변압기 정격

변압기 정격

1. 정격전압
명판에 기재된 변압기 권선의 단자전압 실효치를 뜻하 며, 탭이 없는 권선의 단자간 또는 탭이 있는 권선은 기준 탭에 접속되는 단자간에 인가되는 지정전압 또는 무부하시 전압이다.

2. 연속정격용량
명판에 기재된 피상전력으로 정격 2차 전압, 정격주파수 및 정격역률에서 지정된 온도상승한도를 초과하지 않고 2차 단자 사이에서 얻을 수 있는 값이다. kVA, MVA 로 표시한다.

3. 단시간정격(Short Time Rating)
냉각상태에서 시작하여 지정된 일정 시간, 지정된 조건 하에서 사용할 때 규격에 정한 온도상승한도를 초과하지 않는 정격을 말한다.

4. 연속여자단시간정격
무부하로 최종온도에 도달한 후에 지정된 일정 단시간, 지정된 조건에서 사용할 때 규격에 정한 온도상승한도를 초과하지 않는 정격이다.

5. 충격기록계 (Impact Recorder)
변압기 운반시 변압기에 가해지는 충격을 기록하여 변압기 중신의 상태를 알 수 있도록 한 장치이다.
충격기록계는 가로, 세로, 수직 3방향의 충격을 G의 단위로 기록할 수 있으며 변압기 본체에 부착하여 기록지를 날인 후 봉인하여 변압기를 설치 위치에 정치한 후, 운송중 변압기에 가해진 충격의 정도를 판독한다.
현재 적용되는 변압기 운반시 허용되는 충격의 정도는 다음과 같다.
․가로방향(X축) : ±1G 이하 ․세로방향(Y축) : ±2G 이하 ․수직방향(Z축) : ±1G 이하

6. 여자돌입전류 (Inrush Current)
변압기를 운전하기 위해 v 1 = V 1m sin(ωt+ϕ)의 전원을 t＝0 일 때 1차측에 공급하면 그 투입위상φ＝0 일 때돌입전류는 정격전류의 수배에 달하는 최대치를 갖는다.
또, 2차 돌발고장이 발생하면 정상단락시의 약 두 배의 순시전류가 흐르는데 이는 정격전류의 수 십 배이다. 이와 같은 대전류가 흐르면 전자기계력에 의한 권선의 변형과 파손, 권선의 온도상승, 내부 압력상승에 의한 외함의 파손 등을 초래할 수 있다.
변압기 2차를 개방하고 1차측 차단기를 투입하는 경우, 충격전류는 차단기 투입시에 가해진 전압의 위상, 변압기 철심의 잔류자속에 의해 그 크기가 달라지고, 때로는 정격전류의 수배에 도달하여 계전기 오동작의 원인이 되기도 한다. 철심에 잔류자속이 없고, 전압이 파고치에 도달한 시점 (a')에서 차단기를 투입한다고 하면, 자속은 0에서 출발하여 정현파로 되고, 정상 운전시와 같이 여자전류는 작은 값이 된다.

그러나, 전압이 0인 점 a에서 차단기가 투입되었다고 하면, 1차 권선에 가해진 전압과 같은 역기전력을 유지하기 위하여, 1차 권선과 쇄교하는 자속은 정현파로 변화하여야 한다. 그런데 최초에 변압기의 자속은 0이므로, 1/2(cycle) 동안에 2Φ m 의 자속변화를 하여야 하며, 철심에 잔류자속 Φ r 이 있다면 철심에 흐르는 자속의 최대치는 2Φ m +Φ r 과 같게 된다. 이렇게 되면 철심은 포화되고 여자인덕턴스가 감소되어 큰 여자전류가 흐른다. 이를 변압기의 여자돌입 전류라고 한다.

시동시의 돌입전류의 최대치

변압기 용량 [kVA]	방향성 규소강판		열간 압연 규소강판
	고압측 투 입 [p.u]	저압측 투 입 [p.u]	고압측 투 입 [p.u]	저압측 투 입 [p.u]
500	11	16	6.0	9.4
1,000	8.4	14	4.8	7.0
5,000	6.0	10	3.9	5.7
10,000	5.0	10	3.2	3.2
50,000	4.5	9	2.5	2.5

돌입전류는 회로의 저항분, 와류손, 히스테리시스손 등에 의하여 시간이 지남에 따라 점점 감쇠한다.
돌입전류의 파형을 분석해 보면 기본파형을 100%로 할때 직류성분이 50～60%, 제2고조파성분이 30～50%, 제3 고조파는 제2고조파의 1/2정도, 제4고조파 이상의 성분은 적다.
그러나, 내부 고장전류의 파형을 분석해 보면 제2고조 파성분이 비교적 적게 포함되어 있으므로, 돌입전류 발생시 변압기의 내부고장 보호계전기에 고조파필터를 설치하여 제2고조파성분을 제거함으로서 오동작을 방지할 수 있다.
삼상의 경우 A상의 전압이 0인 순간에 투입되었다 하더라도 다른 상의 위상은 120°차이가 있으므로, 다른 두상의 돌입전류는 A상의 충격전류보다는 크지 않다. 따라서 돌입전류의 최대 파고치만을 문제로 하면 전압이 0인 순간 접속된 상만 고려하면 되며, 잔류자속의 크기와 방향, 투입 차단기 각상의 투입시간 등에도 다소의 차가 있어 삼상의 돌입전류는 엄밀히 구하기 어렵다.

