7월 중순, 한 변전소 엔지니어가 뜨겁고 먼지가 많은 중동 항구 도시의 변압기 야드에 서서 화면에서 경고 신호를 모니터링하고 있습니다. 권선 온도가 118ºC에 도달했으며, 50 MVA 용량의 65 K 온도 상승 변압기에서 계속 상승하고 있습니다. 설치된 지 2년이 채 되지 않았고, 변압기는 끊임없이 뜨겁고 기록적인 여름 동안 높은 부하를 견뎌왔습니다. 변압기의 오일 자연 냉각 시스템이 변압기 탱크의 열을 제거할 수 없는 것으로 보입니다. 엔지니어는 모든 대형 변압기 소유자가 언젠가는 해결해야 할 딜레마에 직면해 있습니다: 그는 변압기의 냉각 시스템을 개조하거나, 용량을 줄이거나, 장치의 수명이 짧아질 준비를 해야 합니다. 냉각은 단순한 유지보수 문제가 아니라는 점에 유의해야 합니다. 이는 변압기 탱크의 용량과 전기 절연 수명을 결정하는 엔지니어링 고려 사항입니다.
이 기사는 ONAN 냉각, ONAF 냉각, OFAF 냉각, ODWF 냉각 및 공기 및 열 파이프 개조 솔루션과 같은 새로운 솔루션을 포함하여 사용 가능한 모든 변압기 냉각 기술을 제시합니다.
간단히 말해: 변압기의 냉각 방법은 IEC 표준의 네 글자 코드로 정의됩니다: ONAN, ONAF, OFAF, OFWF 및 ODWF. 열 한계는 권선 온도의 최대 평균 상승에 의해 결정되며, 일반적으로 IEC 60076-2 및 IEEE C57.12.00에 따라 오일 침수 변압기의 경우 65 K입니다. ONAN 변압기에 강제 공기 팬을 설치하면 일반적으로 약 20-33%의 지속적인 용량 증가를 제공합니다; 강제 오일 냉각을 완전히 적용하면 자가 냉각 장치에 비해 전력 공급을 40-50% 증가시킬 수 있습니다.
냉각이 변압기 출력을 결정하는 이유
변압기는 전기 에너지를 매우 효율적으로 변환하지만, 열로 변환되는 1에서 3 %의 전력은 막대한 손실을 의미합니다. 예를 들어, 50 MVA로 평가된 변압기가 99 %의 효율로 작동할 경우, 약 500 kW의 열 손실이 지속적으로 발생하며, 이는 작은 집을 데우기에 충분합니다. 생성된 열은 오직 하나의 경로로만 이동합니다: 즉, 절연 시스템을 통해 오일이나 공기로, 그 다음 탱크의 벽과 라디에이터를 거쳐 마지막으로 주변의 물이나 공기로 이동합니다. 이 열 제거 과정은 kVA로 측정된 변압기의 지속적인 성능에 대한 상한선을 제공합니다.
열은 변압기의 적입니다. 절연 노화의 주요 원인은 아레니우스 원리에 따릅니다: 예상되는 핫스팟 온도보다 6-10 K 상승할 때마다 절연의 예상 수명이 절반으로 줄어듭니다. 65 K의 평균 온도 상승을 위해 설계된 변압기가 80 K에서 작동하면 성능이 크게 저하될 뿐만 아니라 설계 수명을 매우 빠르게 소모하여 매달 수년의 수명을 잃게 됩니다.
