I. 서 론
최근 4차 산업 기반의 발전으로 전기에너지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라 송전 효율을 높이기 위해 변압기의 전압은 초고압 및 대용량화되는 추세이며, 특히 변압기는 주거지역에서 24 h 운전되는 제품으로 소음에 대한 민원이 증가하고 있는 추세이다.[1]
변압기 소음과 관련된 연구동향을 살펴보면, Park et al.[2]은 철심의 적층 방법 및 적층 수에 따른 자속밀도 변화에 대해 분석하고, 충격시험 및 유한요소 해석을 통해 원형외함의 특성을 파악하였다. Koo et al.[3]은 변압기의 부하에 따른 권선소음과 냉각팬 소음이 전체 소음에 미치는 영향을 분석하고, Kim과 Kim[4]은 철심과 권선의 결합 구조를 규명하기 위하여 변압기의 진동 특성을 파악하고 모드해석을 통해 철심과 권선의 고유진동수 및 모드형상을 확인하였다. Choi와 Kim[5]은 철심에 틈새가 존재할 때의 전자력을 평가하고, 철심을 고정하는 단철 조임볼트의 체결강도 조절을 통해 소음을 저감하였다. Choi et al.[6]은 실험을 통해 변압기 외벽의 공진을 확인하고, 보강을 통한 해당 부위의 강성을 증가시켜 외벽의 진동을 저감하였다. Yu et al.[7]은 변압기의 방화벽 사이에 흡음형 방음벽을 설치하여 외부로 전달되는 소음을 저감하였다.
변압기 소음을 저감하기 위한 동향을 살펴보면, 실험적 방법을 통한 개선방법에 대한 연구로, 해석적 방법을 통한 변압기 소음저감 효과 예측에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 조화응답해석을 통해 초고압 변압기에서 발생하는 음향파워레벨을 이론적으로 계산할 수 있는 방법을 제안하고, 해석적 방법을 이용하여 소음저감 대책에 대한 효과를 분석한 후, 실험을 통해 검증하고자 한다.
II. 초고압 변압기의 해석모델
Fig. 1 (a)와 (b)와 같이 크게 외부 부품과 내부 부품으로 구분되며 커버, 호흡기, 철심, 권선, 요크빔, 펌프, 탭변환장치, 절연물 등으로 구성되어 있다.
해석의 편리를 위하여 유한요소 모델을 표면체(surface body)로 변경하였다. 그리고 설치 조건, 조립 상태를 고려하여 경계 조건을 부여하였다. 일부 부품들은 Fig. 2와 같이 점질량(point mass)으로 대체하였다. Fig. 3은 유한요소 모델로 총 절점(node) 수는 213,159개, 요소(element) 수는 424,682개이다. 해석모델에 적용한 물성치는 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Material properties of transformer parts used to analysis.
하중조건은 Fig. 4와 같이 V상 철심 중심부에 3축 방향으로 120 Hz 조화성분의 가진력을 부하하고, 실제 측정 위치의 가속도 응답을 기준으로 해석에 적용할 가진력을 도출하였다. 해석의 응답을 실험결과와 비교하였을 때, Fig. 5와 같이 주요 가진주파수 성분에서 해석이 실험의 경향과 유사한 것을 확인하였다. 도출된 가진력은 Table 2에 정리하였다.
III. 조화응답해석으로 소음저감 평가
초고압 변압기에 전압이 인가되면 Fig. 6와 같이 외함과 철심의 표면적에서 수직방향의 속도가 발생하며 표면 진동에 의해 소음이 발생한다. 이때, 음향파워는 Eq. (1)으로 정의된다.
여기서 𝜌는 공기의 밀도, 는 음속, 는 표면적, 는 -표면적의 모든 절점에서 발생하는 수직방향 진동속도의 제곱 평균을 의미한다. 초고압 변압기의 표면적은 Table 3과 같다.
Table 3.
