변압기 결선
1. 극성(極性, Polarity)
변압기의 극성은 단자에 나타나는 유기전압의 방향을 나타내는 용어이다.
가. 감극성(減極性, Subtractive polarity)
감극성은 고압측에서 전류의 방향은 U측에서 V측으로 흐르고, 동시에 생기는 유기전압의 방향은 V측에서 U측 으로 향하며, 저압측에서 전류의 방향은 v측에서 u측으로 흐르고, 동시에 생기는 유기전압의 방향은 v측에서 u측으로 향하게 된다.
즉 V와 v를 연결시 U와 u사이의 전압E Uu ＝E UV －E vu 이므로 두 권선간의 전압은 경감되게 된다.
나. 가극성(加極性, Additive polarity)
가극성은 고압측에서 전류의 방향은 U측에서 V측으로 흐르고, 동시에 생기는 유기전압의 방향은 V측에서 U측 으로 향하며, 저압측에서 전류의 방향은 u측에서 v측으로 흐르고, 동시에 생기는 유기전압의 방향은 v측에서 u측으로 향하게 된다. 즉 V와 u를 연결시 U와 v사이의 전압 E Uv ＝E UV ＋E uv 이므로 두 권선간의 전압은 커지게 된다. 일반적으로 U와 u를 같은 쪽에 있는 것이 감극성이고, U와 u를 대각선으로 한 것이 가극성이다. 또한 고압측에서 볼 때 U를 우측에 놓는 것이 표준이며, 우리회사에서는 감극성을 표준으로 하고 있다.
2. 삼상변압기 단자기호
삼상변압기의 단자기호는 고압권선을 U(H 1 ), V(H 2 ), W(H 3 )라 하고, 저압권선을 u(X 1 ), v(X 2 ), w(X 3 )라 하며, 3차권선이 있는 경우 a(Y 1 ), b(Y 2 ), c(Y 3 )로 하고, 상의 배치는 시계방향으로 고압권선이 U→ V→ W이면 저압권선은 u→ v→ w라 하며, 3차권선이 있는 경우 a→ b → c의 순서가 되게 한다.
중성점 단자가 외함 밖으로 인출된 경우 그 기호는 고압 측, 저압측, 3차권선을 각각 O(H 0 ), o(X 0 ), n(Y 0 )으로 한다. 단자 배치는 각각의 단자측에서 볼 때 U는 우측, u와 a는 좌측에 오게 한다.
3. 각변위(角變位, Angular displacememt)
고압권선의 유기전압과 저압권선의 유기전압간에는 결선에 의하여 위상각차가 발생한다.
각변위란 각 전압벡터선도에서 각각의 중성점과 동일기호의 선단을 각각 연결한 두 직선 사이의 각도를 말한다. 즉 U와 u (또는 a)사이의 전압벡터의 각도차를 말한다.
△결선에서 중성점은 각상 유기전압으로 만들어진 삼각 형의 중심이다.
유기전압 벡터도를 그릴 때 전압벡터의 회전방향은 반시계 방향으로 하며 벡터의 크기는 실효치로 한다.
각변위의 영문 표기는 다음과 같이 한다. Y결선에서 고압측은 영문 대문자 Y로 표기하고, 저압측과 3차측은 영문 소문자 y로 표기하며, △결선에서 고압측은 영문 대문자 D로 표기하고, 저압측과 3차측은 영문 소문자 d로 표기하며, 중성점을 사용하면 고압측은 영문 대문자 N, 저압측과 3차측은 영문 소문자 n으로 표기하고, 중성점을 사용치 아니하면 표기하지 않는다. 단권변압기는 중성점 표기 N 다음에 a 또는 auto를 표기한다.
또, 권선간의 각변위차는 항상 고압측이 기준이 되어 고압측에 대한 저압측과 3차측의 지상각 30°를 1로 환산하여 2차중성점 영문표기 뒤에 표기한다.
우리 표준규격에서는 삼상변압기의 고압단자와 저압단 자간의 각변위가 Y-Y결선과 △-△결선에서는 0°, Y-△ 결선과 △-Y결선에서는 저압측이 고압측보다 30°지상이 어야 한다.
4. △-△ 결선(삼각-삼각결선)
이 결선의 장점은 다음과 같다.
1) 1상의 권선에 고장이 발생하더라도 출력은 감소하나 V 결선으로 운전을 계속할 수 있다. △결선 정격용 량의 57%의 출력을 송전할 수 있다.
2) ․제3고조파 여자전류는 각상이 동위상이 되어 △결선내를 순환하게 되며, 여자전류중에 제3고조파가 포함되므로 자속은 정현파가 되고 1차, 2차 유기전 압도 정현파가 되어 선로에 제3고조파 전압이 나타나지 않는다.