냉각 코드 해독 및 주요 냉각 방법
냉각 과정은 IEC 60076-2 및 IEEE C57.12.00에 정의된 표준 4글자 명명법에 따라 식별됩니다: 첫 번째 글자는 권선과 접촉하는 매우 중요한 매체를 나타냅니다 (o = 오일, k = 플래시 포인트가 300° 이상인 액체, a = 공기), 두 번째 글자는 이 매체가 순환되는 방식을 알려줍니다 (n = 자연적으로, f = 인위적으로 강제 순환, d = 지향 순환), 세 번째 글자는 장치가 상호작용하는 매체를 나타냅니다 (a = 공기, w = 물) 그리고 마지막 글자는 순환이 수행되는 방식을 나타냅니다 (n = 자연적으로, f = 인위적으로).
| 냉각 코드 | 작동 방식 | 일반적인 정격 부스트 대 ONAN | 일반적인 변압기 크기 |
|---|---|---|---|
| ONAN | 오일은 자연 대류에 의해 순환되며; 열은 정지된 공기로 방출됩니다. | 기준선 | ~5 MVA까지 (단일 단계); 대형 장치는 부하가 감소된 상태에서 ONAN으로 정격됩니다. |
| ONAF | 방열기 팬을 추가합니다; 공기가 냉각 표면을 가로질러 불어옵니다. | +20에서 +33 %까지 | 5-100 MVA |
| OFAF | 오일 펌프가 순환을 강제합니다; 팬이 방열기를 통해 공기를 강제합니다. | +40에서 +50 %까지 | 50-300 MVA |
| OFWF | 물로 냉각된 열교환기를 통해 펌프된 오일 | +40에서 +50 %까지, 컴팩트한 면적 | 물이 이용 가능한 대형 장치 |
| ODWF / ODAN / ODAF | 권선 채널을 통한 지향 오일 흐름; 외부 팬 또는 물 | 지향 설계에서 +60 %까지 | 100 MVA 이상 |
다단계 정격은 전력 변압기 구매 시 일반적으로 사용되며, 예를 들어 ONAN/ONAF/ONAF 또는 ONAN/ONAF/ONAF/ONAF의 조합으로 운영자가 부하가 증가함에 따라 팬을 켤 수 있도록 합니다. 예를 들어, 60 MVA의 전력을 가진 변압기는 ONAN으로 40 MVA, ONAF로 50 MVA, 모든 팬이 활성화된 상태에서 60 MVA로 정격될 수 있습니다. 사용되는 팬은 일반적으로 0.75 kW에서 3 kW의 전력을 소비하는 축 방향 팬으로, 지원하는 부하에 비해 무시할 수 있는 양이며, 설치당 수백에서 수천 달러에 달합니다.
ONAN 대 ONAF 대 OFAF 대 ODWF
| 기능 | ONAN | ONAF | OFAF | ODWF |
|---|---|---|---|---|
| 이동 부품 | 없음 | 팬만 | 펌프 + 팬 | 펌프 + 물 시스템 |
| 전형적인 정격 범위 | 5-10 MVA까지 | 5-100 MVA | 50-300 MVA | 100 MVA 이상 |
| MVA당 비용 | 가장 낮음 | 보통 | 더 높음 | 가장 높음 |
| 신뢰성 / 유지보수 | 가장 높음; 고장날 것이 없음 | 팬 모터는 주의가 필요합니다. | 펌프 씰 및 모터 추가 | 물 누수 및 오염 위험 |
| 면적 | 대형 방열기 뱅크 | 컴팩트한 방열기 + 팬 | 펌프가 있는 컴팩트한 | 가장 컴팩트한 |
| 소음 | 가장 낮음 | 팬 소음 | 펌프 + 팬 소음 | 펌프 + 물 소음 |
여기에서 엔지니어링 트레이드오프를 이해하는 것은 간단합니다: 추가 강제 냉각 단계는 탱크 부피당 추가 MVA를 제공하지만, 고장 가능성이 있는 장비를 추가하거나 전력을 소모하거나 소음을 발생시킬 수 있습니다. ONAN은 변압기 외에 고장 모드가 없기 때문에 여전히 가장 일반적인 옵션이며, ONAF는 저렴하고 테스트된 팬을 쉽게 개조할 수 있기 때문에 기본 옵션입니다; OFAF와 ODWF는 탱크와 열 밀도가 다른 옵션을 남기지 않을 때 대형 변압기에만 사용됩니다.
