[그림 1]에 몰드 변압기의 개요를 나타냈다. 몰드 변압기의 일반적인 특징으로는 「①하부에만 고정, ②짧은 지지점 간격, ③높은 무게중심」 등이 있으며, 변압기의 상부에는 접속된 도체 이외에 지지물이 없기 때문에 매우 흔들리기 쉬운 구조이다. 앞선 조사로부터 드러난 몰드 변압기의 지진동에 따른 주요 피해사례 4종류를 그림으로 나타냈다. ([그림 2]~[그림 5] 참조) 사례 1은 변압기 본체가 크게 흔들려 큐비클의 측벽(側壁)에 접촉된 사례이다. 충전부가 금속체에 닿아 지락사고로 이어진 사례도 있었다. 사례 2는 [그림 1]의 구리바(폭광(幅廣) 도체) 및 2차측 단자가 상간 단락된 사례이다. 이 부분은 복수의 도체가 인접하여 최단부가 10~15mm 정도로 각 도체의 간격이 좁다. 지진동에 의해 일부 도체에 강력한 힘이 가해져 변형이 일어난 결과, 인접 도체 및 상부 클램프에의 접촉으로 단락사고가 발생했다. 사례 3은 변압기의 진동폭이 크고, [그림 1]의 편조선(編組線) 여분의 길이를 초과, 상부에 연결된 폭광(幅廣)의 저압 도체가 탈락하여 타상(他相) 도체 및 금속부분과 접촉하여 단락된 사례이다. 사례 4는 고압 도체([그림 1] 참조)의 여분의 길이 이상으로 변압기가 변위하여 단선이 된 사례 및 장시간의 흔들림(진동)에 의해 단자 부분에 금속피로가 가해져 단선이 된 사례이다. 어느 사례도 복구에 장시간을 요하고, 특히 변압기가 손상된 경우에는 그 교체에 수개월 이상이 걸리기 때문에 수요가의 BCP에 끼치는 영향이 대단히 크다고 할 수 있다. 따라서 전기설비의 중심인 몰드 변압기의 내진화를 추진하여 정전이 없는 수전설비, 그리고 만약 정전이 발생한 경우에도 장기화되지 않는 수전설비를 구축함으로써 고객의 BCP에 기여함과 동시에 전기에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 개발 목표를 [그림 6]에 나타냈다.
[그림 7]에 동일본 대지진 시 하가파(芳賀波)※3에서의 응답 스펙트럼 모식도를 나타냈다.
(※3 동일본 대지진 당시 도치기현(?木縣) 하가정(芳賀町)에서 관측한 지진파[진도7 상당])
응답 스펙트럼이란 지상의 물체가 지진동에 의해 받는 에너지의 크기를 물체의 고유주파수별로 나타낸 것이다. 지진파의 종류 및 관측장소에 따라 다르지만, 대부분의 지진파에서는 1~5Hz의 주파수 대역에서 에너지가 탁월하여 고유주파수가 이 범위 내에 있는 물체는 크게 흔들리게 된다. 또 고유주파수가 높아지면, 응답 에너지가 작아지는 경향이 있다.
이상, 개발의 중점을 다음과 같이 정리한다.
【개발 중점】
① 변압기 상부의 진동폭을 억제한다.
② 변압기와 내진장치를 포함한 장치 전체의 고유주파수를 높이고, 지진동과의 공진을 막는다.
③ 앱소버에 의해 지진동에서 받는 에너지를 감쇠시킨다.
이러한 중점들을 바탕으로 다양한 형태를 검토하여 시뮬레이션 및 시작품의 가진시험(加振試驗)을 통한 검증을 반복 실시하였다. 그 결과를 다음에 소개한다.
