다권선 변압기의 이해

다권선 변압기

1. 다권선 변압기의 필요성
정격전압이 차이 나는 2 회로를 연계하는 곳에 2 권선변압기가 사용되므로 3
개 이상의 회로 연계에는 당연히 다권선 변압기가 고려되어진다. 물론 2 권
선 변압기를 몇 대 사용하는가에 따라 3 회로이상의 연계를 하는 것이 되나,
비용과 효율도 나쁘게 된다. 전압이 차이 나는 회로간의 절연 목적에 더불어
다권선변압기는 각 회로의 부하분담과 단락전류를 억제하기 위해서 회로간
에 임피던스를 갖게 하는 목적도 있다.
전압이 다른 두 계통의 송전선으로부터 하나의 배전계통에 공급하기 위해서
전력 공급의 신뢰도를 향상, 경제성을 향상시킬 목적으로 다권선 변압기가
필요하다 이것과 약간 차이가 있으나 한 개의 발전계통으로 2 개 이상의 송
전선에 송전을 하는 경우도 본질적으로 같다.
1 차측와 2 차측 어느쪽에도 전압이 차이가 나는 변전을 행할 경우와 동기
조상기를 사용하는 경우에는 일반적으로 3 권선 변압기가 필요하다. 다권선
을 필요로 하는 하나의 Group 에 분권발전기(Split winding Generator)가 있으
면 이 경우에는 변압기 일차측에는 동일 전압의 2 권선에 분할되어 진다.
동일한 경우로 2 권선을 2 개로 나누어 2 차측 부하를 분할하여, 사고가 발생
하여도 계통에 큰 전압변동을 일으키지 않도록 변압기 리액턴스의 변화에
따라 단락용량을 감소시키는 방법이 있다. 전압측정용 코일을 설치한 시험용
변압기도 다권선 변압기의 특수한 예이다.
2. 다권선 변압기의 문제점
다권선 변압기에는 2 권선 변압기의 공식에는 직접 해석하지 못하는 많은 문
제가 있으나 이것은 누설 임피던스의 현상에 관련되기 때문이다.
예를 들면 전압변동률, 효율, 회로간의 부하분담. 타 변압기와 병렬운전, 단
락특성이 있다. 각 권선이 타권선의 누설 자속이 쇄교하므로 각 권선의 부하
전류가 상호전압에 복잡한 영향을 끼친다.
3 권선 변압기에는 각 권선의 한 개가 누설리액턴스가 용량성에 의해 저항이
負로 된다. 1 차측 2 권선, 2 차측 1 권선인 3 권선변압기에는 그 2 차측을 단
락하면, 1 차 권선 한측에는 단락전류가 역방향으로 흐르게 된다.
또한 다권선 변압기에 지상부하가 걸려 있으면, 1 개 이상의 권선의 전압이
상승하는 경향이 있은 특징이 2 권선 변압기와 다른 점이다. 그러므로 이러
한 계산을 하기위해서 먼저 다권선 변압기의 누설 임피던스와 관계를 명확
히 할 필요가 있다. 다행이 3 권선에는 그의 특성과 누설임피선스와의 관계
가 비교적 간단한 방법으로 공식화 되어 있다. 이러한 수식은 시험결과로부
터 계산되어진다. 따라서 이러한 수식은 4 권선 변압기의 계산에 기초가 된
다.
3. 단권변압기의 전기적특성
또한 단권변압기에 3 차 권선을 설치한 것과 부하시 전압조정회로에 설치된
것도 다권선 변압기의 일종이다.
변압기로서의 특성은 각각의 코일 특성에 관계하지 않고 단자간에 나타나는
특성이므로 다권선 변압기에 관해서는 변압기 권선수에 관계없이 회로수로
취급되어 각 권선의 분리된 형태의 단권변압기도 다권선 변압기의 일반론에
포함된다. 단 권선의 전류 분담을 구하는 경우에만 단권 변압기는 일반변압
기와 차이가 난다.
1) 임피던스.
(1) 등가 회로법
3 권선 변압기에는 각 권선이 별개의 누설 임피던스를 갖고, 이러한 임피던
스 강하에 의해 자동적으로 생기는 것 이외 부하전류에 의한 상호 임피던스
은 없는 것으로 하여 간단히, 즉 엄밀히 말하면 완전한 그의 임피던스 특성
을 표현하게 된다.
이러한 방법에 의하면, 각 권선이 각각의 누설 임피던스저항을 갖는 것으로
동일하게 되어 리액턴스도 3 권선 변압기의 각 권선이 각각의 누설 리액턴스
를 갖는다는 생각이 얻어지므로 3 권선 변압기의 리액턴스 문제를 저항에 관
한 그것과 같은 방법으로 간단히 취급되어진다. 이러한 가정은 등가 회로를
사용하면, 상당히 명확하여져 가정하는 법이 올바를 것을 알게 된다.
3 권선 변압기의 등가회로는 성형결선에도 환상결선에도 표현되나, 성형결선
회로가 알기에 유리하다.
(2) 시험에 의한 성형등가회로를 구하는 방법
3 권선중 권선 어느 하나를 단락시키고, 다른 한 권선에 여자시킨다. 이때 3
차 권선은 개방시킨다.
