전기기사실기(단답형) 변압기 해설 페이지

1) 난연성이 좋다 2) 소형·경량화가 가능하다 3) 내습·내진성이 좋다 4) 유지보수·점검이 용이하다 5) 전력손실이 감소한다 [tip] 난소 내 유전 있으니 건식(몰드) 먹자

[해설]

몰드변압기는 권선을 에폭시 수지로 몰딩해 절연유가 없는 건식 구조이며, 이 구조적 특징에서 아래 장점들이 함께 비롯된다.

절연유가 없어 화재 우려가 낮아 난연성이 좋고, 오일탱크·냉각설비가 필요 없어 소형·경량화가 가능하다.

수지로 밀봉되어 있어 습기·먼지에 강하고 진동에도 안정적이라 내습·내진성이 우수하며, 절연유 열화·누유를 점검할 필요가 없어 유지보수가 간편하고 손실 저감 설계로 전력손실도 줄어든다.

1) 가격이 비싸다 2) 충격파 내전압이 낮다 3) 수지층에 차폐물이 없으므로 운전중 코일표면과 접촉하면 위험하다 [tip] 수지(연예인 수지)차 운전하다 접촉사고 났다

[해설]

몰드변압기의 단점은 장점을 만든 것과 같은 원인, 즉 오일에 의한 완충·절연이 없는 구조에서 비롯된다.

제작 공정이 까다로워 유입변압기보다 가격이 비싸고, 절연유의 완충효과가 없어 충격파 내전압이 상대적으로 낮다.

코일 표면이 수지로만 덮여 있어 별도의 차폐물이 없으므로, 운전 중 오손되거나 이물질이 코일 표면에 접촉하면 절연파괴·감전 위험이 있다.

1) 환경 열화 2) 전계 열화 3) 응력 열화 4) 열적 열화 [tip] 몰 드럽다고 환전(완전) 응열 받니

[해설]

몰드변압기는 오일에 의한 냉각·완충이 없어 내외부 스트레스가 절연물에 직접 작용하며, 이것이 네 가지 열화 형태로 나타난다.

환경 열화는 습기·먼지·오존 등 외부 환경에 의한 절연물 표면 열화이고, 전계 열화는 부분방전 등 전기적 스트레스가 누적되어 절연이 서서히 파괴되는 현상이다.

응력 열화는 열팽창·수축 반복에 따른 기계적 응력으로 균열이 생기는 것이고, 열적 열화는 장시간 고온 운전으로 수지 자체의 강도가 저하되는 현상이다.

-장점 1) 여자전류와 철손이 매우적다 2) 벽이동을 방지하는 구조상 결함이 없다 3) 판 두께가 매우 얇다 -단점 1) 점적률이 나쁘다 2) 포화자속밀도가 낮다 3) 압축응력이 가해지면 특성이 저하된다 [tip] 아몰 여자를 (장점 가지) 점포를 압축수색 한다(단점 가지)

[해설]

아몰퍼스 합금은 결정구조가 없는 비정질 재료로, 이 특성이 자기적 손실은 줄이지만 기계적으로는 취약하게 만들어 장단점이 함께 나타난다.

장점으로는 비정질 구조라 히스테리시스손이 작아 여자전류와 철손이 매우 적고, 결정립계가 없어 자벽이동을 방해하는 구조적 결함이 없으며, 리본 형태로 제작되어 판 두께가 매우 얇다.

단점으로는 얇은 리본을 적층하다 보니 철심 단면에서 자성체가 차지하는 비율인 점적률이 낮고, 포화자속밀도가 규소강판보다 낮아 같은 용량이면 철심 단면적이 커져야 하며, 압축응력에 민감해 특성이 쉽게 저하된다.

단락전류

[해설]

변압기·발전기·모선·애자 등의 전기설비는 단락전류에 의한 기계적 충격에 견디는 강도를 갖도록 설계해야 한다.

단락사고가 발생하면 순시적으로 정격전류의 수십 배에 달하는 전류가 흘러 도체 사이에 큰 전자력이 작용하므로, 이 힘으로 도체나 지지물이 파손되지 않도록 기계적 강도를 확보해야 한다.

