22kV/400V 지상용 변압기(PMT type)의 개발, 실용화

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 22kV/400V 지상용변압기(PMT type)의 개발·실용화 도시부에서 전력 공급능력 확보를 위해 22kV/400V 지중배전방식의 확충이 진행되고 있다. 그러나 기구의 대형화나, 비용이 높은 점이 보급 확대의 저해 요인의 하나가 되고 있다. 이 문제에 대응하기 위한 일환으로 22kV 전 케이블 계통에 절연레벨 저감을 적용하고 ‘22kV/400V 지상용변압기’를 개발해 실용화했다. 특징 본 장치는 앞으로 노상설치를 고려해 ‘종래의 6kV 지상용변압기와 같은 서비스를 한다.’, ‘공중안전을 확보한다.’ 는 것 이외에 ‘변압기 용량을 증가시킨다.’는 것을 목표로 개발이 진행됐다. 주요한 특징은 아래와 같다. 1. 절연레벨 저감 본 장치가 전 케이블 계통에서 운용되는 것을 전제해 뢰 임펄스(impulse)를 75kV로 저감했다. 2. 장치 서비스의 콤팩트화 외형방식은 종래의 6kV 지상용변압기와 같은 도쿄도 조례 서비스 W1100㎜×D450㎜×H1500㎜(기초베이스 높이 50㎜ 포함)으로 했다. 3. 변압기 용량 업 6kV 지상용변압기의 용량 50＋125kVA로 대응해 본 장치의 변압기는 약 2배의 300kVA로 했다. 4. 공중안전의 확보 22kV 측의 개폐기를 완전히 서로 분리해 접지용기 내에 수납해 서로 간 단락방지를 추구한 다음 외관과 내장기기를 절연해 외관을 별도 접지로 하는 것으로 사고 시에 접촉전압·보폭전위상승을 억제하고 있다. 사양 <표1>에 이번에 개발한 22kV/400V 지상용변압기와 종래의 6kV 기기의 사양을 비교했다. 종래는 변압기 절연 광유(鑛物油)를 사용하고 있지만, 본 장치는 실리콘 액을 적용해서 변압기 용량을 증가시킨 다음 일차 측 개폐기는 종래의 기중절연방식부터 진공절연방식으로서 소형화를 도모했다. 구조 22kV/400V 지상용변압기는 일차 측 개폐기부, 변압기부, 이차 측 개폐기부 3개 부분으로 구성되어 있고, 이들은 전체 외관으로 수납되어 있다. <그림1>에 그 단선결선도를 표시했다. 또, 전체 기구배치를 <그림2>에, 외관을 <그림3>에 표시했다. 1. 일차 측 개폐기부 일차 개폐기부의 외관을 <그림4>에 나타냈다. 각 부분을 따로 분리해 접지한 진공용기 내에 부하개폐기(LBS) 3회로, 접지장치(ES) 2회로를 일괄 수납하고 개폐기 축소화를 꾀하고 있다. (1) LBS1, LBS2 수동스프링 조작기로 조작해, 600A의 부하전류개폐능력을 갖고, 본 예비선 혹은 루프방식의 운용으로 제공됐다. 또, 62kAp 투입용량과 25kAls의 단시간 전류 통전성능도 갖고 있다. (2) TR용 LBS 수동스프링조작기에서 조작해 100A의 부하전류 개폐성능을 갖는다. 또 수동 조작기는 24kV 유중퓨즈가 용단한 때에 움직여 스트라이커와 연동해서 끊는 동작을 한다. 이 연동동작에서는 수동조작중이더라도 우선해 끊는 동작하는 매커니컬트립프리 구조를 채용하고 있다. (3) ES1, ES2 수동 조작기에서 조작해 각각의 LBS1와 LBS2 고정 측(케이블 측)에 접속하고 있다. 또 25kAls의 단시간 전류 통전 능력을 갖고 있다. (4) 진공측정 단자 보수 점검 시에 진공용기내의 진공도를 측정하기 위해 설치돼 있다. (5) 인터로크 구조 <그림5>에 나타났듯이, LBS와 ES의 사이에는 수동조작 핸들 투입구에 아래와 같이 인터로크 구조가 설치되어 있다. 그 기능은 아래와 같다. ·LBS가 ‘가동’상태에서 ES가 조작출입이 없도록 ES핸들 투입구를 막는다. ·ES가 ‘가동’(접지) 상태에서 LBS가 조작출입이 없도록 LBS 핸들투입구를 막는다. 2. 변압기부 변압기의 외형을 <그림6>에 표시했다. 