전기기기 4강. 변압기
추천글 : 【전기산업기사】 전기기기 목차
1. 변압기의 원리 [본문]
2. 변압기의 구조 [본문]
3. 변압기의 특징 [본문]
4. 변압기의 극성 [본문]
5. 변압기 결선 [본문]
6. 3상 변압기의 병렬운전 [본문]
7. 상수의 변환 [본문]
8. 3상 변압기의 장·단점 [본문]
9. 변압기 효율 [본문]
10. 변압기 용량 [본문]
11. 특수 변압기 [본문]
12. 변압기의 시험 [본문]
⑴ 일반적인 형태
Figure. 1. 변압기의 일반적인 형태
⑵ 여자 전류
① 변압기의 등가회로는 인덕턴스가 L1인 코일과 등가 임피던스의 병렬연결 (ref)
② 여자 전류 : 인덕턴스가 L1인 코일에 흐르는 전류. 무저항인 경우 여자 전류는 다음과 같음
③ L1 = N1Φ / I1이므로 Φ1 = V1 / ωN1
⑶ 여자 전류 I0, 철손 전류 Ii, 자화 전류 IΦ
① 인덕턴스가 L1인 실제 코일은 순수한 코일과 저항의 병렬연결로 간주 가능
② 철손 전류 : 위 등가회로에서 저항에 흐르는 전류
③ 자화 전류 : 위 등가회로에서 순수한 코일에 흐르는 전류. 변압기의 자속을 주로 만듦
④ I0의 크기
○ I0 : 여자 전류
○ Ii : 철손 전류
○ IΦ : 자화 전류
○ Pi : 철손
⑤ 철심에는 자기포화 및 히스테리시스 현상이 있으므로 변압기 여자전류에 제3고조파 ↑
⑷ 변압기의 누설 리액턴스 L = μAN2 / ℓ
⑸ 자속 밀도와 주파수의 관계
⑹ 1차 및 2차 유기 기전력
⑺ 권수비(전압비)
① 단상 변압기 : 1차 및 2차 권선 중의 임피던스를 무시하면 다음과 같음
② 3상 변압기 : 전압비는 선간전압이 아니고 반드시 상전압이 되어야 함
⑻ 1차 및 2차 전류
⑼ 전류비
① 단상 변압기
② 3상 변압기 : 전류비는 선전류가 아니고 반드시 상전류가 되어야 함
2. 변압기의 구조 [목차]
⑴ 변압기의 구성
① 외함, 권선, 철심, 부싱, 절연유 등
② 철심의 형태에 따른 분류 : 내철형, 외철형, 분포 철심형, 권철심형
⑵ 절연의 종류
| 종류 | 최고사용온도(℃) |
| Y종 | 90 |
| A종 | 105 |
| E종 | 120 |
| B종 | 130 |
| F종 | 155 |
| H종 | 180 |
| C종 | 180 이상 |
Table. 1. 절연의 종류
⑶ 철심(core)
① 비투자율과 저항률이 크고 히스테리시스손이 적은 규소강판 사용
② 규소 함유량 : 4 ~ 4.5 %
③ 강판의 두께 : 0.3 ~ 0.35 mm
⑷ 변압기의 기름
① 변압기의 기름으로서 갖추어야 할 조건 : 절연내력↑, 열전도율↑, 열 팽창계수↓, 점도↓, 반응성↓
○ 절연저항 및 절연내력이 클 것 (30 kV/2.5 mm 이상)
○ 절연재료 및 금속에 화학작용을 일으키지 않을 것
○ 인화점이 높고(130 ℃ 이상), 응고점이 낮을 것(-30 ℃ 이하)
○ 점도가 낮고(유동성이 풍부), 비열이 커서 냉각효과가 클 것
○ 고온에서도 석출물이 생기거나 산화하지 않을 것
○ 열전도율이 클 것
○ 열 팽창계수가 작고 증발로 인한 감소량이 작을 것
② 절연유의 열화
○ 변압기의 호흡작용 : 절연유가 변압기 내외부 온도에 의해 부피가 팽창하고 수축하는 현상
○ 변압기의 호흡작용 : 외부 온도와 내부 발생열 → 절연유 팽창·수축 → 외부 공기가 변압기 내부로 출입