7. 중성점접지리액터 (NGR, Neutral Ground Reactor)
154kV/23kV 변압기의 운전시 배전선로 지락이 매우 빈번하고 이에 의해 발생하는 지락고장전류와 고장전류의 변압기에의 유입은 변압기 권선에 큰 충격을 주게 되며, 이는 변압기 권선고장으로 진행되는 경우가 많다.
배전선지락에 의한 변압기고장을 감소하기 위해 1988년 부터 이에 대한 연구가 시작되어, 1992년부터 연구결과를 바탕으로 변압기 지락고장전류제한장치를 변압기 2차측 중성점에 설치 운전하게 되었다. 이에 따라 변압기에의 지락고장 유입전류는 20～30% 정도 감소하고 변압기 권선에 가해지는 충격을 저감하므로써 변압기 권선고장을 줄이게 된다. 유입식과 건식 두 종류가 있으며, 단시간 전류정격은 10초를 적용하고, 변압기 용량에 따라 전류정격이 비례하며, 자체 임피던스는 변압기 1차측의 결선방식(△결선의 경우 0.4[Ω], Y결선의 경우 0.6[Ω])에 따라 달라진다. NGR의 사용은 2차측 중성점에 임피던스를 가진 코일을 접속하는 것이므로, 이를 비유효접지로 생각할 수 있으나, 임피던스가 매우 작으므로 직접접지로 간주한다.
변압기 운전시 NGR 단선은 중성점의 분리를 의미하므로 이에 대한 대비책으로서 중성점에 단극 단로기를 설치 하여 NGR 고장시 중성점을 직접접지로 운전하여 중성점 비접지가 되지 않도록 하여야 하며, NGR 고장시 변압기 보호를 위해 영상전압검출계전기(59G)를 설치한다.

8. 변압기 운전

(1) 유효접지운전
선로에 1선 지락이 발생되면 건전상의 선로 단자와 대지간에 선간전압이 걸리며, 이 값은 상규대지전압의 3 배이다. 유효접지계통에서는 1선지락시 상용주파과전압은 선간전압보다 낮아 80% 이하가 된다. 80%는 접지계 수로서, 이는 1선지락시 고장점에서 건전상의 대지전압이 달할 수 있는 최고의 실효치를 고장 제거후의 선간전압으로 나누어 %로 표시한 값이다. 이 계수는 피뢰기 정격전 압을 결정하는 중요한 조건이다.
유효접지계는 계통에 접속된 발전기용량의 1/3이상의 변압기 중성점을 직접 대지에 접지하므로써, 1선 지락시
에도 건전상의 대지전압상승이 선간전압의 80%를 초과하지 않게 된다. 이 조건은 계통의 영상리액턴스와 정상리액 턴스의 비가 3이하이고, 또 영상저항과 정상리액턴스의 비가 1이하일 때이다.
계통에서 일부 변압기의 중성점을 접지하여 유효접지계가 유지된다면, 다른 변압기들의 중성점을 모두 접지할 필요는 없다. 154kV Y-Y-△ 변압기 운전시 일부 변압기의 1차 중성점을 접지하지 않고 피뢰기를 거쳐 접지하는 것이 이에 해당한다. 단로기로 직접 접지할 수 있으며, 유효접지 조건 유지시 피뢰기를 통해 접지가 가능한 결선

(2) 병렬운전
변압기 부하의 증가, 경제적인 이유 또는 부하전환과 같은 여러 경우에, 여러 대의 변압기를 병렬로 운전할 필요가 있다. 변압기의 병렬운전에 필요한 조건으로서는 각 변압기가 자기의 용량에 비례하는 부하를 분담하고, 순환전 류를 실용상 지장이 없을 정도로 제한하여야 한다.
병렬운전의 조건으로서는

1) 1차, 2차의 정격전압 및 극성이 같을 것

2) 상회전의 방향 및 각변위가 동일할 것

3) 권선비가 같을 것

4) 백분율 임피던스 전압강하차가 ±10% 이내일 것

5) 용량비가 3:1 이내일 것
단상 변압기 병열운전의 경우는 위상관계는 동상이거 나, 혹은 2π의 위상차를 가지는 두 가지 경우밖에 없으므로 극히 간단하나, 3상 변압기의 경우는 단자전압이 동상 이라도 1상의 전압이 Y결선과 △결선에서도 30°의 위상차가 있고, 또 상간에는 각각 120°만큼 위상차가 있으므로 병렬운전에 있어 결선에 특히 주의하여야 한다.
만일 위상이 맞지 않으면 그 위상차 만큼 국부적인 순환전류가 흐르고 변압기에 나쁜 영향을 준다. 병렬운전이 가능한 결선에서는 각변위가 동일하여야 한다.

