변압기(Transformer)의 분류

변압기(Transformer)의 분류

 

 

 

1. 변압기(Transformer)의 정의

변압기는 전자기 유도(Electromagnetic Induction) 원리를 이용하여 교류(AC) 전압과 전류의 크기를 변환하는 정지형(회전하지 않는) 전기기기입니다.

1) 핵심 기능

· 전압 승압(Step-up) 또는 강압(Step-down)

· 계통 간 전기 절연

· 에너지 전달 시 주파수 유지(50/60 Hz 유지)

· 전력 손실 최소화하여 전달

즉, 한 회로에서 다른 회로로 전력을 효율적으로 전달하고 전압을 필요한 수준으로 조정하는 장치입니다.

 

2) 변압기의 동작 원리 (전자기 유도)

변압기는 패러데이의 전자기 유도 법칙을 기반으로 합니다.

① 1차 권선에 교류 전류 공급 → 시간에 따라 변화하는 교류 자속 발생

② 자속이 철심을 통해 2차 권선에 전달 → 2차 권선에 유도기전력(전압)이 생성

③ 권선비(N1/N2)에 따라 전압이 변환

 

전압 비 관계

· V₂ / V₁ = N₂ / N₁

전류 비 관계(손실 무시 가정)

· I₂ / I₁ = N₁ / N₂

 

3) 변압기의 목적 및 필요성

① 송·배전 효율 향상

· 발전소에서 생산한 전력은 전압을 높여(승압)

· 장거리 송전 시 전력손실(P=I²R)을 최소화

· 수용가로 갈수록 다시 강압하여 안전 사용

 

② 전력 품질 유지

· 지역별 허용전압 유지

· 전류밀도 감소로 안전성 확보

 

③ 전기적 절연

· 전력계통 간의 전기적 위험을 분리

· 누전·단락 사고 확산 방지

 

④ 다양한 전압 수요 충족

· 가정: 220 V

· 산업: 380 V, 6.6 kV, 22.9 kV

· 공정별 특수전압 공급

 

⑤ 계측 및 보호 기능

· CT/PT를 통한 계량, 계전, 고장 검출

 

4) 변압기의 구성 요소 및 역할

반응형

① 철심(Core)

· 자속 통로

· 규소강판 또는 아몰퍼스 강판 사용

· 손실(히스테리시스/와전류) 최소화 목적

 

② 권선(Winding)

· 구리 또는 알루미늄 도체

· 1차 권선(입력), 2차 권선(출력)

· 권선비로 전압 결정

 

③ 절연(Insulation)

· 안전·수명 확보

· 절연지풍, 에폭시, 절연유 등

 

④ 냉각 시스템(Cooling)

· ONAN, ONAF, OFAF, OFWF

· 또는 건식 : AN/AF, 주위 공기 이용

 

⑤ 부속장치

· 탭체인저 : 전압 조정

· 부싱 : 전력 인출

· 가스 릴레이 : 내부 이상 검출

· 온도계·레벨계 : 상태 모니터링

 

 

2. 변압기의 구조별 분류

변압기는 전력의 변환 및 전달을 위해 다양한 구조로 제작되는데, 가장 기본적으로 철심의 형태에 따라 심형과 각형으로 나뉘며 심형 변압기는 두 개의 수직 기둥과 상·하부 요크로 구성된 단순한 구조에 권선을 배치하여 제작과 냉각이 비교적 용이한 반면, 각형은 중앙 기둥에 권선을 집중시키고 그 좌우에 자속이 분기되는 형태로 배치되어 누설자속이 적고 내전류 충격성이 우수해 대전류 용도에 적합하다는 특징을 갖는다.

 

이런 전통적 적층형 철심 외에도 최근에는 철손을 줄이기 위해 비정질 리본 형태의 아몰퍼스 철심을 적용하는 구조가 증가하고 있으며, 정밀 제어나 전자장비에서는 도넛 형태의 원형 철심에 권선을 감아 누설자속을 최소화한 토로이드 구조가 활용된다. 절연과 냉각 방식의 차이에 따라서는 변압기 내부 철심과 권선을 절연유에 담가 열을 제거하고 절연 성능을 확보하는 유입식 변압기가 가장 널리 사용되며, 자연 대류 방식의 ONAN에서 강제 팬과 펌프를 사용하는 ONAF·OFAF, 더 나아가 수냉식을 적용하는 OFWF 등으로 세부 구조가 달라지면서 용량과 운전 환경에 대응한다. 반대로 절연유를 사용하지 않고 권선을 공기 또는 고체 수지로 보호하는 건식 구조가 있으며, 이는 통풍에 의해 냉각되는 VPI 방식과 권선 전체를 에폭시로 캡슐화하는 캐스트 레진 방식이 대표적으로 화재 위험이 낮고 유지점검이 용이하다는 이유로 실내 변전실이나 지하 공간에서 선호된다.

