변압기의 원리 ◆ 아래 그림에서와 같이 자석 또는 코일A에 의해서 생기는 磁束이 자석의 이동이나 전류의斷續에 의해서 검류계에 연결되어 있는 코일을 끊어 자속과 코일의 교차수가 변화합니다. 이것에 의하여 기전력이 생기게 되며 전류가 흐르게 됩니다. 이 현상을 전자유도작용이라고 합니다. 전자유도작용에 의해서 발생하는 기전력은 항상 자속의 변화를 방해하는 방향으로 생기게 됩니다. 이것을 렌츠의 법칙이라고 합니다. 【 두 개의 코일을 위의 그림과 같이 접속하여 스위치를 개폐하여 전류를 통하였다 끊었다하면, 그 순간에만검류계의 지침은 흔들립니다. 】 ◆ 변압기는 1차측에서 유입한 교류전력을 받아 전자유도작용에 의해서 전압 및 전류를 변성하여 2차측에 공급하는 기기입니다. 그 원리는 다음과 같은 것입니다. 1차 권선에 주파수 f의 전압 V1을 인가하면 1차 권선에 여자전류 I0가 흘러 철심중에 교번자속 Φ=V1/4.44fn1이 생깁니다. 이 교번자속에 의해서 2차권선에 유기전압 V2=4.44fn2Φ를 발생시킵니다.V1/V2=n1/n2로 되어 1차 및 2차전압의 비는 권선의 비와 같게 됩니다. 이와 같이 1차 및 2차 권선비를 적당하게 선정함으로써 1차 전압 V1을 임의의 2차 전압 V2로 변경시킬 수가 있습니다.다음으로 2차측에 부하를 연결하였을 때에 흐르는 전류를 I2라고하면 n2I2라고하는 기자력을 발생시킵니다. 이 기자력을 상쇄하여 지우기 위하여는 1차측에 n1I1=n2I2를 만족시키게 되는 전류 I1이흐르게 됩니다. I1/I2=n2/n1의 관계에서 1차 및 2차의 전류는 그의 卷數에 반비례합니다. 이상과 같이 여자전류나 1차 및 2차 권선의 임피던스를 작은 것으로서 무시하면 V1I1=V2I2로 되어 변압기는 1차측에서 유입한전력을 변성해서 2차측에 공급하는 역할을 합니다. ◆ 실제의 변압기에 있어서는 여자전류나 권선의 저항 또는 누설자속에 의한 리액턴스 등의 영향에 의해서 정확하게 V1I1=V2I2로 되지 않으며 V1I1>V2I2가 되지만 그 차는 몇% 이내입니다. 변압기의 분류와 용도변압기는 철심과 2개 또는 그 이상의 권선을 가지고 전자유도작용에 의하여 전압 또는 전류를 변성하여 입력측에서부터 출력측에 같은 주파수의 전력을 전달하는 기기입니다. ◆ 구조별 분류 ◆ 전압․용량별 분류변압기의 최고 정격 전압에 따라 초고압변압기, 특고압 변압기 등이 있습니다. 용량에 대하여는 대용량 변압기, 중용량 변압기, 소용량 변압기 등이 있으나 그 용량을 구분하는 범위는 애매합니다. ◆ 변압기 용도별 분류 전자기 시뮬레이션 보기▶ 사용과 정격 ◆ 정격 변압기에 예정된 운전의 방법을 ‘사용’이라고 하며 아래와 같습니다. ◆ 정격변압기를 사용할 때에 보증된 사용 한도를 정격이라 하며 사용상 필요한 기본적인 항목인 용량, 전압, 전류, 주파수 및 역율에 대하여 설정됩니다.변압기에 예정된 운전방법, 즉 사용에는 상기와 같이 8종류가 있는데 정격에는 다음의 3종류밖에 (가) 연속 정격 연속 사용의 변압기에 적용합니다.(나) 단시간 정격 단시간 사용의 변압기에 적용합니다.(다) 연속 여자 단시간 정격 단시간 부하 연속 사용의 변압기에 적용합니다.기타 변압기에는 그 사용 방법에서 변압기의 발열 및 냉각 상태에 가장 가까운 온도 변화에 상당하는 열적으로 등가의 연속 정격 또는 단시간 정격을 적용하게됩니다. 또는 정격의 종류가 특별히 지정되어 있지 않을 때에는 연속 정격으로 봅니다. ◆ 정격 용량정격 2차 전압, 정격 주파수 및 정격 역율에서 지정된 온도 상승 한도를 초과하지 않고 2차 단자간에 얻을 수 있는 피상 전력을 말하며 kVA 또는 MVA로 표시한다.권선이 3개 이상 있는 변압기에서는 편의상 각 권선 용량 중 최대의 것을 정격 용량으로 한다. 이밖에 직렬 변압기를 가진 변압기, 전압조정기 또는 단권 변압기 등으로 그 크기가 같은 정격 용량을 가진 2권선 변압기와 현저한 차이가 있을 때에는 그 출력 회로의 정격 전압과 전류에서 산출되는 피상 전력을 선로 용량,등가의 2권선 변압기로 환산한 용량을 자기 용량이라고 구별합니다. ◆ 정격 전압 및 전류모두 권선별로 지정하여 실효값으로 표시된 사용한도 전압․전류입니다. 