온도 상승 클래스 및 한계
| 매개변수 | IEC 60076-2 일반 값 | IEEE C57.12.00 일반 값 |
|---|---|---|
| 최대 평균 권선 상승 (오일 침지) | 65 K | 55 K (OA), 65 K (FA) |
| 최대 핫스팟 권선 상승 | 78 K (85°C 핫스팟, 7 K 주변 허용) | 80 K |
| 최대 탑 오일 상승 | 60 K | 클래스별 55-65 K |
| 설계 주변 온도 | 평균 30°C, 최대 40°C | 30°C 평균, 40°C 최대 |
| 최대 핫스팟 온도 한계 | 98°C (권선), 105°C (오일) | 110°C 연속 |
이 수치는 형식에 따른 계약의 일부입니다. 변압기가 공장에서 온도 상승 평가 테스트를 통과하지 못하면 사양의 조건을 따르지 않은 것이며, 인증에는 측정된 온도 상승이 포함되어야 합니다. 고도가 고려될 때 (1,000 m 이상) 또는 높은 주변 온도 (섭씨 40도 전후)일 경우, IEC 60076-2에서 요소를 확인해야 하며, 그 이유는 장치가 더 더운 기후에서 감액되어야 하므로 온화한 기후에서 사용될 장치와 다를 것입니다.
냉각의 다양한 단계가 프로세스에 미치는 영향을 이해하기 위해 | 동일한 25-MVA 변압기가 다양한 조건과 프로세스에서 고려되었으므로, 공급자가 비현실적인 제안을 제공할 때의 특이성을 인식할 수 있습니다:
| 냉각 모드 | 연속 정격 (25 MVA 탱크) | 25°C 주변에서의 상승 | 40°C 주변에서의 상승 | 40°C에서의 감액 필요 |
|---|---|---|---|---|
| ONAN (자연) | ~15 MVA | 52 K 탑 오일 | 67 K 탑 오일 | ~12% |
| ONAF (팬 작동) | ~20 MVA | 48 K 탑 오일 | 63 K 탑 오일 | ~8% |
| OFAF (펌프 + 팬) | ~25 MVA | 44 K 탑 오일 | 59 K 탑 오일 | ~5% |
| ODWF (유도 + 물) | ~30 MVA | 40 K 탑 오일 | 55 K 탑 오일 | ~5% |
기존 장치의 개조 및 업그레이드
ONAN에서 ONAF 서비스로 전환하는 것은 일반적으로 더 큰 변압기를 구매하는 것보다 저렴하기 때문에 선호되는 업그레이드 방법입니다.
열 설계를 확인하십시오. 제조업체로부터 방열기와 권선의 핫스팟이 추가 열을 처리할 수 있는지 확인을 받으십시오. 일부 탱크는 팬 설치에도 불구하고 추가 방열기 표면적이 필요할 수 있습니다.
- 팬 뱅크를 설치하십시오. 비용은 일반적으로 $1500에서 $8000 사이에 있으며, 2-6개의 축 방향 팬, 가드, 장착 프레임, 배선 및 접촉기를 포함하며, 설치에는 2-4일의 정전이 필요합니다.
- 온도 제어 스위칭으로 장비를 갖추십시오. 팬은 탑 오일 온도 신호에서 작동을 시작해야 하며, 자동으로 꺼져야 하며, 이는 타이머 또는 온도 강하에 따라 빠른 주기적 작동을 피하기 위해 필요합니다.
- 이름표 및 보호 장치를 업데이트하십시오. 새로운 결합 정격은 릴레이 설정 및 유지보수 기록에 포함되어야 합니다.
- 열 시험으로 커미션을 수행합니다. 권선 상승이 65 K를 따르도록 보장하기 위해 새로운 정격에서 온도 상승 테스트를 반복하는 것이 바람직합니다.
