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VPI 변압기 성능 분석듀폰 코리아 AFS부서_이기철 이사 (02)2222-5296 / kacey.c.lee@kor.dupont.com신한전기공업㈜ 기술개발실_권순철 이사 (02)2633-5151 / kwonsc@nke.co.kr 개요전 세계적으로 전기설비에 대해 안전, 환경 문제, 신뢰성, 에너지 손실, 과부하, 공간 활용 및 국제 규격 등 더욱 더 많은 조건이 요구되는 추세다. 이로 인해 변압기 제조사는 최종 사용자로부터 다양한 요구 조건을 충족시키기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. VPI 변압기는 아라미드 절연지와 기타 고온 절연물로 구성되어 있으며, 이 절연 시스템은 ANSI 규격 C57.12.56에 준한 220도 연속 사용이 가능한 내열등급의 소재를 적용한다. VPI 변압기는 유입식 변압기, 몰드변압기 및 가스 절연 변압기 등 여타 배전용 변압기와는 차별화된 특장점을 가지고 있다. 이 변압기에는 VPI 다른 건식 변압기와는 달리 권선이 고체 수지물에 의해 몰딩되어 있지 않으므로 수리가 용이하며 자유로운 권선의 형태 및 크기로 제작할 수 있다. 고체 수지 절연물이 없으므로 크랙이 발생하지 않고 동일 ㎸A 용량에 비해 사이즈 및 무게가 감소되었으며, 부분 방전을 방지하도록 설계되었다. 안전성 및 과부하 대처 능력, 신뢰성이 월등히 향상되고 환경 파괴를 감소시켰으며, 유입변압기에 필요한 절연유 탱크 및 몰드변압기 제작에 필요한 금형이 필요없으므로 도체, 코어 및 절연물의 조합을 최적화시킬 수 있는 유연한 설계가 가능하다는 장점도 가진다. 설계 원리본고에서 채택한 설계 원리는 IEC 기준에 따라 동심원 구조의 코어 및 코일 구조방식이다. 권선 구조는 0.05㎜ 두께의 아라미드 절연지를 이용하여 기본적으로 기준충격 절연강도(BIL)에 맞도록 지권 절연이 된다. 절연 이격 거리는 원가, 크기 및 신뢰성 등에 영향을 미치는 중요한 요인으로서 시험조건, 연속 운전, 고도 및 온도 보정 변수 등에 따라 결정되며, 그 종류에는 점프 거리와 연면 거리 두 가지가 있다. 고압 및 저압 권선 사이와 1, 2차 권선과 철심·접지간, 상간 등의 절연 이격 거리는 대다수 변압기의 절연 파괴가 발생하는 부위로, 변압기 특성을 결정짓는 요인임을 감안하면 이에 대한 설계상 고려가 더욱 더 중요해지고 있다. VPI 변압기는 변압기 제조사, 시험 기관 및 연구소에서 다양한 설계 및 시험 경험을 바탕으로 최적의 절연 이격 거리를 갖고 있으며, 콤스페이서를 활용한 디스크 형태의 권선 구조로 되어 있다. 이러한 구조는 권선의 전기적·기계적 강도 보강, 고압 권선의 고른 전압 분포, 효율적 냉각 효과 및 핫 스팟 온도 저감 등에 대단히 효과적이다. 왜냐하면 콤스페이서의 슬롯을 적용하면 도체를 단단히 지지함에 따라 최대 전압 스트레스를 코로나 소멸 전압(CEV) 이하로 제한하여 단락 저항을 증대시킴은 물론 운전 시 부분 방전 발생을 억제하기 때문이다. 또한 콤스페이서의 구조상 도체 표면을 충분히 넓게 노출시킴으로써 권선 온도 상승의 냉각이 용이하며 절연물의 열화를 감소시키는 역할을 한다. 이러한 설계적 특징으로 인해 높은 신뢰성의 VPI 변압기 특성이 결정된다.제조 공정VPI 변압기는 최신 설비와 자재를 이용하여 제작한 고품질 권선을 적용한 변압기다. VPI 변압기와 몰드변압기를 비교하면 권선에 수지를 적용하는 공정만을 제외하고는 기타 상당 부분에서 공정이 매우 유사하다. <표 1>을 보면 이 두 변압기에 대한 공정 차이를 비교할 수 있다.