3 차 권선 즉 개방단자에 전압계를 접속시켜 전압계에 흐르는 전류를 무시하
고, 3 차 권선은 전압강하가 없다고 생각하면, 단락권선의 임피던스강하가 전
압계로 읽혀진다. 그러므로 임의의 권선 임피던스는 이것에 대응하는 권선
을 단락시켜 타의 2 권선의 한쪽을 여자시켜 남는 권선의 전압을 측정하면
직접측정이 된다.
2 권선의 어느쪽에 여자 시키는 것에 따라 어느쪽 전압측정에 사용한다는 것
은 중요하지 않다. 어느쪽의 경우에도 개방권선의 전압이 단락 권선의 임피
던스강하가 된다.
측정치는 전부 기준용량에 대한 %로 표시되고, 필요하면, 주의하여 전압, 전
류, 오음은 어느 한 쪽의 권선을 기준으로 환산 할 필요가 있다.
전압계와 동시에 전력계를 사용하고 그의 전압코일을 개방단자에 접속시키
고, 전류코일은 여자권선 또는 단락권선측에 직렬로 접속하면, 단락권선의
임피던스의 저항분과 리액턴스분으로 결정되어진다.
전류 코일을 여자측 권선에 접속시킨 경우에는 전력계의 전류 코일의 임피
던스(변류기를 사용하면 이 임피던스를 포함)에 따라 단락회로의 임피던스가
증가하여 어느 경우에도 오차가 발생하나 일반적으로 무시한다. 그러나 필요
하면, 통상 보정을 해주면 좋다.
2) 3 권선 변압기의 전압변동율
전압변동율은 스칼라량으로 벡터량이 아니므로 직렬로 2 개의 임피던스에 의
한 전압변동율은 각각의 임피던스에 의한 대수화가 된다.
3) 3 권선 변압기의 효율
3 권선 변압기의 효율 결정이 관련하여 어느 조건 3 권선 변압기에 부하를
건 경우 그의 임피선스손의 계산이 새로운 문제가 된다. 각 권선의 실효 저
항과 직류저항만이 있으면 각 권선의 I2R 합하면 계산은 간단하게 된다. 그
러나 실제는 권선내부와 철심 크램프, 탱크내부에 와류전류손과 표류부하손
을 발생하므로 이와 같은 손실은 알 수가 없다. 이러한 손실은 직류저항손과
같은 권선에서 직접 측정이 되지 안으나 2 개의 권선을 1 조로 각각의 1 개의
2 권선 변압기로서 측정하면 가능하다.
4) 부하의 분담
동일한 기능의 2 권선을 병렬로 접속하고 외부에서 제어를 하지 않는 것으로
하면, 이들의 부하분담은 각 권선의 임피던스에 역비례한다.
kVA₂= % IZ₃/%IZ₂₃x kVA₁, kVA₃= % IZ₂/%IZ₂₃x kVA₁
5) 負누설리액턴스의 의미
2 권선의 전누설 리액턴스가 負가 되는 것은 아니나 3 권선변압기에는 부하
전류에 의한 권선간의 상호유도효과는 한쪽의 누설 자계가 다른 권선의 턴
과 교차하여 합쳐져 負로 되어지지 않으면 안 된다 라는 것은 아니다.
각 권선의 임피던스는 다른 2 개의 권선에 대하여 상호 부하 임피던스이므로
正에도 負에도 얻어진다. 正으로 되는가 負로 되는가는 각 권선의 전압에 주
어지는 영향에 정의되어진다.
2 차에 부하를 걸면 누설자속이 발생하고 부하가 지상역율이면 2 차권선의
전압은 누설 자속 때문에 무부하시 전압보다 작게 된다. 이런 경우 3 차권선
은 이 권선을 交互하는 누설자속은 전 누설자속보다 작게 되어 3 차권선의
전압강하는 2 차권선 보다 작게 된다.
즉 일차 전압을 일정하게 유지하고 2 차에 유도부하를 접속하면 변압기 내부
에 1 차측에 콘덴서를 직렬로 접속되어 있는 것같이 작용을 하여 3 차전압이
1 차전압 보다 상승하게 된다. 이런 경우 1 차 권선의 리액턴스가 부의 값이
된다.
6) 負 저항의 의미
부 저항은 통상 3 차권선의 단권변압기에 나타나는 현상으로 효율이 높은 변
압기로 저항손에 비해 표류부하손의 비교적 높은 경우에도 나타나는 것이
있다.
저항분압에 의한 전압이 자화 리액턴스에 의한 전압보다 크게 되는 경우에
는 부하가 걸리면 저항강하보다 전압이 상승하고 등가 회로에 負저항으로
표시된다.
누설 리액턴스가 저항에 비하여 상당히 작은 경우에 2 차측을 단락하면 3 차
측전압에 이상한 변화가 나타난다. 또한 직렬권선과 분로권선에 대하여 2;1
의 단권변압기에는 직렬권선과 분로권선의 저항강하는 2 차전압에는 영향이
없다. 즉 등가회로상으로 고압측에는 저항이 영이 된다(그러나 실제 이론적
인 등가회로상이므로 실제에는 저항분에 의한 부하손이 발생한다.)