변압기(손실과 효율)

변압기 효율과 부하율의 관계

변압기 효율이란 투입된 전력에 대한 유효 출력 전력의 비율을 의미합니다. 즉, 변압기가 얼마나 효율적으로 전력을 변환하는지를 나타내는 지표입니다.

• 부하율이 낮을 때:
  • 변압기의 동손은 부하 전류의 제곱에 비례
  • 부하율이 낮으면 동손에 비해 철손이 상대적으로 커져 효율이 낮아짐
• 부하율이 높을 때:
  • 동손이 증가하여 효율이 감소
  • 철손은 일정하므로 부하율이 낮을 때보다는 효율이 높다
• 최고 효율점:
  • 변압기의 동손과 철손이 같아지는 지점

• 부하율
  • 변압기 용량 대비 실제 사용하는 용량의 비율을 의미합니다.
  • 변압기는 부하율이 높을수록 효율이 높아지는 경향
  • 변압기 손실은 크게 철손(무부하손)과 동손(부하손)
  • 철손은 부하와 관계없이 일정하지만, 동손은 부하 전류의 제곱에 비례하기 때문입니다.
  • 따라서 부하가 증가하면 상대적으로 동손이 차지하는 비중이 커져 전체 효율이 높아집니다.

하지만, 부하율이 너무 높으면 과부하로 인해 변압기 수명이 단축되거나 고장 발생의 위험이 증가하므로, 적정 부하율을 유지하는 것이 중요합니다. 일반적으로 변압기는 80% 부하율에서 최대 효율을 나타내는 경우가 많습니다.

유입변압기와 몰드변압기의 특성 비교

유입변압기

절연유를 절연 매체로 사용하는 전통적인 변압기입니다. 방열 성능이 우수하고 소음이 적지만, 크기가 크고 무거우며, 화재 위험이 있습니다.

• 절연: 절연유를 사용하여 권선과 철심을 절연하고 냉각시킵니다.
• 특징:
  • 대용량 변압기에 적합합니다.
  • 냉각 성능이 우수하여 과부하 내량이 높습니다.
  • 절연유 관리가 필요하며, 누유 가능성이 있습니다.
  • 소음이 적고 진동이 적습니다.
• 장점:
  • 대용량, 고전압 변압기에 적합
  • 과부하 내량이 높음
  • 긴 수명
• 단점:
  • 절연유 관리 필요
  • 누유 가능성
  • 설치 공간이 넓음
  • 화재 위험 (절연유 인화성)

몰드변압기

에폭시 수지를 절연 매체로 사용하는 변압기입니다. 크기가 작고 가볍고, 습기나 먼지에 강하며, 화재 위험이 적지만, 방열 성능이 상대적으로 낮고 소음이 클 수 있습니다.

• 절연: 에폭시 수지 등의 몰딩 재료로 권선과 철심을 고정하고 절연시킵니다.
• 특징:
  • 소형 경량이며, 설치가 용이합니다.
  • 내열성, 내습성이 우수합니다.
  • 소음이 크고, 진동이 발생할 수 있습니다.
• 장점:
  • 소형 경량
  • 내열성, 내습성 우수
  • 설치 공간 절약
• 단점:
  • 과부하 내량이 상대적으로 낮음
  • 수리 및 보수가 어려움
  • 고온 환경에서 성능 저하 가능성

변압기 선정 시 고려 사항

• 1.설치 환경:
  • 주변 온도, 습도, 진동 등 설치 환경을 고려하여 변압기를 선택해야 합니다.
• 4.부하 용량:
  • 예상되는 부하 용량에 맞는 적절한 용량의 변압기를 선택해야 합니다.
• 5.전압:
  • 1차측 및 2차측 전압을 정확히 확인하고, 변압기의 정격 전압과 일치하는 제품을 선택해야 합니다.
• 7.주파수:
  • 사용하는 전원의 주파수에 맞는 변압기를 선택해야 합니다.
• 9.운전 조건:
  • 변압기의 운전 조건(부하 변동, 과부하 등)을 고려하여 여유 용량을 확보해야 합니다.
• 13.냉각 방식(온도상승):
  • 설치 환경에 따라 공냉식, 유냉식 등 적절한 냉각 방식을 선택해야 합니다.
• 효율: 에너지 효율이 높은 변압기를 선택하면 운전 비용을 절감할 수 있습니다.
• 안전: 안전 규정에 맞는 변압기를 선택하고, 안전하게 설치해야 합니다.

• 가격: 예산 범위 내에서 최적의 성능을 가진 변압기를 선택해야 합니다.
• 수명: 변압기의 수명을 고려하여 내구성이 높은 변압기를 선택해야 합니다.
• 안전성: 화재, 폭발 등의 위험을 최소화하기 위해 안전성이 높은 변압기를 선택해야 합니다.

변압기 수명과 과부하 운전

변압기의 수명은 주로 절연 물질의 열화 정도에 의해 결정됩니다. 과부하 운전 시 변압기 내부 온도가 상승하게 되고, 이는 절연 물질의 열화를 가속화하여 변압기의 수명을 단축시키는 주요 원인이 됩니다.

과부하 운전 시 발생하는 문제점:

• 절연 열화 가속화: 높은 온도는 절연 물질의 수명을 단축시키고, 절연 파괴의 가능성을 높입니다.
• 권선 손상: 과도한 전류는 권선에 열을 발생시켜 절연 피복의 손상, 권선 단락 등을 유발할 수 있습니다.
• 기계적 강도 저하: 고온 상태에서 장시간 운전하면 변압기의 기계적 강도가 저하되어 변형이나 파손이 발생할 수 있습니다.
• 부분방전 발생: 과부하 운전 시 부분 방전이 발생할 가능성이 높아져 절연 열화를 더욱 가속화시킵니다.

과부하 운전 시 고려 사항

• 과부하 허용 시간: 변압기의 종류, 용량, 냉각 방식 등에 따라 과부하 허용 시간이 다릅니다. 제조사의 데이터 시트를 참고하여 과부하 허용 시간을 확인해야 합니다.
• 과부하 허용 온도: 과부하 운전 시 변압기 내부 온도가 허용 온도를 초과하지 않도록 주의해야 합니다. 일반적으로 95°C 이상의 온도 상승은 절연 수명을 단축시키는 주요 원인이 됩니다.
• 과부하 횟수: 과부하 운전 횟수가 많아질수록 변압기의 수명은 단축됩니다. 가능한 한 과부하 운전 횟수를 줄여야 합니다.
• 부하 변동: 부하 변동이 심할 경우, 변압기 내부 온도가 불안정해져 열화를 가속화시킬 수 있습니다. 부하 변동을 최소화하기 위한 노력이 필요합니다.
• 냉각 시스템: 변압기의 냉각 시스템이 정상적으로 작동하는지 확인하고, 필요한 경우 냉각 시스템을 보강해야 합니다.

과부하 운전을 위한 대책

• 부하 관리: 부하를 분산시키거나, 피크 시 부하를 줄이는 등의 방법으로 과부하를 방지해야 합니다.
• 변압기 용량 증설: 부하 증가가 예상되는 경우, 미리 변압기 용량을 증설하여 과부하를 방지해야 합니다.
• 온라인 모니터링: 변압기의 온도, 부하 전류 등을 실시간으로 모니터링하여 이상 징후를 조기에 감지하고, 필요한 조치를 취해야 합니다.
• 정기적인 점검: 정기적인 점검을 통해 변압기의 상태를 확인하고, 이상이 발견될 경우 신속하게 조치해야 합니다.