[표 1] VPI 변압기와 몰드 변압기의 공정 비교  ※ 주 ‘ - ’ : 공정 비 적용, ‘ O ’ : 공정 적용 VPI 변압기의 공정이 비교적 단순하므로, 주요 부분의 공정 품질 검사를 육안으로 검사하기가 더 용이하다. 권선의 품질에 영향을 주는 변수 요인을 줄임으로써 공정상 품질 문제 발생확률을 감소시킬 수 있다. VPI 설비는 밸브와 파이프라인으로 연결된 두 개의 독립 탱크 구조로서 함침 공정 시 필요한 수지량, 압력 및 진공 정도를 조절하는 역할을 한다. 수지 보관 탱크는 수지의 저장 수명을 최대한 연장시킬 수 있도록 내부 온도를 조절하는 역할을 한다. 권선 함침은 진공 및 가압 상태의 함침 탱크 내부에서 이루어진다. 일반적인 VPI 공정은 예열, 1차 진공, 2차 진공, 가압 사이클, 수지 배출 및 경화 등의 공정을 거쳐 진행된다. 1차 및 2차 진공 공정은 권선 절연물에 함유된 잔류 습도와 휘발성 성분을 제거하기 위해 필요하며, 그 다음 공정에 고온 수지가 권선 내부까지 스며들도록 외부를 완전히 도포한다. 약 600㎪의 가압 공정에서는 권선을 도포하는 수지에 공기 방울이 섞이지 않도록 하며 동시에 권선 표면에 완벽히 침투하도록 한다. 경화 공정 중 모노머와 수지의 상호 교차 공정으로 인해 무용해성 수지의 일부가 기화될 수도 있으나, 이 기체는 인체에 무해하다. H종 VPI 변압기에 적용되는 수지는 보통 220도 절연 시스템에 사용해도 전혀 문제가 없는 고온 절연물이며, 이로 인해 인체에 피부 질환 또는 알레르기 반응을 유발하지는 않는다. 고압 및 저압 권선 방식에는 몇 가지 방법이 있다. 디스크 권선은 10㎸ 또는 그 이상의 전압 고압 권선에 적용되는 표준 방식으로 용량(㎸A), 인가전압, 시험 전압 및 권선 설비 등에 따라 권선 방식이 결정된다. 대부분 제조사가 상용으로 채택한 권선 방식은 <표 2>와 같다.
[표 2] VPI 변압기 권선 방식   ⒜ 랜덤 권선 상면도 ⒝ 랜덤 권선 정면도 ⒞ 디스크 권선 상면도 ⒟ 디스크 권선 정면도 [그림 1] VPI 변압기 권선 종류 저압 권선 위 고압 권선 작업은 가공비를 절약할 뿐 아니라 좀 더 집약된 기계 강도를 부여하기 때문에 실시된다. 고압 권선의 한 가지 특징은 디스크와 랜덤 권선 작업에 필요한 콤스페이서라는 지지대를 사용한다는 것으로, 콤스페이서는 220도까지 다양한 절연 특성의 수지로 보강 된 고형 절연물로 제작된다. 콤스페이서와 별개로 가끔 세라믹 또는 아라미드 절연지·보드로 제작한 축방향 및 반경 방향의 스페이서 지지대를 사용하기도 한다. 적용 분야 주로 적용되는 분야는 35㎸까지의 인가전압 및 30㎹A까지의 용량에 해당하는 전력용 및 배전용 변압기 품목이다. 더불어 변압기의 소형화 및 고신뢰성 요구 추세에 따라 선박 내부에 설치 및 운용되고 있는 선박용 변압기로 주문이 증가하고 있다. 이 외 용도로 광산용, 원자력발전소용과 정류기 및 인버터 설비용 등이 있다. 지그재그 변압기와 기타 내부 권선에 다수의 리드선을 인출할 필요가 있는 변압기로는 VPI 변압기가 가장 적합하다고 할 수 있다. 이는 다수의 외부 연결단자용 부싱을 위한 특별한 몰드 금형이 필요 없고, 에폭시 수지로 주형된 내부 권선의 리드선이 단락 및 에폭시 수지 부싱 표면에 크랙 등을 염려할 필요가 없기 때문이다. NEMA 3R 기준의 외함을 적절히 적용하면 실내뿐만 아니라 실외용으로 적용도 가능하다. 제품 특성 1. 