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표제지

국문요약

목차

기호약속 14

제1장 서론 17

1.1. 연구배경 및 목적 17

1.2. 국내 연구 개발의 필요성 19

1.3. Tie-Plate의 관련 연구 현황 20

1.4. 연구 내용 23

1.5. 연구 논문의 구성 24

제2장 배전용 몰드변압기의 기본 특성 26

2.1. 몰드 변압기의 구조 26

2.2. 몰드 변압기의 특징 30

2.3. 몰드 변압기 해석을 위한 특성회로분석 31

제3장 몰드변압기의 누설자속 및 전자력 계산 34

3.1. 3 MVA 몰드변압기의 누설자속 계산 34

3.2. 3 MVA 몰드변압기의 코아 손실 계산 42

3.3. 변압기 권선의 전자력 계산 43

3.4. 누설자속에 의한 표유부하손(Stray loss) 계산 54

3.5. 손실에 의한 열 해석 57

3.5.1. 열계 지배 방정식 61

3.5.2. 손실의 온도보정 62

3.5.3. 열 해석 결과 63

제4장 손실 저감 방법 66

4.1. 몰드변압기의 손실과 표유부하손(Stray loss) 66

4.2. 몰드 변압기 표유부하손 저감 대책 69

4.3. 일반적인 표유부하손 저감 대책 71

4.4. Tie-Plate에서의 표유부하손 저감 대책 72

제5장 최적화 이론 75

5.1. 최적화 알고리즘의 적용기술 개발(FEM + LHS/PSO) 75

5.1.1. LHS(Latin Hypercube Sampling Strategy) 76

5.1.2. RSM(Response Surface Method) 77

5.1.3. PSO(Particle Swarm Optimization) 78

5.2. 다중목적함수 적용 기술의 연구 79

5.2.1. 차분진화 (DE:Differential Evolution) 80

5.2.2. 다중목적 PSO(Multi-Objective Particle Swarm Optimization) 81

제6장 표유부하손 최소화를 위한 Tie-Plate의 최적 설계 84

6.1. 누설 자속 최소화 기술 개발 84

6.1.1. 24 MVA 몰드 변압기의 누설 자속 해석 84

6.1.2. 24 MVA 몰드 변압기의 손실 해석 87

6.2. 다중목적함수를 이용한 Tie-Plate의 최적화 설계 90

6.2.1. 24 MVA 몰드 변압기의 Tie-Plate 설계 91

6.2.2. Tie-Plate의 최적 형상 설계(FEM+ RSM/PSO 기법 적용) 93

6.2.3. 최적 모델 제시안 96

6.3. 최적화 알고리즘의 검증 100

6.3.1. Tie-Plate의 손실 검증 100

6.3.2. 다중목적함수 최적화 기법을 적용한 FEM 해석 검증 101

제7장 결론 104

7.1. 변압기 특성 해석기술 개발 104

7.2. 다중목적함수를 이용한 최적화 기법 적용기술 개발 106

7.3. 24 MVA 몰드변압기의 Tie-Plate 최적 모델 설계 107

7.4. 향후 연구 108

참고문헌 109

ABSTRACT 112

표목차

표 1-1. 2 MVA(6.6 [kV]) 몰드 변압기의 국내외 기술수준 비교 18

표 2-1. 유입식 변압기와 몰드 변압기의 특징 30

표 3-1. 2 MVA 모델 사양 39

표 3-2. 계산 및 해석 결과(2 MVA) 40

표 3-3. 3 MVA 몰드변압기의 누설자속 해석 결과 41

표 3-4. 측정데이터로 계산되어진 식(3.19)의 파라미터 42

