최적화 기술의 새로운 건식변압기(H종 VPI 변압기) 전기에너지를 사용하는데 있어서 중요한 기기인 변압기는, 19세기 후반 실용 가능한 제품이 제작된 이래 20세기를 거치면서 안전하고 편리한 전기에너지의 요구에 따라 많은 발전을 거듭해 왔다. 그러나, 근래 들어 전보다 더욱 고급화된(안전성, 신뢰성, 친환경성 등) 전기에너지에 대한 수요가 끊임없이 증가함에 따라, 기존 변압기와 차별화 되는 새로운 개념의 변압기가 절실히 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 지금도 변압기와 관련된 수많은 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있으며, 여러 나라에서 그 결실이 속속 이루어지고 있다. 그 중 하나로서 기존 건식변압기에 비해 성능이 향상되고, 구조와 제조 공정이 간결해진 새로운 개념의 H종 VPI(Vacuum Pressure Impregnation) 건식변압기를 소개하고자 한다. 건식변압기 정의 건식변압기는 공기 또는 가스를 주 냉각·절연 내체로 사용하는 것으로 대기 중에서 전기회로를 절연시키기 위하여 전기절연용 종이, 적층판. 바니시 및 수지 등을 사용하는 변압기이다. 건식변압기 종류 1. 절연재에 따른 분류 ·일반형 몰드 변압기 (Solid Resin Cast designs) : 금형을 사용하여 진공상태에서 수지로 권선을 밀봉한다. ·함침형 몰드변압기(Semi-Encapsulated designs) : 금형을 사용하지 않고 대기 중에서 수지로 권선을 함침시킨다. · 일반 VDT 변압기 : 주로 저압용 변압기로서, 권선을 대기상태에서 바니시 함침을 한다. ·H종 VPI 변압기 : H종 이상의 절연재를 사용한 전압/온도 분포가 균일한 구조의 권선을, 특수설비를 사용하여 고진공, 고압력 상태에서 바니시 함침시킨다. ·가스 변압기(Sealed/Gas filled designs) : 밀폐된 외함에 절연가스를 충진시켜 권선의 절연매체로 사용한다. 2. 절연등급(허용 온도)에 따른 분류 절연등급에 따른 분류는 절연재의 내열성능에 따라 결정된다. 여기서 절연재 내열성능이란 정격 운전상태에서 최고 권선온도(Hot spot)까지 절연특성을 유지할 수 있는 성능이다. 또한 최고 권선온도는 평균권선온도, 최대 주위 온도, 최고 온도 여유치(Hot spot allowance)를 모두 합친 값이다. 건식변압기의 변천 및 새로운 기술의 VPI 변압기 개발 1. 1960년대 이전 실용 가능한 세계최초 변압기가 건식변압기로서 1885년 헝가리 Zipernowsky, Deri, Blathy에 의하여 폐로철심에 권선을 하여 제작되었다. 1891년도에 미국에서 유입자냉식 변압기를 제작하여 최초로 상용화함으로서 그 이후 유입변압기가 널리 보급되었다. 2. 1960년대 이후 2차 세계대전 후 1960년대에 유입변압기의 단점을 보완하기 위해 몰드 변압기가 보급됐다. 몰드변압기는 유럽 지역의 표준 규격 시장을 대상으로 했으며, 유럽 업체들은 에폭시 수지를 사용한 몰드변압기를 개발하여 유럽 및 아시아 지역에 널리 보급하였다. 국내에는 1980년대에 B종 및 F종 기술이 도입되어, 유입식 변압기 대비 여러 가지 장점에 의해 급속도로 보급이 이루어져 왔다. H종 건식변압기의 보급은 미주 지역의 다양한 변압기 사양 요구를 충족하기 위해 시작됐다.미국 업체들(WH, GE)은 H종 절연재를 사용한 H종 건식변압기를 개발하여 보급하기 시작하였다. 국내에는 1960년대 말 일본에서 도입한 기술로 병원, 학교, 방송국 등 특수한 시설에서 부분적으로 사용되어 왔다. 그러나, 국내업체들의 기술개발에 대한 노력 부족과 몰드변압기와의 상대적 평가에 뒤쳐져 현재는 점유율이 매우 미약한 실정이다. 3. 새로운 건식변압기인 H종 VPI 변압기의 개발 기술개발의 부진으로 매우 뒤쳐져 있는 국내 상황과는 다르게, 미국에서는 H종 건식변압기에 대한 기술개발을 꾸준히 함으로서, 근래 들어 바니시 및 설비(VPI)의 발전과 더불어, 고 신뢰성의 새로운 건식변압기인 H종 VPI 변압기를 개발하였으며, 이 변압기는 세계 각국의 중요한 시설에 설치되어 그 품질을 인정받고 있다. 