정류기용 변압기

정류기용 변압기

 

 

실리콘 정류기 또는 사이리스터를 사용해서 교류를 직류로 변환할 때 변압기를 사용하여 교류회로ㆍ직류회로를 절연하고, 전압을 바꾸어, 상변환을 한다. 필요하다면 전원의 중성점을 만드는 것이 합리적이다. 이 목적에 사용되는 변압기를 정류기용 변압기라 한다.

변압기는 일반적으로 전원 전압이 교류인 이상 1차 전류는 교류가 아니면 안되지만(교류조건이라 한다) 정류기용 변압기의 2차권선(직류권선이라 한다)은 직류를 공급하므로 변압기 철심 내에서 1ㆍ2차 전류에 따른 기자력을 상쇄시키기 위해서는 1차권선(교류권선)에 대해 기자력의 방향이 서로 역으로 되는 우수의 평형된 직류권선을 설치할 필요가 있다.

이 조건을 만족시키지 않은 정류회로(단상반파, 3상반파 정류회로 등)의 정류기용 변압기에서는 반드시 직류편자를 받아 여자전류가 늘고 소음이 크게 되므로 대용량 장치에는 적합치 않다. 평형인 각종 정류회로에서도 사이리스터 제어각의 오차로 인해 마찬가지의 직류편자가 일어나므로 교려해야 하겠지만 실제의 영향은 그다지 크지 않다. 정류기용 변압기의 직류권선은 전기로용 변압기의 저압측과 똑같이 저압ㆍ대전류로 되는 수가 많아 결선이 복잡하므로 접속선이 차지하는 비율이 크다.

또 결선에 따라서는 교류권선과 직류권선에 흐르는 전류의 실효값이 다르기 때문에 직류권선의 용량이 교류권선의 그것보다 커지게 되는 것이 있는 것도 이 변압기의 특징이다. 반도체 변환장치에서는 특수한 사용 방법으로 하는 것이 많으므로 반도체 정류장치 및 사이리스터 변환 장치에서는 표 2-7 과 같은 과부하를 포함하는 7가지의 사용법을 정격으로 규정하고 있다.

7가지의 사용법

정격의 종류	시 험 조 건
A0	정격출력 연속
A	정격출력 연속, 정격직류전류의 150% 1분간
B	정격출력 연속, 정격직류전류의 125% 2시간 200% 10초간
B0	정격출력 연속, 정격직류전류의 125% 2시간 200% 1분간
C	정격출력 연속, 정격직류전류의 150% 2시간 200% 1분간
D	정격출력 연속, 정격직류전류의 150% 2시간 300% 1분간
E	정격출력 연속, 정격직류전류의 120% 2시간 300% 1분간

정류기용 변압기 각부 명칭

1. 용어의 정의

(1) 사용

변압기의 예정된 운전 방법을 사용이라 하며 연속사용, 단시간사용, 단시간 연속사용. 단속사용 등이 있다.

일반적인 배전용 변압기는 연속사용에 해당된다.

(2) 정격

변압기를 사용할 때 보증된 보증한도를 정격이라 하며 사용상 필요한 기본적인 항목, 즉 상수, 용량, 전압, 전류, 주파수 및 역률에 대해 설 정된다. 변압기에 예정된 운전방법, 즉 사용에는 여러 가지 방법이 있 지만 정격에는 다음 3종류가 있다.

(가) 연속정격 : 연속 사용의 변압기에 적용.

(나) 단시간정격 : 단시간 사용의 변압기에 적용.

(다) 연속여자 단시간정격 : 단시간 부하 연속사용의 변압기에 적용.

기타 사용 변압기에는 그 사용 방법에서의 변압기의 발열 및 냉 각 상태에 가장 가까운 온도 변화에 상당하는 연속 정격 또는 단시간 정격을 적용하게 된다. 또 정격의 종류를 특히 지정하지 않을 때는 연속 정격으로 제작된다.