표 3-5. 탭핑 위치에 따른 암페어 턴 다이어그램과 축 방향 힘 48

표 3-6. 정상 시와 단락 시 전류 52

표 3-7. 권선 단락 시 방사상 방향 힘과 축 방향 힘 54

표 3-8. 20 MVA 몰드변압기의 기본 사양 60

표 3-9. 재질 특성 63

표 4-1. 3 MVA 및 24 MVA 몰드변압기의 손실과 효율 68

표 6-1. 24 MVA 몰드 변압기 설계 사양 89

표 6-2. 24 MVA 몰드 변압기 철손 해석 결과 90

표 6-3. 슬롯의 가로길이(A)값에 대한 Tie-Plate 손실 결과 94

표 6-4. 새로 제안된 모델의 손실비교 99

그림목차

그림 1-1. 변압기 탱크 벽 쉴드에 따른 누설자속 비교 21

그림 1-2. Tie-Plate의 너비와 슬롯 수에 대한 와전류손 관계 22

그림 1-3. Tie-Plate 슬롯 수에 대한 와전류손 분포 23

그림 2-1. 몰드 변압기의 철심과 권선의 형태 27

그림 2-2. 몰드 변압기의 권선 단면 27

그림 2-3. 몰드 변압기의 외함 28

그림 2-4. 몰드 변압기의 구조 29

그림 2-5. 변압기 모델 등가회로 31

그림 2-6. 1차로 환산한 변압기 등가회로 32

그림 2-7. 규소 강판의 철손 특성 곡선 33

그림 3-1. 동심원 권선사이의 누설자속과 자속밀도 35

그림 3-2. 기자력 분포 35

그림 3-3. 샌드위치 권선 37

그림 3-4. 2 MVA 변압기 모델 39

그림 3-5. 이론식을 이용한 계산 40

그림 3-6. 3 MVA 몰드변압기 해석 모델과 누설자속 벡터선도 41

그림 3-7. 철손 측정값과 계산 값 비교 그래프 43

그림 3-8. 축 방향 누설 자속밀도(Ba)와 방사상 방향 힘(Fr)(이미지참조) 44

그림 3-9. 방사상 방향 누설 자속밀도(Br)와 축 방향 힘(Fa)(이미지참조) 45

그림 3-10. 방사상 방향 전자력 46

그림 3-11. 후프 응력 46

그림 3-12. 자속밀도분석 패스면 설정 49

그림 3-13. 단락 모의 권선 시험 회로도 49

그림 3-14. 단락 시의 자속선도와 자속밀도 50

그림 3-15. 3 MVA 변압기 단락 시 1차 측 전류 파형 51

그림 3-16. 단락부분의 패스 면에서의 자속밀도 그래프 52

그림 3-17. 단락권선의 방사상과 축 방향의 전자력 53

그림 3-18. 깊이를 주는 방식의 2D해석의 한계 (1) 57

그림 3-19. 깊이를 주는 방식의 2D해석의 한계 (2) 57

그림 3-20. 20 MVA 몰드 변압기 모델 58

그림 3-21. 코일의 상세 모델링 60

그림 3-22. 전체 모델의 온도 해석 결과 64

그림 3-23. 세로 path에 따른 온도 분포 65

그림 3-24. 가로 path에 따른 온도 분포 65

그림 4-1. 일반적인 변압기 손실의 분류 67

그림 4-2. 이상적인 변압기를 포함한 변압기 등가회로 68

그림 4-3. 몰드변압기의 Tie-Plate와 프레임 위치 69

그림 4-4. Hot spot 온도 증가에 의한 변압기 수명 감소 70

그림 4-5. 프레임의 손실저감 형상 설계 및 저압권선의 자속상쇄 배치 71

그림 4-6. 변압기의 철 구조물에서의 표유부하손 72

그림 4-7. 구조물의 두께 증가에 따른 재질별 손실 73

그림 4-8. Tie-Plate에 슬롯형상과 적층 74

그림 5-1. FEM과 LHS, PSO 및 RSM을 이용한 최적화 알고리즘의 흐름도 76

