 전기기기 설계 -직류와 변압기 설계를 중심으로
일본의 다카하시(高橋辛人) 박사의 저서를 편역한 배진용 공학박사(동신대학교 전기차 제어 교수)의 열두 번째 연재를 이어간다. 전기기기는 전자 유도 법칙에 의해 작동하는 기계를 일컫는다. 이러한 전기기기는 크게 회전하는 것과 정지된 것으로 구분된다. 지난 호까지 회전하는 전기기기인 직류발전기 설계 방법을 소개했고, 이번 호부터는 정지된 전기기기인 변압기의 설계 방법을 소개한다. ‘3장 변압기의 설계’는 모두 22개의 챕터로 구성돼 있다. 이 가운데 이번 호에는 ▲변압기의 개요, ▲철심, ▲권선, ▲부싱에 관한 내용부터 시작한다. <편집부> 3.1 변압기의 개요
변압기는 전압을 가변시키는 전기기기로 상수(相數)에 따라서 단상(單相)과 다상(多相)으로 구분할 수 있다. 단상 변압기란 동일 철심에 2조 이상의 권선을 감은 변압기를 의미하며, 2조 이상의 권선 중 전원 측에 접속된 권선을 1차측 권선, 부하 측에 접속된 권선을 2차측 권선이라 한다. 변압기 1차측 권선에 입력된 전기적 에너지는 변압기 철심에서 자기적 에너지로 변환되고, 변압기 2차측 권선에서 전기적 에너지로 변환된다. 일반적으로 변압기의 한쪽 권선은 전압이 높으며, 다른 쪽 권선은 전압이 낮으므로 1차 권선, 2차 권선 대신에 고압권선, 저압권선으로 부르기도 한다. 다상의 변압기에서는 철심이 상수(相數)만큼 있지만 철심은 반드시 1개 소 이상 각상 공통된 부분을 가진다. 다상 변압기도 단상 변압기와 마찬가지로 1차 권선과 2차 권선을 가지며 각각의 상수에 해당하는 권선의 조합을 갖게 된다.
변압기는 철심 구조에 따라 내철형과 외철형으로 분류된다. [그림 3.1]은 단상 내철형 을 나타내며, [그림 3.2]는 단상 외철형 구조를 나타낸 것이다.
내철형 변압기는 자기회로가 1개로 되어 있고 권선은 환상 원통형으로 적층한다. 따라서 권선이 감겨져 있는 철심의 단면은 대형으로 될수록 원형에 가깝게 한다. 외철형 변압기는 자기회로가 2개 이상이고 권선이 자기회로에 취부되어 감긴 형태이다. 따라서 권선의 단면은 대부분 사각형 형태이고 철심도 사각형의 단면으로 되어 있다.
변압기 권선에는 동손이 발생되고, 철심에서는 철손이 발생되므로 변압기 내부의 온도상승은 필연적이다. 따라서 변압기에서 발생된 온도를 냉각시키기 위해서 소형 변압기의 경우 공기 중에서 자연냉각을 한다. 자연냉각 또는 자냉식은 외함에 기름을 채우고 이 기름을 통해 발생된 열을 외벽으로 전달시켜서 자연스럽게 냉각시키는 방식을 의미한다. 그러나 대형 변압기의 경우 외벽의 열이 자연냉각 방식으로 완전히 냉각되지 않으므로 외부의 기기를 이용하여 강제로 변압기 외벽의 열을 냉각시키는 방식을 취한다. 이러한 냉각방식을 강제냉각이라 하며, 주로 변압기 외함 또는 탱크 내에 수냉관 또는 유냉관을 두는 수냉식 또는 유냉식을 사용한다.