○ 열화 원인 : 변압기의 호흡작용 → 변압기 내부에 수분 및 불순물 혼입 → 절연유 산화 및 침전물 생성
○ 열화 영향 : 절연내력↓, 냉각효과↓, 침식작용
○ 열화 방지 : 브리더, 질소 봉입, 콘서베이터 (기름 50 %, 질소 50 %)
⑸ 냉각 방식
① 건식
○ 공냉식(air cooled type, ambient air, AA) : 공기의 대류작용에 의해 냉각시키는 방식
○ 풍냉식(air blast type, ambient forced air, AFA) : 송풍기에 의해 강제 통풍을 시켜 냉각시키는 방식
② 유입식(oil immersed cooled type)
○ 유입 자냉식(oil immersed self cooled type, oil and air, OA) : 변압기의 본체를 절연유로 채워진 외함 내에 넣어 대류 작용에 의해 발생된 열을 외기중으로 방산
○ 유입 수냉식(oil Immersed water cooled type, oil and water, OW) : 상부 기름 중에 냉각관을 두어 이것에 냉각수를 순환시켜 냉각하는 방식
○ 유입 송유식(oil immersed forced oil circulating type) : forced oil and air (FOA)와 forced oil and water (FOW)가 있음. 외함 내에 있는 가열된 기름을 순환펌프에 의해 외부의 수냉식 냉각기 및 풍냉식 냉각기에 의해 냉각시켜 다시 외함 내에 유입시키는 방식
○ 유입 풍냉식(oil immersed air blast type, FA) : 유입 변압기에 방열기를 부착시키고 송풍기에 의해 강제 통풍시켜 냉각효과를 증대시킨 방식
3. 변압기의 특징 [목차]
⑴ 단락 전류
⑵ 백분율 전압 강하
① 임피던스 전압 Vs
② 임피던스 와트 Ps
③ %저항 강하 p
④ %리액턴스 강하 q
⑤ %임피던스 강하 z
⑶ 전압 변동률
① 전압 변동률 ε
○ V20 : 무부하 2차 단자전압
○ V2n : 정격 2차 단자전압
② 지상 부하 시 전압 변동률 ε ≒ p cos θ + q sin θ
③ 진상 부하 시 전압 변동률 ε ≒ p cos θ - q sin θ
④ 역률이 100 %일 때 전압 변동률 ε
⑷ 변압기의 손실
① 히스테리시스손 Ph
○ 부하에 관계없이 일정한 손실이므로 무부하손 (고정손)
○ Bm ∝ Φm ∝ V / f이므로 Ph = KV2 / f
○ 히스테리시스 곡선과 관련
② 와류손 Pe
○ t : 철심의 두께
○ 부하에 관계없이 일정한 손실이므로 무부하손 (고정손)
○ Bm ∝ Φm ∝ V / f이므로 Pe = KV2
○ 와류손 : 자속 변화에 의한 와전류
③ 부하손(동손) Pc : 저항손이라고도 함
○ 정의 : 부하에 따라 변하는 손실. 1차, 2차 권선에서 줄열에 의한 손실
○ Pc ≃ 전부하 동손 = I2R
○ 종류 1. 전부하 동손 : 권선에 의해 발생하는 동손
○ 종류 2. 표유부하손(표류부하손) : 권선 이외 부분의 누설 자속에 의해 발생
④ 전손실 Pℓ
○ Pi : 철손
○ Ph : 히스테리시스손
○ Pe : 와류손
○ m : 부하율
○ Pc : 동손
○ 변압기의 등가회로를 떠올리면 위의 식을 이해할 수 있음
4. 변압기의 극성 [목차]
⑴ 감극성 : V3 = V1 - V2
