22kv/400V 지상용 변압기 (PMT type) 개발 및 실용화

도쿄(東京)전력㈜_오쿠무라 무쓰무 곤도 마사키(近藤正樹) ㈜히타치(日立)제작소_쓰치야 켄지(土屋賢治) ㈜다이헨(Daihen)_오사코 카오루(大迫　馨) 개요 도시의 전력 공급 능력을 확보하기 위해 22㎸/400V 지중 배전방식을 확충하고 있다. 그러나 기기 대형화 및 코스트 상승이 보급 확대를 저지하는 요인으로 작용한다. 이 문제를 해결하기 위해 22㎸ 전 케이블 계통에 절연 레벨 저감을 적용하여 ‘22㎸/400V 지상용 변압기’를 개발, 실용화했다. 특징 이 장치는 향후 노상설치를 고려하여 기존 6㎸ 지상용 변압기와 사이즈를 같게 하고, 공중안전을 확보하면서 변압기 용량을 증가시키는 것을 목표로 개발된 것이다. 주 특징은 다음과 같다. ⑴ 절연레벨 저감 이 장치가 전 케이블 계통에서 운용되는 것을 전제로 하여 뇌(雷) 인펄스 내전압 레벨을 75㎸로 저감시켰다. ⑵ 장치 사이즈의 콤팩트화 외형 사양은 기존 6㎸ 지상용 변압기와 동일하게 도쿄구(東京區) 조례 사이즈 W1,100㎜×D450㎜×H1,500㎜(기초 기본 높이 50㎜ 포함)로 한다. ⑶ 변압기 용량 증가 6㎸ 지상용 변압기 용량이 50±125㎸A인 데 반해, 이 변압기의 용량은 약 2배인 300㎸A이다. ⑷ 공중(公衆)안전 확보 22㎸측 개폐기를 안전 상분리 접지용기 내에 수납하여 상간단락 방지를 도모한다. 외상(外箱)과 내장 기기를 절연하고 외상을 별도로 접지하여 사고 시 접촉 전압·보폭 전위 상승을 억제한다. 사양 <표 1>에 ‘22㎸/400V 지상용 변압기’와 기존 6㎸ 기기의 사양을 비교하여 나타냈다. 기존 기기에는 변압기 절연에 광유(鑛油)를 사용했지만 이 장치는 실리콘액을 적용하여 변압기 용량을 증가시켰으며, 1차측 개폐기는 기존의 기중 절연방식에서 진공 절연방식으로 하여 소형화를 도모했다.

[표 1] 6㎸와 22㎸ 지상용 변압기 사양 비교

구조

[그림 1] 22㎸ 지상용 변압기 단선 결선도

22㎸/400V 지상용 변압기는 1차측 개폐기부, 변압기부, 2차측 개폐기부 세 부분으로 구성되어 있으며 이것은 모두 외상에 수납된다. <그림 1>에 그 단선 결선도를 나타냈다. 또한 전체 기기 배치를 <그림 2>, 외관을 <그림 3>에 나타냈다.

[그림 2] 22㎸/400V 지상용 변압기 기기배치도

[그림 3] 22㎸/400V 지상용 변압기 외관

1. 1차측 개폐기부 1차 개폐기의 외관을 <그림 4>로 나타냈다. 각상마다 분리 접지한 진공 용기 내에 부하개폐기(LBS) 3회로, 접지 장치(ES) 2회로를 일괄 수납하여 개폐기 축소화를 도모했다.

[그림 4] 1차 개폐기 외관

⑴ LBS1, LBS2 수동 스프링 조작기로 조작하고 600A의 부하전류 개폐능력을 가지며, 이 예비선 또는 루프 방식 운용으로 제공된다. 또 62㎄p의 투입용량과 25㎄ 1s 단시간 전류 통전성능도 있다. ⑵ TR용 LBS 수동 스프링 조작기로 조작하고 100A의 부하전류 개폐능력을 가진다. 또 수동 조작기는 24㎸ 유중 퓨즈가 용단됐을 때 가동되는 스트라이커로 운동하여 절동작(切動作)을 행한다. 이 운동 조작에는 수동조작 중에도 제일 먼저 절동작하는 메커니컬 트립 프리 기구를 채용했다. ⑶ ES1, ES2 수동 조작기로 조작하여 각각 LBS1과 LBS2의 고정측(케이블 측)에 접속한다. 또 25㎄ 1s 단시간 전류 통전능력을 가지고 있다. ⑷ 진공 측정 단자 보수점검 시 진공 용기 내 진공도를 측정하기 위해 설치한다. ⑸ 인터로크 기구 <그림 5>와 같이, LBS와 ES 간에는 수동 조작 핸들 삽입구에 인터로크 기구가 설치되어 있다. 그 기능은 다음과 같다. ① LBS가 ‘입(入)’ 상태에서 ES가 조작할 수 없도록 ES 핸들 삽입구를 막는다. ② ES가 ‘입(入)’(접지) 상태에서 LBS가 조작할 수 없도록 LBS 핸들 삽입구를 막는다.