안전성 VPI 변압기는 인화성 절연유나 기타 어떠한 액체 절연유를 사용하지 않으므로 절연유 누출에 의한 환경오염이 없다. 높은 난연성 지수(LOI)를 가진 아라미드 절연지 및 기타 고온 절연물을 권선의 기본 절연물로 채택하고, 건식 변압기 중 철심 및 권선에 가장 적은 고체 절연물을 사용함에 따라 화재 시 화염 및 연기의 양을 줄일 수 있다. VPI 변압기의 화재 관련 특성 시험(F1 시험)을 살펴보면 IEC 60076-11에 근거한 화재 특성 시험에서 화원(火原) 제거 시 연소 가스의 온도가 얼마인지, 얼마나 오랫동안 화염이 지속되는지 등에 대한 화재 안전성을 확인할 수 있다. 이 시험 결과를 요약하면 다음과 같다.● 시료 사양 : 3상 1600㎸A, 10㎸/430-233V● 연기 농도 (광학 투과율 기준치 20% 대비 54.3% 측정됨) ● 연소 가스의 낮은 온도(420℃ 대비 최대 290℃) ● 화원 제거 시 신속한 화염 소화● 시험 후 3.6kG의 무게 손실(전체 618kG대비) ※ 광학 투과율(OTF)은 화재 특성 시험 시 발생 하는 연기의 양을 표시하며, OTF 치수가 높을수록 연기의 양이 적음을 나타낸다. 2. 신뢰성 변압기의 내열 등급이란 핫 스팟 허용온도를 포함한 최대 온도를 말하며, 최소한 이러한 온도에 견딜 수 있는 절연물을 권선에 적용해야만 한다. 절연 시스템에는 단순히 권선의 평균온도 상승분만 고려해서는 안 되며 최대 온도에 적합한 절연물을 적용해야만 한다.
[표 3] 절연물의 내열 등급  그러나 미국 내 한 연구 발표에 의하면, 권선 설계 및 구조에 따라 실제 최대 핫 스팟 온도 허용치가 표준에 명시된 핫 스팟 수치 온도보다 대략 10℃에서 20℃ 정도 더 높다는 것을 알 수 있다. 고조파 부하가 걸릴 경우 권선 온도 상승은 물론 핫 스팟 온도까지 상승시킨다는 사실로 내열 등급 자체를 낮추거나 보다 높은 절연 등급의 절연물 적용이 필요함을 알 수 있다. 그렇지 않을 경우 <표 3>과 같이 최대 온도 이상의 초과 온도 상승에 따른 권선 절연물의 조기 열화로 인해 변압기 수명이 단축될 수 있다. VPI 변압기 제조사에서는 절연 종별이 220℃인 아라미드 절연지를 기타 180℃ 이상의 절연 등급을 갖고 있는 절연물과 함께 적용하고 있다. 따라서 실제 절연 시스템에서는 최대 온도 이상의 온도까지 견딜 수 있으며, 결과적으로 변압기 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한 최대 부하 용량을 초과하는 과부하에 대해 수명 감축 없이 변압기 운전이 가능하다. 변압기 설계 시 권선 내 최대 온도를 견딜 수 있는 절연물의 설계를 반드시 고려해야만 한다. 변압기 수명에 대해서는 VPI 변압기는 Class 1E 용도로 원자력 발전소에 사용되고 있는데(원자로의 직접적인 제어용), 이는 40년 이상의 장수명과 스팀라인 파괴로 인한 변압기 손상이나 방사능 노출 및 지진파 등에도 견딜 수 있는 내력이 검증되었기 때문이다. 3. 환경에 미치는 영향 변압기 제조에 소요되는 자재, 공정 및 에너지 등은 환경에 어느 정도 영향을 끼치게 된다. 이러한 사실은 사용자가 여러 종류의 변압기 중 특정 변압기를 선정할 때 운전 시부터 폐기처분 시까지를 모두 종합한 환경 평가를 고려해야 함을 말한다. 최근의 환경 요구 사항 추세에 비춰보면 VPI 변압기는 다음과 같은 장점이 있다.첫째, 작은 크기와 가벼운 무게로 인해 실리콘 강판과 동 또는 알루미늄 도체 양을 줄일 수 있으며 에너지 절약 및 청정 환경에 기여할 수 있다.