○ 우리나라는 감극성이 표준
⑵ 가극성 : V3 = V1 + V2
5. 변압기 결선 [목차]
⑴ 결선
① Y 결선
② Δ 결선
③ V 결선 : Δ 결선에서 3개의 변압기 중 하나가 고장나 두 대의 변압기로 3상 변압기를 구성한 것
○ 출력의 비 = V결선 출력 / 3상 출력 = √3VI / 3VI = 1 / √3
○ 이용률 = V 결선 출력 / 설비 용량 = √3 VI / 2VI = √3 / 2
⑵ Δ-Δ 결선
① 결선도
② 장점
○ Δ 결선 내에는 제3고조파 전류가 순환하지만 외부에는 흐르지 않아, 통신장해 ×
○ 1대가 고장날 경우 나머지 2대로 V 결선하여 사용 가능
○ 각 변압기의 상전류가 선전류의 1 / √3이 되어 대전류 부하에 적합
③ 단점
○ 권수비가 다른 변압기를 결선하면 순환전류가 흐름
○ 중성점을 접지할 수 없어 지락사고 시 고장전류 검출이 곤란
○ 각 상의 전선 임피던스가 다르면 3상 부하가 평형이어도 부하전류가 불평형
⑶ Y-Y 결선
① 결선도
Figure. 3. Y-Y 결선도
② 장점
○ 중성점을 접지할 수 있으며 단절연방식 채택 가능
○ 상전압이 선간전압의 1 / √3이므로 절연이 용이하여 고전압에 유리
○ 1차 전압, 2차 전압 사이에 위상차가 없음
③ 단점
○ 유도 기전력 파형은 제3고조파를 포함한 왜형파가 됨
○ 중성점을 접지하면 제3고조파 전류가 흘러 통신선에 유도 장해를 줌
○ 부하의 불평형에 의하여 중성점 전위가 변동하여 거의 사용하지 않음
⑷ Y-Δ, Δ-Y 결선
① 결선도
Figure. 4. Δ-Y 결선도
② 장점 : Y 결선과 Δ 결선의 장점이 공존
○ 한 쪽 Y 결선의 중성점을 접지 가능
○ Y-Δ 결선은 강압용에, Δ-Y 결선은 승압용에 적합
○ Y 결선의 상전압은 선간 전압의 1 / √3이므로 절연이 용이
○ Δ 결선이 있어 제3고조파의 장해가 적고, 기전력의 파형이 왜곡되지 않음
③ 단점
○ 중성점 접지로 인한 유도 장해를 초래
○ 1, 2차 선간전압 사이에 30˚의 위상차가 있어 1상에 고장이 생기면 전원 공급 불가
⑸ V-V 결선
① 결선도
Figure. 5. V-V 결선도
② 장점
○ Δ-Δ 결선에서 1대의 변압기 고장시 2대만으로도 3상 부하에 전력 공급 가능
○ 설치 방법이 간단하고, 소용량에서는 가격이 저렴하여 3상 부하에 널리 사용
③ 단점
○ 설비의 이용률이 √3 / 2로 저하됨
○ Δ 결선에 비해 출력이 1 / √3으로 저하됨
○ 평형부하가 되어도 변압기의 부하전류는 불평형이 됨 (참고 : Δ-Δ 결선 단점)
○ 부하 시 두 단자전압이 불평형
⑹ 역 V 결선 : V-Δ 결선으로 V 결선을 Δ 결선처럼 쓸 수 있는 특징이 있음
① 결선도
6. 3상 변압기의 병렬운전 [목차]
⑴ 병렬운전의 조건 : 요약하면 전압이 같을 것
① 각 변압기의 극성이 같을 것
② 각 변압기의 권수비가 같고, 1차와 2차의 정격 전압이 같을 것
③ 각 변압기의 %임피던스 강하, 저항과 누설 리액턴스의 비 등이 같을 것
④ 3상 변압기의 경우 각 변압기의 상회전 방향 및 각 변위가 같을 것
⑵ 3상 변압기의 병렬 운전 불가능 : Δ-Y와 Δ-Δ, Δ-Y와 Y-Y
① Δ-Y 결선과 Y-Δ 결선은 병렬 운전 가능
⑶ 부하분담
① 분담전류는 정격전류에 비례하고 누설 임피던스에 반비례