Surface areas of transformer.
| Parts | Surface areas [m2] | |||
| S1 | S2 | S3 | S4 | |
| Tank | 3.956 | 5.380 | 4.042 | 3.686 |
| Core | 0.945 | 2.723 | 0.945 | 2.723 |
음향파워레벨은 음원에서 방사되는 음향파워를 데시벨(dB) 단위로 나타낸 값이며, 구조물의 방사소음을 평가하는 중요한 요소이다. 음향파워레벨은 다음의 Eq. (2)와 같이 정의된다.
여기서 는 음향파워, 는 음향파워레벨의 기준 값으로써 10-12 watt이다.
초고압 변압기의 소음은 외함의 표면 진동으로 인해 발생하는 구조전달음과 철심의 표면 진동으로 인해 발생하는 소음이 공기로 전달되는 공기전달음으로 구분된다. Eqs. (1)과 (2)의 과정으로 조화응답해석 결과에서 얻은 각 표면의 진동속도로 변압기의 구조전달음과 공기전달음을 계산할 수 있다.
초고압 변압기의 소음저감 방안을 수립하여 해석 항목을 Table 4와 같이 설정하였다. Case 1은 상부 진동절연으로 철심과 상부 요크에서 커버로 전달되는 진동을 저감하기 위해 Fig. 7(a)와 같이 상부 커버와 요크빔 사이에 삽입되는 30 mm의 고정 플랜지(fixing flange)를 코르크 패드(VC2100)로 변경한 상태이다. Case 2는 Case 1의 상부 진동절연 상태에서 변압기 외함의 하부로 전달되는 진동의 추가 저감 방법으로, Fig. 7(b)와 같이 외함과 하부 요크빔 사이에 삽입되어 있는 30 mm 두께 프레스 보드를 코르크 패드로 변경한 상태이다. Case 3은 Case 2 상하부 진동절연 상태에서 추가로 Fig. 7(c)와 같이 Compressed Layer Damper(CLD)를 적용하는 방법이다. CLD는 초고압 변압기 외벽 내부에 10 mm 두께의 코르크 패드, 6 mm 두께의 강판 순으로 부착하여 진동 감쇠 효과로 소음을 저감하는 방법이다.
Table 4.
Cases of harmonic response analysis to reduce noise and vibrations.
| No. | Case |
| Ref. | Existing condition |
| 1 | Vibration isolation of top |
| 2 | Vibration isolation of top and bottom |
| 3 | Compressed Layer Damper (CLD) + case 2 |
음향파워레벨을 계산하기 전, CLD 적용으로 인한 추가적인 공기전달음의 투과손실을 고려하였다. 투과손실을 계산하는 방법으로 다음의 Eq. (3)과 같다.
여기서 은 재료의 면밀도, 는 입사음의 주파수를 의미한다.
CLD의 면밀도는 132.5 kg/m2, 외함의 면밀도는 77.5 kg/m2이다. 계산결과 CLD 적용으로 의한 투과손실은 4.2 dB로, 공기전달음의 추가적인 차음효과를 고려하여 파워레벨을 계산하였다.
Eqs. (1)과 (2)를 이용하여 조화응답해석 결과에서 초고압 변압기의 구조전달음과 공기전달음을 계산하여 Table 5에 정리하였다. 기존 상태의 소음 수준 대비, 개선안들의 소음저감량은 Table 6과 같다.
Table 5.
Calculated sound power level of cases.
| Case no. | Sound power level [dB] | |
| Structure borne noise | Air borne noise | |
| Ref. | 95.4 | 92.3 |
| 1 | 87.3 | 92.3 |
| 2 | 81.6 | 92.9 |
| 3 | 77.0 | 88.7 |
Table 6.
Noise level reduction of each case.
| Case no. | Noise level reduction [dB] | |
| Structure borne noise | Air borne noise | |
| 1 | 8.1 | 0.0 |
| 2 | 13.8 | -0.6 |
| 3 | 18.4 | 3.6 |
Table 7.
