단축시키고 고장 위험을 높입니다. 높은 자기 회로 손실(주로 철 손실과 구리 손실)은 에너지 활용 효율을 감소시켜 불필요한 운영 비용을 초래합니다. 이 포괄적인 솔루션은 송전 변압기에서 흔히 발견되는 두 가지 핵심 문제인 과도한 온도 상승과 큰 자기 회로 손실을 해결하기 위해 작성되었습니다.

2. 솔루션 목표

• 운영 온도를 크게 줄임: 변압기의 상부 유온과 코일 핫스팟 온도를 안전한 운영 범위 내로 제어합니다.
• 자기 회로 손실을 효과적으로 줄임: 무부하 손실(철 손실)과 부하 손실(구리 손실)을 줄여 전체 운영 효율성을 향상시킵니다.
• 운영 신뢰성 향상: 과열과 과도한 손실로 인한 고장률을 줄여 변압기의 서비스 수명을 연장합니다.
• 전체 수명 주기 비용 최적화: 에너지 절약과 유지 관리 빈도 감소를 통해 변압기의 경제적 효율성을 개선합니다.

3. 핵심 완화 조치

이 솔루션은 "손실 원천 제어 + 강화된 열 방출 능력 + 정밀 상태 관리"의 통합 전략을 채택합니다:

3.1 냉각 시스템 최적화 및 업그레이드, 열 방출 효율 향상 (온도 상승 대응)

• 고효율 냉각 방법 사용:
• 강제 공기 냉각 (OFAF/ODAF): 기존 자연 공기 냉각 (ONAN) 또는 강제 공기 냉각 (ONAF) 변압기를 개조하거나, 새로운 장비에 고성능 축류 팬을 장착합니다. 효율적이고 저소음이며 날씨에 강한 팬을 선택하고 지능형 공기 유량 제어(예: 온도에 따른 자동 시작/중지 또는 가변 주파수 드라이브 조정)를 결합하여 라디에이터 표면의 공기 대류 효율을 크게 향상시키고 열을 빠르게 제거합니다.
• 강제 유-수 냉각 (OFWF): 초대용량 변압기, 높은 부하 계수를 가진 장비, 또는 고온 환경에서 운영되는 장비에 우선 적용됩니다. 고성능 유 펌프와 판형 열 교환기를 장착하여 물의 높은 비열 용량을 활용하여 효율적인 열 교환을 수행합니다. 스케일링 및 부식 방지를 위한 지원 수 처리 시스템(예: 이중 수 회로, 대기 펌프)이 필요합니다.
• 열관 보조 냉각: 라디에이터의 중요한 부분에 열관 모듈을 설치하여 위상 변화 원리를 이용해 국소 핫 스폿 열을 효과적으로 전도하고 방출합니다.
• 라디에이터 구조 및 배치 최적화:
• 표면적이 큰 라디에이터(예: 핀형, 패널형 라디에이터)와 최적화된 유량 경로 설계를 활용합니다.
• 냉각 매체(공기 또는 물)의 유량 경로를 매끄럽게 하여 국소 유량 제한을 제거하고 열 방출 균일성을 향상시킵니다.
• (공기 냉각의 경우) 팬 위치 및 덕트 설계를 최적화하여 라디에이터 표면에 균일한 공기 유량을 확보하고 데드 존을 최소화합니다.
• 지능형 냉각 제어:
• 유온, 코일 온도, 주변 온도의 실시간 모니터링에 따라 냉각 시스템 출력(팬 속도/개수, 유 펌프 유량)을 자동으로 조정합니다. 필요에 따라 냉각을 수행하여 열 방출 효과를 보장하면서 보조 장비의 에너지 소비를 최소화합니다.

3.2 핵심 재료 및 구조 최적화, 철 손실 감소 (코어 자기 손실 제어)

• 고성능 코어 재료 선택:
• 고투자율, 저단위 손실의 냉간 압연 실리콘 강판(예: HiB 강판)이나 더 진보된 비정질 합금 재료(무부하 손실 감소에 큰 이점을 제공)를 우선적으로 선택합니다.
• 실리콘 강판의 두께, 평탄도, 절연 코팅 품질을 엄격히 관리하여 히스테리시스 손실과 소용돌이 전류 손실을 최소화합니다.
• 코어 설계 및 제조 공정 최적화:
• 접합부의 자기 저항을 최소화하여 추가적인 철 손실을 줄이는 스텝 랩 적층 기술을 구현합니다.
• 코어 적층 인자와 압착력을 정확하게 제어하여 균일한 자기 경로 분포를 보장하고 국소 과포화를 피합니다.
• (첨단 기술 적용) 레이저 스크리블링(Laser Scribbling) 기법 등을 탐색하여 재료의 자기 영역 구조를 더욱 최적화합니다.
• 코어 접지 방법과 차폐를 최적화하여 구조 부품의 산란 손실을 줄입니다.

