KR102135199B1

KR102135199B1 - 철심 및 이를 구비하는 변압기

Info

Publication number: KR102135199B1
Application number: KR1020160008567A
Authority: KR
Inventors: 정은화; 김희원; 김성훈
Original assignee: 현대일렉트릭앤에너지시스템(주)
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2020-07-20
Anticipated expiration: 2036-01-25
Also published as: KR20170089062A

Abstract

본 발명은 변압기 운전 중에 철심에서 발생하는 열을 효율적으로 제거할 수 있는 철심 및 이를 구비하는 변압기에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 철심은 상부 요크와 상기 상부 요크의 하측에서 상기 상부 요크와 나란하게 배치되는 하부 요크 및 상기 상부 요크와 상기 하부 요크를 연결하는 다수의 레그를 포함하며, 상기 상부 요크와 상기 하부 요크 및 상기 레그들 중 적어도 하나는 중심에 유로가 형성될 수 있다.

Description

철심 및 이를 구비하는 변압기{CORE AND TRANSFORMER USING THE SAME}

본 발명은 변압기 운전 중에 철심에서 발생하는 열을 효율적으로 제거할 수 있는 철심 및 이를 구비하는 변압기에 관한 것이다.

변압기(transformer)는 전자기유도현상을 이용하여 교류의 전압 및 전류의 크기를 변화시키는 변환 장치이다.

변압기는 소형의 전자 기기에서부터 대형의 변전 설비 또는 송전 설비까지 널리 사용되고 있다. 특히, 대형의 변전 설비 또는 송전 설비에서는 초고압 대용량 변압기가 주로 사용되고 있다.

일반적으로, 변압기는 공통된 철심의 둘레에 복수개의 권선이 감겨 있는 구조로 형성되며, 한 쪽의 권선으로 전력이 입력된 후 다른 쪽의 권선으로 전력이 출력되는 방식이다.

또한 전력용 변압기의 경우, 권선이나 철심을 고정 및 지지하기 위해 클램프와 탭체인저 등의 부품들이 포함될 수 있다. 또한 각 부품들간의 절연성을 확보하기 위하여 절연유를 절연매질로 사용하고 있으며 외함 내에 배치되어 외부 환경으로부터 보호된다.

도 1은 종래 기술에 따른 변압기의 철심을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A에 따른 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 변압기의 철심(20)은 외함(11) 내에 배치되고 상부 요크(50), 하부 요크(51), 레그(52, 53)를 포함하여 구성되며, 각 구성 요소들은 다수의 강판이 적층되어 형성된다.

그런데 종래의 경우, 편평한 판 형태의 전기 강판을 적층하여 상부 요크(50), 하부 요크(51), 레그(52, 53)를 모두 형성하므로, 철심의 내부에는 절연유가 유입될 수 없어 철심 내부의 열을 효과적으로 제거하기 어렵다는 문제가 있다.

이로 인해 변압기의 운전 중에 발생하는 열을 효율적으로 제거하지 못할 경우 내부의 온도 상승으로 인한 전기적 특성 저하 및 안전성에 저하되는 등 다양한 문제를 일으킬 수 있다.

본 발명은 철심에서 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있는 철심과 이를 구비하는 변압기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 변압기용 철심은, 상부 요크와 상기 상부 요크의 하측에서 상기 상부 요크와 나란하게 배치되는 하부 요크 및 상기 상부 요크와 상기 하부 요크를 연결하는 다수의 레그를 포함하며, 상기 상부 요크와 상기 하부 요크 및 상기 레그들 중 적어도 하나는 중심에 유로가 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 상부 요크, 상기 하부 요크, 및 상기 레그들 중 적어도 하나는 몸체가 절곡된 절곡강판을 포함하고, 상기 절곡강판 복수개가 적층되어 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 절곡강판은 중앙이 직각으로 절곡되어 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 절곡강판은 4개의 기준강판 및 상기 기준강판의 내측면에 적층되는 복수의 적층강판을 포함하고, 상기 4개의 기준강판은 외측면이 이웃하여 배치되는 다른 기준강판의 외측면과 서로 접하도록 적층되어 단면이 십자인 빔 형태를 형성하고, 상기 복수의 적층강판은 외측에 배치될수록 폭이 점차적으로 짧은 형태로 구성되어, 상기 4개의 기준강판과 상기 복수의 적층강판은 전체적으로 원기둥형 구조물을 구성할 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 유로는, 상기 4개의 기준강판이 형성하는 십자 빔 형태의 중심에 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 기준강판들은, 절곡된 모서리 부분이 호형으로 형성될 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 변압기는 상기한 철심, 상기 철심에 권선되는 권선, 및 상기 권선이 권선된 철심이 수용되고 내부에 절연유가 채워지는 외함을 포함할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 의하면, 철심의 내부에 형성된 유로에 변압기 내부에 채워지는 절연유가 유입되어 흐를 수 있다. 이에 따라 변압기 운전 중 철심의 냉각이 보다 효율적으로 이루어지므로 변압기 내부의 온도 상승을 억제할 수 있으며, 이에 변압기의 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 변압기의 철심을 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 A-A에 따른 단면을 개략적으로 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 변압기의 구성이 개략적으로 도시된 도면.
도 4는 도 3의 B-B에 따른 철심의 구조를 나타내는 부분 분해 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 철심의 평면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 더하여 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 변압기를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 B-B에 따른 철심의 구조를 나타내는 부분 분해 사시도이다. 또한 도 5는 도 4에 도시된 철심의 평면도이다.

