변압기에 전압을 인가하는 순간 '여자 돌입 전류'라 불리는 과대 전류가 흐른다. 이 과대 전류는 보호 계전기의 오동작이나 퓨즈 등과 같은 기기의 열화를 초래하며, 다양한 고장을 일으키는 원인이다. 여자 돌입 전류는 일정하지 않으며, 인가 전압의 투입 위상이나 변압기의 잔류 자속 밀도에 따라 크게 변한다. 변압기의 정격 전류에 대한 여자 돌입 전류 배율은 용량이 작은 변압기가 크고, 3상보다 단상 변압기가 크다. 2009년 일본의 간덴코[關電工], 다카오카화성공업, 앗토도쿄 등 3사가 공동으로 데이터센터 내 전원 설비인 서버실 저압 전력 분전반(PDU : Power Distribution Unit)에 넣을 F종 몰드 변압기를 개발했다. 이번엔 그때 적용한 여자 돌입 전류의 억제 기술을 응용해, 일본 에너지 절약법에 근거한 기기 에너지 소비 효율 기준인 '톱 러너Top Runner'기준치를 만족하는 여자 돌입 전류 억제형 고압 F종 몰드 변압기를 3사가 공동 개발했기에 그 개요를 소개한다.
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개발 목적 데이터센터의 수변전 설비는 주主전기실과 부副전기실로 계층화되며, 부 전기실에도 대용량 변압기를 여러 대 설치하는 경우가 있다. 이러한 시설에서 수 초의 단시간 정전이 발생하면 여자 돌입 전류에 의해 송출 분기 차단기가 불필요하게 차단할 수도 있다. 또한, 단기單機용량이 작은 자가 발전 장치에서 여러 변압기로 전원을 공급하는 전원 구성의 경우에도 보호 협조 확립이 어려울 수 있다. 보호 협조를 확립하지 않은 시설에서 만에 하나 사고가 발생하면 파급 범위가 커지면서 정전 범위도 확대할 위험성이 있다. 수변전 설비의 신뢰성을 높이려면 사고 전류에서 보호 계전기가 확실히 동작하고, 여자 돌입 전류에서 불필요한 동작을 하지 않아야 한다. 이를 위해 여자 돌입 전류 억제가 유효한 방법 중 하나다. 즉, 여자 돌입 전류를 억제함으로써 계전기의 불필요한 동작을 없애고 과전류 협조를 확립하는 것이다. <그림 1>은 보호 협조 이미지를 나타낸 것이다.
여자 돌입 전류의 억제 방법 3상 변압기의 여자 돌입 전류는 다음과 같은 근사관계식으로 나타낸다.
여자 돌입 전류를 줄이려면 다음과 같은 일이 필요하다. ① 전압 인가 측 권선의 권수를 늘리고 철심의 정상 자속 밀도를 낮춘다. 단, 변압비를 동일하게 해야 하므로 이차 측 권선도 늘려야 한다. ② 권선의 등가 단면적을 크게 한다. ③ 철심의 단면적을 작게 한다. ④ 정상 상태 자속 밀도를 저감한다. ⑤ 잔류 자속 밀도를 저감한다. ①, ②를 행하면 변압기의 외형 치수와 중량이 증가한다. ③과 ④는 트레이드오프Trade-off 관계에 있어 철심의 단면적을 작게 하면 정상 상태 자속 밀도는 증가한다. 이번에 개발한 변압기는 철심의 잔류 자속 밀도를 저감시키고자 신기술을 적용한 철심 구조를 채용해 여자 돌입 전류를 억제했다. 잔류 자속 밀도 저감으로 정상 자속 밀도는 크게 저감할 필요가 없으며, 변압기의 대형화도 피할 수 있었다.
시험 제작품 개요 이번에 시험 제작한 여자 돌입 전류 억제형 톱 러너 F종 몰드 변압기의 주된 사양은 <표 1>과 같다. <그림 2>는 외관을 나타낸 것이다. 이 변압기는 에폭시 수지에서 권선 부분을 몰드로 한 기존 톱 러너 F종 몰드 변압기의 구조를 기본으로 하고 철심의 잔류 자속 밀도를 저감시키는 신기술 철심 구조를 택했다. 그 결과 여자 돌입 전류 배율이 500% 이하며, 톱 러너 기준치를 만족하는 사양에서 기존 톱 러너 변압기와 동등한 외형 치수와 중량을 달성했다.
시험 제작품의 성능 검증 결과 시험 제작한 변압기의 성능을 확인하고자 JEC-2200에 준거해 전기 특성 시험, 전기 절연 시험을 실시했다(<표 2> 참조). 이로써 각 성능을 만족하는 결과를 확인했다. 여기에 여자 돌입 전류 평가를 위한 여자 돌입 전류 시험을 실시했다. 여자 돌입 전류가 최대가 되는 것은 회로 전압이 '0'인 순간에 전압을 인가했을 때다. 그 때문에 여자 돌입 전류 시험은 차단기의 투입 위상을 제어함으로써 투입 시 최대 자속 밀도가 생기는 가장 엄격한 조건에서 실시했다. <그림 3>은 시험 회로를 나타낸 것이다.
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정격 전압에서 인가를 10회 반복해 행했으며, 여자 돌입 전류 값이 가장 컸던 전류 파형을 <그림 4>로 표시했다. 변압기의 정격 전류는 87.5(A)이므로 정격 전류 파고치는 87.5(A)× =124(Ap)가 된다. 이 시험 결과에서 최대 여자 돌입 전류 파고치는 제1파째인 338(Ap)이며, 당초 목표였던 전류배율 500% 이하에 대해 270%가 되는 양호한 결과를 얻었다. <그림 5>는 부하율과 효율 곡선을 나타낸 것이다. 이번 시험 제작품의 에너지 소비 효율은 톱 러너 기준(JEM 1483)을 만족하는 것을 확인했으며, 기존 톱 러너 변압기보다 약간이긴 하지만 효율 향상도 이뤘다.
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수변전 설비를 대용량, 계층화한 시설은 데이터센터뿐만이 아니다. 대규모 고층 빌딩이나 공장도 마찬가지다. 여자 돌입 전류를 저감하면 변압기 전원투입 시 전원 계통에 미치는 영향이 줄어든다. 이로써 공장 생산 라인의 정지에 맞춘 변압기 휴지休止도 한결 용이하며, 적극적으로 무부하손을 낮추는 운
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