[전기 이론] 변압기

 변압기는 영어로 Transformer, 한자로 變壓器로 변형된다는 의미로 상호유도원리를 이용하여 교류 전압을 낮추거나 높이는 데 사용하는 기기이다. 변압은 2가지로 나뉘는데 전압을 높이는 기기는 승압기, 전압을 낮추는 기기는 강압기라 한다.

 

 우리나라의 변압시스템은 아래와 같으며, 발전소에서 만들어진 10kV~20kV의 전압을 765kV로 승압하고 765kV를 365kV/154kV를 강압하고 또 낮춰진 전압을 22.9kV로 강압하여 큰 전기를 사용하는 곳은 22.9kV를 받아서 사용하며 가정에서는 이를 더 강압하여 220V, 380V로 사용한다.

우리나라 송전 시스템

 

 변압기의 원리는 1차 측의 코일의 교류 전류를 넣게 되면 전류는 코일을 통과하며 자속을 만들게 된다. 이 자속은 철심을 타고 반대편 코일로 이동하여 반대쪽 코일은 자기장의 변화로 영향을 받아 전기를 만들게 된다. 이 전압의 크기는 코일의 감은 수에 의해서 결정되며 만약 220V가 1차 측으로 입력되고 1차 측의 코일이 100번 감겨져 있다고 가정했을 때, 2차 측의 코일이 50번만 감겨져 있다면 전압은 110V가 출력되는 것이고 200번이 감겨져 있다면 440V가 출력되는 것이다. 이는 앞서 다뤘던 패러데이의 전자기유도 법칙을 이용한 것이다.

 

변압기의 원리 / 출처 : https://m.blog.naver.com/winzone/70170363638

 

 즉, 출력되는 전압의 조절은 2차 측의 권수를 1차에 비해서 많이 하느냐, 적게 하느냐에 따라서 변압을 한다는 것이고 아래의 식과 같이 권수비 공식을 나타낼 수 있다.

권수비 공식

 

 또한 변압기는 2차 측에 여러 개의 탭을 내어 권수를 다르게 하여 다양한 전압을 출력할 수 있도록 할 수 있다.

다양한 전압 출력

 

 변압기의 주재료는 철심과 구리이며, 변압기의 구조를 크게 살펴보면 철심, 권선, 부싱, 절연으로 나눌 수 있다. 가장 먼저 철심은 변압기의 몸체를 이루는 물질로 코일에서 만들어진 자기장을 2차 측으로 전달하는 역할을 수행하며 투자율이 클수록 좋다고 볼 수 있다. 투자율이란 어떤 매질이 주어진 자기장에 대해서 얼마나 자화되는지를 나타내는 값을 의미한다.

 

 철심의 형태는 크게 3가지로 볼 수 있는데 내철형, 외철형, 권철심형이 있다.

  - 내철형 : 권선이 철심을 감는 형태

  - 외철형 : 철심이 권선을 감는 형태

  - 권철심형 : 권선 주위에 방향성 규소 강판을 감아 철심으로 한 형태

철심 형태의 종류 / 출처 : http://eunlovei.com/bbs/board.php?bo_table=school03&wr_id=6&page=1

 

 권선은 변압기에 사용되는 코일인 도체를 의미하며 이를 통하여 전류가 통하게 되고 권선을 감는 횟수를 통하여 변압을 하는 역할을 수행한다.

 

 부싱은 변압기의 내부 권선으로부터 외함을 관통하여 도체와 연결할 때 관통 부분에 사용하는 절연물의 관을 의미한다.

 

 절연은 전기적인 안전을 위한 철심과 권선 사이, 권선 상호간, 권선의 층간에 절연을 해주어야 하는데 특히 변압기 성능을 저해시키는 가장 큰 원인은 온도 상승으로 다음과 같은 종별 최고 허용 온도를 정리할 수 있다.

종류	최고 사용 온도
Y종	90°C
A종	105°C
E종	120°C
B종	130°C
F종	155°C
H종	180°C
C종	180°C 초과

 비교적 용량이 큰 변압기의 경우, 절연과 냉각을 위해서 변압기 내부에 기름을 넣은 유입 변압기를 사용하는데 이 기름을 절연유라고 한다. 이 절연유도 자동차의 엔진오일을 교체하는 것처럼 적절한 시기에 교체를 해주어야 외부적인 충격으로 인한 권선의 아크나 단락에 의한 손상을 막을 수 있다.

 

출처 : 월간전기

변압기 내부구조 2 / 출처 : https://www-goalmoneyhappydiffusion-com.tistory.com/entry/%EB%B3%80%EC%95%95%EA%B8%B0%EC%9D%98-%EC%A2%85%EB%A5%98-%EB%B0%8F-%EB%B0%B0%EC%A0%84%EC%9A%A9-%EB%B3%80%EC%95%95%EA%B8%B0-%EA%B5%AC%EC%A1%B0

 

 변압기를 운전하게 되면 권선과 철심에서 발생하는 손실들은 대부분 열에너지의 형태로 방출이 된다. 이 방출되는 열은 변압기의 온도를 높이고 절연물에 부정적인 영향을 주기 때문에 변압기의 수명 및 성능을 저하시키는 원인이 된다. 이러한 변압기의 냉각방식에 따라서 변압기의 구조가 달라진다.

방식	기호	특징
건식 자냉식	AN	변압기 본체가 공기로 인해 자연적으로 냉각되도록 한 것으로 공기의 대류 방식을 이용하며 소용량 변압기에 사용
건식 풍냉식	AF	건식 변압기에 송풍기를 이용하여 통풍시키는 방식
유입 자냉식	ONAN	변압기 외함 속에 절연유를 넣고 그 속에 권선과 철심을 넣어 변압기에서 발생한 열을 기름의 대류 작용으로 외함에 전달하고, 외함에서 열을 대기로 발산시키는 방식
유입 수냉식	OW	상부 기름에 냉각관을 두어 이것에 냉각수를 순환시켜 냉각하는 방식
유입 풍냉식	ONAF	방열기를 설치한 유입변압기에 송풍기를 이용하여 통풍을 시켜 냉각 효과를 높이는 방식
송유 풍냉식	OFAF	변압기 외함 내에 들어있는 기름을 펌프를 이용하여 외부에 있는 냉각 장치로 보내 냉각을 시키고 냉각된 기름을 다시 외함 내부로 공급하는 방식

 

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