유입변압기에 대하여
안녕하세요? 오늘은 유입변압기에 대해서 말씀드리겠습니다. 유입변압기는 철심에 감은 코일을 절연유로 절연한 것으로, 일반적으로 A종 절연(최고 허용 온도 105℃) 변압기입니다. 유입변압기는 일반적으로 옥외용으로 많이 사용합니다. 유입변압기는 몰드변압기와 비교했을 때 가격이 저렴하고 다방면에서 사용합니다. 필자가 공장에서 근무했을 때 공장에 있는 변압기는 모두 유입변압기였습니다. 용량이 큰 유입변압기의 경우 몰드 변압기 대비 부속 설비들이 많이 있습니다. 이런 부속설비들과 함께 유입변압기에 대해서 상세하게 알아보겠습니다. 참고로 몰드변압기는 아래 글을 참고하시기 바랍니다.
2020/08/20 - [별의 시설관리/전기] - 몰드 변압기에 대하여
1. 변압기의 원리
변압기는 고압을 저압으로 혹은 저압을 고압으로 변환시키는 전기적 에너지 변환장치입니다. 단순한 변압기는 그림과 같이 하나의 철심 주위에 2개 이상의 권선이 감긴 형태로 되어 있습니다. 1차 권선의 U, V에 전압이 인가되면 전자유도 법칙에 의하여 2차 권선에 전압이 유기되어 u, v에 전압이 나타나게 됩니다.
2. 유입변압기 외형
유입변압기는 용량이 커질수록 왼쪽과 같이 단순한 모양에서 오른쪽과 같이 복잡한 모양으로 변합니다. A type은 150~2000 kVA, B type은 2000~2999 kVA, C type은 1000~2999 kVA, D type은 3000~40 MVA의 용량을 가지고 있습니다. 이렇게 변압기가 용량이 커질수록 복잡해 보이는 이유는 용량이 큰 변압기일수록 보호장치가 늘어나기 때문입니다. 필자가 공장에 있었을 때는 변압기의 용량이 매우 크기 때문에 오른쪽 D와 같은 변압기를 많이 취급하였고 지금은 가장 왼쪽의 A와 같은 변압기를 많이 취급하게 되었습니다.
3. 유입변압기 각 부위 명칭
유입변압기의 각 부위 명칭은 위와 같습니다. 여기서 많은 부분들은 변압기의 안전장치들입니다. 차례로 각 기기들에 대해서 알아보겠습니다.
1) 컨서베이터 (Conservator Tank)
컨서베이터는 변압기 상부에 장착된 원통형 탱크입니다. 변압기 콘서베이터 탱크의 주요 기능은 변압기 내부의 오일 팽창을 위한 적절한 공간을 제공하는 것입니다. 변압기에 부하가 걸리고 주변 온도가 상승하면 변압기 내부 오일의 부피가 증가합니다. 변압기의 콘서베이터 탱크는 팽창된 변압기 오일에 적절한 공간을 제공합니다. 또한, 변압기 절연유를 위한 저장소 역할을 합니다. 콘서베이터 내부의 유량은 콘서베이터의 크기에 따라 다르며 유면의 높이는 25℃를 기준으로 하였을 때 콘서베이터 높이의 40% 정도입니다.
컨서베이터는 위 그림과 같이 양쪽 끝이 닫힌 원통형의 오일 용기입니다. Main Tank Connection, 즉 주 변압기 탱크에서 나오는 파이프는 하단 부분에서 컨서베이터 내부로 돌출됩니다. 컨서베이터에서 오일 슬러지 및 침전물이 Main Tank로 유입되는 것을 방지하기 위해 이 배관은 돌출되어 있으며 캡으로 덮여 있습니다. Breather Pipe는 실리카겔 흡습 호흡기(Breather)와 연결되어 있으며 컨서베이터의 최고 높은 레벨까지 솟아올라있습니다. 이것은 변압기가 최고 부하로 동작할 때에도 오일이 실리카 겔 브리더로 들어가지 않도록 합니다.
부하 및 주변 온도로 인해 변압기 절연유의 부피가 증가하면 컨서베이터 내부의 오일 레벨 위의 빈 공간이 팽창된 오일에 의해 채워지게 됩니다. 따라서 해당 공간의 해당 공기는 흡습 호흡기(Breather)를 통해 밀려납니다. 반면 변압기의 부하가 감소하거나 변압기가 꺼지고 주변 온도가 낮아지면 변압기 내부의 오일이 수축합니다. 이로 인해 외부 공기가 흡습 호흡기 Breather를 통해 변압기의 컨서베이터 탱크로 유입됩니다. 이런 type의 컨서베이터는 외부의 오염물이나 수분이 변압기 절연유에 유입될 우려가 있습니다.
외부 오염물로부터 변압기 절연유가 오염되면 절연유의 절연내력이 떨어지고 변압기 사고의 원인이 됩니다. 따라서 이런 단점을 보완하기 위해서 위와 같이 컨서베이터 내부에 공기주머니가 있거나 Diaphragm이 있는 Type이 있다고 합니다.