국내에서는 미국 듀폰사로부터 원천기술을 이전 받은 신한전기공업 주식회사가 3년간의 노력 끝에 2004년 국내 전력시스템에 적합한 최적화 기술의 새로운 건식변압기인 H종 VPI변압기를 개발하여 국내에 공급하고 있다. H종 VPI 변압기 1. H종 VPI 변압기의 구조 및 형상 ·권선의 온도분포와 통기성이 좋아 열 발산이 원활함으로서 변압기 수명의 주된 원인인 열화를 줄일 수 있는 구조를 갖추고 있다. ·발전된 진공압력 함침(VPI) 기술로 고진공 및 고압력 상태에서 H종 이상의 수지를 함침하고, 220℃까지 사용할 수 있는 절연지를 사용함으로써 우수한 기계적·전기적 내력을 확보하고 있다. 2. H종 VPI 변압기의 장점 ① 높은 안전성 ·난연성 : 난연성 절연재를 사용하여 높은 온도에서도 난연성 특성을 유지한다. ·인명손실 최소화 (만약의 화재 시) : 고체 절연물의 부피가 타 변압기에 비해 적어 만약의 화재 시에도 연기 유독가스의 발생이 극히 적어 귀중한 인명 손실을 최소화시킬 수 있다. ·재산손실 최소화 (만약의 화재 시) : CENELC HD 464의 화재 시험에 의하면 타 변압기보다 자기 소화성이 우수하고 무게 손실이 적으며 열에너지 방출이 적어 화재 확산의 염려가 적다. ② 높은 신뢰성 ·과부하 내량이 좋다 : 기존 H종의 경우 절연물의 내열한도는 180℃이나 H종 VPI 변압기는 220℃ 절연시스템을 채택함으로서 심한 과부하에도 국부열화에 의한 변압기의 수명단축 및 이로 인한 사고 발생 가능성이 극히 적다. (과부하는 물론 고주파에 의한 과열사고도 최소화 할 수 있다) 220℃ (VPI 변압기 권선 절연시스템) = 180℃ (H종 절연물) + 40℃ (과부하에 대한 온도여유) ※ 40℃의 온도여유가 있어 장기적인 과부하에도 대처 가능 함 ·부분방전 발생 극히 적다 : 유전율이 공기(1.0)와 유사한 절연재(1.5∼2.5)를 사용함으로서 전압분포가 균일하며, 부분방전 개시전압 보다 높은 절연기준으로 제작된다. ·크랙이 없다 : 두꺼운 수지 층이 없어 운전 중 발생되는 수축 및 팽창에 따른 크랙이 없다.(부하 급변에 의한 영향이 극히 적다) ·제조 공정이 단순하여 품질에 영향을 끼치는 변수가 적다. ·단락 특성 : 단락 사고 시 축 방향 및 반경 방향의 기계력이 최소화 되도록 설계됐다. VPI 공법으로 코일 내에 함침된 수지가 절연물과 도체와의 결합을 기계적으로 강화시켰다. 고압 코일은 디스크 권선으로 제조되어 기계력이 더욱 보강되었다. ③ 높은 경제성 · 변압기의 절연 계급이 높을수록 코어의 양이 적어져 철손은 감소되며, 동손은 온도상승에 따른 보정으로 증가된다. 따라서 H종 VPI 변압기는 B종, F종 변압기보다 철손은 감소되고 동손은 증가된다. · 보통 변압기의 평균 부하율은 80% 이하로서, 철손이 적은 변압기가 사용자 입장에서 실용적이다. (전력 요금 절감 : 경비절감) · 많은 선진국에서 손실 평가제(Loss Evaluation)를 채택하고 있으며, 이때 철손과 동손의 손실 비용은 약 5:1 정도이다. 따라서 아래 도표에서 보듯이 H종 변압기가 B 또는 F종 변압기에 비하여 더욱 실용적이다. ·부하 가까이 설치 할 수 있어 선로손실이 적다. 안전성이 높기 때문에 변압기를 부하 가까이 설치 할 수 있다. 기존 변압기의 경우 지하 변전소에 설치를 하였으나 H종 VPI 변압기는 사무실, 전산실, 공장 등 전기를 필요로 하는 곳에 가까이 설치 할 수 있다. 이로 인한 선로상의 손실이 적기 때문에 효율적인 운전이 가능하다. ·소형, 경량화 제품으로 설치가 편리하다. H종 VPI 변압기는 소형, 경량화 되어 설치 공간의 제한이 적다. ·고객사양에 따른 최적의 설계가 가능하다. 권선 제조를 위한 금형이 불필요하므로 어떠한 고객 사양에도 신속하고 유연한 설계로 고객 만족도를 최대화시킬 수 있다. ④ 친환경적 제품이다 생산 및 폐기 시 환경오염이 적으며 주자재인 도체의 재활용이 가능하다. 변압기 종류별 상대 비교 1. 절연매체 및 절연종별에 따른 변압기 비교 주) 1. 건식 변압기의 절연등급이 B, F종에서 H종 이상으로 상승되고 있는 이유는 높은 절연등급의 절연재일수록 순간적인 과부하 및 권선 내 국부과열 시에도 절연 신뢰성이 높고 소형 경량화가 가능하기 때문이다. 2. 상기 Size 비교는 업체의 설계/제조 특성에 따라 다소 차이가 있을 수 있다.