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전압을 승압하거나 강하하는 변압기는 전력계통에서 매우 중요한 설비입니다. 전력손실을 감소하기 위해 발전소에서 전력을 송전 시 매우 높은 전압이 되어야 하고, 수용가에서 전력을 사용하기 위해서 낮은 전압으로 변성해야 합니다. 이러한 역할을 하는 변압기는 페러데이의 전자기 유도 법칙을 이용합니다. 이러한 변압기에 대하여 자세히 알려봅시다.
원리 - 페러데이의 전자기 유도 법칙
∇ × E = -∂B/∂t에 의하여 시간에 따라 변화하는 자기장은 회전하는 형태의 전기장을 유도합니다. 이를 이용하여 철심의 1차와 2차에 권선을 감고 1차측에 교류전원(AC)을 인가하면 전자기 유도 법칙에의해 2차측에 전압이 유도됩니다. 유도하는 기전력의 크기는 1차권선과 2차권선의 비율로 정해지며 철심에 권선을 많이 감을수록 높은 전압을 유기할 수 있습니다.
구성
철심:
철심은 얇은 철판(0.35mm)을 여러장 적층하여 구성합니다. 이렇게 구성하는 이유는 와전류로 인한 손실을 줄여 효율을 높이기 위함입니다. 이러한 철심의 형태에 따라 내철형, 외철형, 권철심형으로 구분됩니다.
권선:
철심에 감긴 구리선으로 1,2차 비율에 따라 승압하거나 강하할 수 있습니다. 일반적으로 둥근 동선이나 평각 동선이 사용하며, 소전류 용에는 주로 둥근 동선이 사용합니다.
부하시탭절환장치(OLTC, On-Load Tap Changer):
일부 변압기에 절환장치가 있어 1차 또는 2차 권선의 권수를 변경하여 전압을 조정할 수 있습니다.
변압기유:
변압기 내부의 철심 및 권선의 온도가 높아지는 것을 방지하기 위해, 변압기 외함과의 절연을 위해 변압기유를 사용합니다. 변압기유는 몇가지 구비조건을 충족해야 합니다.
1) 절연 내력이 클 것.(12[kV/mm] 이상)
2) 냉각 효과가 크고 열 전도율이 클 것.
3) 인화점이 높을 것
4) 응고점이 낮을 것
5) 기타 환경과 화학 작용을 일으키지 않을 것
6) 고온에 석출물이 생기거나, 산화하지 않을 것
7) 점도가 낮을 것
냉각 방식
변압기의 냉각 방식은 변압기의 효율성, 신뢰성 및 수명을 유지하기 위해 필수적입니다. 변압기의 냉각 방식은 여러가지 방식이 있습니다.
오일 냉각:
가장 일반적인 냉각 방식으로 유입 자냉식과 송유 풍냉식이 있습니다. 유입 자냉식은 변압기 외함속 절연유를 통해 권선과 철심에서 발생하는 열을 기름의 대류 작용을 통해 열을 외함에 전달하고, 외함의 열을 대기로 발산시키는 방식입니다. 송유 풍냉식은 대형 변압기에서 사용하며 오일 펌프와 팬을 사용하여 기름의 순환을 개선하여 냉각 효율을 높이는 방법입니다.
공기 냉각:
일반적으로 중소형 변압기에서 사용하며 건식 자냉식과 건식 풍냉식, 유입 풍냉식 등이 있습니다. 건식 자냉식은 자연 바람을 통해 변압기 외함의 온도를 낮추어 냉각하는 방식입니다. 건식 풍냉식은 송풍기를 사용하여 강제적으로 공기를 순환시켜 냉각시키는 방법입니다. 유입 풍냉식은 방열기를 설치하여 유입 변압기에 송풍기를 사용하여 강제적으로 변압기를 냉각시키는 방법입니다. 이러한 공기 냉각 방식은 통풍이 잘 되는 곳에 위치한 변압기에 더 적절합니다.
물 냉각:
수냉식은 대형 전력 변압기에 사용되거나 더 높은 냉각 용량이 필요할 때 사용됩니다. 물은 철심 및 권선과 직접 접촉하는 냉각 튜브 또는 파이프를 통해 순환됩니다. 열은 변압기에서 물로 전달되어 물에 전달됩니다. 수냉 시스템은 폐쇄 루프 또는 개방 루프일 수 있습니다. 폐쇄 루프 시스템에서 물은 폐쇄 회로 내에서 순환하며 별도의 열 교환기를 사용하여 냉각됩니다. 개방형 루프 시스템에서 물은 강이나 냉각탑과 같은 자연 수원에서 가져와 수원으로 다시 배출되기 전에 변압기를 통해 순환됩니다. 수냉 시스템은 더 높은 냉각 용량을 제공하지만 추가 인프라와 유지 관리가 필요합니다
이처럼 사용되는 냉각 방법은 변압기의 크기, 정격, 위치 및 환경 조건과 같은 요인에 따라 달라집니다. 변압기의 효율성, 신뢰성 및 수명을 유지하려면 적절한 냉각이 필수적입니다. 이상을 감지하고 효과적인 냉각을 보장하려면 변압기의 온도, 오일 레벨 및 냉각 시스템 성능을 정기적으로 모니터링해야 합니다.