변압기의 전압은 대단히 높은 경우가 많으므로 권선을 외부로 인출할 때 부싱(bushing)을 사용한다. [그림 3.3]은 유압 자냉식 100kVA/3450, 3300, 3150, 3000, 2850V/220, 110V/ 50, 60㎐ 단상 변압기의 개략적인 구조를 나타낸다. 이 그림에서 외함에는 파형(波形) 철판이 사용되며, 철심은 외철형이고, 코일은 교호배치(交互配置)로 되어있다. 1차, 2차코일은 외부 단자인 애자에 접속되어 있다. 고압 측에는 탭이 있으나 탭의 변경은 가능하며, 기름으로 냉각하는 경우 상온에서 유면계 중앙에 오도록 설정한다. 3.2 철심
규소강판은 규소 함유량이 높고, 철손이 적어 규소강판이 주로 변압기에 사용된다. [표 1.2]에 나타낸 강판중 W10/50, 철손이 1.45W/㎏ 이하의 것이 변압기에 사용된다. 두께는 보통 0.35㎜의 규소강판이 사용되며, 크기는 760×1830㎜, 760×3050㎜ 및 915×1830㎜의 판으로 제작되고 있다. 또한 여러 종류의 폭을 갖는 강대(鋼帶)가 제작되고 있으며, 철심으로 사용할 때는 바니스를 입혀 건조하거나 혹은 종이를 사용하여 절연한 것을 조립한다.
내철형 변압기에서는 코일이 삽입되는 철심 부분은 원형에 가까운 형태로 한다. 예를 들면 [그림 3.4] (a)에 나타낸 것과 같이 십자형, (b)에 나타낸 것과 같이 원형에 가까운 것을 사용하며, 대형 변압기에서는 철심 사이에 10㎜ 정도의 폭을 갖는 기름통로를 만들어 두어 냉각효과를 크게 한다. [그림 3.5] (a), (b), (c)는 기름통로가 있는 레그 부분의 철심을 나타내고 있다. 여기에 철판을 중첩하여 면에 대해 기름통로를 직각으로 하면 냉각효과가 크게 된다. 즉 [그림 3.5] (a)보다는 [그림 3.5] (b), (c)가 바람직한 것이다. 그러나 [그림 3.5] (a)쪽이 제작하기 용이하다. 또한 [그림 3.5] (c)의 경우 제작하기 용이하지만 기름통로를 외부로 통하게 할 필요가 있다. 철심을 조이기 위한 볼트는 [그림 3.6]에 나타난 바와 같이 절연되어야 한다. 내철형 변압기에서는 [그림 3.7] (a)와 같이 철심을 조립하고 [그림 3.7] (b)와 같이 코일을 삽입하며, 그 위에 [그림 3.7] (c)와 같은 계철 부분을 철심에 조립한다. 철심의 접합에는 맞대기 접합(Butt joint)과 중첩 접합(Lap joint)이 있으며, 맞대기 접합은 [그림 3.7] (c)와 같은 방법, 즉 [그림 3.8]과 같이 접합시킨다. 이 방법은 접합부에 공극이 생기지 않도록 주의를 요한다. 중첩 접합하는 방법이 일반적으로 이용되고 있지만 접합부는 [그림 3.9] (a), (b)와 같이 되어 있으며, 철심 (a), (b)를 凸부와 凹부로 하여 서로 끼워 넣는다. 실제의 경우 [그림 3.10]에 나타난 바와 같이, (a), (b)의 모양을 교차로 겹쳐 가며 끼워 놓는 것과 같다. 내철형도 3상의 경우 [그림 3.11]과 같이 3각(脚)으로 하며 이것을 중첩 접합하기 위해서 [그림 3.12] (a), (b)와 같은 방법으로 철심을 중첩해 간다. 또한 방향성 규소강대를 적층하는 경우는 [그림 3.13]과 같이 액자형의 접합을 사용한다. [그림 3.11]과 같은 철심의 경우 철심의 높이가 높아지나 수송 관계 등의 이유로 높이를 낮추고자 하는 경우 [그림 3.14]와 같이 5각(脚)으로 할 수가 있다.
[그림 3.15]는 단상 외철형 철심을 나타내며, 이 경우 먼저 권선을 하부 지지대 위에 올려놓고 거기에 철심을 끼워가며 중첩 접합을 한다. 3상 외철형 철심은 [그림 3.16]과 같으며, [그림 3.17]은 분포 철심으로 외철형의 변형으로 미국에서 소형 주상 변압기에 사용된다.
권철심 변압기는 냉간압연 철심을 사용하며, 연속주조법으로 생산한 규소강대를 압연방향으로 자속을 통과시키는 경우 철손 및 여자전류는 직각방향으로 자속을 통했을 때보다 월등히 적게 되는 특징이 있다. 따라서 종래의 철심은 적층을 해서 사용하였으나, 강대의 방향성 특성을 이용하여 권선기로 감아서 철심을 제작하기도 한다. [그림 3.18]은 권철심을 나타낸다.