Comparison of noise level reduction from analysis results.
| Case no. | Noise level reduction [dB] |
| 1 | 2.4 |
| 2 | 2.2 |
| 3 | 6.5 |
실험적으로 초고압 변압기의 구조전달음과 공기전달음의 영향도를 확인하려면 실제 설치 조건에서 변압기의 내부와 외부의 진동 측정이 필요하다. 하지만 실제로 변압기의 외부의 진동 측정은 가능하나 내부의 진동 측정은 어려운 실정이다. 이에 해석결과에서 계산된 구조전달음과 공기전달음의 소음저감 효과를 합산하기 위해 구조전달음과 공기전달음의 기여도를 각각 50 %라 가정하였다. Eq. (4)를 활용하여 각 방안별로 합산된 소음저감 효과를 계산하고 Table 7에 정리하였다.
여기서 는 구조전달음의 저감량, 는 공기전달음의 저감량이다.
조화응답해석을 통해 계산된 초고압 변압기의 소음저감 효과를 실험적으로 검증하기 위해 각각의 Case에 대한 소음을 측정하였다. Fig. 8과 같이 변압기 외함의 전방 35 cm, 변압기 높이의 중간 지점에 소음계를 설치하여 5 min 동안 음압레벨(sound pressure level)을 측정하였다. 측정결과는 Table 8에 정리하였으며, Point 1 ~ Point 4의 소음레벨에 대한 평균 소음레벨을 Eq. (5)으로 계산하였다.
Table 8.
Experimentally measured sound pressure level at each case.
| Case no. | Sound pressure level [dB] | ||||
| Point 1 | Point 2 | Point 3 | Point 4 | Average | |
| Ref | 67.8 | 68.1 | 70.2 | 67.5 | 68.5 |
| 1 | 65.4 | 64.9 | 67.3 | 65.3 | 65.8 |
| 2 | 65.9 | 65.2 | 68.0 | 64.9 | 66.2 |
| 3 | 62.6 | 63.7 | 59.8 | 60.5 | 61.9 |
Table 9.
Comparison of noise level reduction from analysis and experiment results.
| Case no. | Noise level reduction [dB] |
Difference [dB] | |
| Analysis | Experiment | ||
| 1 | 2.4 | 2.7 | 0.3 |
| 2 | 2.2 | 2.3 | 0.1 |
| 3 | 6.5 | 6.6 | 0.1 |
마지막으로 개선안들에 대한 해석의 소음저감량을 실측값들의 저감량과 상대비교 하였으며, Table 9에 정리하였다. 초고압 변압기의 소음 개선안 중, Case 3이 소음저감 효과가 가장 우수하고, 해석과 실험 모두 동일하게 Case 3, 1, 2 순서로 소음저감 효과가 크게 나타났다. 각 조건에서 해석과 실험의 오차는 0.1 dB ~ 0.3 dB로 확인되었다.
IV. 결 론
조화응답해석을 이용하여 초고압 변압기의 방사소음을 이론적으로 계산할 수 있는 방법을 수립하고, 개선안에 대한 소음저감 효과를 평가할 수 있는 방법을 제안하였다. 실제 응답을 측정하여 변압기의 가진력 수준을 도출하고, 유한요소 모델을 수립하여 조화응답해석으로 음향파워레벨을 계산하였다. 음향파워레벨로부터 각 대책의 소음저감 효과를 평가하고, 대책 후에 소음레벨 저감을 예측할 수 있었다. 해석적 방법을 이용하여 개선안의 소음저감 효과를 예측하고, 실험과 비교하여 검증하였다. 개선안의 소음저감 효과는 Case 3이 가장 뛰어났으며, 해석과 실험결과의 오차는 0.1 dB ~ 0.3 dB로 실험과의 경향이 상당히 일치하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 제안된 조화응답해석을 이용한 초고압 변압기의 소음저감 평가 방법은 변압기를 포함하여 진동에 기인한 다른 구조물들의 소음저감을 위해 설계 단계에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