ONAF를 넘어 강제 오일 순환을 사용하는 것은 오일 펌프를 추가하고 탱크 배관을 수정해야 하므로 더 많은 노력이 필요합니다. 이 옵션은 30 MVA를 초과하는 변압기를 다룰 때 고려됩니다. 수냉식 변환(OFWF)은 가능할 수 있지만, 실제로는 누수 위험과 연결되어 있기 때문에 그다지 많은 이점을 가져오지 않습니다.
드라이 타입 변압기의 냉각
드라이 타입 변압기는 냉각을 위해 공기를 사용하고 AN(자연 공기) 또는 AF(강제 공기)와 같은 특정 규정을 준수하는 것이 특징입니다. 열 제거 측면에서 드라이 타입 변압기는 오일을 포함하지 않으며, 대신 캡슐화된 코일 또는 권선의 면적에 의존합니다. 드라이 타입 변압기의 용량은 오일이 채워진 모델보다 상대적으로 작습니다. 예를 들어, 일반적인 주조 수지 변압기는 최대 용량이 3-10 MVA에 이를 수 있습니다. 드라이 타입 변압기는 IEC 60076-11 표준에 따라 두 가지 온도 상승 클래스로 분류될 수 있습니다: Class F(100K 상승하여 155°C에 도달) 및 Class H(125K 상승하여 180°C에 도달).
강제 공기 냉각의 구현은 팬에 몇 백 달러를 추가하고 변압기의 정격 용량을 약 25에서 30% 증가시킵니다. 드라이 타입 변압기의 주요 장점은 운영 과정에서 오일이 없다는 것입니다. 그러나 냉각 매체로 공기를 사용하는 것은 적절한 환기와 먼지 관리 시스템의 필요성과 같은 특정 단점을 초래합니다.
어떤 응용 프로그램에 어떤 냉각 방법
- 5 MVA 이상의 배전 변압기 - 이 경우, ONAN은 대부분의 응용 프로그램에 사용되는 표준 방법입니다. 그러나 피크 산업 부하가 존재하는 경우 ONAF를 사용할 수 있습니다.
- 전력 변압기 - 이 시점에서 ONAN 방법은 적절한 냉각 환경을 제공하기 위해 일부 팬과 함께 사용할 수 있습니다.
- 대형 전력 변압기(100 MVA 초과)는 OFAF 유형으로, 이러한 장치에는 오일 펌프와 강제 흐름 시스템이 사용됩니다.
- 해양 지역 및 혼잡한 장소 - 수자원이 있을 때 OFWF 유형을 선호하여 시스템 크기를 줄입니다.
- 실내 상업 건물은 드라이 타입 유닛을 사용하며 AN 및 AF 방법을 사용합니다. 오일과 실내 화재 규정은 잘 어울리지 않기 때문입니다.
- 더운 기후와 고지대에서는 주변 공기가 많은 열을 흡수할 수 없기 때문에 추가 냉각 수준 및/또는 정격 감소를 구현해야 할 필요가 있습니다.