이와 같은 철심의 권선법에는 다양한 특허가 있으며, 철심의 권선은 생각만큼 용이하지 않다. 철심의 권선법 중 하나로 철심을 [그림 3.19]와 같이 감으며, 여기에 회전할 수 있는 구조의 지그를 장착하고, 이 지그에 코일을 감은 후 지그를 분해해서 제거함으로써 철심에 코일을 감는 방법이 있다. 다른 방법으로 [그림 3.18]과 같이 감은 철심을 [그림 3.20]과 같이 절단해서 코일을 끼운 후 접착제로 접합하는 방법이 있으며, 이러한 코어를 CUT CORE라 한다. 권철심 변압기는 여자전류도 적고 철손도 적으므로 배전용 변압기로 적당하며, 대용량 변압기에서는 주로 사다리꼴로 자른 것을 적층하며 사용한다. 3.3 권선
변압기의 권선은 소형의 경우 철심에 직접 절연해서 권취하지만 대형 내철형 구조는 별도로 권선을 만들어 철심을 삽입하는 방법을 택하며, 대형의 외철형 구조는 내철형과 반대로 권선에 철심을 삽입하여 조립하는 방법을 택한다. 일반적으로 코일 도체의 절연은 종이 테이프를 사용한 지권선으로 한다. 지권선의 양측 두께는 다음과 같다.
3000V 미만 0.3㎜ 3000V 이상 0.4㎜ 6000~20㎸ 0.5㎜ 60㎸ 이상 0.6㎜
[그림 3.21]은 원통으로 구성된 내철형 원통 코일을 나타내며, 평각선의 넓은 쪽을 축 방향으로 감는 방식을 평면 권취(Flat Winding)라 하고 좁은 쪽을 축 방향으로 감는 방식을 측면 권취(Edge Winding)라 한다. 기계적으로는 측면 권취가 견고하지만 폭과 두께의 관계에 따라 평면 권취로 또는 측면 권취로 한다. 전류가 많이 흐르는 권선은 동선을 여러 가닥으로 감고 기름통로를 만들어 냉각을 좋게 하며 기름통로는 10㎜ 정도의 절연물 간격편을 코일 원주상에 몇 개소 넣어서 만든다. [그림 3.22]는 기름(냉각) 통로를 둔 원형 코일을 나타낸다. 고압의 대용량 변압기 코일은 [그림 3.23]과 같이 원판코일을 사용한다. 이 원판코일은 평각동선을 평면 권취(Flat Winding)로 감아서 1개의 코일을 만들며, 이것을 부분(Section)이라고 부른다. 여기에 다른 부분(Section)을 만들어 내측에 [그림 3.23]과 같이 접속한 다. 이것을 만들기 위해서 같은 그림 (a)에 표시한 것과 같이 동선 acb의 중앙을 c라 하고, ca 사이는 (b)에 나타낸 것과 같이 오른쪽 방향으로 감고, cb 사이는 왼쪽 방향으로 감는다. 그러면 (c)에 나타난 것과 같이 내측으로 접속한 부분(Section)이 2개 겹친 원판코일을 만들 수 있다. 부분(Section)과 부분(Section) 사이에는 일정한 간격을 두며, 2개의 부분(Section)이 1개의 원판코일로 만들며 이것을 쌍둥이 코일이라 한다. 이러한 쌍둥이 코일을 여러 개 겹쳐쌓으며 코일 사이에 간격편을 넣는다. 또한 코일의 접속은 외측에서 한다. 이렇게 하면 [그림 3.24]와 같이 원통코일이 된다. 간격편은 부분(Section) 사이에 넣을 때에는 [그림 3.25]와 같이 절연물을 넣고 실로 묶거나 [그림 3.26]과 같이 간격편(절연물)에 사다리꼴의 슬롯을 만들어 안내판에 끼우는 방법도 있다. [그림 3.27]은 간격편을 사용한 경우의 예를 나타낸 것이다. 쌍둥이 코일로 하는 경우 선이 가늘어진 경우는 [그림 3.28]과 같은 단층 원판코일이 되며, 이것도 [그림 3.23]과 같은 방법으로 만든 것이다.