(3) 정격 용량

정격 2차전압. 정격주파수 및 정격역율에서 지정된 온도 상승의 한 도를 초과하지 않고 2차 단자간에 얻을 수 있는 피상전력을 말하고

KVA 또는 MVA로 표시한다. 이때, 변압기 1차측에 인가하는 전압은 변압기 내부 임피던스 강하분 만큼 상당하는 1차 전압 보다 높아야 하고 변압기는 이 상태에서 지정된 온도 상승의 한도를 넘어서는 안된 다.

(4) 정격전압 및 정격전류

어느 것이나 권선마다 지정하고 실효값으로 표시된 사용 한도 전압. 전류를 말한다. 3상 변압기 등 다상 변압기인 경우, 정격전압은 선로 단자간의 전압을 사용한다. 미리 성형 결선으로 하여 3상으로 사용할 단상 변압기의 경우는 성형 결선시 선간 전압 /√3 으로 표시한다.  

(5) 정격 주파수 및 정격 역율

변압기가 그 값으로 사용할 수 있도록 제작된 주파수ㆍ역율값을 말하며, 특히 정격 역율은 지정이 없으면 100%로 간주한다.  정격 부하를 갖기 위해서는 전압 변동율은 유도 부하의 경우, 역율이  나빠지는데 따라 커지므로 정격 역율이 작을 때 변압기는 그 분량만큼  과여자에 견딜 수 있어야 한다. 또한 정격 역율이 낮으면 효율도 나빠 진다.

(6) 임피던스 전압 및 전압 변동률

변압기에 정격전류를 흘렸을 때 권선의 임피던스(교류저항 및 누설 리액턴스)에 의한 전압 강하를 임피던스 전압이라 하며 지정된 기준 권서 온도로 보정하고, 그 권선의 정격전압에 대한 백분율로 표시한 다.

수식으로 표현하면 다음과 같다.

%IZ = Vn / Is × 100(%)

%IZ: %임피던스

Vn은 정격전압

ls는 단락전류

이때 그 저항분 및 리액턴스 분을 각각 저항 전압, 리액턴스 전압이 라 한다. 임피던스 전압이 너무 크면 전압변동률이 커지고 또 너무 작으면 변압기 부하측 회로의 단락전류가 과대해지고 변압기는 물론 직렬 기기, 차단기 등에도 영향을 끼치므로 높은 쪽의 권선 전압에 의 해 정해지는 표준값(KS 규격)을 기준으로 한다. 변압기를 전부하에서 무부하로 하면 2차 전압은 상승한다. 이 전압 변동의 정격 2차 전압 에 대한 비를 백분율로 표시한 것을 전압 변동률이라 한다. 전압 변동 률은 그림1과 같이 저항전압, 리액턴스 전압 및 정격 역률의 함수로 서, 2권선 변압기의 경우, 아래와 같다.

임피던스 전압과 전압 변동율

(7) 무부하손 및 부하손

하나의 권선에 정격 주파수의 정격 전압을 가하고 다른 권선을 모두 개로하였을 때의 손실을 무부하손이라 한다. 그 대부분은 철심 중의 히스테리시스손과 와전류손이다. 변압기 하나의 권선에 정격 주파수의 정격 전류를 가하고 다른 권선을 모두 폐로 하였을 때 발생하는 손실 을 부하손이라 하며 권선중의 저항손 및 와전류손 및 구조물, 외함에 발생하는 표유부하손 등으로 구성된다.

(8) 효 율

변압기의 유효 출력과 (유효 출력 + 전손실)의 비이며 백분율로 표시한다. 그리고, 이 정의에 의한 효율을 규약 효율이라 한다.

효율n(%) =  출력 / 출력 + 손실 × 100(%)

(9) 무부하전류

하나의 권선에 정격 주파수의 정격 전압을 가하고 다른 권선을 모두 개방하였을 때 선로 전류의 실효값을 그 권선의 정격 전류에 대한 백 분율로 표시한 것을 여자전류 또는 무부하 전류라고 한다.