[그림 5] 조작기 인터로크 기구

2. 변압기부 변압기의 외형을 <그림 6>으로 나타냈다. 변압기는 콘서베이터(Conservator)를 채용한 밀봉형 자랭식(自冷式)으로 했다.

[그림 6] 변압기 외관

⑴ 변압기 탱크 측면의 세 방향에 방열용 파판을 설치하여 외상의 갤러리에서 유입되는 공기가 이 사이를 흐르면서 변압기 발열을 흡수하고 천장에서 외부로 효율적으로 배출하도록 하였다. 또한 인화점 300℃ 이상의 실리콘액과 내열온도 200℃ 이상의 폴리아미드 절연물을 적용하여 온도 상승 한도를 높이고, 고효율 철심과 권선 최적설계로 변압기의 총 손실을 저감시켜 변압기의 대용량화(300㎸A)를 달성했다. 변압기의 온도 상승 한도를 높일 때에는 변압기의 발열량, 방열 파판의 구조·배치와 외상 표면온도의 관계를 정량적으로 파악하여 최적화하고, 공중안전과 관련된 외상 표면온도의 상승을 40K 이하로 억제한다. ⑵ 콘서베이터 변압기의 온도 변화에 따른 실리콘액의 체적증감을 흡수하기 위해 변압기 탱크와 배관에서 접속하여 변압기 하부에 배치한다. 하부에 배치한 이유는 다음과 같다. ① 변압기의 천장부까지 실리콘 액을 충진하여 내부의 열을 천장부에서 효율적으로 배출시킨다. ② 온도가 낮은 하부에 배치하여 콘서베이터 내 고무제 격벽의 열 노화를 방지한다. ⑶ 24㎸ 유중 퓨즈 변압기 탱크 측면에 배치하고 변압기 1차 권선과 TR용 LBS 사이를 접속하여 변압기 내부부터 2차측 모선까지를 보호한다. 동작하면 내장된 스트라이커가 튀어나오고 TR용 LBS가 연동하여 절동작을 일으켜 변압기를 전원에서 분리한다. 3. 2차측 개폐기부 <그림 7>과 같이, 2차측 개폐기부는 변압기 콘서베이터 전면의 공간을 효과적으로 이용하여 배치한다.

[그림 7] 2차측 개폐기부

⑴ MCCB(Molded-Case Circuit Breaker) 2차측 인출 단자 뒤편에 2대 배치하여 사용하는 것은 4극 타입의 MCCB로, 400V 3상 4선 회로의 단락·지락보호를 행한다. 이 MCCB는 노상 설치를 고려하여 습윤 등의 환경을 고려한 기종을 선정했다. ⑵ 2차측 도체 상간단락 방지를 위해 접속부 이외에는 절연피막으로 코팅한다. 또 단자부에는 상간 방벽을 설치하여 작업 안정을 고려했다. 4. 그 외 ⑴ 검전(檢電)단자 <그림 8>과 같이, 1차측 케이블 단말에 설치된 VD(Voltage Divider)에서 단자대로 배선하여 검전, 검상을 행하는 구조로 되어 있다.

[그림 8] 1차측 검전단자

⑵ 비상용 단자 본체 측면 하부에 <그림 9>와 같이 비상용 단자를 설치했다. 만일 전원 측에 트러블이 생겨 전력공급을 할 수 없는 경우에는 분리된 도체가 2차측을 전원 측에서 분리하고 이 단자에 전원차 등을 접속하여 직접 전력을 공급할 수 있도록 했다.

[그림 9] 비상용 단자

공중안전 노상에 설치된 점을 고려하여 외상 표면온도, 접촉전위, 보폭전압, 내부 아크 등 공중안전을 생각하는 구조를 채용했다. 그 개요는 다음과 같다. ⑴ 외상 표면온도 앞서 설명했듯이 내부 발열을 효율적으로 배기하는 구조로 외상 표면온도 상승을 40K 이하로 억제한다. ⑵ 접촉전위·보폭전압 외상과 내부 기기를 절연하고 외상의 접지를 내부기기와 별도로 처리하여 내부 기기에서 사고가 발생했을 때의 외상 전위 상승을 50V 이하로 억제한다. ⑶ 내부 아크 발생 시 보호 1차측 개폐기의 안전 상분리 구조를 채용하여 상간단락 사고를 방지하고, 계통 중성점 접지 저항으로 일선 지락 시 사고전류를 600A 이하로 저감시킨다. 변압기 내부의 단락사고는 1차측 퓨즈에서 순시로 한류 차단한다. 또한 2차측은 지락도 포함하여 MCCB로 단시간 사고 차단한다. 이러한 대응에 의해 내부 아크 발생 시 공중안전을 확보하도록 한다. 마무리 이 장치는 2003년에 초호기 실운동을 시작하여 점차 그 적용을 확대해 가고 있다. 이 장치 및 개발된 각종의 신기술을 적용하여 22㎸/400V 지중배전 방식이 더욱 보급되리라 기대한다.