○ I1n : 정격전류
○ V1n : 정격전압
○ Z : 임피던스
② 분담용량은 정격용량에 비례하고 누설 임피던스에 반비례
○ %Z := ( 정격용량 / 분담용량 ) × 100 (%)
7. 상수의 변환 [목차]
⑴ 3상-2상간의 상수 변환 : 스코트 결선(T 결선), 메이어 결선, 우드 브리지 결선
⑵ 3상-6상간의 상수 변환 : 환상 결선, 2중 3각 결선, 2중 성형 결선, 대각 결선, 포크 결선
⑶ 스코트 결선 : 이용률 √3 / 2
8. 3상 변압기의 장·단점 [목차]
⑴ 3상 변압기의 장·단점
⑵ 철심의 형태에 따른 변압기의 분류 : 외철형, 내철형, 권철심형
① 외철형 : 각 상마다 독립된 자기 회로를 가지고 있으므로 단상 변압기로 사용 가능
② 내철형 : 각 권선마다 독립된 자기 회로가 없기 때문에 단상 변압기로 사용 불가
9. 변압기 효율 [목차]
⑴ 실측 효율 η = ( 출력 / 입력 ) × 100 (%)
⑵ 규약 효율 η = ( 출력 / ( 출력 + 철손 + 동손 ) ) × 100 (%)
① 입력 = 출력 + 철손 + 동손
② 정격 부하시 η
○ Pi : 무부하손(철손)
③ 전부하시의 m 부하로 운전시 η
○ 전부하시의 m 부하 = 정격부하의 m배
○ 주상 변압기의 동손과 철손의 비 = 2 : 1
④ 철손 = 동손일 때 최대 효율을 나타냄
⑶ (실기 빈출) 변압기 효율이 저하하는 경우
① 부하 역률 저하
② 경부하 운전
③ 부하 변동이 심한 경우
④ 변압기 기름의 열화
10. 변압기 용량 [목차]
⑴ 변압기 용량 ≥ 합성 최대 수용 전력 = 합성 최대 전력 / 역률
① 합성 최대 수용 전력 = 각 부하의 최대 수요 전력의 합 ÷ 부등률 = 부하 설비 합계 × 수용률 ÷ 부등률
② 부등률(diversity factor) = 합성 최대 수용 전력 ÷ 각 부하의 최대 수요 전력의 합
⑵ 변압기 대수 결정
① 변압기 총 용량이 500 [kVA]를 초과 : 조명용과 동력용으로 구분하여 설치
② 계절성 부하가 있는 경우 : 별도의 뱅크를 구성, 계약전력 및 변압기 손실을 감소
③ 비상부하용으로 비상 발전기와의 연계에 따라 변압기 뱅크를 분리
④ 첨두부하의 Peak-cut 용으로 인한 뱅크 분리 등
⑤ 변압기의 뱅크를 2 뱅크 이상 구성 시 : 유지보수에 용이
⑶ 전력용 3상 변압기 표준용량(kVA) : 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 500, 750, 1000
11. 특수 변압기 [목차]
⑴ 3권선 변압기
① Y-Y-Δ의 3권선 변압기의 제3차 권선(Δ)의 용도 : 소내용 전력공급, 조상설비 설치, 제3고조파 억제
○ 주변압기(MTR, Main TRansformer) 345(kV) / 154 (kV) / 23 (kV)
⑵ 단권 변압기 : 1차 코일과 2차 코일이 하나의 권선으로 구성된 것
Figure. 7. 단권 변압기
① 자기용량과 부하용량 : 자기용량 / 부하용량
② 단권 변압기의 3상 결선
○ Δ 결선의 자기용량 / 부하용량
○ Y 결선의 자기용량 / 부하용량
○ V 결선의 자기용량 / 부하용량
③ 장점
○ 경제적 (∵ 재료↓, 부하용량 > 자기용량)
○ 효율↑(∵ 동손↓)
○ 전압변동률↓(∵ 누설자속↓)
④ 단점
○ 절연성능↓ (∵1차와 2차가 완전히 절연되지 않음 → 저압측도 같이 절연)
