전기기기 2강. 변압기
움직이는 부품이 하나도 없는데도, 변압기는 전력 계통에서 가장 중요한 기계입니다.
풀고 시작
두 가지 손실, 두 가지 시험
변압기의 손실은 성격이 완전히 다른 둘로 나뉩니다.
철손은 철심에서 생기고 히스테리시스손과 와전류손의 합입니다. 자속 때문에 생기는데, 자속은 전원 전압과 주파수로 정해지므로 부하와 무관하게 거의 일정합니다. 그래서 무부하손이라고도 합니다.
동손은 권선의 저항에서 생기고 부하 전류의 제곱에 비례합니다. 부하가 없으면 0에 가깝고 부하가 무거우면 급격히 커집니다.
이 차이가 두 가지 시험으로 이어집니다. 무부하 시험은 2차를 열어 둔 채 정격 전압을 걸어 철손과 여자 전류를 잽니다. 부하 전류가 없으니 동손이 거의 없죠. 단락 시험은 2차를 단락하고 정격 전류가 흐를 만큼만 전압을 걸어 동손과 임피던스 전압을 잽니다. 전압이 낮아 자속이 작으니 철손이 거의 없습니다. 서로가 서로를 지워 주는 영리한 설계입니다.
최대 효율은 철손과 동손이 같아질 때 나옵니다. 하나는 일정하고 하나는 제곱으로 커지니, 둘이 만나는 지점이 최적이죠. 실제 변압기는 하루 평균 부하율을 감안해 그 지점이 오도록 설계합니다.
병렬로 운전하려면
용량이 부족하면 변압기를 병렬로 잇습니다. 그런데 아무 둘이나 되는 것이 아닙니다.
극성이 같아야 합니다. 다르면 두 변압기가 서로 단락한 꼴이 되어 큰 순환 전류가 흐릅니다.
권수비(변압비)가 같아야 합니다. 다르면 2차 전압이 달라 그 차이만큼 순환 전류가 흐릅니다.
퍼센트 임피던스가 같아야 합니다. 다르면 부하가 용량에 비례해 나뉘지 않아 한쪽이 먼저 과부하가 됩니다.
3상에서는 조건이 하나 더 붙습니다. 각변위(위상각)가 같아야 합니다. Y-Y와 Y-Δ는 2차 전압의 위상이 30도 다르므로 병렬 운전할 수 없습니다.
결선 방식에도 성격이 있습니다. Δ 결선은 제3고조파 전류가 안에서 돌며 밖으로 나가지 않아 파형이 좋습니다. Y 결선은 중성점을 낼 수 있어 접지와 단상 부하 공급에 유리합니다. 그래서 송전용 변압기는 흔히 Δ-Y 또는 Y-Δ로 두 장점을 함께 씁니다. Δ 결선의 변압기 한 대가 고장 나면 나머지 둘로 V 결선 운전이 가능한데, 이때 출력은 원래의 약 57.7%로 떨어집니다.
전압을 지키는 장치들
부하가 변하면 2차 전압이 흔들립니다. 이 흔들림을 전압 변동률이라 하고, 작을수록 좋은 변압기입니다.
전압을 일정하게 유지하려고 권선 중간에 여러 개의 뽑는 자리를 두는데 이것이 탭입니다. 정지 중에 바꾸는 것을 무전압 탭 절환기, 운전 중에 바꾸는 것을 부하 시 탭 절환기(OLTC) 라 합니다. 계통 전압이 시간대마다 변하는 곳에서 OLTC가 자동으로 탭을 옮겨 2차 전압을 지킵니다.
변압기를 지키는 장치도 여럿입니다. 부흐홀츠 계전기는 내부 고장으로 절연유가 분해되며 생긴 가스를 감지합니다. 변압기 본체와 콘서베이터를 잇는 관에 달아 두죠. 콘서베이터는 기름의 온도 변화에 따른 부피 변화를 받아 주면서 기름이 공기와 직접 닿지 않게 합니다. 공기와 닿으면 산화되고 습기를 먹어 절연이 나빠지기 때문입니다.
변압기가 계통에서 특별한 이유는 움직이는 부품이 없다는 점입니다. 마모될 곳이 없어 수십 년을 돌고 효율도 99%를 넘습니다. 회전기에서는 상상하기 어려운 수치죠.