3.3 코일 설계 최적화 및 공정 개선, 구리 손실 감소 (주요 자기 손실 제어)

• 코일 구조 및 전자기 설계 최적화:
• 암페어-턴 분포를 정확하게 계산하고, 도체 단면 형상을 최적화(예: 연속 전위 케이블 - CTC 또는 자기 결합 전위 케이블 - TTC)하여 순환 전류와 소용돌이 전류 손실을 최소화합니다.
• 도체 재료(고도체성 무산소 구리)와 전류 밀도를 적절히 선택하여 온도 상승 제약 조건을 충족하면서 직류 저항 손실을 효과적으로 줄입니다.
• 누설 플럭스를 제어하고 산란 손실을 줄이기 위해 코일 높이, 직경, 방사형 치수를 최적화합니다.
• 첨단 제조 공정:
• 정밀 긴장 감싸기 장비를 사용하여 코일의 일정한 밀도를 보장합니다.
• 진공 압력 잠입(VPI) 또는 수지 주입 공정을 사용하여 간극을 완전히 절연재로 채워 열 전도성과 기계적 강도를 향상시키며, 열 방출을 돕고 국소 방전을 줄입니다.

3.4 자기 회로 상태 모니터링 및 예방적 유지 관리 (폐쇄형 관리, 장기 성능 보장)

• 정밀 자기 회로 상태 모니터링 구현:
• 온라인 모니터링(예: 용해가스 분석 - DGA, 고주파 부분 방전 모니터링, 진동/음향 노이즈 모니터링, 적외선 열화상)과 오프라인 테스트(주기적인 코일 변형 테스트, 무부하 및 부하 손실 테스트, 코어 접지 전류 테스트)를 통합하여 자기 회로 건강 상태를 종합적으로 평가합니다.
• 코어 다중 접지 고장, 이상적인 손실 변동, 자기 차폐 및 압착 구조의 과열 등에 중점을 둔 모니터링을 수행합니다.
• 예방적 유지 관리 메커니즘 확립:
• 조건 모니터링 데이터와 운영 기록을 바탕으로 대상별 자기 회로 유지 관리 계획을 개발합니다.
• 주기적으로 코어 및 압착 구조의 접지 상태를 점검: 신뢰할 수 있는 단일 접지 상태를 유지하고, 다중 접지 고장을 즉시 감지하여 수정합니다(이것은 철 손실을 크게 증가시키고 과열을 초래합니다).
• 자기 차폐, 클램프 및 기타 구조 부품 점검: 느슨함, 과열 또는 방전 흔적을 확인하고 즉시 이상을 제거합니다.
• 코어/뚜껑 제거 검사를 수행할 때, 코어 적층 접합부와 압착 상태에 대한 집중 점검 및 유지 관리를 수행합니다.
• 감지된 이상적인 손실 증가 경향에 대해 심층적인 진단 분석을 수행하여 근본 원인을 파악하고 수정 조치를 취합니다.

4. 기대 효과

• 온도 상승의 크게 줄임: 운영 온도(특히 핫스팟 온도)가 효과적으로 제어되어 예상 목표(예: 15-25%)까지 감소되며, 절연재의 열 노화 스트레스가 크게 완화됩니다.
• 자기 회로 손실의 효과적인 줄임:
• 철 손실(무부하 손실): 새로운 재료와 공정을 통해 20-40% 감소가 예상됩니다(특히 비정질 합금을 사용할 때 특히 유의미합니다).
• 구리 손실(부하 손실): 최적화된 코일 설계를 통해 10-25% 감소가 예상됩니다.
• 전체 효율성이 1-3% 포인트 향상되어 상당한 경제적 이익과 탄소 배출 감소를 달성합니다.
• 신뢰성의 크게 향상: 과열과 자기 회로 이상으로 인한 고장 위험이 크게 줄어들어 장비 가용성이 향상되고 서비스 수명이 연장됩니다.
• 전체 수명 주기 비용 최적화: 고성능 재료, 첨단 냉각 시스템 등의 초기 투자가 높아질 수 있지만, 장기 에너지 절약, 유지 관리 비용 감소, 수명 연장으로 얻는 이익이 더 크므로 투자 대비 효과(ROI)가 우수합니다.

5. 적용 범위

이 솔루션은 35kV 이상의 전압 수준의 새로 건설되거나 운영 중인 유침식 송전(전력) 변압기에 적용됩니다. 특정 조치는 변압기의 용량, 전압 수준, 운영 환경, 중요성, 현재 상태에 따라 맞춤화 및 구현될 수 있습니다.