먼저 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 변압기(100)는 외함(110), 권선(130), 및 철심(120)을 포함할 수 있다.

외함(110)의 내부에는 철심(120)과 권선(130)이 배치될 수 있다. 즉, 외함(110)은 철심(120)과 권선(130)을 외부와 격리시킴과 동시에 외부 환경으로부터 철심(120)과 권선(130)을 보호하는 부재이다.

외함(110)의 내부에는 변압기(100)의 종류에 따라 다양한 유체가 저장될 수 있다. 예를 들면, 유입식 변압기의 경우에는 외함(110)의 내부에 절연유(170)가 채워질 수 있으며, 건식 변압기의 경우에는 외함(110)의 내부에 공기가 채워질 수 있다.

권선(130)은 후술되는 철심(120)에 감겨지는 와이어(wire) 형태 또는 포일(foil) 형태의 도선일 수 있으며, 1차 권선과 2차 권선을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 1차 권선과 2차 권선이 철심(120)의 메인 레그(153)에 상호 적층되며 권선되는 경우를 예로 들고 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 사이드 레그(152)에 권선하는 것도 가능하다.

철심(120)은 자기력선의 통로 역할을 수행하는 부재이다. 일반적으로, 철심(120)은 철손을 감소시키기 위하여 박강판을 적층시킨 구조로 형성된다. 본 실시예에 있어서 철심(120)은 전기강판들을 적층시킨 구조로써, 전기강판은 규소를 포함하는 박강판일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.

철심(120)은 요크(150, 151) 및 레그(152, 153)를 포함한다.

요크(150, 151)는 상부 요크(150)와 하부 요크(151)를 포함한다.

상부 요크(150)는 철심(120)의 상부를 형성하는 부재로, 막대 형태로 형성되어 길게 배치될 수 있다.

하부 요크(151)는 철심(120)의 하부를 형성하는 부재이다. 하부 요크(151)는 상부 요크(150)의 하측에서 상부 요크(150)와 평행하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 하부 요크(151)와 상부 요크(150)는 수평 방향을 따라 나란하게 배치될 수 있다.

레그(152, 153)는 상부 요크(150)와 하부 요크(151)의 사이에 수직하게 배치되는 부재이다. 레그(152, 153)는 상부 요크(150)와 하부 요크(151)의 사이에 수직 방향을 따라 복수개가 소정 간격으로 서로 이격되게 배치될 수 있다.

구체적으로 본 실시예에 따른 레그(152, 153)는 중심에 배치되는 메인 레그(153)와, 메인 레그(153)의 양측에 각각 배치되는 두 개의 사이드 레그(152)를 포함한다.

한편, 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어 상기한 실시예에서는 메인 레그(153)가 하나로 구성되나 변압기를 3상용이나 병렬 구조로 구성하는 경우, 메인 레그(153)는 다수 개로 구성될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 철심(120)은 복수의 절곡강판(125)을 포함하여 구성된다. 보다 구체적으로, 레그들(152, 153)과 요크들(150, 151) 중 적어도 하나는 절곡강판들(125)을 통해 형성될 수 있다.

절곡강판(125)은 프레스 가공 또는 절곡 가공을 통해 몸체가 절곡된 강판을 의미한다.

이러한 절곡강판(125)은 평판 형태의 강판보다 고유진동수가 높다.

