수변전기기의 변성기

카테고리 없음

수변전기기의 변성기

김대호기술사 2025. 6. 25. 13:14

변성기(變星機)는 전기 설비의 주요 구성 기기 중 하나로, 전력 계통에서 전류와 전압을 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 사용됩니다. 수변전 설비를 설계할 때 검토해야 할 주요 사항 중 하나는 '사용 기기의 결정'인데, 변성기 역시 여기에 포함됩니다. 변성기는 고전압, 대전류 회로를 계측 및 보호에 필요한 저전압, 소전류 회로로 변성하여 취급자의 안전을 확보하고 계통 운영의 효율성을 높이는 역할을 합니다.

1. 계기용 변성기 (Instrument Transformers)

계기용 변성기는 크게 전력량을 측정하는 데 사용되는 MOF (Metering Out Fit), 대전류를 소전류로 변성하는 변류기 (CT: Current Transformer), 그리고 비접지 계통에서 영상 전압을 검출하는 접지형 계기용 변압기 (GPT: Grounding Potential Transformer)가 있습니다.

전력수급용 계기용 변성기 (MOF) MOF는 계기용 변류기(CT)와 계기용 변압기(PT)를 하나의 탱크 안에 수납한 기기로, 사용 전력량을 측정하기 위해 전류 및 전압을 변성합니다. MOF를 사용함으로써 고전압 회로와 2차측 계전기 또는 계기 회로를 전기적으로 절연하여 취급 전압을 낮추고, 2차측 접지 공사를 통해 취급자의 안전을 도모합니다. 또한, 고전압, 대전류를 대부분 110 [V], 5 [A]로 변성하여 측정 범위를 확대하고 계기 사용의 융통성을 향상시키며, 계전기 및 계기의 표준화를 가능하게 하고 정밀 측정을 용이하게 하며 원격 측정 및 제어에도 기여합니다.
변류기 (CT: Current Transformer) 변류기는 대전류를 소전류로 변성하여 계기 및 과전류 계전기에 공급하는 역할을 합니다. 계전기용 변류기는 단락 사고 발생 시 1차 권선에 흐르는 고장 전류에 대해 열적, 기계적으로 견딜 수 있는 강도를 가져야 합니다. 운영 시 중요 사항: 변류기의 2차측 회로는 임피던스가 낮고 전압도 낮아 여자 전류가 극히 적은 것이 정상입니다. 그러나 2차측이 개방되면 1차 전류가 모두 여자 전류로 작용하여 철심의 자속 밀도가 매우 높아지고, 고전압이 유기될 수 있습니다. 이는 2차측 회로의 절연을 파괴하거나 과열로 인한 소손을 유발할 수 있으므로, 2차측 전류계를 교환할 때는 반드시 변류기 2차를 단락 상태로 유지한 다음 교환해야 합니다. 영상 전류 검출 방법: 지락 사고 시 계전기가 동작하기 위한 영상 전류를 검출하는 방법에는 **영상변류기(ZCT)**에 의한 방법, Y결선의 잔류회로를 이용하는 방법, 그리고 3권선 CT를 이용하는 방법이 있습니다. 특히 Y결선의 잔류회로 방식은 3상 전류를 정확히 측정하고 불평형분을 측정하며, 중성점 접지 방식에서 지락 사고 검출이 용이합니다.
접지형 계기용 변압기 (GPT: Grounding Potential Transformer) GPT는 주로 비접지 계통에서 지락 사고 시의 영상 전압을 검출하는 데 사용됩니다. 1선 지락 고장의 경우 지락상의 전압이 0 [V]가 되면 나머지 건전상은 전압 상승이 √3배가 됩니다.

2. 전력 변압기 (Power Transformers)

일반적인 변압기는 전압을 적절한 레벨로 강압 또는 승압하는 역할을 하며, 전기 설비의 '전원설비 측면'에서 그 종류와 용도가 중요하게 고려됩니다.

변압기의 종류 및 용도: 유입형, H종 건식, 가스절연, 몰드변압기, 아몰퍼스 변압기 등이 있으며, 이 중 에너지 절약 측면을 고려하여 용도에 적합한 변압기를 선정해야 합니다. 변압기는 연중 운전되므로 무부하손, 부하손을 검토하여 고효율 변압기를 채택하는 것이 중요합니다.
에너지 절감 방안:
- 고효율 변압기 채택.
- 변압기의 운전대수 제어가 가능하도록 뱅크를 구성하여 효율적인 운전 관리를 통해 손실을 최소화합니다. 이는 전력 부하 곡선에 따른 운전 수제어 또는 소용량 변압기로 교체 등을 고려하는 것을 의미합니다.
몰드 변압기: 고압 및 전압의 권선을 에폭시 수지로 몰드한 고체 절연 방식의 변압기입니다. 난연성, 절연 신뢰성, 보수 및 유지 용이성을 위해 개발되었으며, 유입 변압기보다 에너지 절약 측면에서 유리합니다.
- 장점: 난연성이 우수하여 화재 위험이 없으며, 내코로나 및 임펄스 특성이 향상되어 신뢰성이 높고, 소형 경량화가 가능하고, 무부하 손실이 줄어들어 운전 경비가 절감되고 에너지가 절약됩니다. 또한 보수 및 점검이 용이합니다.
- 주의 사항: 일반적으로 유입 변압기보다 충격파 내전압이 작으므로, 진공 차단기(VCB)와 함께 사용할 경우 개폐 서지에 대한 대책으로 서지 흡수기(SA) 등을 설치해야 합니다.
아몰퍼스 변압기: 비정질 구조 및 초박판 철심 소재를 채택하여 무부하 손실이 기존 몰드 변압기의 1/5 수준으로 낮아 전력 손실이 적습니다. 이는 철심 발열에 의한 권선 온도 상승을 최소화하여 과부하 내량이 커지고, 제품 수명이 길어지는 장점이 있습니다.
변압기 탭 (Taps): 일반적으로 1차(고압)측 권선의 중간 단자를 인출하여 설치됩니다. 탭 절환의 목적은 1차(수전단) 전압의 변동에 의해 2차측 전압이 정격 전압에서 벗어났을 때, 이를 정격 전압으로 조정하는 것입니다.
변압기 병렬 운전:
- 병렬 운전 조건: 극성이 일치할 것, 권수비(2차 정격 전압)가 같을 것, 내부 저항과 누설 리액턴스의 비가 같을 것, %임피던스 강하가 같을 것. 3상식에서는 추가로 상회전 방향 및 각 변위가 같아야 합니다.
- 문제점: %임피던스 강하가 같지 않으면 부하 분담이 용량비로 이루어지지 않아 전체 변압기 합계 용량을 사용할 수 없게 되며, 계통의 %임피던스가 작아져 단락 용량이 증가하는 문제점이 있습니다.
변압기 시험: 단락 시험과 무부하 시험을 통해 임피던스 전압, %임피던스, 동손 및 철손을 구하여 변압기의 효율을 산정할 수 있습니다.

3. 다른 시스템과의 통합

변성기는 **GIS (가스 절연 개폐 설비)**와 같은 현대적인 전력 설비에서도 중요한 구성 요소로 포함됩니다. GIS는 차단기, 단로기, 변성기, 피뢰기 등의 설비를 금속제 탱크 내에 일괄 수납하여 절연 성능과 소호 능력이 뛰어난 SF6 가스를 충전하고 밀봉한 시스템입니다.