변압기
작성일 : 2024년 06월 30일 (Sunday)
변압기에 대한 기본적인 내용은 이 글을 참고하자. 여기선 변압기의 유기 기전력, 변압기 3상 결선 방법, 병렬운전, 변압기의 종류, 변압기 시험 방법만 다룬다.
참고로, 이 글에서는 편의상 L1상, L2상, L3상을 기존 명칭인 A상, B상, C상으로 표기했다. 여담으로, RST상과 ABC상 L1/L2/L3상 모두 같은 의미이다.
변압기 3상 결선
3상은 Y결선 (성형) 또는 $\Delta$ (델타) 결선으로 결선한다. Y결선을 사용하면 상전압은 작게하면서 선간전압은 크게사용할 수 있어서 코로나 현상을 감소시킬 수 있다. (절연이 용이) 하지만, 고조파의 통로가 없어서 기전력의 파형이 고조파를 포함한 왜형파(정현파의 형태를 띄지만 정현파는 아닌 파형)가 된다. 따라서, 중성선을 접지하면 중성선을 따라 전류가 흐르게 되므로 통신선에 유도 장해를 발생시킨다. 그리고, 부하의 불평형이 발생하면 3상 전압이 불평형을 일으키게 되어 송배전에는 사용되지 않는 형태이다.
Y-Y 결선
3상 3선식은 원래 중성선이 없이 각각의 -선을 3개의 도체를 사용하는 형태이어야 하지만, 3상 3선식의 각 상이 120도씩 차이가 나도록 되어 있는데, 이 특성을 이용해 -선을 하나의 중성선으로 묶는 것이 가능해 하나의 중성선으로 묶어서 사용한다. 위의 영상에 58초부터 보면 그 내용을 설명과 함께 애니메이션으로 확인할 수 있다. 영상의 내용을 정리하면 L1상, L2상, L3상을 모두 더하면 정상상태에서는 항상 그 값이 0이라는 것이다. 따라서, 이론적으로는 중성선에 흐르는 전류가 0이므로 하나로 묶어서 사용할 수 있다.
그리고 3상 3선식은 선간전압이 상전압의 $\sqrt{3}$배가 되는데 왜 그런지 알아보자.
상전압/선간전압의 관계 : $\sqrt{3}$배
L1상 L2상을 직접 계산해서 더해도 왜 $\sqrt{3}$이 적용되는지 알 수 있지만 더 쉬운 방법은 벡터의 뺄셈(페이저 다이어그램)을 이용하는 것이다. 아래의 그림을 봐보자.
$V_{BN}$은 $V_{AN}$보다 120도 지연된 위상을 가지는 동일한 정현파인데 (1번) 선간 전압을 구하기 위해서 2번 그림과 같이 이동하면 선간전압 $V_{AB}$는 최종적으로 아래 4번처럼 크기는 $V_{AN}$ 과 $V_{BN}$에 $cos{\frac{\pi}{6}}$ 를 곱한 것을 더한 것이 되고, 위상은 L1상에 비해 30도 앞서게 된다. 이로 인해 선간전압은 상전압 크기의 $\sqrt{3}$배가 되는 것이다.
상전류와 선전류는 당연히 동일하다.
고조파가 흐르는 이유
발전기에서 만들어 낸 3상은 이론적으로는 완전한 정현파이다. 하지만, 부하의 상태에 따라서 파형이 조금씩 일그러지고, 일그러진 파형에 의해서 상전압이 더 이상 순수한 정현파가 아닌 왜형파가 된다. 제 5고조파부터는 굉장히 미량이기에 보통 제 3고조파만 이야기하는 경우가 많다. 델타결선으로 하면 고조파를 제거할 수 있기 때문에 일반적으로는 송전시 Y-Y 송전 대신 Y-Y-$\Delta$ 형태를 사용한다.
