변압기는 전압의 크기에 따라 초초고압, 초고압, 고압, 전압으로, 용도와 용량에 따라 전력용, 송·배전용으로 분류한다. 그리고 절연 매체에 따라 유입, 가스, 몰드, 건식으로 분류한다. 변압기 기술은 일반적으로 권선과 철심 제조, 냉각, 절연, 전력의 공급과 제어, 스위칭과 비상 보호, 기타(관리 및 검사) 등으로 분류한다. 이 가운데 발전소에서 생산한 전력을 변전소로 보내는 전력용 변압기는 발전소와 변전소의 핵심 기술로, 무엇보다 안전성을 기본으로 효율성, 친환경성, 신뢰성, 경제성을 요구한다. 여기에서 765kV 송전 전압 격상으로 기술 개발을 활발하게 전개해 온 초고압 변압기의 기술과 제조 공정 등을 LS산전의 도움으로 살펴본다. LS산전 초고압 변압기 공장은 최신 철심가공기, 권선기, 대용량 진공 열 건조 설비와 더불어 공정별로 최첨단 청정 시설을 설치·운영하며, 최고의 테스트 룸Test Room에 월드 클래스World Class의 시험 설비를 구비했다.
내부 구성(Internal Construction)
코어Core | 철심은 자속磁束의 통로이므로, 투자율이 크고 철손鐵損이 적은 것을 사용해야 한다. 규소함유량 4% 전후의 두께 0.35∼0.3㎜의 규소 강판이나 규소 강대를 성층成層한 것을 사용한다. 철심은 규소 강대를 압연 방향에 루프 상으로 감은 것이다.
LS산전 초고압 변압기의 철심은 투자율이 높고, 히스테리시스 손실이 적은 넌 에이징Non-aging 방향성 규소 강판을 사용한다. 또한, 와전류손(Eddy Current Loss)을 줄이고자 얇게 성층하며, 조인트 부분은 스텝 랩Step-lap 방식으로 손실과 소음이 적게 끔 제작한다.
철심 가공 설비로 가공한 얇은 규소 강판 시트Sheet들을 자속 발생 자기 회로로 구성하고자 적층한다. 얇고 커다란 규소 강판 구조상 세운 상태로 적층할 수 없으므로 자립대에 눕혀 적층한다. 적층을 마친 후 기계적 강도를 유지하고자 상하를 프레임Frame으로 지지하고, 철심을 타이 플레이트Tie Plate 및 글라스 레진 테이프Glass Resin Tape를 감아 고정하며, 자립대를 이용해 세운다.
 코일 & 와인딩Coil & Winding | 코일은 도선導線을 고리 모양으로 만든 것으로, 강선을 감아 만든 코일 스프링, 냉각 및 방열용 나사선형으로 감은 관 등이 있다. 전기 회로는 기본적인 상수常數의 하나인 인덕턴스Inductance를 실현하는 구체적인 부품이며, 구리나 알루미늄과 같은 전도성이 좋은 선재를 절연성 재료로 피복해 통형이나 나사선형으로 감는다.
 LS산전의 초고압 변압기 코일은 온도 변화로 말미암은 수축·팽창에 의한 절연 손상과 이상 운전상태에서의 동요와 만곡 등을 방지하고, 절연유를 순환시키도록 하며, 국부 과열(Hot Spot)의 발생을 경감할 수 있는 적합한 형상으로 제작한다. 권선과 철심 간, 고저압 권선 간에 적당한 절연 격리판(Barrier)을 사용하고, 유동 대전 현상을 억제할 수 있는 적합한 구조로 제작하며, 코일 단말(End Coil)에 선로 이상 상태에서 충분히 견디는 보완적인 보호 장치를 갖췄다. 순도 99.99% 이상의 순동純銅코일을 원형 권선기에 감아 권선을 제작한다. 권선기는 수직형과 수평형으로 분류하는데 고전압 저전류로 도체의 수량이 적고 권선 방식이 복잡한 경우 수직형을, 저전압 대전류로 도체 수량이 많은 권선 방식은 수평형을 적용한다. 또한, 주요 이물질에 대한 철저한 청결 관리를 위해 방진 룸에서 제작한다.
 작업 공정(Process)
1. 권선(Winding) | 동각 선(순도 99.999% 이상 순동)을 전류가 흐르도록 원형 권선기에 감아 권선을 제작한다.
2. 철심 가공(Core Cutting & Punching) | 롤타입 규소 강판을 설계한 사이즈로 프로그램에 의해 자동으로 커팅 & 펀칭Cutting & Punching해 철심을 제작한다.
3. 철심 적층(Core Stacking & Assembling) | 절단한 규소 강판을 전기 자속이 발생할 수 있는 자기 회로 구성을 위해 적층한다.