일 실험예로, 탄성률 200GPa, 프와송 비 0.33, 밀도 7,850Kg/m³, 세로길이 0.2m, 가로길이 0.5m인 규소강판의 고유진동수를 시뮬레이션으로 측정해본 결과, 평판형태의 규소강판의 고유진동수는 한쪽 끝을 고정한 경우에 6.7Hz, 양쪽 끝을 고정한 경우에 43Hz로 측정되었다.

이에 비해, 중앙이 직각으로 절곡된 절곡된 규소강판의 고유진동수는 한쪽 끝을 고정한 경우에 34.4Hz, 양쪽 끝을 고정한 경우에 80.1Hz로 측정되었다.

이와 같이, 절곡된 강판은 평판형태의 강판보다 구조적 특성으로 인해 고유진동수가 현저하게 높아지는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 철심(120)은 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 절곡강판들(125)이 적층되어 구성될 수 있다.

절곡강판(125)은 평판형태 강판을 직각으로 절곡하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 평판 형태의 강판을 길이 방향으로 이등분하는 중심선을 절곡선으로 하여 강판을 절곡함으로써 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 철심(120)을 구성하는 복수의 절곡강판(125)은 4개의 기준강판(121)과 복수의 적층강판(122)을 포함할 수 있다.

기준강판(121)은 철심(120)의 최내측에 배치되는 절곡강판(125)으로서, 외측면이 이웃하여 배치되는 다른 기준강판(121)의 외측면과 서로 접하도록 적층될 수 있다. 여기서, 기준강판(121)의 외측면은 기준강판(121)이 절곡된 방향의 반대측 면을 의미한다.

이러한 기준강판(121)은 4개가 전술한 바와 같은 구조로 서로 결합되어 단면이 십자 빔 형태를 형성할 수 있다.

적층강판(122)은 기준강판(121)의 내측면에 복수개가 적층될 수 있다.

단, 복수의 적층강판(122)은 외측에 배치될수록 폭이 점차적으로 짧은 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 적층강판(122)이 적층되는 방향 외측은 본 발명의 일 실시예에 따른 철심(120)의 반경방향 외측을 의미한다.

이와 같이, 4개의 기준강판(121)과 각각의 기준강판(121)에 적층되는 복수의 적층강판(122)은 도 4에 도시된 바와 같이 전체적으로 원기둥형 구조물을 구성할 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 철심(120)은 적층되는 절곡강판(125) 각각의 고유진동수가 종래의 평판 형태의 강판의 고유진동수보다 크므로, 다수의 절곡강판(125)에 의해 구성되는 철심(120) 전체의 고유진동수가 종래의 평판 형태의 강판으로 구성되는 철심(120)의 고유진동수에 비해 현저하게 커진다.

참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 철심(120)이 적용될 수 있는 변압기에는 일반적으로 120Hz정도의 외부진동수가 발생한다.

이때, 외부진동수의 크기와 철심(120)의 고유진동수의 크기가 서로 차이가 클수록 공명이 적게 발생하여 소음이 감소된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 철심(120)은 절곡강판(125)을 통해 전술한 바와 같이 철심(120) 자체의 고유진동수가 현저하게 높아지므로, 외부진동수와 차이가 커지게 되어, 무부하 소음이 저감될 수 있게 된다.

또한 본 실시예에 따른 철심(120)은 중심에 절연유(170)가 흐르는 유로(180)를 구비한다.

유로(180)는 4개의 기준강판(121)이 모이는 모서리 부분 즉, 4개의 기준강판(121)이 형성하는 십자 빔 형태의 중심에 형성된다.

보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 기준강판들(121)은 프레스 가공을 통해 절곡될 때, 모서리 부분이 각지게 형성되지 않고 둥근 호형으로 형성된다.

이에 따라, 4개의 기준강판(121)을 결합하게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이 중심부에는 유로(180)가 형성된다.

따라서 유로(180)를 형성하기 위한 별도의 공정 없이 철심(120) 내에 유로(180)를 형성할 수 있다.

본 실시예에 따른 유로(180)의 크기는 기준강판(121)의 모서리 부분에 형성되는 호의 크기에 따라 변경될 수 있다. 즉 호의 반경을 크게 형성할수록 유로(180)의 단면적은 증가하며, 호의 반경을 작게 형성할수록 유로(180)의 단면적은 축소된다.