(실리콘 스틸, 동 및 알루미늄 도체를 생산하는 데에 값비싼 화석 연료가 소요되며 결과적으로 대기 및 수자원의 오염원이 된다) 둘째, VPI 변압기 제조에 필요한 모든 자재와 공정은 인체와 환경에 해를 끼치지 않는다. 셋째, 이 변압기는 운전 관리를 위해 환경에 지대한 영향을 미치는 절연유를 교체할 필요가 없다. 끝으로 변압기 폐기 시 이 변압기는 절연유가 없고 두꺼운 에폭시 수지층이 권선 주위에 없으므로 부품 재활용이 훨씬 더 용이하다. 이 VPI 변압기는 적용된 절연물의 양이 적으므로 폐기처분 시 처리해야 할 수지 또는 절연유 등의 부담이 상대적으로 적으며, 주 절연물인 아라미드 절연지는 대기 또는 토양에 해로운 독성 물질 배출이 전혀 없기 때문에 매립이나 불에 태우는 방식으로 폐기 가능하다.(환경과 2차 반응을 하지 않는 불활성 소재임) 따라서 아라미드 절연지는 유럽 내 시멘트 공장에서 에너지원인 연료로도 재활용이 가능하다. 4. 기후 및 환경에 대한 운전 특성 VPI 변압기는 수많은 시험에서 입증된 바와 같이 열악한 환경 조건 하에서도 전혀 문제없이 운전되어 왔다. 최근 CESI의 IEC 60076-11 표준에 입각하여 실시한 시험에서 VPI 변압기가 C2와 E2 시험을 모두 통과한 바 있다. 다음은 각각의 시험에 대한 주요 내용이다. ⑴ 기후 시험(C2) 주위 온도가 8시간 동안 점차적으로 영하 25℃까지 감소되는 함 내에 이 변압기를 설치하고 12시간 동안 유지한다. 12시간 경과 후 인가전류의 2배에 해당하는 전류를 고압 권선이 열적으로 포화될 때까지(H종 변압기의 권선 온도 상승분인 125℃와 주변 온도의 합이 165℃가 됨) 인가한다. 이 시험 후 권선에 크랙이 발생해서는 안 되고 절연 강도 및 부분 방전 시험 또한 모두 통과하여야 한다. 그 시험 결과는 다음과 같다. ● 표준값 0.8배의 별도 교류 내전압 시험을 60초간 실시하여 통과 ● 표준값 0.8배의 유도 내전압 시험을 150㎐에서 40초간 실시하여 통과● 인가전압의 1.3배에서 부분 방전 시험을 통과(50PC기준 대비 1.5PC 이하) ● 50㎐ 및 인가전압 1.1배의 전압에서 5분간 내압시험 통과(전압 인가 시 섬락이 발생하지 않았으며 육안 검사 시에도 흔적이 발견 안됨) 권선 내 기포 발생 시 높은 스트레스가 기포 내에 걸려 이에 따른 부분방전이 유발된다. 이는 절연 파괴로 이어지고 결과적으로 변압기 사고를 초래할 수도 있다. 부분방전 시험을 실시한 결과 VPI 변압기 수지층에 기포가 형성되지 않았음을 입증하였다. 사실상 VPI 변압기 권선에 함침된 수지층은 다른 변압기만큼 두껍지 않으므로, 고압 또는 저압권선 내 크랙 발생을 걱정할 필요가 없다. 이러한 제품 특성은 온도 변화가 극심한 곳에 설치될 경우 가장 적합한 성능을 보여준다. 크랙이 발생한다고 가정해도 신뢰성 높은 도체 절연지를 적용하고 있어 권선의 절연 파괴가 발생하지는 않는다. 이는 권선의 두꺼운 수지층에 의해 도체의 절연 강도가 결정되고, 또 이로 인한 온도변화에 따른 수지층 크랙 발생 우려가 있는 다른 변압기와 비교 시 VPI 변압기가 우수함을 입증하는 사실이기도 하다. ⑵ 환경 시험(E2) 온도와 습도가 제어되고 있는 시험용 함 내에 변압기를 설치하여 전원의 인가 없이 상대습도 93%의 기중에 6시간 이상 동안 방치하여 변압기에 물방울이 맺히게 하였다. 