변압기(손실과 효율)

5️⃣변압기 효율과 부하율의 관계

변압기 효율이란

투입된 전력에 대한 유효 출력 전력의 비율을 의미
변압기가 얼마나 효율적으로 전력을 변환하는지를 나타내는 지표

• 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 의미
  • 변압기는 부하율이 높을수록 효율이 높아지는 경향
  • 변압기 손실은 크게 철손(무부하손)과 동손(부하손)
  • 철손은 부하와 관계없이 일정하지만, 동손은 부하 전류의 제곱에 비례하기 때문
  • 따라서 부하가 증가하면 상대적으로 동손이 차지하는 비중이 커져 전체 효율이 높아짐

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 많

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.

최저 소비효율

• 변압기의 최저 소비효율은 해당 변압기가 반드시 만족해야 하는 최소한의 효율 기준
• 이 기준은 「에너지 이용 합리화법」 및 효율관리기자재 운용규정에 따라 정해지며, 기준치 미만의 효율을 가진 변압기는 생산, 판매, 수입이 금지됨
• 즉, 최저 소비효율은 변압기 시장 진입을 위한 최소 성능 요건 123.
• 최저 소비효율 기준은 변압기의 종류(유입, 건식 등), 용량(kVA), 1차/2차 전압에 따라 다르게 정해지며, 보통 50% 부하율 기준으로 측정
• 예를 들어, 3상 유입변압기 100kVA의 경우 최저 소비효율은 98.5%로 규정됨 14.

표준 소비효율

• 표준 소비효율은 일반적으로 고효율 변압기의 기준이 되는 효율로, 제조사나 정부에서 권장하는 목표 효율
• 표준 소비효율 이상의 효율을 가진 변압기는 고효율 변압기로 분류되며, 효율적인 에너지 사용과 전력 손실 저감에 기여 14.
• 표준 소비효율 역시 변압기의 종류와 용량별로 다르게 정해지며, 최저 소비효율보다 더 높은 값으로 설정
• 예를 들어, 3상 유입변압기 100kVA의 표준 소비효율은 99.0% 14.

최저 소비효율과 표준 소비효율의 비교

적용 및 참고사항

• 변압기 용량이 표에 없는 경우, 인접 용량의 효율 기준을 선형보간법으로 계산하여 적용 1.
• 특수 변압기(3권선 이상, 로형, 저압변압기 등) 및 시행일 이전 사용 제품, 수리품 등은 해당 기준 적용 대상에서 제외
• 변압기 효율 향상은 전력 손실 저감, 에너지 절약, 국가 전력 수급 안정화에 중요한 역할

정리

• 최저 소비효율은 변압기가 반드시 넘어야 하는 최저선, 표준 소비효율은 고효율 변압기의 기준선
• 변압기 선정 시 두 기준을 모두 고려해, 가급적 표준 소비효율 이상의 제품을 선택하는 것이 바람직합

Citations:

1. https://blog.naver.com/mgb2002/223320561137
2. https://www.etnews.com/201306250355
3. https://blog.naver.com/sjlion82/222615287221
4. https://thisspace.tistory.com/69
5. http://www.law.go.kr/conAdmrulByLsPop.do?lsiSeq=204660&joNo=0007&joBrNo=00&datClsCd=010102&dguBun=DEG&lnkText=%25EA%25B3%25A0%25EC%258B%259C%25ED%2595%2598%25EB%258A%2594&admRulPttninfSeq=13698
6. https://eep.energy.or.kr/business_introduction/effi_summary.aspx
7. https://www.hyosungheavyindustries.com/customer/download-center/catalogue/1624
8. https://eep.energy.or.kr/common/fnc/file_download.aspx?type=pds&code=97
9. https://www.ls-electric.com/ko/product/view/P01110
10. https://eep.energy.or.kr/certification/certi_view_155.aspx?no=155190630
11. https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=98060
12. http://ystr.co.kr/bbs/board.php?bo_table=skil0104&wr_id=16
13. https://www.cheryongelec.com/images/basic/cheryong/pdf/High-efficiency_Transformers.pdf
14. http://skemc.co.kr/meps_test
15. https://bea.inup.co.kr/m/post/read.jsp?id=15524&page=130
16. https://eep.energy.or.kr/certification/certi_view_155.aspx?no=155240049
17. http://ystr.co.kr/bbs/board.php?bo_table=skil0101&wr_id=479
18. https://www.kcl.re.kr/site/homepage/menu/viewMenu.do?menuid=001012010002001

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.