 

 

2. 단자기호와 벡터도

변압기를 운전할 때 등, 변압기 각 권선의 유기 전압 방향과 내부 접 속방법을 알아야 한다. 이것 때문에 변압기 각 단자에는 일정한 방법 으로 기호를 붙여 단자 가까이에 표시하거나 결선도와 함께 명판에 기 재한다.

(1) 단자선 기호

변압기 단자선 기호

(2) 벡터도

3상 2권선 변압기의 결선과 각 변위(양 권선의 중성점에 대한 유기 전압 벡터의 각도차)를 동시에 표시하기 위해서는 벡터도 또는 벡터군 기호를 사용하는 것이 편리하며 대표적인 것은 아래의 표와 같다.

3권선 변압기의 경우, 벡터군 기호는 예컨대(Yy0D1)처럼 표시한다. 또 동일한 결선에서도 각 변위가 다른 것이 몇 가지 있지만 표의 것을 우선한다.

벡터군 기호와 벡터도

(3) 온도 상승의 한도

전기 기기의 정격 용량은 대부분이 그 기기에 사용되는 절연물에 허 용되는 최고 온도로 결정한다. 변압기의 온도 상승 한도는 이 허용 최 고 온도와 그 규격이 주로 적용되는 장소의 등가 주위 온도(냉매 온 도)를 기초로 변압기가 정격 용량으로 연속 운전된 경우, 15~30년 정도의 수명을 기대할 수 있는 것을 전제로 정한다.

온도 상승 한도의 비교

항 목				JEC-204		ANSI C 57.12	IEC 76 BS 171
변압기의 온도 상승 한도 (℃)	권선 (저항 법)	건식	A	55		-	60
			E	70		-	75
			B	75		80	80
			F	95		115	100
			H	120	(120)	150	125
					(140)
			C			-	150*
		유입	유자연순환	55		65	65
			유강제순환	60		65	65 70
	기름 (온도계법)	외기와 직접 접촉하지 않을 때		55		65	60
		외기와 직접 접촉될 때		50		65	55
냉각매체의 기준온도(℃)	공기	최고값		40		40	40
		일일평균		35		30	30
		연간평균		20		-	20
		최저값		-		-20	-25(옥내) -5(옥외)
	물	최고값		25		30	25
		일일평균		-		25	-

절연물의 허용최고 온도

절연물의 허용최고온도(℃)	분류	JEC-204		ANSI C 57.12.80	IEC 76 BS 2757
	A	105		105	105
	E	120		-	120
	B	130(125)		150	130
	F	155		185*	155
	H	180	(180)	220	180
			(200)
	C	180초과		220초과	180초과

3. 변압기의 등가회로와 벡터도

2권선 변압기에서 1차, 2차간 여러 데이터에는 여자전류를 무시하면 다음 표와 같은 관계가 있다. 따라서 변압기 2차측에 접속된 모든 임 피던스의 합계 Z2에 a2을 곱한 1차 환산 임피던스 Z2'가 변압기 1차측 에 접속되었다고 생각하면 회로 계산이 쉬워진다. 변압기의 여자 임피 던스는 70°~ 85°의 유도성 뒤진 임피던스며 변압기의 1차 단자에 병렬로 들어있다고 보아도 되므로 변압기의 1차측으로 본 등가회로는 다음 그림(a)처럼, 또 여자전류를 무시하면 다음 그림(b)처럼 그릴 수 있다.

