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로서 패드마운트형 변압기 제조업체 , 우리는 동일한 순서로 동일한 고장 현상을 계속 겪고 있습니다. 정비를 위해 패드 마운트형 장치를 교체합니다. 케이블 끝부분에 있는 라이저 폴 어레스터가 고장납니다. 작업반은 어레스터를 교체하고 장치에 전원을 공급하지만, 교체된 어레스터도 몇 개월 이내—때로는 몇 주 이내—에 다시 고장납니다. 변압기 자체는 모든 정기 점검에서 정상으로 판정됩니다. 명판에 표기된 사항에도 아무런 오류가 없습니다. 어레스터를 파손시키는 원인은 페로공진이며, 이는 거의 언제나 어레스터의 결함 때문이 아닙니다.
페로공진이란 실제로 무엇인가
변압기 코어는 선형 인덕터가 아니다. 포화 이전에는 자화 리액턴스가 높다. 코어가 포화에 가까워질수록 그 리액턴스는 급격히 감소한다. 이러한 특성을 지닌 부품을, 지중 케이블의 쉬스 커패시턴스, 차단기의 그레이딩 커패시턴스, 부싱 또는 커패시터 뱅크의 커패시턴스와 같은 커패시턴스를 포함하는 회로에 삽입하면, 스위칭 교란이 각 요소 단독으로는 발생시킬 수 없는 진동 상태로 회로를 유도할 수 있다.
이것이 전부이며, 동시에 그 이유도 설명해 준다. 변압기의 페로공진 xL = XC에서 계산하는 정돈된 공진이 아니다. 선형 인덕터에서는 하나의 공진 주파수와 하나의 정상 상태만 존재한다. 반면, 포화 가능한 코어를 가진 경우 여러 개의 공진 주파수가 존재하며, 회로는 이들 사이를 점프할 수 있다. IEEE 테크놀로지 네비게이터 — 페로공진 (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) 기본 주파수 페로공진(전원 주파수에서 발생), 부분 배수 페로공진(전원 주파수의 분수 배, 특히 1/3), 준주기적 페로공진(불규칙한 파형), 그리고 완전히 반복되지 않는 혼돈 페로공진 등 네 가지 주요 진동 모드를 설명한다. 이러한 모드에서 지속되는 과전압은 정격 선로 전압의 5배에서 6배까지 치솟을 수 있으며, 이는 배전 권선의 절연 조정이 지속적인 전력 주파수 응력에 대해 가정하는 범위를 훨씬 초과한다.
명판이 동일한 두 장치라도 전혀 다른 방식으로 작동할 수 있다. 회로가 안정화되는 모드는 인덕턴스, 커패시턴스, 전압 크기 및 초기 조건에 따라 달라지며, 실무에서는 이 모든 것이 스위치가 닫히는 정확한 순간에 좌우된다. 따라서 공칭 값만으로 구성된 연구는 이를 놓치게 되고, 같은 스위칭 작업이 백 차례는 무사히 수행되다가 백일차에 실패할 수도 있다.
현재 패드 마운트 사양을 검토 중이라면, 당사 엔지니어링 팀이 정격값이 확정되기 전에 귀하와 함께 주 회로를 검토합니다. 단선도를 보내주시면, 네 가지 조건을 함께 점검해 드리겠습니다.
서로 맞물려야 하는 네 가지 조건
페로공진은 민감합니다. 이 현상은 동시에 네 가지 조건이 충족되어야 발생합니다 — 무부하인 2차측, 높은 1차측 커패시턴스, 비대칭적 단상 전환 그리고 약간의 과전압에서도 코어가 포화되는 특성 — 바로 이러한 이유로 부하 흐름 분석에서는 전혀 나타나지 않으며, 시험 베이에서 재현하기도 매우 어렵습니다.
| 조건 | 왜 중요한가 | 실제로 발생하는 상황 |
| 무부하 또는 경부하 상태의 2차측 | 부하 저항은 진동을 감쇠시키지만, 공백 상태의 2차측은 전혀 감쇠 효과를 제공하지 않습니다. | 입주 전 신규 분구 지역, 계절적 공장 가동 중단, 예비로 보관 중인 장치 |
| 높은 1차측 커패시턴스 | 케이블 외피의 단위 길이당 정전용량은 송전선보다 훨씬 높다 | 긴 지하 피더, 리저 케이블, 네트워크 복공실, 케이블 공급 산업용 전력 서비스 |
| 비대칭 스위칭 | 한 개 또는 두 개의 상을 고립시키지만 여전히 출처와 정전 용량적으로 결합된 상태로 둔다 | 단상 컷아웃, 한 개의 퓨즈 파손, 단극 자동 재폐쇄기, 엘보 조작 |
| 적정 과전압에서 포화되는 코어 | 자화 인덕턴스가 붕괴되어 회로가 작동 지점 사이를 점프하도록 만든다 | 높은 자속 밀도에서 작동하는 현대식 저손실 코어 및 설계 |
네 가지 요소 중 하나라도 제거하면 일반적으로 이 현상이 시작되지 않는다. 이는 유용한 부분인데, 즉 설계상 제거할 수 있는 네 개의 별도 위치가 있다는 뜻이며, 그중 가장 비용 효율적인 방법은 거의 항상 스위칭 배치이다. 또한 이 시점에서 견적 논의에서 제품 선정 논의로 전환해야 하며, 이는 패드마운트형 변압기 제조업체 귀하와 대화를 시작할 때 가장 먼저 언급해야 할 사항이다.