$\Delta$-$\Delta$ 결선
이 결선 방식은 중성선이 없으므로 선간전압과 상전압이 같다는 것이다. 따라서, 수전단에서 필요한 전압을 직접 보내야 하기 때문에 절연을 더 잘해야 한다는 단점이 존재한다. 하지만, 고조파 전류가 델타 결선내를 순환하게 되어서 수전단에서는 왜형파가 아닌 정현파를 받을 수 있고, 그리고 1상이 고장나더라도 V결선으로 운전이 가능하다는 장점이 존재한다.
델타 방식은 Y결선에서 $V_{AN}$, $V_{BN}$, $V_{CN}$ 를 사용했던 것 대신에 $V_{AB}$, $V_{BC}$, $V_{CA}$ 을 사용한다.
상전류와 선간전류와의 관계 : $\sqrt{3}$배
Y결선에서 선간전압이 상전압의 $\sqrt{3}$배가 되었던 것과 비슷한 이유로 델타결선에서는 선전류가 상전류의 $\sqrt{3}$배가 된다. 다만, 위상은 30도 뒤지게 된다. 크기가 $\sqrt{3}$배인지는 Y결선에서 살펴봐서 감이 오지만 위상은 왜 30도 뒤쳐진이유는 잘 알기 어려운데, 왜 그런지 간단하게 페이저 다이어그램으로 살펴보자.
위와 같이 a 노드의 전압을 계산하게 되면, 노드의 전압은 $\sqrt{3}$배가 되고, 위상은 30도 뒤지게 된다.
V결선
V 결선을 사용하면, 한 상이 결상되면 이론적으로는 정상 출력의 $\frac{2}{3}$ 출력을 낼 수 있어야 하지만 실제로는 $\frac{\sqrt{3}}{3}$ 출력을 내게 된다. 이를 백분율로 나타내면 57.7%가 되고, 이용률(실제 출력/이론 출력)로 따지면 86.6%가 된다.
Y-$\Delta$ 결선, $\Delta$-Y 결선
T결선과 델타결선의 장점을 결합하여 사용하기 위한 것으로 장점도 같이 가져갈 수 있지만 단점도 같이 가져가게 된다. 하지만, 델타결선의 최대 단점인 중성점을 접지할 수 없다는 점, 그리고 절연에 있어 취약하다는 점을 보완할 수 있고, Y결선의 단점인 고조파 문제를 해결할 수 있기 때문에 효과적이다.
한 쪽이 Y 결선이기 때문에 단선 발생시 V결선 운용은 불가능하다.
병렬운전
변압기를 병렬로 운전하기 위해서는 극성 및 권수비, %임피던스 강하가 같아야 하고, (즉, 부하를 동등하게 분담해야 함), 상 회전 방향과 변위가 같아야 한다. 분담 전류와 분담 용량은 누설 임피던스에 반비례한다.
변압기의 종류
변압기는 형태 및 용도에 따라 다음과 같이 분류된다.
- 3상 변압기 : 철심이 하나로 연결되어 있어서 철이 덜 필요하므로 철손이 감소하고, 값도 저렴하며 부피도 작음. 하지만, 하나의 철심으로 이루어져있어 결상시 사용 불가
- 3권선 변압기 : 하나의 철심에 3개의 권선을 감은 형태이다. 3차 권선은 주로 Y-Y 결선에서 고조파 제거를 위해 설치한다.
- 누설 변압기 : 철심에 공극을 두어 누설 자속을 많아지게 만든 형태로 전류의 변화를 억제하는 형태이다. (수하특성)
- 단권 변압기 : 하나의 권선만을 가지고 하나의 권선으로 1차/2차에서 공통으로 사용하는 형태로 경량화가 가능하고 동손이 적어 효율이 좋다. 하지만, 한쪽 회로에서 사고가 나면 다른 회로로 전파되는 단점이 존재한다.
- 계기용 변성기 : 고전압 측정을 위한 계기용 변압기(PT; Potential Transformer), 대전류 측정을 위한 변류기(CT; Current Transformer)
변압기 고장 검출
변압기의 고장을 검출하기 위해서 이상 전류를 감지하여 출력을 차단하거나, 변압기 내부에 사고가 발생했다면 사고로 인해 가스가 발생하여 압력이 올라가게 되는데 그 압력을 감지하여 출력을 차단하도록 해야 한다.