권수 및 전압, 전류 관계

	1차	2차
권 수	n1	n2
권수비	a=n1 / n2
전 압	E1 = aE2	E2
전 류	-I1	I2 = aI1

2권선 변압기의 등가회로

4. 몰드 변압기

몰드 변압기(Cast Resin Transformer 또는 Resin Encapsulated Transformer)는 권선을 내열, 전기 절연성에 우수한 에폭시 등으로 덮은 건식 변압기의 통칭으로, 제법은 권선을 금형에 넣어 수지 주형 하는 주형법(注形法)과 미리 권선 주위에 클래스 클로스 등을 감아서 수지를 함침하는 함침법(含浸法)의 2종류로 대별된다. 몰드 변압기에 는 다음 표와 같이 여러 가지 우수한 특징이 있으므로 빌딩, 지하철도 등 특히 화재가 우려되는 장소의 전원 변압기에 많이 이용된다. 그러 나 사용되고 있는 수지는 통상 전압을 가한 상태에서 자외선에 대하여 수명을 보증할 수 없으므로 옥외에서 사용할 때에는 적당한 큐비클 등 을 사용하여야 한다. 절연의 종류에 에폭시 수지를 사용한 것은 B 또 는 F종이 보통인데 특수한 수지로서 H종도 제작되고 있다. 단자 인출 부의 절연은 기중 연면(沿面)이고 또한 방열 등의 문제로 고·저압 권 선 사이에 기중부분이 존재하기 때문에 제작 범위는 공칭전압 33KV 정도까지 생각할 수 있다.

몰드 변압기의 특징

특 징	해 설
난연성 및 안전성	변압기는 난연성 고체 절연이며 수지는 외부로터의 불꽃으로 타지만 불꽃을 멀리하면 자기 소화하므로 주위에서 화재가 발생하더라도 사고를 확산시키지 않으므로 실내에서도 안심하고 사용할 수 있다.
절연 신뢰성	건식 변압기의 뇌 임펄스 시험 전압은 유입 변압기보다 약간 낮추는 것이 보통인데 몰드 변압기는 고체 절연 때문에 유입 변압기와 동등하게 하는 것이 많다.
내진ㆍ내습성	권선 전체가 수지에 싸여 있으므로 고온ㆍ다습인 곳에 장시간 무여자로 방치해도 절연 저항이 저하되지 않고, 과혹한 분위기에서 사용할 수 있으며 유지, 보수가 용이하다.
견고성	외부 단락 등에 의한 과혹한 기계적 충격에 대해서도 권선이 수지로 고정되어 있기 때문에 여유가 있고 내진성에도 우수하다
소형ㆍ저손실	H종 건식변압기에 비해 바닥면적이 작고, 경량이므로 손실도 적다.
단시간 과부하 내량	권선의 열용량이 크므로 단시간의 과부하에 견뎌낸다.
반입 용이성	경량으로서 옆으로 뉘울 수 있으므로 현지 반입이 용이하며, 필요하다면 분해 반입ㆍ현지 조립 하더라도 신뢰성에 영향이 없다.

5. 건식 변압기

유입 변압기에 대해 전기 절연유(실리콘유 등 합성유를 포함)를 사용 하지 않는 변압기를 건식 변압기라 하며 빌딩이나 특히 화재의 위험성 이 있는 장소에 전원 변압기로서 사용된다. 사용되는 절연물의 종류에 따라 각종 건식 변압기가 있는데 전항의 몰드 변압기를 제외하면 주류 를 이루고 있다. 제작 범위는 33KV이하, 거의 10MVA까지로서 1MVA 이상은 풍냉식이 많다. 사용되는 절연 종별과 허용 최고온도는 아래와 같다.

각종 절연의 정의(KSC 4004 전기기기 절연의 종류)

어느 것이든 그 허용 최고 온도에 충분히 견뎌내는 재료로 구성된 절 연으로서 다음 예와 같은 재료를 사용한다.
절연의 종류	허용최고온도(℃)	재 료 예
A종 절연	105	목면, 견(絹), 종이 등의 재료로 구성되어 와니스류를 함침 또는 기름속에 담금 절연
E종 절연	120	에나멜선용 폴리우레탄 수지, 페놀 또는 멜라민 수지 성형품, 그렇지 않으면 적층품.
B종 절연	130	운모, 석면, 유리섬유 등의 재료를 접착재료와 함께 이용해서 구성된 절연
F종 절연	155	운모, 석면, 유리섬유 등의 재료를 실리콘, 알키드 수지 등의 접착재와 함께 이용해서 구성된 절연.
H종 절연	180	운모, 석면, 유리섬유 등의 재료를 실리콘 수지 또는 동등한 성질을 가진 재료로 된 접착재와 함께 이용해서 구성된 절연.
C종 절연	180이상	생운모, 석면, 자기(磁器)등을 단독으로 이용해서 구성된 절연, 또는 접착재료와 함께 이용해서 구성된 절연.