브랜드 및 가격 비교
| 브랜드 | 원산지 | 제공되는 냉각 기술 | 대략적인 가격 범위(1 MVA ONAN) |
|---|---|---|---|
| ABB | 스위스/스웨덴 | 전체 범위, ODWF 및 지향 흐름 경험 | $10,000-$25,000 |
| 지멘스 | 독일 | 대형 전력 유닛, 단계적 ONAF/OFAF | $11,000-$28,000 |
| 히타치 에너지 | 스위스 | 고급 냉각이 적용된 전력 변압기 | $12,000-$30,000 |
| 슈나이더 일렉트릭 | 프랑스 | 배전 및 드라이 타입 AF 유닛 | $9,000-$22,000 |
| 이튼 / GE | 미국 | 배전 ONAN/ONAF | $7,000-$18,000 |
| 장쑤 수비안 전력 | 중국 | ONAN, ONAF, 단계적 정격, 드라이 타입 AN/AF | $5,000-$14,000 |
ABB, Siemens, Hitachi Energy 및 Schneider Electric과 같은 시장 리더들은 업계의 기준으로 사용되는 ODWF/OFAF 설계를 통해 대규모 전력 변압기 산업의 주요 플레이어입니다. 특히, Jiangsu Subian Electric Power와 같은 제조업체는 대부분의 고객이 관심을 가지는 0.5-10 MVA 클래스에 맞춰 설계된 ONAN 및 단계별 ONAF 유닛으로 알려져 있습니다. 이들의 유닛은 IEC 60076-2에 따라 테스트되었으며, 변압기의 온도 상승을 측정할 수 있는 온도 상승 실험실에서 인증서를 받습니다. Subian은 전 세계에 제품을 배송하며, 고객의 사양에 따라 탱크와 방열기를 생산할 수 있으며, 이는 유럽 경쟁업체가 제시한 가격보다 40%에서 60% 저렴합니다. 팬 뱅크 개조가 필요한 고객은 방열기 표면 기술 및 펌프 선택에 대한 기술 사양을 Subian에 확인해야 하며, 주변 온도가 40도 섭씨에 이를 경우 이러한 사양이 가격보다 더 중요합니다.
올바른 냉각 방법 선택하기
- 첫 번째로 하중 프로필의 유형을 정의해야 합니다. 일정한 사용의 하중 프로필은 변동하는 사용의 하중 프로필보다 더 높은 냉각 요구 사항을 가지고 있습니다. 따라서 냉각 단계는 피크 오후 시간 동안 팬만 작동하도록 최적화될 수 있습니다.
- 다음으로 주변의 영향을 고려해야 합니다. 주변 온도가 40도 섭씨 이상이거나 고도가 1000미터 이상인 경우, IEC 60076-2에 따라 감액해야 하거나 추가 냉각 단계를 제공해야 합니다.
- 장비의 공간 요구 사항을 고려해야 합니다. 방열기 뱅크는 야드 공간이 필요하지만 OFWF 및 ODWF 기술은 수조 시스템의 비용을 감수하면서 발자국 크기를 줄입니다.
- 신뢰성은 매우 중요합니다. 중요한 인프라의 경우, 가능한 한 ONAN 단계와 간단한 팬을 펌프보다 선호해야 하며, 등급이 허용하는 한에서입니다.
- 총 소유 비용을 인식해야 합니다. 모터와 펌프는 에너지를 소비하고 유지 관리가 필요합니다. 대형 ONAN 탱크는 간단한 강제 냉각 모터보다 낮은 비용을 가질 수 있습니다.
- 65 K(또는 원하는) 권선 증가에 대한 온도 상승 테스트를 요청하는 것을 잊지 마십시오. 이는 가정이 아닌 테스트 인증서에 의해 증명되어야 합니다.
유지 관리 및 모니터링
냉각 시스템의 고장은 조용히 발생하며 일반적으로 온도 강하로 인해 경고음이 발생하여 표시됩니다. 적절한 냉각 관행에서는 팬 블레이드, 팬 모터, 팬 가드 등과 같은 고장 부품에 대한 여러 검사가 포함됩니다. 언급된 모든 부품에 대한 월간 점검 외에도 펌프 씰 및 오일 흐름 지표에 대한 분기별 점검이 수행되어야 합니다. 라디에이터 뱅크의 연간 열화상 검사와 함께 온도 스위치 제어 팬의 자동 시작에 대한 서면 테스트를 수행할 필요도 있습니다. 대형 냉각 보드의 경우, 권선 온도 섹션과 DGA를 함께 분석해야 하며, 팬 고장이 없는데도 핫스팟이 상승하는 경우 냉각 장치 내부 부품에 문제가 있음을 나타냅니다.
보존기 내의 오일 양은 냉각 설계와 일치해야 합니다. 낮은 오일 수준이 발생하면 캐비테이션이 발생할 수 있으며, 이는 과열에 비해 큰 위험이 될 수 있습니다.