3상 변압기 등 다상 변압기의 경우 선로 단자간의 전압을 사용합니다.미리 Y결선으로서 3상에서 사용하는 것이 결정되어 있는 단상 변압기의 경우에는 “Y결선시 선간전압/√3”과 같이 표시합니다. ◆ 정격 주파수와 정격 역율변압기가 그 값으로 사용할 수 있도록 만들어진 주파수․역율 값을 말하며, 정격 역율은 특별히 지정되어 있지 않을 때에는 100%로 간주합니다. 주파수는 50㎐,60㎐의 2종류가 표준입니다.60㎐ 전용기는 50㎐에서 사용할 수 없는데 50㎐ 전용기는 임피던스 전압이 20% 높아지는 것을 고려한다면 60㎐에서 사용할 수 있습니다. 유도 부하의 경우에는 역율이 나빠지는데 따라 전압 변동율이 커진다. 또한 정격 역율이 낮으면 효율도 나빠진다. 주요 시방과 특성◆ 상수단상이나 3상중 어느 것입니다. 단상의 경우에는 2차도 단상입니다. 3상인 경우에 2차는 일반적으로 3상이지만 단상과 3상의 공용이나 반도체 전력 변환장치용변압기에서는 6상, 12상의 것이 있습니다. 단상변압기는 예비기인 점에서 유리하지만 최근에는 변압기의 신뢰도가 향샹되어 있고 3상기가 경제적이며 효율도 좋고 설치 면적이 적기 때문에 3상 변압기의 사용이 늘고 있습니다. ◆ 결선단상변압기인 경우에는 2차측의 결선은 단상 3선식이 많고 불평형의 부하에도 대응할 수 있도록 2차 권선은 분할 교차 권선으로 되어 있습니다.3상 변압기의 경우에는 1차, 2차 모두 Y, △를 다 선정할 수 있습니다. 여자전류 중의 제3조파를 흡수하기 위해 1차 ,2차 중 적어도 한쪽을 △로 해야 합니다.Y-Y의 경우에는 3차에 △을 설치하는 것이 보통입니다. 또한 2차측을 Y로하여 중성점을 인출하여 3상 4선식으로 하는 경우도 많습니다. ◆ 사용 장소옥내․옥외의 구별 외에 표고(1,000m를 초과하면 설계상 고려가 필요)가 높아지면 공기밀도가 작아지기 때문에 냉각적으로나 절연적으로도 영향을 미칩니다. 또한 구조에 영향을 미치는 사용상태, 가령 한지(가스켓, 절연유 등에 영향)에서의 사용, 바닷 바람을 받는 장소(부싱, 탱크의 방청 등에 영향)에서의 사용, 소음 레벨의 한도, 폭발성 가스 속에서의 사용 등 특별한 고려가 필요한 장소가 있습니다. ◆ 임피던스 전압 및 전압 변동율변압기에 정격전류를 흐르게 했을 때 권선의 임피던스(교류 저항 및 누설 리액턴스)에 의한 전압강하를 임피던스 전압이라고 하며 지정된 기준 권선 온도로 보정 하여 그 권선의 정격전압에 대한 백분율로 표시합니다. 또한 그 저항분 및 리액턴스분을 각각 저항전압, 리액턴스 전압이라고 합니다. 임피던스 전압은 너무 크면 전압 변동이 커지고 또한 너무 작으면 변압기 부하측 회로의 단락전류가 과대하게 되어 변압기는 물론이고 직렬기기, 차단기 등에도 영향을 미치므로 높은쪽의 권선 전압에 의하여 결정되는 표준값을 기준으로 합니다.또한 병행운전을 하는 변압기에서는 임피던스 차에 의하여 횡류(Cross Current)가 생기는 등 여러 가지 문제에 큰 영향을 미칩니다. 변압기를 전부하에서 부분부하로 하면 2차 전압은 상승한다. 이 전압 변동의 정격 2차 전압에 대한 비율을 백분율로 표시한 것을 전압변동율이라 합니다. 전압변동율은 저항 전압, 리액턴스 전압 및 정격 역율의 함수로 2권선 변압기의 경우에는 임피던스 전압 온도 환산 및 전압 변동율 산출식에 의하여 산출할 수 있습니다. ◆ 무부하 및 부하손 하나의 권선에 정격 주파수의 정격전압을 가하고 다른 권선을 모두 개로했을 때의 손실을 무부하손이라고 하며 대부분은 철심 중의 히스테리시스손과 와전류손입니다. 또한 변압기에 부하전류를 흐르게 함으로써 발생하는 손실을 부하손이라고 하며 권선 중의 저항손 및 와전류손, 구조물, 외함 등에 발생하는 표류부하손 등으로 구성됩니다. ◆ 효율변압기의 손실에는 무부하손, 부하손 외에 보기손(냉각장치의 손실)이 있는데, 효율의 산출에는 일반적으로 보기손을 제외하고 무부하손과 부하손의 합에서 에서 이른바 규약효율을 구합니다.