2) 부흐홀쯔 계전기(Buchholz Relay)
브흐홀쯔 계전기는 유입변압기 주 탱크와 콘서베이터 사이에 설치하는 기기입니다. 브흐홀쯔 계전기는 변압기에 사고가 생겼을 때 이를 감지하여 신호를 보내주는 두 개의 접점이 구비되어 있습니다.
경보용 접점은 변압기 내부에서 서서히 발생한 가스(gas)의 양이 일반적인 경우 325±25cc가 검출되면 동작되도록 되어 있습니다. 가스량 지시 창구를 통해 가스의 양과 색깔을 알 수 있으며 이 지시 창구에는 가스의 양을 cc로 표시할 수 있는 눈금이 그려져 있습니다. 가스가 계전기 내부에 모이게 되면 계전기 상부 표면에 위치한 가스 축출용 플러그를 이용하여 가스를 제거하십시오. 플러그의 뚜껑을 열고 사진과 같은 육각으로 된 밸브(Valve)를 열어 가스를 제거하면 됩니다.
차단용 접점은 갑자기 발생된 과압력에 의한 유속을 검출하는 장치로 1±0.15m/sec의 속도로 절연유가 흐를 때 동작됩니다. 이 계전기의 차단 신호가 발생하면 일단 변압기의 운전을 중지한 후 변압기를 검사하셔야 합니다. 과도한 유속은 변압기 내부 철심의 과열이나 아크방전 등에 의해 발생되기 때문입니다.
좀 더 이해하기 쉽게 위와 같은 그림으로 설명드리겠습니다. 경보 접점의 경우 부흐홀쯔 계전기의 상부에는 절연유가 분해된 Gas가 차게 되는데 정상상태에서는 Gas가 차지 않습니다. 그러나 변압기 내부에 고장이 있거나 과열된다면 Gas가 차게 되고 Gas가 점점 많아지게 되어 접점이 있는 곳까지 Gas가 차게 됩니다. 그러면 Gas가 접점을 서로 붙게 만들어 계전기 경보가 발하게 됩니다. 차단 접점의 경우 유속이 빨라져서 접점이 붙게 됩니다. 그래서 경보 접점은 접점이 수평으로 되어 있고 차 단점 접은 접점이 수직으로 되어 있습니다.
3) 흡습 호흡기(Breather)
흡습 호흡기는 절연유의 열화 및 노화방지를 위해 사용되며 흡습제와 절연유가 주입된 두 개의 용기로 이루어져 있습니다. 호흡기 하부의 절연유 용기는 표시된 적정선까지 절연유를 채워서 관리해야 합니다. 절연유를 채우지 않으면 먼지 등의 오염물질이 들어가서 절연유에 나쁜 영향은 줄 수 있습니다.
흡습제 용기 속에는 항상 용기의 3/4 정도의 Silicagel이 들어 있으며 3/4 정도가 누렇게 변색한 경우에는 흡습제를 교체하여야 합니다. 이 흡습제는 절연유 등 이물질이 들어가지 않으면 건조하여 재사용이 가능합니다. 실리카겔은 김을 먹으면 하부에 흰색 흡습제가 있는데 이것과 같은 것이며 용도는 수분을 흡수하여 변압기 절연유에 수분이 침투하는 것을 방지하는 역할을 합니다.
가장 오른쪽의 그림을 보시면 흡습 호흡기를 통해 변압기로 공기가 들어가는 경로를 보여줍니다. 공기가 먼저 오일을 통과하여 먼지 등의 이물질이 걸러진 후 실리카겔을 통과하여 수분이 제거되게 됩니다.
4) 방압안전장치 (Pressure Relief Device, PRD)
전기적으로 큰 사고가 발생 시 고온 아크가 생성되고 아크는 주변 절연 액체의 분해 및 증발시킵니다. 탱크 내부에 가스가 갑작스럽게 발생하면서 탱크 압력도 갑작스럽게 증가합니다. 따라서 방압안전장치를 이용해서 탱크 파열을 방지해야 합니다. 방압안전장치 PRD는 일반적으로 열리고 닫히는 Type과 열린 후 계속 열려있는 Type의 두 가지로 분류됩니다. 일반적으로 과압 발생 시 열렸다가 해소되면 닫히는 자동복귀형 Type의 방압안전장치를 많이 사용합니다.
방압안전장치는 변압기 외함의 뚜껑에 부착합니다. 만일 콘서베이터가 있는 변압기의 경우에는 별도로 방압관을 설치하고 그 방압관 끝부분에 부착합니다. 변압기가 정상운 전시에는 방압안전장치는 아무런 동작 부위가 없으나 내부 압력이 설정압력 이상에 도달하면 내부 압력이 방압막을 밀어내고 구동판을 밀어 고정핀이 부러지며 스러드(thread)의 날카로운 부분에 방압막이 닿아 찢어지며 내부 압력을 외기로 방출합니다. 방압안전장치가 동작하면 커버를 분리하고 취부 볼트를 풀어낸 후 고정핀과 방압막을 동질의 것으로 교체하여야 합니다. 그러나 자동복귀형은 교체할 필요 없이 Reset 버튼으로 복귀시키면 계속 사용할 수 있습니다.