삼상변압기의 병렬운전 결선 조합

병렬운전 가능 결선	병렬운전 불가능 결선
△-△와 △-△ Y-△와 Y-△ Y-Y와 Y-Y △-Y와 △-Y △-Y와 Y-△	△-△와 △-Y △-Y와 Y-Y

(3) 통합운전

변압기의 통합운전은 전력손실을 경감하기 위해 변압기의 병렬운전대수가 최소가 되도록 일부 변압기를 정지하여 운전하는 것이다.
구체적으로 아래의 조건을 구비하는 경우 통합운전을 시행한다.
1) 변압기의 총합손실을 경감할 수 있을 것,

2) 변압기의 통합운전 중, 설비고장이 있더라도 공급 신뢰도를 유지할 수 있을 것,
3) 변압기의 단시간 과부하조건을 만족하는 조건하에 실행하여야 한다.

(4) 절연지 수명

유입변압기에 사용되는 절연지의 열 열화에 따른 수명L은 온도θ와의 함수관계로 표시된다.

Montsinger는 절연지의 수명이 반감되는 온도상승치가 8[℃]로 보았고, 여러 종류의 절연지에서도 5～10[℃] 온도가 상승하면 수명이 반감되는 것으로 보고되어 있다. 여기에서 언급하는 수명은 절연지의 인장강도가 초기치의 유입변압기에 사용되는 절연지의 열 열화에 따른 수명L은 온도θ와의 함수관계로 표시된다.
여기에서 언급하는 수명은 절연지의 인장강도가 초기치의 50% 이하로 떨어지는 것을 의미한다.

9. 변압기 소음
변압기에 전압을 인가하면 교번자속의 변동과 누설되는 자속, 전류에 의한 권선의 진동 등에 의하여 소음이 발생 한다. 이 소음의 크기는 무부하시에 가장 크고, 경부하시에 작다.
변압기의 철심은 인가전압 주파수의 두 배에 해당하는 주파수로 진동하므로 소음은 두배 주파수의 고조파로 구성된다. 따라서, 보통 120[Hz], 240[Hz], 360[Hz] 등의 정현파가 섞인 소음이라고 할 수 있다.
60[Hz] 소음은 잘 지각되지 않으며, 480[Hz] 이상의 성분은 공기와 구조물에 의하여 잘 흡수되므로, 실제적인 소음의 주성분은 120[Hz], 240[Hz], 360[Hz] 대역이라고 할수 있다.

10. 능동소음제어 (Active Noise Control)
소음을 제어하는 방법은 수동소음제어와 능동소음제어로 나뉘는데, 대부분 흡음재나 방음재를 사용하여 발생된 소음을 흡수하는 수동소음제어를 적용한다. 수동소음제어는 사용재료의 특성상 무게와 부피의 증가로 설치에 넓은 공간과 많은 비용이 필요하며, 500[Hz] 이하의 저주파에 대하여 성능이 떨어진다.
따라서, 다른 음원을 이용하여 소음과 동일한 진폭의 반대 위상을 갖는 인공음을 발생시켜 중첩시킴으로서 소음의 음압레벨을 줄이는 능동소음제어가 변압기의 소음과 같은 저주파소음의 제어에 적용될 수 있다.

11. 과부하운전 (Over Load Operation)
변압기는 정격연속출력의 범위 내에서 운전되어야 하나 갑작스런 부하의 증가로 정격연속출력을 초과하여 운전할 경우도 있다. 과부하 운전이란 정격연속출력 범위를 초과하여 운전하는 것으로 이로 인하여 변압기의 수명을 단축 하는 것을 피하여야 한다.

1) 사용년수가 15년 이상인 변압기

2) 유중가스분석 결과 가연성가스 총량의 값이 “요주의(1000ppm)” 치를 초과하는 변압기

3) 수리경력이 있거나 절연물의 수리실적이 있는 변압기

4) 직렬기기(CB, LS, CT등)의 상태가 과부하 운전시 정격을 초과하는 경우

5) 주위온도가 40[℃]를 초과는 경우
과부하 운전을 대비하여 변압기 및 직렬기기(차단기, 단로기 등)의 상태, 단자 접속부의 과열여부 등을 파악하여야 하며, 보조냉각장치(살수장치 또는 무상분무장치)는 부하가 정격용량의 80%를 초과하거나, 권선온도가 70[℃]인 주변압기에 설치한다.
과부하 운전을 적용할 수 있는 조건은 주위온도 저하, 온도상승시험기록, 단시간 과부하 운전, 여러 조건이 중첩된 경우의 과부하 운전 등 다양하므로 이를 충분히 고려 하여 결정하여야 한다.