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변압기이론

단권 변압기

[발80-2] 345[kV], 765[kV] 계통에서 사용하는 단권변압기를 2권선 변압기로 환산 하는 방법을 유도(Y결선의 한상의 경우로)하시고, 단권변압기의 장·단점을 기술하시오.
[발81-1] 권수비가 a인 단상변압기를 단권변압기로 결선하여 사용할 경우 용량의 변화는 어떻게 되는지 설명하시오.
[발95-4] 초고압 전력계통에 있어서 단권변압기가 이용되고 있다. 이 변압기의 장 점과 문제점에 대하여 설명하시오.

단권변압기

1) 변압기의 1,2차 권선이 권선의 일부를 동유하는 구조이다
2) 1,2차 공유부분을 공통권서(분로권선), 공유하지 않는 부분을 직렬권선이라 한다.
3) 단권변압기는 2권선 변압기(분권 변압기)에 비해서 동량의 감소로 인하여 크기및 중량이 감소되는장점을 갖는 변압기로, 우리나라의 경우 345KV이상 초고압 발전소에 채용되고 있다.

단권변압기 특성 해석

단권변압기

단권변압기의 부하용량(출력용량, 정격용량) :

\[P_L=V_2I_2\]

단권변압기의 자기용량(권선용량, 고유용량) :

\[ P_w =(V_2 -V_1 ) \times I_2 \]

1) 권선분비

\[ r=\frac{ P_w} {P_L } =\frac{ (V_2 -V_1 ) I_2} { V_2 I_2} =1- \frac{ V_1} {V_2 } \]\[ … ( \frac{V_1}{ V_2} = \frac{ N_1 } {N_1 +N_2 } ) \]

권선분비는 1보다 같거나 작은 값을 갖는다. 즉 변압기의 출력에 비해서 실제 권선용량이 작다는 결론이다. 이것은 2권선 변압기(분권변압기)에 비해서 동략이 적게 소모되고, 변압기의 총 사이즈, 무게가 작아진다는 것을 의미한다.

2) 권선분비 권수관계로만 표현

\[ \frac{P _{w}} {P _{L}} = \frac{N _{2}} {N _{1} +N _{2}} \to (역수) \frac{P _{L}} {P _{w}} \]\[=\frac{N _{1} +N _{2}}{N _{2}} =1+ \frac{N _{1}} {N _{2}} =1+a \]

단권변압기는 자신의 실제 권선의 용량에 비해서 1+a배의 출력(1,2차 에너지 전달= 전도+전자유도)을 낼수가 있다.
여기서, a는 2권선 변압기와 동일한 성격의 권수비이며, 단권변압기의 권수비를 말 하는 것이 아니다.
단권변압기가 2권선 변압기에 비해서 갖는 장점이 무엇인지를 설명하기 위한 것이 전재되어 있기 때문이다.

[예] 110kV, 138kV시스템에 연계된 5,000[kVA]의 단권변압기가 공통권선(N1)과 직렬권선(N2)의 권수가 110:28를 갖는다고 한다면, 단권변압기의 실제 권선의 정격은 얼마인가?

\[ \frac{ P_L} {P_w }=1+ \frac{ N_1} {N_2 }=1+ \frac{ 110}{28 } =4.93 \]
\[ P_w =\frac{ 5,000}{4.93 }=1,014 [kVA] \]

단권변압기는 1,014[kVA]의 정격을 갖는 권선이 필요하지만 반면에 분권변압기는 5,000[kVA]의 정격을 갖는 권선이 필요하다. 단권변압기는 분권변압기에 비해서 5배 가량 용량이 적어 매우 사이즈도 작아지고 경제성을 갖는 장점이 있다.

[예] 2권선 변압기를 단권변압기로 결선을 변경사용할 때 부하용량의 변화

10[kVA], 60[Hz], 2,400[V]/240[V]의 2권선 변압기를 재결선하여 2,400[V] 입력에 2,640[V] 출력의 승압 단권변압기로 사용할 때

1) 1차와 2차 정격전류을 구하라. I1=45.8[A], i2=41.7[A]

2) 정격 피상전력을 구하라. PL=110{kVA]

단권변압기(문제)

3)누설 리액턴스의 변화

\[ \%Z=\frac{PZ}{10V ^{2}} \]

관계로 2권선 변압기를 단권변압기로 바꾸어 사용하면, 실제 권선의 용량의 감소된 용량비 만큼 %임피던스도 감소하게 된다.

단권변압기의 특징

1) 장점

1) 2권선 변압기에 비해서 동량이 감소하여 가격과 무게가 줄어드는 장점
2) 1,2차를 분할해서 권선할 필요가 없으므로 그 만큼 크기가 저감된다.
→1,2차 권선간 절연에 필요한 공간이 필요없다.
3) 실제 권선의 용량보다 큰 부하를 공급할 수가 있다.
4) 누설 리액턴스 저감
5) 누설리액턴스 감소로 전압 변동률이 감소
6) 효율이 향상(철손, 동손의 감소) → 냉각이 용이해진다
7) 3상 결선시 Y결선 사용으로 중성점 접지방지 채용으로 저감절연 및 단절연하여 절연비용 절감이 가능하다

2)단점

1) 1차 회로의 2차 회로가 절연되어 있지 않으므로, 한쪽의 전기적인 사고 또는 서지가 다른쪽으로 파급되기 쉽다. 또한 절연측면에서 1차 및 2차측 절연을 동일수준으로 해야하는 단점도 가지고 있다.
2) 변압기의 %Z가 작아서 단락전류가 증가, 그러므로 기계적, 열적 강도를 크게 설계되어야 한다.
3) 2차 단자에 부하가 접속되어 있을때, 직렬권선의 임피던스에 비해 2차회로의 임피던스가 극히 적어서, Surge(충격전압)가 1차 단자에 침입할 때, 대부분이 직렬권선에 가해져서, 권선절연이나 탭간 절연을 위협할 수 있다.

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