방압안전장치가 동작되었을 경우에는 일단 변압기 사용을 중단하고 변압기 자체를 재 시험하여 사용 여부를 결정하여야 합니다. 변압기 내부의 과다 압력의 상승은 절연파괴나 권선의 열화에 의해 발생할 수 있기 때문입니다. 방압안전장치에는 동작시 경보 또는 차단 신호를 발할 수 있는 마이크로스위치가 구비되어 있습니다.
5) 충격 압력 계전기(Sudden pressure relay)
유입변압기에서 내부 회로의 단락이나 플래시 오버(Flash Over)와 같은 사고가 발생하면 변압기의 내부 압력이 급상승합니다. 충격압격계전기는 내부 고장에 의한 피해의 확산을 방지하기 위해 압력 변화율에 따라 동작하고, 방압안전장치가 동작하지 않을 정도의 작은 방전현상에 대해서도 변압기를 보호합니다. 또한 접점을 가지고 있어 경보 및 차단장치에 적용할 수 있습니다. 단, 브흐흘쯔계전기를 사용할 경우에는 적용되지 않습니다.
4. 변압기 탭 절환
1) 변압기 탭 절환 Type
변압기의 탭 절환 장치는 2가지 Type이 있습니다. 부하가 걸려있는 상태에서 탭을 변환시킬 수 있는 OLTC(On Load Tap Changer) typer과 부하를 Off 한 상태에서만 탭을 변환시킬 수 있는 NLTC(No Load Tap Changer) type이 있습니다. 여기서 OLTC는 우리가 흔히 볼 수 있는 것이 아니므로 열외로 하기로 하고 NLTC에 대해서만 말씀드리겠습니다. 위의 사진에서 보시는 바와 같이 탭 절환 장치는 바둑알이 붙어 있는 것 같은 모양이 있고 오른쪽 사진처럼 플러그가 달려있는 모양으로 돼 있는 것이 있습니다. 둘 다 모두 탭 절환 장치이고 원리는 동일합니다.
탭 절환기는 변압기의 뚜껑을 열지 않고도 명판에 표시된 변압비로 탭을 변환시킬 수 있는 구조로 되어 있습니다. 무전압 시 탭 절환기 NLTC는 특별한 사양이 없는 한 일반적으로 5개의 탭으로 되어 있으며 탭 절환기 핸들판에 뚫려있는 탭 위치 표시기를 통해 현재 접속된 탭 번호를 읽을 수 있도록 되어 있습니다. 이 핸들을 시계방향 혹은 반시계 방향으로 움직여 탭의 위치를 선정할 수 있으며, 탭 절환기를 동작시킬 때는 변압기에 전원은 인가하지 않은 상태에서 명판을 보고 탭을 절환 하여 정확한 위치에 고정시키면 됩니다.
2) 변압기 탭 절환 방법
왼쪽의 명판에 있는 결선 부분은 가운데의 6개 탭을 말하는 것이고 왼쪽 명판의 위치(1~5)는 오른쪽 숫자를 말하는 것입니다. 결과적으로 '위치'와 '결선'은 같은 의미입니다. 두 변압기는 현재 22900R의 위치에 있습니다. 여기서 만약 저압 측 상간 전압이 360V로 낮게 나온다고 가정해 봅시다. 2차 측의 전압을 올리려면 1차 측의 전압 탭을 낮춰야 합니다. 만약 1차 측 탭을 21900의 3번 위치의 3-6으로 낮추었다면 2차 측 전압은 아래와 같이 구할 수 있습니다.
(22900/21900)*360=376V
이것은 전기기사나 전기산업기사를 공부하셨던 분들이라면 익히 아실 수 있는 공식이 나옵니다.
a(권수비) = N1/N2=E1/E2
여기서 E2=E1×N2/N1 이 됩니다.
즉 2차 측의 전압을 높게 하려면 1차 측의 전압 E1 or 2차 측 권선 N2를 올리거나, 1차 측의 권선수 N1을 낮추면 됩니다. 그러나 E1은 한전에서 22900V로 일정하게 공급되며, 2차 측의 권선은 올릴 수 있는 어떤 장치가 없기 때문에 결국 선택지는 1차 측의 권선수를 낮추는 수밖에 없습니다. 즉 2차 측의 전압과 1차 측의 권선수는 반대로 가게 됩니다.
탭 절환 방법은 전원이 꺼진 상태에서 3-5에 물려있는 볼트를 풀고 원하는 곳으로 변경하면 됩니다. 위와 같은 경우에는 3-6으로 변경한 후에 다시 볼트를 채우면 됩니다. 가장 오른쪽 그림에 있는 방식의 탭 절환 장치는 상부의 붉은색 캡을 어느 정도 푼 다음 원하는 번호로 검은색 플라스틱을 돌리고 다시 붉은색 캡을 돌려서 고정시키면 됩니다.
오늘은 유입변압기에 대해서 알아보았습니다. 또한 변압기 탭 절환 방법에 대해서도 알아보았습니다. 오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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