6. 기타

방폭형 변압기, 정류기용 변압기, 전기로용 변압기, 시험용 변압기, 접지변압기, 이동용변압기, 모터사용 변압기(전원변압기, 시동용변압 기), 혼촉방지판 붙임 변압기, 상변환 변압기, 선박용 변압기, 전기철 도용 변압기 등.

 

 

7. 변압기 비교표

변압기 점검표

현 상	예상 원인	조치 사항
절연저항값 부족	권선표면의 습기나 먼지	청소 및 환기
	절연 열화	제조업체에 연락
1차 전압 이상	전원측의 과, 부족 전압	설치상태 점검후 전력회사에 연락
2차 전압의 이상	1차전압의 과, 부족 전압	설치상태 점검후 전력회사에 연락
	1차 탭의 부적절한 선정	1차 탭 조정
	탭 연결부위 조임 불량	연결부위 조임
	변압기 권선의 단선	제조사에 연락
	PT 혹은 전압계 불량	확인 후 교체
전원 투입이나 운전시 보호기기 의 트립	온도계의 부적절한 온도 설정	온도 설정 수정
	온도계 오동작	온도계 교체
	온도센서의 결함	확인 후 온도센서 교체
	퓨즈나 보호장치의 설정문제	보호장치의 설정 수정 (동작시간 등)
	과부하로 인한 문제	부하 점검
	권선 절연 파괴	제조업체에 연락
	CT 오결선	CT 극성 및 결선 확인 후 수정
상간 전압 불균형	1상의 탭 위치가 틀린 경우	탭 위치 조정
	1상 단선(퓨즈 단선)	퓨즈 단선
	부하 불평등	부하 재배치
	볼트의 풀림	볼트 체결상태 점검
	PT 혹은 전압계 불량	확인 후 교체
진동 및 소음의 증가	1차측 과전압 혹은 철심의 이상 과열	탭 전압 조정, 저주파 영향확인 및 제거
	구조물, 철심의 변형	볼트 점검 및 조임, 철심 상태 확인
	주변환경으로 인한 반사음의 영향	점검 후 반사음 원인물체 제거
비정산적인 권선 온도	지속적인 과부하	부하 점검 및 재배치
	환기 불량	환기 및 환기시설 점검
	높은 주위 온도	팬, 에어컨 등을 이용하여 냉각
	1차측 과전압 혹은 철심의 이상과열	탭 전압 조정, 저주파 영향확인 및 제거
절연파괴 또는 연기 발생	지속적인 과부하	제조사에 연락
	취급시의 기계적 손상
	권선에 누적된 먼지
	이상전압에 대한 보호 실패(내,외부)
변압기 효율 저하	과부하	과부하 여부 점검. 부하 재배치
	1차측 과전압 혹은 저주파	탭 전압 조정, 저주파 영향확인 및 제거
	부적절한 탭 전압	탭 전압 조정
단자 국부 과열	연결부위의 느슨한 연결	연결 상태 확인 후 볼트 조임

8. 몰드 변압기 사용

(1) 사용 환경 조건

몰드 변압기는 아래와 같은 조건에서 그 성능과 특성을 보증.