동심배치의 내측 권선에는 연속 원판코일이 사용되며, 이것은 [그림 3.29] (a)에 나타낸 것과 같이 내측에서 제1부분(Section)을 감고 다음에 연속해서 다시 내측에서 제 2부분(Section)을 계속해서 감는다. 그러고 나서 그것을 풀어서 [그림 3.29] (b)에 나타낸 것과 같이 외측에서 내측으로 감는다. 이처럼 내측에서 외측으로 감는 것과 외측에서 내측으로 교대로 감아 [그림 3.29] (c)에 나타낸 것과 같이 감으면 연결부가 없는 원판 코일이 완성되며, 연속 원판코일의 경우 구조상 변압기 권선작업이 용이하다. 변압기 권선에는 교번 누설자속으로 인하여 와전류가 발생한다. 특히 누설자속과 직각으로 놓인 병렬 권선에서는 와전류로 인한 손실이 크게 되며, 와전류 손실을 줄이기 위하여 각각 도체의 임피던스를 같게 하는 전위라는 방법이 사용된다. [그림 3.30]은 3가닥 전위를 나타내며, [그림 3.31]은 5가닥 전위를 나타낸다.
5가닥 전위의 경우 도체의 순서는 [그림 3.31] (a)에 표시한 것과 같이 위치가 바뀌며, 측면에서 보면 [그림 3.31] (b)와 같이 되어 있다.
교호배치인 내철형 변압기는 주로 원판코일이 사용되며, 외철형에서는 사각형 판상의 코일이 사용된다. 대용량 변압기의 경우 [그림 3.32] (a), (b)와 같이 간격편을 코일면에 넣어 냉각을 위한 기름 통로를 만들며, 대용량 변압기는 방사 방향으로 도체의 폭을 크게 해도 와전류가 크지 않기 때문에 10가닥 이상의 병렬 도체를 사용한다. 3.4 부싱
부싱은 도체의 주위에 자기(磁器)로 된 애자관으로 끼워 만들어 변압기 상부에 설치하는 것으로 [그림 3.33] 내지 [그림 3.37]의 구조를 가진다. 변압기의 구출선은 탱크를 관통해서 외부로 인출되며 변압기의 탱크는 대지와 등 전위이며 부싱으로 대지와 절연 처리를 한다. 부싱의 상단은 충분한 연면거리를 확보하고 있어 섬락이 일어나지 않도록 하며, 부싱의 하단은 기름 속에 담기게 한다.
[그림 3.33]은 단일 부싱을 나타내며, 일반적으로 30㎸ 이하의 전압에서 사용된다. [그림 3.34]는 컴파운드 부싱을 나타내며, 도체에 절연물을 감고 도체와 애자관 사이에 컴파운드를 주입하여 기포를 제거함으로써 코로나가 발생하지 않게 만든 부싱이다. [그림 3.35]는 유입 부싱이며, 도체와 애자 사이에 절연 원통을 동심으로 배치해서 그 사이에 기름을 채운 부싱으로 주로 77㎸ 정도의 고전압 변압기에 사용된다. 유입 부싱의 기름은 절연과 냉각 작용을 동시에 행하며, 기름의 팽창에 따른 적당한 용적의 유면계가 상부에 달려 있다. 또한, 중앙 접지 지지물과 애자의 접속 부분에 기름 속이 접속하며, 코로나가 발생하는 것을 방지하기 위해 초고압에서는 균압환을 애자 외면에 가깝게 설치한다. [그림 3.36]은 콘덴서의 원리를 나타내며, [그림 3.37]은 콘덴서의 원리를 적용한 콘덴서 부싱을 나타낸다. 즉, 도체의 주위는 절연지(絶緣紙)층과 금속박을 교대로 동심으로 감아 콘덴서를 만들어 절연지와 금속박의 각 턴 사이에 정전용량을 동등하게 하며 금속박의 길이를 변화시켜 반경 방향의 절연물에 생성되는 전위를 균등하게 한 부싱이다. [그림 3.36]에 나타낸 것과 같이 비슷한 두께의 절연물과 금속박의 동심 콘덴서를 만드는 경우 콘덴서의 용량은 'πDL/절연물'의 두께에 비례한다. 따라서 DL이 일정하게 되도록 선정하면 절연의 두께는 일정하게 되므로 각 콘덴서의 용량은 동일하게 되어 전위는 동일하게 된다. 일반적으로 콘덴서 부싱과 유압 부싱은 고전압 변압기에 사용된다.
<Energy News>
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