4. 본체 조립(Assembling for Main Body) | 적층을 마친 철심에 권선 작업을 완료한 권선 코일을 삽입·조립해 전기적인 회로를 구성한다.
5. 총 조립(Final Assembling) | 탱크Tank 내부에 본체를 넣고 진공을 완료하면 절연유를 충진하고, 탱크 외부에 각종 보조 기기류를 설치해 전기적인 회로 구성을 완료한다.
6. 최종 시험(Final Testing) | 총 조립을 완료한 후 변압기의 전기적 특성 및 전기적 절연성능을 확인하고 품질을 보증하기 위해 최종 시험한다.
설계 기술(Design Technologies)
 자계 기술(Magnetic Field Analysis) | 3D마그네틱 필드 애널리스트Magnetic Field Analysis 프로 그램으로 자계를 계산 할 수 있고, 자계 내에 놓인 탱크 및 프레임과 같은 구조물에서의 표류손(Stray Losses)뿐만아니라 국부 과열 온도도 계산한다.
 Magnetic Intensity - 자속에 의해 도체에 발생하는 와전류손을 최소화하기 위해 자계해석 프로그램을 이용한다. 권선 단부에서 자속의 수평 성분이, 권선 중앙부에서 자속의 수직 성분이 크므로, 이에 따라 도체 치수를 달리해 와전류에 의한 손실을 최소화한다.
 3-D Magnetic Field Analysis for C&C - 누설 자속에 의해 프레임 및 탱크 등의 구조물에서 발생하는 손실을 3D 자계 해석 프로그램을 이용해 계산한다.
해석 결과를 토대로 프레임의 구조 및 치수 등을 조정하고, 탱크 내부 벽면에 마그네틱 션트Magnetic Shunt 등의 자기 차폐물을 부착해 손실 및 온도 상승을 최소화하도록 최적으로 설계한다.
 Frame Temp. Rise - 설계 단계에서 철심을 지지하는 프레임에서의 누설 자속 분포를 3D 모델링을 통해 해석한다. 그 결과를 바탕으로 국부적 손실을 계산하고, 온도 상승이 높은 부위를 개선하기 위해 재질, 구조, 치수 등을 조정해 손실 및 온도 상승을 최소화하도록 설계한다.
 Tie Plate Temp. Rise - 설계 단계에서 레그Leg 철심을 지지하는 타이 플레이트에서의 누설 자속 분포를 3D 모델링을 통해 해석한다. 그 결과를 바탕으로 국부적 손실을 계산하고, 온도 상승이 높은 부위를 개선하기 위해 재질, 구조, 치수 등을 조정해 손실 및 온도 상승을 최소화하도록 설계한다.
 CTC Wire - 대전류가 흐르는 권선의 경우, 소선을 여러 가닥으로 나눠 자속이 쇄교鎖交(자력선 등이 코일과 교차하는 것)하는 면적을 작게 해 와전류손을 최소화하도록 CTC(연속 전위 권선)를 적용한다.
CTC는 와전류손을 작게 할 뿐만 아니라 소선이 연속적으로 전위돼 순환 전류 손실을 줄이기에 손실을 최소화할 수 있다.
 절연 기술(Insulation Analysis) | 전위 진동 프로그램으로 각종 임펄스 전압에 대한 전위 진동과 턴 간 절연, 대지 간 절연, 섹션 간 절연을 해석한다. 또한, 전계 해석 프로그램으로 권선 중앙 부위의 메인 갭Main Gap에 대한 절연 강도 해석과 단부의 절연강도 해석을 한다.
Transient Stage Voltage Oscillation - 변압기의 전기적 안정성을 보증하기 위해 과도 전압 해석을 한다. LS산전 설계 프로그램은 베이식 라이트닝 임펄스Basic Lightning Impulse, 초퍼 웨이브임 펄 스C h o p p e d Wave Impulse, 스위칭 임펄스Switching Impulse 등이 권선에 인가됐을 때의 여러조건을 모의할 수 있다. 이러한 조건들에 대해 권선의 인덕턴스, 레지스턴스, 커패시턴스를 계산하고, 권선에 분포하는 각 노드별과도 전압을 계산할 수 있다. 해석 결과를 바탕으로 권선 단부에 콘트라 실드Contra Shield를 삽입해 과도 전압을 완화하고, 인터리브 와인딩Interleaved Winding 등의 방법을 사용해 섹션 간 전위차를 줄임으로써 최적의 전기적 안정성을 갖도록 설계한다.