자주 묻는 질문
변압기 명판에서 ONAN과 ONAF는 무엇을 의미합니까?
이는 IEC 60076-2에 따라 냉각과 관련된 명칭입니다. ONAN은 오일 자연 및 공기 자연을 의미하며, 이는 자가 냉각 표준 설계를 나타냅니다. ONAF 명칭은 변압기를 냉각하는 데 도움을 주는 라디에이터 팬을 포함하며, 따라서 ONAF 명칭은 자가 냉각 설계보다 20%에서 33% 더 높은 증가된 작동 용량을 나타냅니다. 이러한 이유로 ONAN/ONAF 변압기는 두 번 평가됩니다.
변압기에 강제 공기 냉각을 추가하는 데 비용이 얼마나 듭니까?
배급 클래스 변압기에 ONAF를 개조하는 비용은 1500-8000 달러이며, 일반적으로 2-6개의 팬 설치와 가드, 접촉기 및 온도 제어 스위치 설치가 포함됩니다. 강제 공기를 사용하면 변압기의 용량을 최소 20-33만큼 증가시킬 수 있습니다.
팬을 켜면 변압기를 과부하할 수 있습니까?
과부하는 ONAF 등급까지 허용되며, 공기 온도와 고도가 개념에서 규정한 한계 내에 있을 경우에만 허용됩니다. 실제 온도 상승은 요구 사항이며, 평균 온도가 65K 이상 상승할 경우 절연체의 수명이 단축됩니다.
OFAF와 ODWF 냉각의 차이는 무엇입니까?
차이는 OFAF에서는 오일이 라디에이터를 통해 순환되는 반면, OFDA에서는 오일이 열교환기를 통해 물 흐름에 의해 권선 냉각 채널로 펌핑된다는 점입니다.
고도가 변압기 냉각에 정말로 영향을 미칩니까?
실제로 그렇습니다. 1000미터 이상에서는 공기 밀도가 감소하여 냉각이 매우 비효율적이 됩니다.
참고 문헌
- IEC 60076-1 — 전력 변압기, 일반 요구 사항 — 등급 및 손실에 대한 마스터 사양.
- IEC 60076-2 — 전력 변압기, 온도 상승 — 냉각 코드 및 온도 상승 한계를 정의하는 표준.
- IEEE C57.12.00 — 액체 침수 변압기에 대한 일반 요구 사항 — 북미 냉각 코드 및 온도 상승 기준.
- IEC 60076-11 — 드라이 타입 변압기 — 공랭식 장치의 열 클래스.
- 히타치 에너지 — 변압기 제품 — 대형 전력 변압기에 대한 단계적 냉각 등급의 기준.
- ABB 변압기 — 냉각 기술 옵션 및 데이터 시트에 대한 산업 참조입니다.
- Siemens Energy 변압기 — 전력 변압기를 위한 냉각 및 업그레이드 문서입니다.
결론
변압기의 냉각은 변압기의 전력과 수명을 결정하는 중요한 요소로 작용합니다. 냉각을 위한 4자리 코드를 읽고, 온도 상승 사양을 이해하며, 자연 냉각, 강제 냉각 또는 기존 냉각 시스템에 팬을 추가하는 선택 사이에서 결정을 내릴 때, 모든 정보는 엔지니어링에서 실용적인 용도로 사용됩니다.
- ONAN은 기본 표준이며; ONAF는 개선을 나타내며 ONAN에 비해 20-33%로 구성되며, $1,500에서 $8,000까지의 추가 리트로핏 비용이 발생합니다.
- OFAF 및 ODWF는 열 밀도를 위한 대형 변압기에 사용됩니다.
- 온도는 테스트를 통해 입증되어야 하며, 65 K의 권선 온도 상승으로 인증되어야 합니다.
- 고지대 또는 고온의 경우, 변압기는 출력이 감소되거나 냉각이 강화되어야 합니다.