누군가 알아차리기 전에 장치에 미치는 영향
작업팀이 처음으로 확인하는 고장은 일반적으로 서지 어레스터 탱크 내부가 아니라 탱크 외부에서 발생한다. 금속 산화물 어레스터는 정격 전압을 초과할 때만 도전성을 띠는 저항기이다. 지속적인 페로공진 과전압은 어레스터를 도전 상태로 고정시켜, 진동을 세라믹 블록 내부의 열로 변환한다. 이 세라믹 블록은 정해진 작동 주기에서 마이크로초 단위 임펄스용으로 설계된 것이다. 이튼(Eaton)사의 ‘패드마운트 변압기용 과전압 보호’ 기술 자료(TC202005EN)는 명확히 제한을 밝히고 있다: 어레스터는 과전압을 감소시키지만 완전히 제거하지는 않으며, 어레스터의 작동 주기가 높을수록 더 많은 도전성 물질이 포함되어 있고, 과전압 상황에서 고장되기 전까지 버틸 수 있는 시간도 길어진다. 번개 방지용으로는 충분히 적합한 경량 분배용 어레스터라도, 수분 동안 지속되는 전원 주파수 에너지를 견디도록 설계되지는 않았다. 이튼 기술 자료 TC202005EN — 패드마운트 변압기용 과전압 보호 (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)
서지 억제기 뒤쪽에서 발생하는 손상은 비교적 조용하고 정기 점검 시 발견하기 어렵다. 부싱 표면에는 방전이 일어난 흔적으로 트래킹이 관찰된다. 권선 절연체는 진동의 피크 지점에서 천공되며, 이 천공은 종종 매우 작아서 권선 비율 측정 시에도 정상으로 판정될 수 있다. 코어는 자속 편차가 설계 범위를 크게 초과함에 따라 과열되며, 열은 절연 수명을 단축시키는 주요 원인이다. 서지 억제기 고장은 일반적으로 가장 먼저 발생하는 문제이며, 유일한 문제는 아니다.
전기적 증상이 아닌 또 다른 징후도 있다. 페로공진 상태에 놓인 장치는 종종 정상적인 자기수축 음과는 구분되는 저주파 드론 또는 삐걱거리는 소음을 내는데, 이 소음은 불규칙하고 고르지 않으며, 계전기가 작동하기 전에 현장 작업원들이 이미 인지할 정도로 크다. 이를 단순한 성가신 소음이 아니라 경고 신호로 간주해야 한다.
단상 전환은 사용자가 제어할 수 있는 트리거다
네 가지 조건 중에서 비대칭 전환은 사양서 작성자가 단일 항목만으로도 제거할 수 있는 조건이다 단상 전환 삼상 변압기 뱅크의 단상 전환 — 퓨즈 컷아웃, 한 개 퓨즈의 용단, 또는 단극 자동 재폐쇄 방식 등에 의한 전환이든 간에 — 는 뱅크를 부분적으로 인가된 상태로 남겨두고, 동시에 전원과 용량성 결합을 유도하며, 이는 케이블 공급 배전 시스템에서 고전적인 초기 동작 원인이다
IEEE 표준 C57.105-2019는 삼상 전기 시스템 내 변압기 연결 방식 적용을 위한 가이드로서, 이러한 연결 및 전환 상호작용을 사고가 아닌 설계 고려사항으로 다룬다: IEEE 표준 C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) 이 표준은 변압기 연결 방식과 그 주변 회로 간 상호작용이 시스템의 정상 작동 여부를 결정하기 때문에 존재한다
현장에서 효과가 있는 것은 화려하지 않다. 구성이 허용하는 곳에서는 단상 절단기 대신 삼상 모두를 동시에 차단할 수 있는 그룹 조작식 장치를 사용하라. 단상 장치를 피할 수 없는 경우, 전환 중에 이차측에 소량의 영구적인 저항성 부하를 유지하여 진동 에너지가 소산될 수 있도록 하라. 권선 양단에 감쇠 저항기 또는 페로공진 억제 회로를 설치하는 것이 다음 단계이며, 서지 어레스터 서지 아레스터는 낙뢰만을 고려한 것이 아니라 일시적 과전압 전체를 고려해 선정해야 한다.
이 모든 조치에는 특수한 하드웨어가 필요하지 않다. 케이블 설치가 완료된 후가 아니라, 변압기 정격을 결정할 때 동시에 스위칭 방식과 아레스터의 작동 주기를 정해야 한다.