1) 역률 저하 2) 경부하 운전 3) 부하변동이 심한 경우 [tip] 변압기 효율은 역경부하일때 떨어지더라

[해설]

변압기 효율은 출력을 출력과 손실의 합으로 나눈 값이므로, 부하 조건이 나빠져 손실 비중이 커지면 효율이 떨어진다.

역률이 저하되면 같은 유효전력을 내기 위해 더 큰 전류가 흘러 동손이 커지고, 경부하 운전 시에는 출력에 비해 고정손인 철손의 비중이 상대적으로 커진다.

부하변동이 심하면 철손과 동손이 같아지는 최적 효율점 부근에서 운전하기 어려워 평균 효율이 낮아진다.

-장점 1) 3고조파 전류가 △ 결선 내를 순환 하므로 정현파 교류전압을 유기하여 기전력의 파형이 왜곡되지 않는다. 2) 1대 고장시 나머지 2대로 V결선하여 사용이 가능하다 3) 선전류는 상전류의 ✓3 배 이므로 대전류에 적합하다 -단점 1) 중성점을 접지할 수 없어 지락사고의 검출이 곤란하다 2) 변압기간에 권수 비가 다를 경우 순환전류가 흐른다 3) 각 상의 Z( 임피던스)가 다를 경우 상 부하가 평형이 되어도 변압기의 부하전류는 불평형이된다

[해설]

△-△ 결선은 중성점이 없는 폐루프 구조라는 특징에서 장단점이 함께 비롯된다.

장점

• 3고조파 전류가 △ 결선 내부를 순환하고 외부로 나가지 않아 기전력 파형이 정현파로 유지된다.
• 1대가 고장 나도 나머지 2대로 V결선하여 운전을 계속할 수 있다.
• 선전류가 상전류의 $\sqrt{3}$배가 되어 대전류·대용량에 유리하다.

단점

• 중성점을 접지할 수 없어 지락사고 검출이 어렵다.
• 변압기 간 권수비가 다르면 폐루프를 통해 순환전류가 흐른다.
• 각 상의 임피던스가 다르면 부하가 평형이어도 변압기별 부하전류가 불평형해진다.

-장점 1) 동량이 줄어 경제적이다 2) 동손이 감소하여 효율이 좋아진다 3) 전압강하, 전압변동률이 작다 -단점 1) 1 차측에 이상전압 발생시 2 차측에도 고전압이 유기되어 위험하다 2) 누설 임피던스가 적어 단락사고시 단락전류가 크다 -용도 1) 초고압 전력용 변압기 2) 승압 및 강압용 변압기

[해설]

단권변압기는 1차·2차 권선의 일부를 공유하는 구조라 동량이 줄어드는데, 이 구조에서 장단점과 용도가 모두 비롯된다.

장점

• 권선 일부를 공용하므로 동량이 줄어 경제적이다.
• 동손이 줄어 효율이 좋아진다.
• 누설임피던스가 작아 전압강하·전압변동률이 작다.

단점

• 1차측에 이상전압이 발생하면 공용 권선을 통해 2차측에도 고전압이 유기되어 위험하다.
• 누설임피던스가 작은 만큼 단락사고 시 단락전류가 크다.

이러한 특성 때문에 동량 절감 이득이 큰 초고압 전력용 변압기나, 전압비가 크지 않은 승압·강압용(기동보상기 등)에 주로 쓰인다.

1) 유온계 2) 방압 안전장치 3) 브흐홀쯔 계전기 4) 비율차동 계전기 5) 충격압력 계전기

[해설]

대용량 변압기는 내부에 이상이 생기면 절연유의 온도·압력이 변하고 가스가 발생하며 1·2차 전류의 균형이 깨지므로, 이 변화들을 각각 감시하는 장치를 함께 설치한다.

• 유온계: 절연유 온도를 감시해 과열 여부를 확인한다.
• 방압안전장치: 내부압력이 급상승하면 이를 방출해 탱크 파손을 막는다.
• 브흐홀쯔 계전기: 내부고장 시 발생하는 가스와 유류 이동을 검출해 경보·차단한다.
• 비율차동계전기: 1차·2차 전류의 불평형 비율로 내부 단락을 검출한다.
• 충격압력계전기: 내부 아크로 인한 급격한 압력 상승을 검출해 트립시킨다.