그림 5-2. 차분진화(DE) 알고리즘 흐름도 81

그림 6-1. 24 MVA 모델의 자속밀도분포 85

그림 6-2. 누설 자속 분포 86

그림 6-3. 24 MVA 의 3D FEM 모델 88

그림 6-4. 24 MVA 3D 모델의 자속밀도 분포 89

그림 6-5. Tie-Plate 모델링 92

그림 6-6. 슬롯 폭(A), 두께(T), 총 손실 그래프 95

그림 6-7. Tie-Plate 최적 설계 모델 (결과) 96

그림 6-8. Tie-Plate 제시안의 기본 모델 단면도 97

그림 6-9. 새롭게 제안한 Tie-Plate 모델 98

그림 6-10. 제시된 모델과 슬롯이 없는 모델과의 와전류 손실의 비교 101

그림 6-11. MOPSO로 만들어진 Pareto 값 103

초록보기

 전력용 변압기의 손실을 최소화하기 위한 노력은 1980년대부터 진행되었으며, 코아 손실을 최소화하기 위하여 '미세자구강판'이나 '비정질 코아' 등의 재질을 사용한 변압기들이 개발되었다. 부하손실은 권선 저항에 의한 저항손이 대부분이나 부하가 증가할수록 구조적인 문제에 의해서 누설자속이 증가하여 발생하게 된다. 이러한 변압기의 구조적인 문제에서 발생하는 표유부하손(Stray loss)을 최소화하기 위하여 많은 분야의 연구가 수행되고 있다. 이 손실은 변압기의 용량이 커질수록 증가하기 때문에 누설자속의 계산, 누설자속 저감을 위한 구조적인 설계, Tie-Plate의 최적 형상설계 등의 연구가 필요하다.

본 논문에서는 전력용 변압기의 표유부하손을 최소화하기 위하여 FEM과 최적화기법인 PSO(Particle Swarm Method) 및 RSM(Response Surface Method)의 알고리즘을 이용하였다. 산업계에서 제시된 실제 변압기의 모델(22.9 [kV], 3-20 MVA)을 이용하여 각종 변압기의 특성계산, 자속밀도 해석을 통해 전자력과 누설 자속의 계산을 하였으며, 특히 변압기의 표유부하손을 줄이기 위해 코아의 적층을 구조적으로 지탱해주는 Tie-Plate의 손실을 감소시키는 방법을 연구하였다. 다중목적함수와 세 가지 변수를 가지는 최적화 알고리즘을 적용하는 기술을 개발하고, 3차원 유한요소법을 이용하여 와전류손과 누설자속 손실을 최소화하는 Tie-Plate의 최적 형상을 제안하였다.

개발된 알고리즘을 검증하기 위하여 24 MVA 몰드변압기의 손실계산을 모의하고, Tie-Plate의 형상을 최적화하기 위하여 세 가지의 설계변수와 두 가지의 목적함수를 설정하여 프로그램에 적용하였다. 그 결과 최적화된 Tie-Plate슬롯의 형상은 3×3의 9개의 홈으로 슬롯의 폭은 10 [mm], Tie-Plate의 두께는 15 [mm], 슬롯간의 간격은 25 [mm]로 기존의 슬롯이 없는 모델과 비교하여 약 22 %의 표유부하손 감소 효과를 보았다. 또한 슬롯이 두 개인 plate와 슬롯이 없는 plate를 조합하여 적층한 새로운 Tie-Plate 형상 모델을 제시하여 코아 손실과 누설자속이 감소하는 효과를 보았다.

본 해석기법으로 최적화 이론을 도입한 손실 최적 모델의 제시와 3D FEM 해석을 통해 자속밀도, 누설자속, 전자력, 온도분포, 구조물에 의한 손실 계산(Stray loss) 등의 정확도를 높일 수 있으므로 향후 대용량 전력용 변압기의 설계와 특성분석에 큰 도움이 될 것이다.

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