입찰 요청서(RFQ)에 반드시 포함시킬 다섯 가지 항목
권선 연결 방식 및 접지 방식 접지 스타형 1차 권선을 허용하는지 명시하라. 긴 케이블 구간에서 비접지 델타형 1차 권선을 사용하는 것은 가장 위험한 배선 방식이며, 이에 대한 답변은 전체 과전압 분석 결과를 완전히 바꾼다.
주요 전환 장치 유형. 동작식 삼상 부하 차단 스위치, 삼상 재합전 장치 또는 단상 컷아웃. 단상 장치를 사용할 수밖에 없는 경우 이를 명시해야 한다. 이는 서지 어레스터 선택.
서지 억제기 등급, 작동 주기, 최대 연속 작동 전압(MCOV) 및 일시적 과전압 내성 능력에 영향을 준다. "서지 억제기 포함"은 사양이 아니다. 낙뢰뿐 아니라 일시적 과전압에도 대응하도록 설계된 서지 억제기를 요청해야 한다.
케이블 일정표. 모든 1차 구간에 대한 도체 규격, 길이 및 절연 방식. 차폐 정전용량은 공진 회로의 또 다른 구성 요소이며, 명판 일정표에는 표시되지 않는다.
2차 감쇠. 전환 중 2차 측에 소정의 영구 부하 또는 감쇠 저항을 계속 연결할 것인지 여부와, 그 용량이 정격 용량의 몇 퍼센트에 해당하는지.
패드마운트 변압기 제조사가 주문 전에 묻는 질문들
주 케이블 배선 길이가 긴 프로젝트의 경우, 우리가 가장 먼저 요청하는 문서는 명판 일정표가 아니라 케이블 길이와 개폐기 배열을 표시한 단일 선도이다. 왜냐하면 이 두 항목이 과전압 위험 여부—무시할 수 있는지 혹은 실재하는지—를 결정하기 때문이다. A 패드마운트형 변압기 제조업체 변압기 목록만을 근거로 견적을 제시하는 이는 솔루션이 아니라 단일 장치에 대한 견적을 내는 것이다.
모든 장치는 정해진 시험 절차를 거치며, 그 과정에서 무부하 손실과 여자 전류가 기록된다. 이 두 수치는 철공진 공진 문제를 주관적 의견에서 객관적 계산으로 전환시키는 입력 자료이며, 필요 시 출하 전에 귀사의 컨설팅 엔지니어에게 제공해 드린다.
라이언 일렉트릭은 2007년 이래 12만 제곱미터 규모의 제조 기지에서 분배용 및 전력용 변압기를 생산해 왔으며, 여기에는 180세트 이상의 생산 및 시험 장비와 37건의 특허가 포함된다. 2023년부터 이 회사는 이턴의 공식 합작 파트너로 운영되고 있으며, 이것이 우리 회사가 서지보호기 및 개폐 조정을 타사의 문제라기보다는 변압기 범위의 일부로 간주하는 이유 중 하나이다.
북아메리카의 주택 단지 공사 현장에서 반복적으로 관찰되는 패턴은 긴 지하 측면 배선 끝에 설치된 소형 삼상 장치(75 kVA에서 500 kVA)로, 단상 컷아웃을 통해 전원이 공급되며, 실제 부하는 1년 후에야 발생할 예정인 경우이다. 목록에 나열된 모든 조건이 동시에 존재하며, 현장은 수개월간 무부하 상태로 남아 있다. 설계자가 개별 작동 스위치에서 군동작 스위치로 변경하고, 시운전 기간 동안 2차측에 소규모 저항성 부하를 유지하면, 서지보호기 고장이 멈춘다.
케이블 공급 방식 시스템에 패드 마운티드 장치를 지정하는 경우, 주문을 하기 전에 단선도와 케이블 일정표를 당사로 보내 주십시오. 당사는 귀하의 실제 회로에 따라 개폐 방식, 서지억제기 사양, 이차 감쇠 특성을 검토한 후 네 가지 조건 중 어느 것에 해당하는지, 그리고 이미 설계에서 제외한 조건은 무엇인지 알려 드릴 것입니다. 이것이 주문 전에 반드시 나누어야 할 대화입니다. 패드마운트형 변압기 제조업체 주문 후 첫 번째 서지억제기가 고장 난 다음이 아니라 말입니다.
저자에 대한
본 기사는 라이언 일렉트릭 변압기 엔지니어링 팀이 작성했습니다. 라이언 일렉트릭(장쑤 라이언 일렉트릭 유한공사)은 12만 제곱미터 규모의 제조 기지에서 캐스트 레진 및 VPI 건식 변압기, 유침식 변압기, 패드 마운티드 장치를 설계·제조하며, 북아메리카, 동남아시아, 중동, 아프리카 지역의 데이터센터, 산업시설, 공공사업 및 인프라 프로젝트에 제품을 공급하고 있습니다.