한편, 실효효율이란 그 기기에 실부하를 가하여 그 입력과 출력을 직접 측정하고 이에 의하여 산출한 효율입니다. ◆ 여자전류하나의 권선에 정격 주파수의 정격 전압을 가하고 다른 권선을 모두 개방했을 때의 선로 전류 실효값을 그 권선의 정격전류에 대한 백분율로 표시한 것으로, 무부하전류라고도 합니다.여자전류는 적을수록 좋은데 용량이 큰 변압기일수록 작으므로 무부하 전류값 자체는 별로 문제가 되지 않지만 그보다도 변압기 여자 개시시의 큰 여자전류인 여 자돌류가 계전기의 오동작을 발생시켜 차단기를 트립시키는 것이 문제가 되는 경우가 많습니다. 온도상승한도전기기기의 정격용량은 대부분 그 기기에 사용되고 있는 절연물에 허용되는 최고 온도에 의해 결정됩니다. 변압기의 온도상승한도는 이 허용 최고 온도와 그 규격이 주로 적용되는 장소의 등가 주위 온도(냉매온도)를 기초로 변압기가 정격 용량에서 연속 운전된 경우 30년 정도의 수명을 기대할 수 있는 것을 전제로 정하고 있습니다. 온도상승한도에 관한 규격내용을 표에 들었습니다. 온도상승한도와 수명의 관계를 JEC-2200의 유입 예에서 보면, 우선 냉매온도가 25℃로 일정한 경우를 예상하여 정하고 있습니다. 또한 권선 최고 온도와 저항법에 의하여 측정되는 권선 평균 온도와의 차는 다수의 실례에 대하여 검토한 결과오일 자연 순환의 경우 ----- 15℃오일 강제 순환의 경우 ----- 10℃로 하고 있습니다. 따라서 냉매온도 25℃일 경우, 최고점 온도는오일 자연 순환의 경우 ----- 25 + 55 + 15 = 95℃오일 강제 순환의 경우 ----- 25 + 60 + 10 = 95℃로 모두 95℃가 됩니다. 즉, 이 규격에 따른 변압기의 수명은 최고점 온도 95℃ 연속 운전한 경우의 수명과 거의 같으며 종전의 경험에 의하면 95℃에서 연속 운전한 경우에 30년 정도의 수명은 충분히 기대할 수 있습니다.또한 유입변압기에 관해서는 내열 절연지를 사용하여 권선 온도 상승 한도를 65℃로 한 변압기가 JEM 1365(1978) 「온도상승 65℃ 유입변압기에 규정되어 있습니다. 표 - 온도 상승 한도의 비교 1. JEC의 ()은 JEM 1310(JEM R 2005)에 규정된 값입니다. 2. ANSI의 건식변압기에는 B, F, H종이라는 분류 호칭이 없지만 비교 편의상 위와 같이 표시했습니다.3. IEC, BS의 ( )안은 권선 내 오일 강제 순환의 경우* : 협의에 의하여 150보다 높게 할 수 있습니다.**: ANSI C 89.2(1974)에 의거합니다. 냉각 방식과 냉각 장치변압기 내에서 발생하는 열손실은 변압기 온도를 높이고 절연물은 열화시킵니다. 때문에 변압기의 30년 정도의 정규 수명을 기대하기 위해서는 적당한 냉각수단에 의하여 절연물의 온도상승을 그 절연물에 따라 결정되는 일정한 허용값 이하로 억제해야 됩니다.변압기의 손실은 모두 열 에너지로서 권선 및 철심의 표면에서 방산됩니다. 그 손실은 재료의 용적(한 변의 길이를 l이라 하면 l3)에 비례합니다. 따라서 대형 변압기일수록 열의 방산이 곤란하기 때문에 고도의 냉각 방식이 필요하게 됩니다.변압기의 냉각 방식은 권선 및 철심을 직접 냉각하는 매체 및 그것을 더욱 냉각하는 주위의 냉각 매체와 그 각각의 순환 방식의 조합에 따라 많은 종류가 있으며 표 1과 같은 표시 기호를 사용하여 명판에 표시합니다. 유입변압기에서는 일반적으로 100MVA 정도까지는 유입 자냉 방식이, 그 이상에서는 송유 풍랭 방식이 사용됩니다. 유입 풍랭식은 기존의 유입 자냉식 변압기의 용량을 20~30% 정도 증가시킬 때 많이 사용됩니다.주요 냉각 방식과 그에 대응하는 냉각 장치에는 표 2와 같은 것이 있읍니다. 표 1. 냉각 방식 표시 기호 (주) (1) 합성유 사용일 때에는 LNAN (2) 가스 사용일 때에는 GNAN(3) IEC 76, BS 171에서 코일 내에 강제적으로 도유(導油)하는 것은 ODAF 표 2. 냉각장치 와이어 하네스란 무엇이며 케이블과의 차이점을 알아보자▶