○ 단락전류↑(∵ Z↓)
⑤ 용도 : 기동 보상기, 승압 및 강압용 변압기
⑶ 정전류 변성기
⑷ 계기용 변성기
① 변류기는 2차측 절연비(즉, 2차측 고전압 방지)를 위하여 수리점검시 2차측 단락
② 1차 전류 I1 = 전류계 Ⓐ 지시값 × 변류비(CT비) ÷ √3
○ 변류기(CT, Current Transformer)
⑸ 몰드 변압기
① 금형 방식 : 주형법, 함침법, 함침주형법, FRP주형법
② 무금형 방식 : 프리프레그 절연법, 디핑법, 필라멘트 와인딩법, 부유 경화법
12. 변압기의 시험 [목차]
⑴ 변압기의 등가회로를 참고하면 쉽게 이해 가능
⑵ 변압기 내부고장 검출용 보호 계전기
① 비율 차동 계전기(전기적)
② 압력 계전기(기계적) : 서든프레서라고도 함
③ 부흐홀쯔 계전기(기계적) : 변압기 내부 검출, 수소 검출
④ 가스 검출 계전기(기계적)
⑤ 방압장치(기계적)
⑥ 유온계·유위계(기계적)
⑶ 변압기의 권선 온도 측정 : 열동 계전기
⑷ 변압기의 온도 시험
① 실부하법
② 반환부하법
○ 동일 정격의 변압기 2대 이상 있을 경우 사용
○ 철손과 동손을 따로 공급하는 것으로 전력소비↓
○ 현재 가장 많이 사용
⑸ 변압기 단락 시험
① 회로도
○ 2차측이 저압인 이유 : 변압기의 쓰임상 이게 자연스러움 (주의. 아닐 수 있음)
② 임피던스전압 : 변압기 저압측을 단락시키고 고압측에 전압을 가하여 고압측 단락 전류가 고압측 정격 전류와 같게 되었을 때에 고압측에 인가하는 전압으로 교류 전압계의 지시값 (V)으로 표시
③ 임피던스와트
④ %임피던스 = 1차 정격 전류 × 임피던스 ÷ 1차 정격 전압 × 100
⑤ 동손 : 교류 전력계 지시값 (W)으로 표시됨
⑹ 변압기 개방 시험
① 회로도
○ 2차측이 고압인 이유 : 2차측이 고압이든 저압이든 상관없음. 실험구성이 쉬운 1차측 저압 선호 (주의. 아닐 수 있음)
② 철손 : 슬라이스닥스를 조정하여 시험용 변압기 저압측 전압이 정격 전압과 동일하게 될 때의 교류 전력계의 지시값 (W)으로 표시
③ 무부하전류, 히스테리시스손, 와류손, 여자어드미턴스
○ (참고) 여자 전류, 철손 전류, 자화 전류는 무부하 전류에 해당
○ (참고) 2차 전류는 무부하 전류에 해당하지 않음
⑺ 변압기 절연 내력 시험
① 회로도
② 유도 시험, 가압시험, 충격 전압 시험
③ 절연내력
○ 최대 사용 전압의 1.5배의 전압에 연속 10분간 견뎌야 함
○ 중성점 접지식 결선에서는 최대 사용 전압의 0.92배의 전압에 연속 10분간 견뎌야 함
○ 시험전압 = 공칭전압 × 1.15 / 1.1 × 1.5 (중성점 접지식에서는 0.92)
④ 각 기기의 용도
○ Ⓥ1에 인가되는 전압 = 0.5 × 시험 전압 × n1 / n2
○ Ⓥ2에 인가되는 전압 = 시험 전압 × 1 / PT비
○ Ⓐ : 절연 내력 시험시 피시험 기기의 누설 전류를 측정하여 절연 강도를 판정
○ PT의 설치 목적 : 피시험 기기에 인가되는 절연 내력 시험 전압 측정
⑻ 등가회로 작성시험 : 단락시험, 무부하시험, 저항측정시험
입력: 2018.02.20 18:17
수정: 2022.12.25 01:11
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