5️⃣변압기 효율과 부하율의 관계

변압기 효율이란

• 투입된 전력에 대한 유효 출력 전력의 비율을 의미
• 변압기가 얼마나 효율적으로 전력을 변환하는지를 나타내는 지표

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

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

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.

허용 조건

1. 주변 온도 저하

• 기준: 냉각 공기의 1일 최고 온도가 30℃(수냉식은 25℃)에서 1℃ 내려갈 때마다 과부하율 증가
• 과부하율 예시:
  • 송풍식/송유식: 0.75% per 1℃ (예: 10℃ 환경에서는 15% 과부하 가능)
  • 자냉식/수냉식: 1.0% per 1℃
• 제한: 주변 온도가 0℃ 이하일 경우 0℃로 간주

2. 부하율 저하

• 정의: 24시간 평균 부하가 최대 부하 대비 90% 미만일 때, 차이 1%당 과부하율 증가
• 과부하율 예시:
  • 자냉식/수냉식: 0.5% per 1%, 최대 20%
  • 송풍식/송유식: 0.4% per 1%, 최대 16%
• 제한: 부하율이 50% 미만일 경우 추가 과부하 불가

3. 단시간 과부하

• 기준: 24시간 내 1회 한정, 과부하 전 부하율과 주변 온도에 따라 허용치 결정
• 예시:
  • 자냉식 변압기: 70% 부하 상태에서 2시간 동안 167% 과부하 가능 (권선 최고점 온도 134℃)
  • 건식 변압기: 동일 조건에서 128% 과부하 허용

4. 냉각 방식 변경

• 예시: 자냉식 변압기에 송풍기 추가 시 냉각 효율 향상으로 과부하 가능
• 주의: 제작사와 협의 후 개조 및 온도 상승 시험 필수

5. 온도상승 시험 결과 활용

• 기준: 규정 온도 상승 한도(예: 55℃) 대비 시험값이 5℃ 낮을 경우, 1℃당 3% 과부하 허용

금지 조건

1. 사용 연수 15년 이상
2. 유중 가스 총량 1,000ppm 초과
3. 주변 온도 40℃ 초과
4. 수리 경력 있거나 절연물 교체 이력
5. 직렬 기기(CB, CT 등) 정격 초과

비교표: 허용 과부하율 예시

고려사항

• 복합 조건 적용: 주변 온도 저하 + 부하율 저하 시 과부하율 가산 가능
• 수명 영향: 6℃ 온도 상승 시 절연물 수명 50% 감소 (Montsinger 법칙)
• 비상시: 제작사별 기준(예: 몰드변압기 130% 8시간 연속 운전)

과부하 운전 시에는 권선 온도 모니터링과 제작사 협의가 필수적이며, 장기적인 변압기 손상을 방지하기 위해 엄격한 기준 적용이 필요

Citations:

1. https://nssung.tistory.com/482
2. https://www.kesta.tech/%EB%B3%80%EC%95%95%EA%B8%B0%EC%9D%98-%EA%B3%BC%EB%B6%80%ED%95%98-%EC%9A%B4%EC%A0%84/
3. https://ka230.tistory.com/257
4. https://kimdaeho.com/school/bbs_detail.php?bbs_num=700&b_category=%EA%B8%B0%EC%82%AC%EC%8B%A4%EA%B8%B0&id=&tb=board_enterprs_story&pg=14&links_number=
5. https://cafe.daum.net/skilldadan/nqGd/1336
6. https://www.youtube.com/watch?v=YqcNs4ggx8w
7. https://www.youtube.com/watch?v=dnGVwIs37ao
8. https://m.cafe.daum.net/skilldadan/nqGd/1102?listURI=%2Fskilldadan%2FnqGd
9. https://www.24time.kr/bbs/board.php?bo_table=cus_3&wr_id=28
10. https://blog.naver.com/master-maga/221299675915

※ 변압기를 과부하운전 할 수 있는 조건       (과부) 가 된 (여)럿이 (온) (주)(부)(단) 
                                                                   (여) (기) (주)(부)(단)

① 여러 가지 조건이 중복되었을 경우                                 

② 온도상승 시험 기록에 미달되어 있는 경우 

③ 주위온도가 저하되었을 때 

④ 부하율이 저하되었을 경우 

⑤ 단시간 사용하는 경우

1️⃣변압기 손실의 종류

1)부하손

부하손은 저항손이 대부분으로 부하률에 제곱에 비례하는 특성을 갖는다. 와류손과 표류부하손은 작아서 동손에 포함

• 동손(=부하손=저항손)
  • 부하전류에 의한 저항손실

• 와류손:
  값이 적어 저항손에 포함부하전류에 의한 누설자속의 영향으로 권선에서 발생
• 표류부하손:
  값이 적어 저항손에 포함누설자속의 영향으로 금구, 외함 등에서 발생