3) 비교적 대전류, 저전압인 경우 Y결선보다 경제적이다.
반면에 단점은 다음과 같다.
1) 중성점을 인출할 수 없어 이상전압 발생의 정도가 심하고, 특히 아크지락에 의한 이상전압은 Y결선에 비해 매우 크며, 중성점이 필요시 별도의 접지변압기가 필요하다.
2) 각상의 권수비에 차이가 있으면 2차측 △결선 내부에 1차 전압이 가해져 1차 및 2차 권선내에 순환전류가 발생한다. 이 순환전류를 제한하는 것은 아주 작은 내부 임피던스뿐이므로 때로는 상당량의 순환전류가 되어 동손을 증대시키고 변압기를 가열시킨다. 권수비의 차이가 0.25%이내는 무관하다.
3) 단상변압기의 각상 내부에 임피던스차가 있으면 부하가 삼상평형이더라도 변압기 각상의 부하는 불평형이 된다.
4) 부하시 탭 조정 변압기에서는 Y결선과 같이 중성점 탭 방식을 채용할 수 없어 각상별로 탭 체인저를 구
비하여야 하므로 비경제적이다.
5) 같은 선간전압에 대하여 Y결선보다 상전압이 낮아 권수가 많아지므로 전압이 높아 층간 절연이 큰 경우 에는 도체의 점적율이 나빠진다.
※ 점적율 : 도체의 점유면적[(도체 평균외경)2×π/4]에 대한 실도체 단면적(공칭단면적)의 비로서 가능 한한 큰 것이 바람직하다. 따라서, △-△결선은 일반적으로 70kV 이하의 무전압탭 변압기에 이용된다.
5. Y-Y 결선(성형-성형결선)
이 결선의 장점은 다음과 같다.
1) 1차, 2차 권선에서 중성점을 인출하여 피뢰기를 접속할 수 있으므로 단절연방식을 채택할 수 있어 경제적이다.
2) 1상의 권수가 △결선의 1/√ 3 이므로 고전압 권선에 적합하다.
3) 부하시 탭 조정을 할 경우 중성점 탭 방식을 택할수 있으므로 변압기를 소형화 할 수 있다.
Y-Y 결선의 단점은 다음과 같다.
1) 1차, 2차측 모두 중성점을 접지하지 않은 경우 각상 여자전류중의 제3고조파분은 동상이 되어 각상 권선에는 제3고조파를 포함한 첨두 파형의 전압이 유기되므로 각상 유기전압의 파고치는 상규 유기전압 파고치에 비하여 현저하게 커지므로 층 간 절연에 좋지 않은 영향을 미치며, 중성점의 전압은 영이 아니고 대지에 대하여 3배 주파수의 진동전위를 갖게 된다. 만약 발전기와 변압기 1차측을 접지하면 제3고조파 여자전류가 대지를 통해서 흐르므로 기전력은 정현파가 되지만 발전기 권선에 제3고조파 전류가 흘러서 발전기 권선을 가열시킨 다. 또한, 변압기 2차측의 중성점이 접지되어 있다면 선로와 대지간에 제3고조파 전압이 걸리고 선로와 대지 사이의 정전용량에 의하여 제3고조파 충전전류가 흘러 부근의 통신선에 유도장해를 준다.
2) 중성접 비접지한 경우 중성점 불안정으로 단상부하를 공급하지 못한다.
6. Y-Y-△ 결선
Y-Y결선의 단점을 해결하기 위하여 3차측에 △결선을 설치하여 Y-Y 결선의 단점을 해소한다.
이 결선은 Y-Y결선의 장점에 △-△결선의 장점을 이용한 것으로서 삼상결선에서 가장 많이 이용되는 결선이며, 주로 송배전에 적용된다.
장점으로 다음과 같은 점들을 들 수 있다.
1) ․제3고조파의 통로로 3차 권선의 △결선이 이용되어 제3고조파에 의한 통신선에 유도장해를 일으키지 않는 다.
2) 중성점을 필요한 경우에 접지하여 사용함으로서 중성점 전위의 이동이 없다.
3) 중성점을 접지하여 단절연을 채택할 수 있어 경제적이다.
4) 중성점 탭 방식을 채택하므로 변압기의 중량과 크기를 줄일 수 있다.
3차측의 △결선을 외부로 인출하여 소내전원과 조상설 비에 접속하는 경우는 345kV 변압기와 같은 송전용 변압 기에 적용되며, 154kV 변압기는 3차측의 단자를 외부로 인출하여 폐회로를 이루어 외함에 접지하거나, 또는 내부 에서 폐회로를 이루어 외함에 접지하는 안정권선으로 이용한다. 안정권선의 용량은 주권선용량의 1/3 정도이다.