그 후 이 변압기를 시험용 함에 144시간 동안 방치하였다. 함 내 온도는 50±3℃로, 상대 습도는 90±5%로 유지하였다. VPI 변압기의 주요 시험 결과는 다음과 같다. ● 표준값 0.8배의 별도 내전압 시험을 60초간 실시하여 통과● 150㎐ 표준 값 0.8배의 유도 내전압 시험을 40초간 실시하여 통과(전압 인가 시 섬락 발생되지 않았으며 육안 검사 시 뚜렷한 흔적이 없었음) 이상의 시험을 실시한 결과, 외부 습도 및 먼지 등 열악한 외부 환경 조건으로부터 VPI 공정 처리가 된 권선이 모두 양호하게 보호되고 있음이 입증되었다. 실제 운전 장소에서의 다양한 시험 및 운전 경험 등을 보면 습도가 높은 장소에서 VPI 변압기가 정전 사태의 발생 없이 운용하기에 가장 안전하다는 것을 알 수 있다. 높은 습도 아래 오랫동안 보관된 몰드변압기나 VPI 변압기 등의 건식변압기는 수전시킬 경우 부하를 걸기 전에 반드시 습기나 먼지 등을 청소해 주는 것이 바람직하다. 높은 습도 조건에서 뿐 아니라 먼지나 이물질 등 오염도가 높은 지역 내에서도 VPI 변압기는 문제없이 성능을 발휘할 수 있는데, 이는 각각의 디스크가 서로 분리된 권선 구조로 먼지 또는 이물질이 디스크사이에 축적되는 것을 방지하기 때문이다. 저압 권선 또한 충분한 공간을 확보하고 있어 고압·저압과 고압 권선 사이의 이격 거리가 시멘트 또는 광산 용도에서와 같이 극도로 열악한 환경에서조차 확실한 냉각 효과가 있음을 입증해 왔다. 일례로 아시아 지역의 한 전력회사는 두터운 먼지층이 권선에 적층되었음에도 불구하고 18년 이상 동안 유지 보수 없이 다량의 VPI 변압기를 문제없이 사용해 온 실적도 있다. 5. 단락 강도 내력 단락 사고 발생 시 VPI 변압기는 축방향 및 반경 방향으로 받는 기계적 힘을 최소화시키도록 설계되었다. 또한 디스크 형상의 고압 권선에 VPI 공법으로 함침된 수지는 기계 강도를 보강하여 더욱 튼튼하게 권선을 지지해 준다. 최근 한국전기연구원(KERI)에서 실시한 VPI 변압기 단락시험에서는 4초 동안이나 단락전류를 견디는 대단히 특이한 결과가 있었다.2초 이상의 단락 전류를 IEC 기준으로 제작한 변압기에 인가한 것은 이번이 처음이었으며, 단락 시험 이후 확인된 %임피던스 변화율도 0.2% 정도로 극히 미세하였다.(허용기준치 7.5% 이하)이러한 결과는 고압·저압 권선에 전혀 변형이 없음을 의미하며, 이는 VPI 변압기가 단락강도 내력에 탁원한 성능을 갖고 있음을 증명한다.6. 과부하 용량 IEC 60076-11에 근거하면 H종 변압기의 평균 권선 온도 상승은 125℃로, 최대 허용 핫 스팟 온도를 220℃로 규정한다. 이 경우 전형적인 H종 VPI 변압기를 채용한 C종 절연 등급 핫 스팟 온도인 250℃와 H종 규격 최대 핫 스팟 온도인 220℃를 비교하면 30℃의 온도 차이가 발생한다.이런 특성을 활용하면 정격 용량 대비 추가 용량 또는 급격한 과부하 대처 용량 등을 제공할 수 있다. 일부 경우에 변압기의 효과적인 운전을 위해 변압기 명판에 정격 용량 외 추가 사용 용량을 기재할 수도 있다. 권선 온도 상승 시험을 기준으로 ANSI 표준에서 제시한 규칙적 부하 인가 지침서를 참고하면 VPI 변압기 사용자는 제품 수명의 손실 없이도 추가 사용 가능한 용량을 계산할 수 있다. 예를 들면 1000㎸A VPI 변압기의 권선 온도 상승이 100℃라고 가정하면 추가 사용 가능 용량은 <표 5>에 따라 계산할 수 있다.