1) 극성이 같을것 > 다르면 : 큰 순환전류가 흘러 권선이 소손된다 2) ％임피던스 강하가 같을것 > 다르면 : 부하분담의 불균형이 일어난다 3) 권수비가 같을것 > 다르면 : 순환전류가 흘러 권선이 가열된다 [tip] 극강권

[해설]

두 변압기를 병렬로 연결했을 때 2차 단자전압이 서로 다르면, 그 전위차가 폐회로를 통해 순환전류를 만들어내므로 이를 막기 위한 조건이 필요하다.

극성이 다르면 2차 기전력이 서로 더해져 매우 큰 순환전류가 흘러 권선이 소손되고, %임피던스 강하가 다르면 부하전류가 임피던스에 반비례로 나뉘어 부하분담이 불균형해진다.

권수비가 다르면 무부하 상태에서도 2차 전압차로 순환전류가 흘러 권선이 가열되므로, 세 조건이 모두 일치해야 안정적인 병렬운전이 가능하다.

1) 권선과 철심간의 절연파괴에 의한 지락사고 2) 권선의 상간단락 및 층간단락 3) 권선의 단선사고 4) 고저압권선의 혼촉 5) 부싱 리드선의 절연파괴 6) 지속적 과부하에 의한 과열사고 [tip] 권철 상단은 고부지 옥외고에 있다

[해설]

변압기 사고는 대부분 절연물의 열화·손상에서 비롯되며, 발생 부위에 따라 다음과 같이 구분된다.

• 권선과 철심 사이 절연이 파괴되면 철심을 통해 지락사고로 이어진다.
• 진동이나 절연피막 손상으로 권선의 상간·층간이 단락된다.
• 국부 과열이나 기계적 충격으로 권선이 단선된다.
• 절연물 손상이나 배치 불량으로 고압권선과 저압권선이 혼촉한다.
• 부싱 내부 절연물이 열화·오손되어 리드선 절연이 파괴된다.
• 냉각능력을 초과하는 지속적 과부하가 절연물 열화를 가속해 과열사고로 이어진다.

1) 여러가지 조건이 중복되었을 경우 2) 온도 상승시험 기록에 미달일 경우 3) 주위온도가 저하 되었을 경우 4) 부하율이 저하 되었을 경우 5) 단시간사용할 경우 [tip] 여럿이 온 주부단에 과부있다

[해설]

변압기 정격은 기준 주위온도와 표준 부하조건을 전제로 정해지므로, 실제 운전조건이 그보다 여유가 있어 절연물의 온도상승이 한도 안에 머무는 경우에는 일시적인 과부하 운전이 허용된다.

• 손실을 줄이는 여러 조건이 동시에 중복되는 경우
• 온도상승시험 기록이 규정값에 미달해 여유가 있는 경우
• 주위온도가 기준보다 낮아 냉각에 여유가 있는 경우
• 직전 부하율이 낮아 열적 여유가 축적된 경우
• 단시간만 사용하는 경우

1) 고 배향성 규소강판사용 > 철손 감소 2) 고효율 변압기 개발> 몰드, 아몰퍼스 3) 고 전압화되어 권선량 감소 4) 절연물의 절연성능 향상에 따른 두께 감소 [tip] 고 배효전씨가 소형인 이유는 절대 냉철함(까다로운 성격 상상)때문이다

[해설]

철심 재료·설계와 절연기술이 발전하면서 손실이 줄고 부피도 함께 축소되었다.

고배향성 규소강판을 사용해 자속방향의 자기저항을 낮춰 철손을 줄이고, 몰드·아몰퍼스 같은 고효율 변압기가 개발되어 손실을 더 낮췄다.

또한 고전압화로 동일 용량 대비 흐르는 전류가 줄어 권선량(동량)이 감소하고, 절연물 성능이 향상되어 절연 두께를 줄이면서도 필요한 절연내력을 확보할 수 있게 되었다.