변압기는 콘서베이터(Conservator)를 채용한 밀봉형 자냉식으로 하고 있다. (1)변압기 탱크 측면에 3방식에 방열용 파판을 설치해 놓아 외관의 갤리에서 유입하는 공기가 그 사이를 흐르고 변압기 발열을 흡수해 천정에서 외부로 효율 좋도록 배출하는 구조로 하고 있다. 또 인화점 300℃ 이상의 실리콘액과 내열온도 200℃이상의 폴리아미드 절연물을 적용해 온도상승 한계를 끌어올려 더욱 고효율 철심과 권선의 최적설계에 의해 변압기의 총 손실을 저감해 변압기 대용량화(300kVA)를 달성했다. 더욱이 변압기 온도상승한도로 끌어올릴 때에는 변압기의 발열량, 방열파판의 구조·배치와 외관 표면 온도의 관계를 정량적으로 파악해 최적화하고, 공중안전에 관해서 외관표면온도의 상승을 40k 이하로 추구하고 있다. (2) 콘서베이터 변압기 온도변화와 동반한 실리콘 액 체적증감을 흡수하기 위해 변압기탱크와 배관으로 접속해 변압기 하부에 배치하고 있다. 하부에 배치한 이유는 아래와 같다. ·변압기 천정부까지 실리콘 액을 충전해 내부의 열을 천정부에서 효율좋게 배출시킨다. ·온도저하 하부에 배치해서 콘서베이터 내 고무제 격벽의 열 열화를 방지한다. (3) 24kV 유중 퓨즈 변압기 탱크 측면에 배치해서 변압기 1차권선과 TR용 LBS사이를 접속해 변압기 내부에서 이차 측 모선까지를 보호하고 있다. 동작하는 것과 내장된 스트라이커가 돌출해 TR용 LBS가 연동해 끊는 동작을 하고, 변압기를 전원에서 분리한다. 3. 이차 측 개폐기부 <그림7>에 표시한대로 이차 측 개폐기 부는 변압기 콘서베이터 전면의 공간을 유효하게 이용해 배치하고 있다. (1) MCCB(Molded-CaseCircuitBreaker) 이차 측 인출한 단자의 뒤쪽에 2대 배치하고 사용하고 있는 것은 4극 타입의 MCCB에서 400V 3상4선 회로의 단락·지락 보호를 하고 있다. 본 MCCB는 노상설치를 고려해 습윤 등을 배려한 기종을 선정했다. (2) 2차 측 도체 상호간의 단락방지 관점에서 접속 부 이외는 절연피막으로 코팅하고 있다. 또 단자부에서는 서로 간 바리야를 설계해 작업 안정성을 배려했다. 기타 1. 검전단자 <그림8>에 나타난 대로 일차 측 케이블 단말에 설계된 VD(Voltage Divider)부터 단자대에 배선해 검전, 검상을 하는 구조로 하고 있다. 2. 비상용 단자 본체 측면 하부에 <그림9>에 표시한 대로 비상용단자를 설치했다. 만일 전원 측에 트러블이 있어 전력공급이 안됐을 때에 풀어서 본 단자에 전원차 등을 접속해 직접 전력을 공급할 수 있도록 했다. 공중안전 노상에 설치될 것을 고려해, 외관표면온도, 접촉전위, 보폭전압, 내부아크 등에 대해서 공중안전에서 배려한 구조를 채용하고 있다. 그 개념은 아래에 서술했다. 1. 외관표면온도 앞서 서술한 대로 내부발열을 효율 좋도록 배기한 구조로서, 외관표면 온도상승을 40k 이하로 추구하고 있다. 2. 접촉전위·보폭전압 외관과 내부기기를 절연해 외관의 접지를 내부기기와 따로 취하도록 해 내부기기에서 사고가 발생했을 때 외관의 전위상승을 50V 이하로 추구하고 있다. 3. 내부아크 발생시 보호 일차 측 개폐기의 완전 서로 분리구조를 채용해서 본부위에서의 서로간의 단락사고를 방지하고, 한편으로 계통의 중성점 접지저항에 따른 일선 지락시의 사고전류를 600A이하로 저감하고 있다. 또 변압기 내부의 단락사고는 일차 측 퓨즈에서 순시로 한류 차단한다. 게다가 이차 측은 지락도 포함해 MCCB에서 단시간에 사고 차단한다. 이상의 대응에 따라 내부아크 발생시 공중안전을 확보하고 있다. 마치며 본 장치는 2003년에 첫 호기 실 운용을 개시하고, 순차적으로 그 적용을 확대해 가고 있다. 본 장치 및 개발된 여러 가지 신기술을 적용하는 것으로 22kV/400V 지중배전방식에 따라 보급될 것을 기대한다.