변압기 내진장치의 구조변압기 내진장치의 구조를 [그림 8]에 나타냈다. 변압기 내진장치는 변압기의 모퉁이 네 군데에 슬래브 등 견고한 기초에 고정하는 금속주(金屬柱)를 세우고, 변압기 상부에 설치한 브래킷과의 사이를 앱소버(진동흡수 기능을 가진 고무를 내장. [사진 1] 참조)로 연결하여 변압기를 상시 잡아당기는 형태로 진동의 진폭을 억제하는 구조이다. 또 앱소버를 사선 45도 방향으로 배치함으로써 장치의 소형화를 도모했다.
앞의 「개발 중점」에서 언급한 내용과 중복되지만, 재차 변압기 내진장치의 특장점에 대해 후술한다.
【변압기 내진장치의 특장점】
① 앱소버에 의해 변압기 상부의 진폭을 억제함으로써 단락·지락·소손 등의 사고를 방지한다.
② 변압기 본체와 변압기 내진장치를 포함한 장치 전체의 고유주파수를 높이며, 지진동과의 공진을 막고 응답 에너지를 저감시킨다.
③ 브래킷의 모양을 변형시킴으로써 다양한 업체 및 형태의 변압기에 대응 가능하다.
변압기 내진장치의 외관을 [사진 2]와 [사진 3]에 나타냈다.
변압기 내진장치의 내진효과 검증
변압기 내진장치의 내진효과를 확인하기 위해 실제로 발생한 과거의 지진파 데이터를 가지고 가진검증시험(加振檢證試驗)을 실시했다. 그 결과를 [그래프 1~3]에 나타냈다.
【효과검증에 사용한 공시체 조건】
· 3상 500kVA 몰드 변압기(중량 1400kg)
· 방진장치 설치
[그래프 1]은 동일본 대지진 시 하가파(芳賀波)의 지진파(가속도 레벨 25%)를 이용해 공시체를 단독가진(單獨加振)한 결과와 변압기 내진장치를 설치해 가진(加振)한 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 이 조건에서는 변압기 내진장치의 설치에 의해 변압기 상부의 가속도는 1/2로, 변위량은 1/30로, 각각 감소했다.
[그래프 2]는 [그래프 1]과 동일조건하에서 한신 아와지 대지진(阪神淡路大地震) 시 가속도 레벨 25%의 지진파를 이용한 것으로 결과는 하가파(芳賀波) 레벨 25%의 경우와 거의 같은 값을 보였다. 가속도 레벨을 25%로 한 이유는 내진장치를 설치하지 않고 변압기 단독(1대)으로 가진(加振)하는 경우, 지진파의 종류에 따라 다르겠지만 대체로 가속도 레벨 40% 정도의 지진파에서 변압기에 문제가 발생하기 때문에 변압기에 트러블을 일으키지 않고 비교하기 쉬운 값으로 하기 위해서이다.
[그래프 3]은 변압기 내진장치를 설치한 상태에서 하가파(芳賀波)의 가속도 레벨을 100%(관측파형)로 하여 가진(加振)한 결과이다. 이것은 이 파의 가속도 레벨 25%에서 내진장치를 설치하지 않은 경우와 비교해도 변위가 약 1/3로 저감되고 있기 때문에 변압기 내진장치의 높은 효과가 실증되었다. 또한 하가파(芳賀波) 100%에서의 진동대(振動臺, Shaking table) 입력 가속도 921Gal에 대해 변압기의 응답 가속도는 최대 2306Gal로 약 2.5배 증폭되고 있지만, 이것은 앱소버가 변위를 억제할 시 순간적으로 생기는 것이며, 변압기에 영향을 미치는 것은 아니다.
변압기 내진장치의 라인업[그림 9]는 변압기 내진장치의 라인업으로 왼쪽부터 순서대로 (a)콤팩트 타입, (b)표준 타입 (c)고강성 타입이며, 변압기에 설치할 시의 변압기 2차측 단자부의 허용 변위량은 모두 ±30mm로 설계했다. 같은 지진파라도 건물의 구조 및 층계의 조건에 따라 응답 에너지는 변화하며, 지하층은 작고, 층계가 늘어날수록 커진다. 이 때문에 장치의 형태를 3가지 타입으로 준비했다.
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