1) 충격 압력 계전기 2) 충격 가스압 계전기 3) 부흐홀쯔 계전기

[해설]

특고압 대용량 변압기의 내부고장은 아크·단락으로 급격한 압력·가스를 발생시키므로, 이를 검출해 신속히 차단하는 계전기가 필요하다.

브흐홀쯔 계전기는 본체와 콘서베이터 사이에 설치되어 완만한 가스 발생에는 경보, 급격한 유류 이동에는 트립으로 동작한다.

충격압력계전기와 충격가스압계전기는 내부 아크로 인한 급격한 압력 상승을 직접 검출해 브흐홀쯔 계전기보다 더 빠르게 차단 신호를 낼 수 있다.

정격전류가 흐를때 변압기내의 전압강하다

[해설]

임피던스전압은 변압기 2차를 단락한 상태에서 정격전류가 흐르도록 1차에 전압을 가했을 때 나타나는 변압기 내부의 전압강하로, 내부 임피던스의 크기를 전압 단위로 나타낸 값이다.

이를 정격전압에 대한 백분율로 나타낸 것이 %임피던스이며, 단락전류의 크기(%임피던스에 반비례)와 병렬운전 시 부하분담을 결정하는 핵심 지표로 쓰인다.

변압기 내부고장검출

[해설]

비율차동계전기는 변압기 1차·2차 전류의 차이(차전류)와 억제전류의 비율로 내부고장만을 선택적으로 검출해 차단하기 위해 설치한다.

정상 운전이나 외부(관통) 고장에서는 1차·2차 전류가 변압비에 따라 균형을 이뤄 차전류가 거의 0이지만, 권선 내부에서 단락이 발생하면 이 균형이 깨져 차전류가 커지므로 이를 검출해 오동작 없이 내부고장만 신속히 차단할 수 있다.

시험용 변압기의 2 차측을 단락한 상태에서 슬라이닥스를 조정하여 1 차측 단락전류가 1 차측 정격전류와 같을때 1 차측 단자전압

[해설]

임피던스전압 측정은 실제 정격전류가 흐를 때의 내부 전압강하를 안전하게 재현하기 위해 2차측을 단락한 상태에서 시험한다.

2차를 단락하면 정격전압을 걸지 않아도 슬라이닥스로 전압을 서서히 올려 1차 정격전류와 같은 크기의 단락전류를 흘릴 수 있고, 이때의 1차측 단자전압이 곧 임피던스전압이며 이 값으로부터 %임피던스와 동손을 구할 수 있다.

시험용 변압기의 고압측을 개방한 상태에서 슬라이닥스를 조정하여 교류 전압계의 지시값이 저압축의 정격전압 값일때의 전력계의 지시값

[해설]

철손은 철심의 자속 변화에 따른 손실이어서 인가전압에만 의존하고 부하전류와는 무관하므로, 부하를 걸지 않은 무부하 상태에서 측정한다.

고압측을 개방하고 저압측에 슬라이닥스로 전압을 올려 전압계 지시값이 저압측 정격전압이 되도록 맞추면, 이때 흐르는 것은 여자전류뿐이므로 전력계 지시값이 곧 철손(무부하손)에 해당한다.

무부하 상태에서 변압기의 권수비를 조정하여 변압기 2차측 전압을 조정하는 장치

[해설]

탭절환은 권선의 접속점을 바꿔 권수비를 조정하는 방식이므로, 부하전류가 흐르는 상태에서 전환하면 아크가 발생해 위험하기 때문에 무부하 상태에서만 조작하도록 만든 장치다.

이를 통해 계통전압 변동에 대응해 변압기 2차측 전압을 일정 범위로 조정할 수 있으며, 부하가 걸린 상태에서 전환이 필요하면 별도의 부하시탭절환장치(OLTC)를 사용한다.

부하에 관계없이 전원만 공급하면 발생하는 손실로 철손 등이 있다

[해설]

무부하손은 전원만 인가하고 부하를 연결하지 않아도 발생하는 손실로, 부하전류와 무관하게 일정하게 나타나는 고정손이다.

주성분은 철심에서 발생하는 철손(히스테리시스손+와류손)이며, 부하 유무와 관계없이 계속 발생하므로 경부하 운전이 잦을수록 전체 손실에서 차지하는 비중이 커진다.