(가) 설치 장소 : 옥내(지하 및 지상)

(나) 설치 높이 : 표고 1000m 이하

(다) 주위 온도 : -20℃~+40℃ (일간평균온도 : 30℃, 년간평균온도 : 20℃)

(라) 상대 습도 : 95% 이하

(2) 일반 특성

(가) 절연 종류 : F종

(나) 권선온도 상승한도 : 최대 100℃

(다) 절연사용 허용온도 : 최대 155℃

(라) 냉각 방식 : 건식자냉 (AN)

(마) 사용 정격 : 연속정격

(바) 연소성 : 난연성

(사) 정격주파수 : 60㎐

(3) 무전압 탭 절환

(가) 전원을 차단.

(나) 방전 확인.

(다) 탭 연결단자를 풀고 연결하고자 하는 번호로 연결.

(라) 2차 전압 V2 = N2 / N1 V1 에서 2차 전압은 1차 권수에 반비례하 게 된다. 따라서 2차 전압을 높이는 경우는 1차 탭 전압이 낮은 쪽 으로 연결 하고 2차 전압을 낮추는 경우는 1차 탭 전압을 높은 쪽으 로 연결한다. 1차 탭 전압의 크기는 XYZ(1)-XYZ(2)-XYZ(3)-XYZ(4) - XYZ(5)의 순서이다. 출하시는 정격탭(2 또는 3)으로  설정되어 있고 단, 2차측 전압은 부하의 입력전압이 아니고 변압기의 출력전압이 기준이다.

(4) 변압기와 외함(Cubicle)간의 이격거리 (고압측 기준)

이격거리

전압/기준충격전압 (KV)	상간-대지 (mm)	상간-상간 (mm)	동상 극간 (mm)
3.3 / 20	30		53
6.6 / 40	45		53
22.9 / 95	205	215	225
22.9 / 125	210	230	225

(5) 절연저항 측정

절연저항이 기준치 이하일 경우 사고의 위험이 있다. 이때는 청소와 환기를 시켜 습기를 제거한 후 다시 측정하고 그래도 절연 저항값이 부족한 경우는 제조사에 연락한다.

(6) 운전 및 점검

(가) 일상 점검

1) 전압, 전류, 주파수 등을 점검하여 기록한다.

2) 이상소음, 냄새, 과열여부, 취부된 부속품(온도계 등)의 동작 상태 등을 확인.

(나) 부하 관리

과부하 운전을 자주 하게 되면 절연 파괴의 원인이 되고, 변압 기의 수명을 단축시키므로 명판에 기재된 정격범위 내에서 운전 을 하여야 한다.

(다) 정기 점검

1) 정기 점검은 통상 6개월 또는 1년에 1회 정도 실시하는 것이 표 준이지만 운전상황, 주위조건 등에 따라 달라질 수 있다.

2) 정기점검 준서

① 점검전 변압기의 1,2차를 회로에서 분리한다. (VCB, PF 등을 차단)

② 검전기를 사용하여 1,2차의 분리를 확인하고, 접지봉을 사용하 여 잔류전하를 방전시킨 후 일괄 접지를 시킨다.  

③ 점검 사항

㉮ 청소를 시작하기 전에 먼저 적절한 환기를 시킨다.

㉯ 진공청소기, 송풍기, 압축공기나 질소 등을 이용하여 먼지나 이물질을 제거한다. 특히 권선표면, 애자, 권선의 냉각덕트 부분은 주의를 기울여서 작업해야 한다.

㉰ 각종 연결 부위의 볼트상태 및 조임 상태를 점검한다.

㉱ 절연저항을 점검한다.

(라) 부속 장치

부속 장치로는 다이얼온도계, 디지털온도계 등이 있다.

(7) 병렬 운전

병렬운전의 경우는 다음 사항이 일치하는지 점검하고 병렬운전을 하여야 한다. 병렬운전 조건을 충족하지 않은 상태에서의 병렬운전은 부하 불평형으로 인한 한쪽 변압기의 과부하 및 사고의 위험이있다.

※ 병렬운전 요건

(가) 결선 및 각 변위가 같은 것.

(나) 변압비가 같을 것.

(다) %임피던스 전압의 차이가 평균의 10% 이내일 것.

(라) 정격 용량의 비가 1:3 이하일 것.