한편 본 실시예에서는 4개의 기준강판(121) 모서리를 모두 호형으로 형성하는 경우를 예로 들고 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 4개 중 어느 하나의 기준강판(121)만 모서리를 호형으로 형성하고, 나머지는 모서리를 각지게 형성하는 것도 가능하다.

이 경우, 도 4에 도시된 본 실시예에 비해 단면적이 매우 작은 유로가 형성될 수 있다. 이처럼 본 실시예에 따른 철심은 적합한 유로(180)의 크기를 형성하기 위해 선택적으로 기준강판(121)을 호형으로 형성할 수 있다.

또한, 기준강판(121)을 호형으로 형성함에 따라, 기준강판(121)에 적층되는 적층강판들(122)도 모서리부분이 호형으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 적층강판들(122)은 기준강판(121)의 형상에 대응하여 기준강판(121)에 인접할수록 모서리 부분이 호형으로 형성되고, 외측으로 갈수록 모서리 부분이 각지게 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 구성되는 유로에는 변압기 내부에 채워지는 절연유가 유입되어 흐를 수 있다. 이에 따라 변압기 운전중 철심의 냉각이 보다 효율적으로 이루어지므로 변압기 내부의 온도 상승을 억제할 수 있으며, 이에 변압기의 안전성을 확보할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 절연유(170)는 요크들(150, 151)과 레그들(152, 153)을 연결하는 연결부(124)를 통해 유로(121)로 유입된다. 이를 위해 철심(120)의 제조 과정에서 요크들(150, 151)과 레그들(152, 153)을 결합할 때, 절연유(170)가 유로(180)로 유입될 수 있는 틈(미도시)을 연결부(124)에 형성할 수 있다.

그러나 이에 한정되지 않으며 유로와 연결되는 별도의 구멍을 형성하여 상기 구멍을 통해 절연유가 유로로 유입되도록 구성하는 것도 가능하다. 이때, 상기 구멍은 유로를 연장하는 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 레그에 형성된 유로는 상부 요크와 하부 요크를 관통하는 구멍을 통해 철심의 외부와 연결되고, 요크에 형성된 유로는 레그를 관통하는 구멍을 통해 외부와 연결될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

예를 들어 전술한 실시예에서는 상부 요크와 하부 요크, 레그들에 모두 유로가 형성되는 경우를 예로 들고 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 상부 요크와 하부 요크, 레그들 중 적어도 어느 하나에만 유로를 형성하는 것도 가능하다. 예를 들어 레드들에만 유로를 형성하거나, 요크들에만 유로를 형성할 수 있다.

100: 변압기
110: 외함
120: 철심
130: 권선
150: 상부 요크
151: 하부 요크
152: 사이드 레그
153: 메인 레그
170: 절연유
180: 유로

Claims

상부 요크와 상기 상부 요크의 하측에서 상기 상부 요크와 나란하게 배치되는 하부 요크; 및
상기 상부 요크와 상기 하부 요크를 연결하는 다수의 레그;
를 포함하며,
상기 상부 요크와 상기 하부 요크, 및 상기 레그들 중 적어도 하나는 중심에 유로가 형성되고,
상기 상부 요크, 상기 하부 요크, 및 상기 레그들 중 적어도 하나는 몸체가 절곡된 절곡강판이 복수개 적층되어 형성되며,
상기 절곡강판은 중앙이 직각으로 절곡되고,
상기 절곡강판은 4개의 기준강판 및 상기 기준강판의 내측면에 적층되는 복수의 적층강판을 포함하며,
상기 4개의 기준강판은 외측면이 이웃하여 배치되는 다른 기준강판의 외측면과 서로 접하도록 적층되어 단면이 십자인 빔 형태를 형성하고,
상기 유로는,
상기 4개의 기준강판이 형성하는 십자 빔 형태의 중심에 형성되는 변압기의 철심.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 복수의 적층강판은 외측에 배치될수록 폭이 점차적으로 짧은 형태로 구성되어, 상기 4개의 기준강판과 상기 복수의 적층강판은 전체적으로 원기둥형 구조물을 구성하는 변압기의 철심.
삭제
제1항에 있어서, 상기 기준강판들은,
절곡된 모서리 부분이 호형으로 형성되는 변압기의 철심.
제1항에 기재된 철심;
상기 철심에 권선되는 권선; 및
상기 권선이 권선된 철심이 수용되고 내부에 절연유가 채워지는 외함;
을 포함하여 구성되는 변압기.