브흐홀쯔 계전기

[해설]

브흐홀쯔 계전기는 변압기 본체와 콘서베이터 사이 배관에 설치되어, 내부고장 시 절연유가 아크열에 분해되며 발생하는 가스와 유류의 이동을 검출한다.

경미한 고장으로 가스가 서서히 발생하면 경보 접점이 동작하고, 심한 고장으로 급격한 유류 흐름이 생기면 트립 접점이 동작해 차단기를 개방한다.

콘서베이터 설치 [tip] 콘서트에서 같이 호흡한다

[해설]

호흡작용의 문제는 외기가 절연유와 직접 접촉하는 데서 비롯되므로, 절연유와 외기 사이에 완충 공간을 두어 접촉을 최소화하는 방식으로 해결한다.

콘서베이터를 본체 위에 설치하면 절연유의 팽창·수축이 콘서베이터 내에서만 일어나고 외기와 맞닿는 면적이 줄어들어, 수분·불순물이 본체 절연유로 유입되는 것을 억제할 수 있다.

변압기 내외 온도차로 인해 변압기 내부에 있는 절연유의 부피가 수축·팽창하게 되고, 이로인해 외부공기가 변압기 내부로 출입하게 되는 현상

[해설]

호흡작용은 부하·주위온도 변화로 절연유 온도가 오르내리며 부피가 변하고, 그에 따라 변압기 내부 공기가 외부와 드나드는 현상이다.

온도가 오르면 절연유가 팽창해 내부 공기를 밖으로 밀어내고, 온도가 내리면 절연유가 수축하며 외부 공기를 끌어들이는데, 이 과정이 반복되며 외기 중 수분·불순물이 유입되는 통로가 된다.

변압기 내부에 수분 및 불순물이 혼입되어 절연유의 절연내력이 감소하고 침전물이 발생

[해설]

호흡작용으로 유입된 외기의 수분과 불순물이 절연유에 축적되는 것이 근본 문제다.

수분이 절연유에 섞이면 절연내력이 크게 떨어지고, 불순물은 시간이 지나며 침전물(슬러지)로 쌓여 냉각통로를 막거나 절연을 더욱 저하시키는 악순환을 일으킨다.

고저압 흔촉시 저압측 전위상승 억제

[해설]

주상변압기 저압측 한 단자를 접지하는 것은, 고압권선과 저압권선이 혼촉했을 때 저압측 전위가 위험한 수준까지 상승하는 것을 억제하기 위함이다.

접지가 없다면 혼촉 시 저압측 전체가 고압 전위 가까이 떠올라 수용가 설비와 인체에 감전 위험이 커지지만, 한 단자를 접지해 두면 고장전류가 대지로 흘러 저압측 전위상승이 억제된다.

이 접지는 KEC(한국전기설비규정)의 고압·특고압과 저압의 혼촉에 의한 위험방지 시설 규정에 따라 시공한다.

1) 유입 자냉식 2) 유입 풍냉식 3) 유입 수냉식 4) 송유 풍냉식 5) 송유 수냉식 [tip] 유자풍수 송풍수

[해설]

변압기 냉각방식은 냉각매체(절연유·공기·물)와 순환방식(자연·강제)의 조합으로 구분되며, 위 5가지가 대표적인 종류다.

• 유입 자냉식: 절연유의 자연대류만으로 열을 방열기에서 방출.
• 유입 풍냉식: 방열기에 송풍기를 달아 강제 통풍으로 냉각효과를 높인 방식.
• 유입 수냉식: 유중 냉각관에 냉각수를 순환시켜 열을 흡수.
• 송유 풍냉식: 펌프로 절연유를 강제순환시키고 송풍기로 냉각.
• 송유 수냉식: 펌프로 절연유를 강제순환시키고 냉각수로 열을 흡수.

뒤로 갈수록 유동을 강제로 만들어 냉각능력이 커지므로, 대용량 변압기일수록 송유식이 채택된다.

유입 변압기에 방열기를 부착하고 송풍기에 의해 강제 통풍시켜 절연유를 식히는 방식 [tip] 유풍 방송식

[해설]

유입풍냉식은 유입 변압기의 방열기에 송풍기를 달아 공기를 강제 순환시켜 절연유의 방열효율을 높인 냉각방식이다.