[표 5] 건식 변압기 및 전력용 면압기의 부하인가에 대한 ANSI C59.96-EEE안내서  이상의 증가된 인가 용량과는 별도로 사용자 필요 시 VPI 변압기에 여전히 과부하를 수명 손실 없이 적용할 수 있다.7. TOC (Total Owning Cost) TOC는 변압기의 구매에서부터 설치, 운전, 유지 보수 및 폐기처분 때까지 누적 발생한 모든 비용을 말한다. 이러한 개념을 활용하여 미국 내 상당수의 전력회사에서는 TOC 계산을 통해 가장 경제적인 변압기를 구매하고 있다. 건식변압기의 가격 차이는 단순히 적용되고 있는 절연 시스템 차이에 의해 결정된다.경험적 자료를 바탕으로 절연등급이 높은 변압기일수록 감소된 크기로 인해 제품 가격 자체가 내려감을 알 수 있다. 일반적으로 H종 건식변압기는 F종 다른 변압기 대비 가격 경쟁력이 좋다. 변압기 운전비용은 사용자가 손실 평가 기준으로 에너지 손실 비용을 평가하여 산출한다.
 [그림 2] 건식 변압기 간 손실 평가 비최적의 손실 평가 비용을 결정하기 위해 특정 변압기의 부하 조건 및 부하 사이클 분석에 기반한 복잡한 공식을 적용하여 궁극적인 변압기 부하율을 도출해 낸다. 일반적으로 부하손 및 무부하손 두 가지 종류로 변압기 손실을 산출한다. 손실 평가 비율이란 예견된 변압기 수명에 대해 평가된 무부하 총 손실 비용($/㎾) 대비 부하 총 손실 비용($/㎾)의 비율을 의미한다. 전 세계적으로 일반적인 변압기의 평가비율은 3:1에서부터 8:1까지의 범위에 걸쳐 있으며, 이 중 선진국에서의 평가 비율은 4:1에서 6:1범위에 가장 많이 분포하고 있다. <그림 2>는 손실 평가 비교표의 한 예를 보여주고 있다. 이 그림을 보면 부하율 0.94까지 H종 변압기가 B종 또는 F종 변압기보다 에너지 비용 절감 효과가 더 크다는 것을 알 수 있다. 각국 정부 및 국제 환경보호 기관들의 규제 법안이 증가하는 등 환경 문제 관점에서 보면 머지않아 변압기 폐기에 적지 않은 비용이 소요될 것으로 예상된다. 이미 기술한 바와 같이 감소된 적용 자재 및 폐기의 용이성 등을 감안하면 VPI 변압기가 다른 변압기보다 폐기 비용이 저렴하다. 종합하면 TOC 개념에서 H종 VPI 변압기는 비용적인 이득 이외에 기타 활용 가능한 여러 가지 장점을 사용자에게 제공할 수 있다.결론 최근 환경 문제, 신기술 산업, 안전성, 에너지 등의 요인은 각기 다른 용도의 특정 요구 조건을 충족시키는 변압기의 연구 개발에 한층 더 박차를 가하고 있다. 이러한 추세는 지금껏 사용해 온 변압기와는 다른 개념의 다양한 변압기를 추구해 온 사용자에 도움이 되고 있다. 이상의 관점에서 보면 VPI 변압기는 아시아 지역 내 사용자에게 지난 수십 년간 선택 사용된 일부 변압기와는 차별화된 가치를 지닌 대안으로 제시되고 있으며, 이 VPI 변압기는 안전성, 신뢰성 그리고 환경 친화적인 면에서 다른 변압기의 성능을 능가한다. 본고를 통해 VPI 변압기 제품 특성에 대한 변압기 사용자의 이해를 돕고 사용 용도에 최적의 변압기 선정에 도움이 되었으면 한다. 첺
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