전력망 강화:과학자들이 내진성 변압기 부싱 개발

전력전자 내부자

WEGAI(W. E. Gundy and Associates)의 Jon Bender가 이 부싱 연구에 적용되는 전력 변압기의 예 옆에 서 있는 사진입니다. (이미지 :INL)

우리가 당연하게 여기는 전력망에는 크고 값비싼 장비, 특히 전력 변압기가 포함됩니다. 하나라도 고장나면 교체하는 데 1년 이상이 걸리고 막대한 비용이 소요될 수 있습니다. 캘리포니아나 태평양 북서부처럼 인구가 많고 지진이 활발한 지역에서는 시간이 사치가 아닙니다.

지진 발생 시 대형 고전압 전력 변압기가 가장 취약한 곳은 부싱입니다. 부싱은 변압기의 내부 권선과 외부 전력선 사이에 전류를 안전하게 유도하는 속이 빈 전기 절연체입니다. 전도성 물질(일반적으로 구리 또는 알루미늄)을 절연하고 고전압 전류가 누출되거나 스파크되어 폭발을 일으키는 것을 방지하는 능력으로 인해 도자기로 가장 많이 만들어집니다.

부싱은 메인 탱크에서 위로 뻗어 있는 변압기의 포탑에 볼트로 고정되어 있습니다. 이러한 연결은 아이다호 국립 연구소(INL)의 연구진이 초점을 맞춘 것입니다. 팀의 목표는 부싱 베이스에 장착하고 부싱과 터릿의 공진 주파수가 일치하는 것을 방지하도록 조정 가능한 디커플러라고 알려진 기계적으로 간단하고 조정 가능한 절연 장치를 개발하는 것입니다(이로 인해 도자기 부싱에 기계적 응력이 증폭됨).

이 프로젝트의 수석 조사관이자 2025년 과학자 및 엔지니어를 위한 대통령 조기 경력상 수상자인 Bjorn Vaagensmith는 "공진 주파수가 핵심입니다."라고 말했습니다.

모든 물체에는 공진주파수가 있는데, 이는 물체에 입력된 진동이 최대로 증폭될 때 발생합니다. 음파가 와인잔이나 거울을 깨뜨릴 때, 그것이 직장에서 공진 주파수입니다. 토목공학 역사상 아마도 가장 잘 알려진 사례는 1940년 타코마 내로스 브리지(Tacoma Narrows Bridge)의 붕괴일 것입니다. 풍속과 방향이 교량의 설계 및 재료와 결합되어 공진 주파수를 생성하여 데크가 격렬하게 진동하게 되었습니다. 이로 인해 새로 건설된 다리는 "질주하는 거티(Galloping Gertie)"라는 별명을 얻었습니다. 이 다리는 산산조각이 나고 4개월 후 퓨젯사운드(Puget Sound)에 떨어졌습니다.

지진이 발생하면 지진파는 상하 또는 앞뒤로 진동하는 지면 운동을 유발하여 대형 전력 변압기로 전달됩니다. 유연성과 밀도로 인해 강철로 제작되고 절연유로 채워진 대형 전력 변압기 탱크는 장착된 장비와 동적으로 공명할 수 있습니다. 탱크와 탱크에 장착된 부싱이 동일한 파장에 있는 경우 지진으로 인해 증폭된 흔들림으로 인해 부싱에 스트레스가 가해져 치명적인 고장을 일으킬 위험이 있습니다.

Vaagensmith와 그의 동료인 INL의 Chandu Bolisetti와 보이시에 본사를 둔 엔지니어링 회사인 WEGAI의 Jon Bender는 부싱의 공진 주파수를 변압기의 공진 주파수에서 멀리 이동시키는 디커플링 장치를 개발하여 이 문제를 해결하려고 합니다. 그들이 설계하고 있는 디커플러는 부싱 베이스에 쉽게 설치할 수 있으며 저렴한 비용으로 구형 변압기 모델에 개조할 수 있습니다. 팀은 디자인에 대한 특허를 추구하고 있습니다.

그들의 프로젝트는 처음에 INL의 실험실 감독 연구 및 개발 프로그램을 통해 자금을 지원 받았습니다. 현재 이는 미국 에너지부 산하 전력국의 변압기 복원력 및 고급 부품(TRAC) 프로그램과 해당 부서의 사이버 보안, 에너지 보안 및 비상 대응 사무국(CESER)의 공동 지원을 받고 있습니다. TRAC 프로그램은 대형 전력 변압기를 포함한 그리드 하드웨어 기술의 과제를 해결하여 그리드 현대화를 가속화하기 위해 존재합니다. CESER 사무소는 위협과 위험으로부터 미국 에너지 인프라를 보호하고 강화하는 것을 목표로 합니다.

프로젝트가 마무리되면서 Vaagensmith와 그의 동료들은 공진 주파수 디커플러를 대규모로 테스트하기를 희망합니다. 그들은 2026년 캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스의 지진 시뮬레이터에 가져갈 500,000파운드 변압기를 확보했습니다. 이 대학교의 진동판은 미국에서 가장 크며 크기 면에서 일본의 다른 진동판과 경쟁할 수 있습니다. 이는 규모에 대한 최초의 테스트가 될 것이며 지진 지역의 변압기에 대한 안전 요구 사항에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

University at Buffalo와 협력하여 팀은 일을 잘못할 수 있는 기회를 많이 갖고 있습니다. 그것이 실험의 목적이다. Vaagensmith는 “우리는 실패하고 싶지만 실패할 수 있습니다.”라고 말했습니다. "저희 솔루션을 시험해 보고 한계까지 테스트할 수 있습니다. 샌디에이고로 가기 전에 디커플러를 설계하는 방법을 확실히 알고 싶습니다."

"사람들은 이것에 대해 흥분하고 있습니다"라고 Vaagensmith는 말했습니다. "우리는 적절한 지진용 변압기 보호 조치에 대한 오랜 논쟁을 해결하고 부싱 제조업체를 위한 개조가 필요하지 않은 솔루션을 제시할 수 있는 기회를 얻었습니다. 유틸리티는 만족할 것이고 그리드는 더욱 탄력적이 될 것입니다."

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