  Electric Field Analysis - 과도 전압 해석 프로그램 결과를 바탕으로 특정 부분 간, 전극 간, 노드 간 절연 내력을 검토한다. 권선의 중앙 부위와 단부에서 절연물의 집중전계를 계산해 절연구조상 허용 전계 기준치를 만족하는지 해석한다. 그 결과를 바탕으로 절연 베리어에 의한 오일 갭Oil Gap의 치수 및 수와 앵글링의 삽입 유무를 결정한다. 전계가 집중되는 단부에 스태틱 실드 링Static Shield Ring을 삽입해 전계를 완화하고, 시리즈 커패시턴스Series Capacitance를 키워 과도 전압 특성을 좋게 해 전기적으로 안정적이며 콤팩트한 절연 구조를 갖도록 설계한다.
 냉각 기술(Cooling System Analysis) | 철심과 권선은 최적의 냉각 효율을 갖도록 제작하며, 넓은 방열 면적을 가진 라디에이터를 사용한다. 또한 강제 냉각을 위해 팬과 펌프를 적용하기도 하며, 라디에이터의 방열 면적, 냉매의 종류, 팬과 펌프의 수량 및 용량 등의 각종 파라미터Parameter를 적용할 수 있는 프로그램으로 검증한다.
Heat Analysis - 고객이 요구하는 온도 상승 제한값을 보증하기 위해 냉각 해석을 수행한다. 이 프로그램은 변압기 내에 발생하는 모든 열을 고려해 온도 상승을 계산한다. 방열기의 방열 면적, 용량, 냉매의 종류, 팬의 수량 및 용량, 펌프의 수량 및 용량, 유관의 형태에 따른 유속 등을 고려해 권선과 오일의 온도 상승을 계산한다. 그뿐만 아니라 핫티스트 스폿Hottest Spot 온도 상승도 계산 가능하며, 이를 토대로 변압기가 제한 온도 상승 이하에서 안정적으로 동작하도록 최적의 냉각 설계를 수행한다.
 구조 기술(Mechanical Structure Analysis) | 변압기 본체 탱크는 운반 및 취급 시 충격 진동 등에 충분히 견디도록 제작한다. 그뿐만 아니라 내부 고장 시 내부 압력에 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 갖도록 제작하며, ANSYS 강도 해석 프로그램으로 각 부위의 강도를 해석한다. 내부 조립품은 단락 고장 시 기계력에 충분히 견디고 운전 시 충격이나 진동에 견디도록 탱크에 견고하고 안전하게 고정한다.
 Frame Strength Analysis - 단락과 같은 고장 발생 시 프레임이 받는 기계력을 견디는지 3D 모델링을 통해 해석한다. 그 결과를 토대로 프레임이 가장 가혹한 조건의 기계력을 견디도록 프레임의 구조, 치수, 재질을 선택한다. 그뿐만 아니라 운송 중 충격에도 프레임이 휘거나 변형되지 않도록 기계적 강도를 계산해 프레임의 기계적 안정성을 확보한다.
 Pressure Test Analysis - 고장 시 변압기 탱크가 변압기 내부에서 발생하는 이상 압력을 견디는지 프로그램을 통해 해석한다. 이상 압력 발생 시 기계적 강도가 약한 부위를 찾아 구조를 개선하거나 혹은 보강재를 추가로 취부해 탱크의 기계적 안정성을 확보한다.
 Pressure Ring Strength - 단락과 같은 고장 발생 시 프레셔링이 받는 기계력을 견디는지 3D 모델링을 통해 해석한다. 해석 결과를 토대로 프레셔링이 가장 가혹한 조건의 기계력을 견디도록 프레셔링의 구조, 치수, 재질을 선택한다. 그뿐만 아니라 운송 중 충격에도 프레셔링이 파손되지 않도록 기계적 강도를 계산해 프레셔링의 기계적 안정성을 확보한다.
 Short Circuit Strength Calculation - 계통에서 1선 지락, 선간 단락, 3상 단락 등과 같은 고장 시 권선에 작용하는 기계적 발생력을 고장 모드 계산용 프로그램으로 계산한다. 이 기계력은 발생하는 여러 조건에 따라 후프 포스Hoop Force, 버클링 포스Buckling Force, 액시얼 포스Axial Force, 틸팅 포스Tilting Force 등으로 나누며, 이러한 기계적 발생력을 견디도록 최적의 도체를 선정해 권선의 기계적 안정성을 확보한다.
 테스트Test | LS산전 변압기 공장은 월드 클래스 World Class의 신뢰성 높은 시험 및 검사 장비 그리고 IEC, ANSI/IEEE, NEMA, KS, ES 등 국내외 규격을 만족하는 특성 시험과 절연 내력 시험, 온도 상승 시험 등을 통해 최상의 품질을 고객에게 제공하도록 시스템을 갖추고 있다.
<Energy News>
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