자연대류만 이용하는 유입자냉식보다 냉각능력이 커서 같은 크기라도 더 큰 용량을 낼 수 있어, 부하가 큰 배전용·수전용 변압기에 주로 적용된다.

다만 송풍기 고장 시 냉각능력이 급격히 떨어지므로 송풍기 동작 상태를 감시하는 것이 일반적이다.

2 차측 전압 조정을 위해 설치한다

[해설]

배전용 변압기 고압측에 탭을 여러 개 두는 것은 2차측 전압을 조정하기 위해서다.

배전선로는 부하 변동이나 선로 길이에 따라 전압강하가 달라지므로, 1차 권선의 유효 권수를 탭 절환으로 바꿔 권수비를 조정하면 2차측(수용가측) 전압을 규정 범위 안으로 유지할 수 있다.

일반적으로 무전압 탭절환(무여자 탭절환)을 쓰며, 부하 상태에서 조정이 필요하면 부하시탭절환장치(OLTC)를 사용한다.

한상 결상시 역V결선 되어 과부하로 인해 번압기가 소손될 우려가 있다

[해설]

1차측 중성점을 접지하지 않고 부동시키는 것은 한 상이 결상됐을 때 역V결선이 되어 남은 변압기가 과부하로 소손되는 것을 막기 위해서다.

단상 2부싱 변압기 2대로 Y-△ 결선한 계통에서 1차 중성점을 접지해 두면, 한 상이 결상돼도 접지된 중성점(대지)을 통해 전류 경로가 남아 나머지 1대만으로 계속 급전되는 역V결선 상태가 된다. 이때 남은 한 대가 3상 부하를 혼자 떠안게 되어 정격을 넘는 과부하 전류가 흐른다.

중성점을 부동시켜 두면 결상 시 회로가 개방돼 이상 상태가 곧바로 드러나므로, 변압기 보호와 결상 검출 측면에서 접지하지 않는 것이 유리하다.

실리카겔

[해설]

유입변압기의 흡습제로는 실리카겔이 사용된다.

절연유는 대기 중 수분을 흡수하면 절연내력과 냉각성능이 떨어지고 산화가 촉진되는데, 실리카겔이 호흡기를 통해 유입되는 공기 중 수분을 흡착해 절연유의 열화를 억제한다.

실리카겔은 수분을 흡수하면 청색에서 분홍색(적색)으로 변색되므로, 이 색 변화로 흡습 포화 여부를 점검하고 교체 시기를 판단한다.

흡습호흡기

[해설]

흡습제와 절연유가 담긴 2개의 용기로 구성돼 절연유 열화를 막는 장치가 흡습호흡기(브리더)다.

변압기 내부 유온 변화로 공기가 드나들 때(호흡작용), 외기는 먼저 절연유가 담긴 오일컵을 지나며 먼지·이물질이 걸러지고, 이어 실리카겔이 든 용기를 통과하며 수분이 제거된 뒤 변압기 내부로 유입된다.

이 구조 덕분에 외기의 수분과 불순물이 절연유에 직접 유입되지 못해 절연유의 산화·열화를 늦출 수 있다.

1) 과전압 계전기 2) 과전류 계전기 3) 주파수 계전기 4) 부족전압 계전기 5) 비율차동 계전기

[해설]

자가용 발전설비의 보호에는 전압·전류·주파수 이상과 변압기 내부고장을 각각 검출하는 5종의 계전기가 조합돼 사용된다.

• 과전압 계전기: 계통 전압 상승 시 동작해 기기를 보호.
• 과전류 계전기: 단락·과부하로 전류가 커지면 동작.
• 주파수 계전기: 계통 주파수가 상하한을 벗어나면 검출해 발전기를 보호.
• 부족전압 계전기: 전압이 규정치 이하로 떨어지면 검출해 기기를 분리·보호.
• 비율차동 계전기: 변압기 1차·2차 전류 차이로 내부고장을 검출.

각 계전기가 서로 다른 이상 현상을 담당하므로, 조합돼야 발전설비 전반의 보호가 이루어진다.

[사진참고]