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변압기이론

변압기 결선방식

[건83-2]전력용 변압기의 결선방식에 따른 특성과 장·단점을 설명하시오
[건89-2]단상 변압기 3대를 Δ-Δ결선 운전 중에 단상변압기 1대 고장으로 V-V결 선 운전을 해야 할 경우 이용률, 출력량 및 각상 전압 변동율과 역율 관계, 그리고 유도전동기에 미치는 영향에 대해 설명하시오.

Δ-Δ결선방식

장점

① 1차측과 2차측 전압, 전류의 위상차가 없다. 즉 각변위가 발생하지 않는다.
② 제 3고조파 전류가 △결선 내에서만 순환되며, 선로에는 흐르지 않는다.
③ 3고조파 전류가 선로에 흐르지 않아 통신선 유도장해 없다.
④ 1상분이 고장이 발생해도 나머지 2대로 V 결선하여 전력공급을 지속할 수 있다.
→ 변압기 출력은 △-△결선에 비해서 57.7%로 낮추어 운전해야 하며, 변압기 이용률은 86.6%로 감소되는 특징이 있다.

단점

① 권수비가 다른 변압기와 병렬운전시에 순환전류 발생한다.
② 선간전압과 상전압이 동일하여 권선의 절연비가 상승하게 되는 단점이 있다.

용도

① 비접지 계통에 주로 적용되는 변압기로 산업용 계통에서 많이 채용된다.
② 각 변압기의 상전류가 선전류의 1/1.73 이 되어 대전류에 적당하다.

Y-Y 결선방식

장점

① 1차측과 2차측전압 전류의 위상차가 없다 즉 각변위가 발생하지 않는다.
② 상전압이 선간전압의 1/1.73 이므로 절연이 용이하고, 고전압의 결선이 적합하다
③ 중성점을 접지할 수 있으므로 저감 및 단절연 방식을 채택할 수 있어, 절연비가 저감되는 큰 장점을 갖는다.

단점

① 중성점 접지 또는 중성선이 없는 경우에는 제 3고조파 여자전류의 통로가 없으 므로 기전력의 왜곡발생이 발생된다.
② 중성선에 3고조파가 흘러 통신선 유도장해를 발생시킨다.
③ 부하의 불평형에 의해 중성점 전위가 변동이 발생한다.

용도

① 3고조파 문제로 인하여 Y-Y결선만을 사용하지 않고 3차측 권선에 Δ결선(안정권)을 두어 (Y-Y-Δ), 3고조파 전류를 순환시켜 Y-Y결선의 결점을 보완한 결선을 사용한다.
② 중성점 접지로 저감 및 단절연이 가능하여 절연 및 지락보호에 유리한 받식으로 우리나라는 154kV 이상의 변전소의 주변압기에 채용되는 변압기 결선이다

Δ-Y, Y-Δ결선

장점

① Y결선측 중성점 접지로 저감 및 단절연, 지락보호에 유리하다.
② 제3고조파 △결선 내에서 순환시켜 유기 기전력에 왜곡이 발생하지 않는다.
③ 권수비가 다른 변압기와 병렬운전시에도 순환전류가 흐르지 않는 장점이 있다.

단점

① 1차측과 2차측 전압의 위상차가 30° 위상차 발생된다.
② Y결선 접지된 경우는 통신선 유도장해를 발생시킨다.

용도

① 일반적으로 △-Y는 승압기로, Y-△는 강압기 용도에 적합하다. 또는 부하의 종 류에 따라서 2차측의 결선방식을 선택하여 적용한다.

② 고조파가 많이 발생되는 부하의 계통 연계용 변압기로 적합하다. → 분산전원 계통연계용 변압기 및 대부분 수용가에서 채용하는 변압기 형식이다.

V-V결선

장점

두대의 변압기로 3상 부하에 전력을 공급할 수 있는 장점을 갖는다

단점

① 변압기 출력비가 57.7%로 저감, 이용률이 86.6%로 저감된다.
② 각 상의 전압변동률이 상이하므로 출력전압의 불평형이 나타난다. 이 결선을 통 해 회전기에 전력을 공급하는 경우는 역상분 전류의 영향을 준다.

용도

장래 부하가 증가할 전망이 있는 곳에 Δ-Δ 결선으로 할 것으로 예상하여 우선 2대로 V결선하여 사용하고자 하는 경우

V-V결선
V-V결선

Δ-Δ변압기의 출력(평형인 저항부하로 가정)

\[ P _{Δ }=V _{ab} I _{ba} \cos \theta +V _{bc} I _{cb} \cos \theta +V _{ca} I _{ac} \cos \theta \]\[=3VI _{phase} \cos \theta =3VI _{phase} \]

V-V변압기의 출력(평형인 저항부하로 가정)

V-V결선
V-V결선

→전류가 평형인 부하조건에 의하여 a, c상 전류가 1.73배 증가하여 b상 전류와 동일하게 되고, 위상도 120° 로 3상평형을 이룬다
→V-V 결선에서는 저항부하인 경우에도 전압보다 30° 뒤진 전류가 흐른다

V-V결선
\[ P_V=V_{ab} I_{ba} \cos( -30) +V_{bc} I_{cb} \cos 30 \]\[=V I_{phase} \times \frac{ \sqrt { 3} } { 2} +V I_{phase} \times \frac{ \sqrt { 3} }{2 } =\sqrt { 3} VI_{phase} \]

V-V결선의 출력비

\[ \frac{ P _V} {P_ Δ}=\frac { \sqrt { 3 } V I_{phase} } { 3 V I_{phase}} =0.577\]

Δ-Δ결선으로 운전 중인 변압기가 1대 고장이 나서 V-V결선으로 사용할 때는 변압기의 출력은 57% 수준으로 저감되는 것을 나타낸다

V-V결선의 이용율

\[ 이용률=\frac{ P_V} { 2대 용량} \times 100\]\[= \frac{ \sqrt { 3} V I_{phase} } {2 V I_{phase} } \times 100 = 86.6 [\%] \]

V-V결선을 한 변압기는 2대분의 용량을 모두 사용하지못하고 86.6%만을 출력으로 사용된다. 이것은 위에서 언급했듯이 부하가 순저항 부하라 할지라도 전류가 30 뒤진 전류가 흘러 그 만큼 변압기의 출력은 감소되는 결과가 나온다

V-V결선의 각상의 전압변동률

V-V결선이 갖는 단점 중에 하나가 바로 각상의 전압변동률이 다르게 발생한다는 것이다. 이것은 모든 상에 권선이 존재하지 않는것이 원인으로 작용한것이다. 그러므로 실제로 변압기 2차측 단자전압은 3상모두 크기가 상이한 불평형의 전압이 출력된다고 할 수 있다.

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