7. △-Y결선과 Y-△ 결선
가. △-Y결선이 결선은 △결선의 장점에 Y결선의 장점을 채용한 결선으로서, 주로 발전소의 승압변압기로서 이용되고, 국내의 일부 재경지역의 옥내변전소와 내륙에서 배전용 변압 기로 이용되나, 점차적으로 Y-Y-△결선으로 바뀌고 있다.
나. Y-△결선
△-Y결선과 같은 장점을 가지고 있으며, 일반적으로 강압변압기의 결선으로 이용되나, 국내에서는 154kV/66kV 와 같이 극히 소수만 이용되고 있다.
8. Y-△-Y 결선
Y결선과 △결선의 장점을 가지고 있으며, 154kV/66kV /23kV와 같이 극히 한정된 곳에만 사용되고 있다. 국내에서는 66kV 계통이 점차 감소함으로서 사용되지 않을 전망이다.
9. V 결선
V결선은 단상변압기 3대를 △-△결선하여 운전 중 1상의 고장으로 인하여 남은 2대의 변압기로 응급운전을 하는 경우와, 공급하는 부하가 경부하이나 장래 부하증가가 예상될 때 처음에는 2대로 운전하고 후에 1대를 추가하여 △결선으로 변경하는 경우에 채용된다.
△-△결선과 달리 선로전류가 그대로 권선에 흐르므로 2차 출력은 △-△결선의 57.7%로 저하하고 부하역률이 1 일 때는 정격용량의 86.6%만 이용된다.
그밖에 전류가 2상 이외에는 흐르지 않기 때문에 부하가 평형을 이루더라도 각상의 전압변동률이 다르기 때문에 변압기가 없는 상의 전압강하가 크며 2차 삼상전압이 불평형이 되는 결점이 있다. 우리 공사 송변전계통의 전력 공급에 V결선을 채택하지 않으며, 22.9kV-Y 다중접지 배전선로의 P.Tr결선에 사용되고 있다.
10. 안정권선 (Stabilizing winding)
변압기의 1, 2차 결선이 Y-Y결선일 경우 철심의 비선형 특성으로 인하여 기수고조파를 포함한 왜형의 전압, 전류가 흐르게 되고, 이 고조파분은 인접 통신선에 전자유도 장해를 일으킬 뿐만 아니라, 2차측 중성점을 접지할 경우 직렬공진에 의한 이상전압 및 제3고조파의 영상전압에 따른 중성점의 전위 이동과 같은 현상을 발생시킨다. 이러한 현상들을 제거하기 위하여 △결선의 3차권선을 설치하여 고조파중 가장 큰 제3고조파의 전압, 전류를 억제하고 영상임피던스를 작게 한다. 이러한 목적의 권선을 안정권 선이라 부른다.
안정권선은 단자를 변압기 외부에 인출하지 않는 경우도 있고, 2 또는 4개의 단자를 인출하여 접지하는 경우도 있다. 안정권선의 용량은 주권선 용량의 1/3로 한다.
11. 탭권선 (Tap winding)
권선 내의 유효한 권선 턴수가 단계적으로 조정될 수 있는 권선으로 변압기의 전압을 조정하기 위해 필요하고,
이 권선의 리드가 전압조정기(탭 체인저)의 탭 선택단자에 연결된다.
12. 단권변압기 권선
1) 직렬권선(Series winding)
단권변압기나 부하시 전압조정변압기에서 선로에 직결 되며 하나의 전압단자에만 이용되는 권선이다.
2) 분로권선(Common winding, 병렬권선)
단권변압기에서 1차, 2차 계통이 공통적으로 사용하는 권선이다.
13. 2권선변압기
고압(1차) 권선과 저압(2차) 권선만 설치하여 제작된 변압기이다. 단, 3차 △결선의 안정권선이 설치된 변압기는 2권선변압기로 분류한다.
14. 다권선변압기
3회로 이상의 전압을 이용하여 부하를 공급하기 위해 3 개 이상의 권선이 설치된 변압기이다.
15. 단권변압기 (Autotransformer)
단권변압기는 한 권선의 중간에서 탭을 만들어 사용하는 변압기로서, 1차와 2차의 전기회로가 서로 절연되지 않고, 권선의 일부를 공통회로로 사용하며, 변압비가 1의 근처에서 극히 경제적이고, 특성도 좋다.
단권변압기에서 권선 bc를 직렬권선, 권선 ab를 분로권 선이라 부른다.
단권변압기는 일반 변압기에 비해 임피던스전압강하와 전압변동률이 작고, 동량도 적게 들며 동손이 감소한다. 반면에 1차측의 전기적 이상이 바로 2차측에 영향을 미치며, 단락전류가 커서 기계적인 강도가 커야 하는 단점도 있다.