2)무부하손

무부하 손실은 히스테리시스 손실과 와류손실은 자성체인 철심에서 철심에서 발생되는 철손이 대부분이며, 무부하손은 부하율에 무관하게 일정

• 철손(Pi):
  • 히스테리시스 손실(Pℎ)+ 와류손실(Pe)

• 무부하 시 동손:
  • 계산이 가능하나 값이 작아 무시
• 유전체손:
  • 고압의 경우 일부 계산
• 표유부하손:
  • 대용량 변압기의 경우 고려

변압기 손실 저감대책

부하손(동손) 저감대책

• 권선의 단면적 증가
  도체(구리 또는 알루미늄) 권선의 단면적을 넓혀 전기 저항을 줄이면, 같은 전류에서 발생하는 열 손실(P = I²R)이 감소
• 권선 수(길이) 최소화
  권선의 길이를 줄이면 저항이 감소하여 동손이 줄어듭
• 고유저항이 낮은 재료 사용
  무산소동 등 저항이 낮은 고품질 도체를 사용하면 손실이 감소
• 권선 배치 최적화
  권선의 배치와 구조를 최적화해 누설 자속에 의한 손실도 줄임
• 역률 개선
  콘덴서 설치 등으로 역률을 개선하면 부하전류가 감소하여 동손이 줄어듭
• 적정 용량 및 운전 조건 유지
  변압기를 과부하 또는 경부하로 운전하지 않고, 실제 부하에 맞는 용량을 사용하면 손실을 최소화

무부하손(철손) 저감대책

• 고품질 철심 재료 사용
  고배향성 규소강판, 아몰퍼스 합금 등 히스테리시스와 와류 손실이 적은 재료를 사용
• 철심의 적층 구조 최적화
  얇은 규소강판을 여러 장 적층하고, 각 판 사이에 절연 코팅을 하여 와류가 흐를 수 있는 면적을 줄입
• 자속밀도 감소
  철심 내 자속밀도를 낮추면 히스테리시스 및 와류 손실이 줄어듬
• 철심 두께 감소
  얇은 철심을 사용하면 와류 손실이 감소
• 철심 조립 공정 최적화
  철심의 조립 및 구조를 개선해 불필요한 손실을 줄입
• 적정 Tap 선정 및 과전압 억제
  변압기의 Tap을 적절히 선정하고, 과전압이 인가되지 않도록 관리

요약 표

추가적 경제적 운전 방법

• 병렬운전: 부하에 따라 변압기를 병렬로 운전하여 효율을 높임
• 통합운전: 경부하 시 단독 운전으로 불필요한 손실 방지
• 고효율 변압기 선정: 최신 고효율 제품을 도입하여 전체 손실 저감

이와 같은 대책을 적용하면 변압기의 효율을 높이고, 에너지 절감 및 경제적 운전이 가능

Citations:

1. https://blog.naver.com/lysung2014/221488654511
2. https://blog.naver.com/kjqkek64/221527199519
3. https://jungtong.tistory.com/entry/%EB%B0%9C%EC%86%A1%EB%B0%B0%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%88%A0%EC%82%AC-%EC%A0%84%EB%A0%A5%EC%9A%A9-%EB%B3%80%EC%95%95%EA%B8%B0%EC%9D%98-%EC%86%90%EC%8B%A4
4. http://ko.scotech-electrical.com/info/methods-and-measures-to-reduce-transformer-los-88793765.html
5. http://ko.scotech-electrical.com/info/how-to-reduce-transformer-loss-63471959.html
6. https://itemconnection.tistory.com/entry/%EB%B3%80%EC%95%95%EA%B8%B0-%EC%86%90%EC%8B%A4-%EC%A0%9C%EB%8C%80%EB%A1%9C-%ED%8C%8C%ED%97%A4%EC%B9%98%EA%B8%B0
7. https://samengr.tistory.com/12718080
8. http://haniltr.co.kr/board/bbs/board.php?bo_table=data&wr_id=25&page=
9. https://www.youtube.com/watch?v=vWYByUEcPsA
10. https://samwhaeng.kr/tec-122/