 

권선 구성 역시 구조적 특성을 결정하는데, 1차와 2차 권선이 완전히 분리된 일반 변압기 외에 동일 권선을 공유하는 자가변압기는 철심과 도체가 절감되어 고효율과 경량화가 가능하나 회로 간 절연이 확보되지 않는 구조적 특성을 가진다. 또한 단일 탱크 안에 세 개의 권선 세트를 배치한 삼상 구조와, 삼상을 단상 변압기 세 대를 묶어 구성하는 방식이 공존하며 설치·정비 접근성이나 운전 신뢰도에 따라 선택된다. 마지막으로 전압 조정을 위한 탭체인저 구성도 구조적 요소로 포함되는데 무부하 상태에서 탭을 변경하는 단순한 구조의 NLTC가 주상 및 소·중용량 변압기에 일반적이고, 부하 운전 중에도 전압을 연속적으로 조정하기 위한 OLTC는 복합 접점 구조와 아크 소호 장치가 포함된 보다 복잡한 기구를 가진다. 요약하면 변압기의 구조는 철심의 기하 형태, 절연·냉각 방식, 권선 상호 배치와 전압조정 장치 적용 여부에 따라 다양하게 구분되며, 이러한 구조적 선택은 설계 목적, 설치 환경, 용량 요구, 경제성 그리고 안전 조건을 충족하기 위한 기술적 대응이라 할 수 있다.

분류의 종류	상세 내용
상수	단상 변압기. 삼상 변압기. 단/삼상 변압기 등
내부구조	내철형 변압기. 외철형 변압기
권선 수	2권선 변압기. 3권선 변압기. 단권 변압기 등
절연의 종류	A종 졀연 변압기. B종 절연 변압기. H종 절연 변압기 등
냉각 매체	유입 변압기. 수냉식 변압기. 가스 절연 변압기 등
냉각 방식	유입 자냉식 변압기. 송유 풍냉식 변압기. 송유 수냉식 변압기 등
탭 절환 방식	부하시 탭 절환 변압기. 무전압 탭 절환 변압기
절연유 열화 방지 방식	콘서베이터(Conservator)

 

 

3. 변압기의 용도별 분류

전력 시스템에서 사용되는 변압기는 그 용도와 적용 목적에 따라 다양한 형태로 구분되는데, 가장 기본적인 범주로는 발전소에서 생성된 전력을 송전망에 적합한 고전압으로 끌어올리는 승압 변압기와 송전망의 높은 전압을 변전소에서 중간 수준으로 낮추는 중간 전압 변압기, 그리고 최종적으로 배전망에서 가정과 사업장에 공급 가능한 전압까지 낮추는 배전용 변압기로 구성된 계통 변압기 계열이 있다.

이 중 발전소 내에서 터빈 발전기의 10~20 kV급 출력을 수백 kV로 승압하는 변압기는 대용량, 높은 절연 등급, 부하 조정 기능이 핵심이며, 변전소에 설치되는 송전·배전 변압기는 OLTC를 포함해 계통 전압을 안정적으로 유지하는 역할을 한다. 지역 배전망으로 내려오면 전봇대에 설치되는 주상 변압기나 지상 압입형 패드변압기가 주로 사용되며, 이는 22.9 kV를 380/220 V로 낮추어 일반 수용가에 직접 공급한다는 점에서 사람 생활과 가장 밀접한 역할을 한다.

 

전력 변환 및 공급 외에도 특정 산업에 특화된 변압기가 존재하는데, 대표적으로 제철 및 용접과 같이 대전류를 필요로 하는 용접 변압기는 전압을 낮추는 대신 수 kA에 달하는 대전류 공급 능력을 확보하도록 권선 비를 설계하며, 전자 제조 및 반도체 라인 등 전력 품질이 중요하거나 고조파 영향을 줄이기 위해 절연 변압기 또는 K-팩터 변압기가 사용된다.

 

전기 안전 측면에서는 고압 회로와 인체 접촉 위험이 있는 저압 회로를 완전히 절연하기 위한 절연 변압기가 필수 역할을 하고, 병원 수술실·수영장·함선 등의 특별 장소에서는 누설전류를 억제하고 고장전류 차단 시간을 줄이기 위해 의료용 절연 변압기나 지락 감시 기능 포함 장비가 활용된다.

 

계측 및 보호 목적을 위해 구조가 전혀 다른 변성기류 역시 용도별 변압기에 포함되는데, 전력회사의 계측·계전 시스템에서 사용되는 전류 변성기(CT)는 수백~수천 A급 전류를 수 A로 변환하여 계전기·계량기에 안전하게 입력시키고, 전압 변성기(PT)는 kV 단위의 고전압을 수백 V 이하로 낮춰 계측과 보호계통에 사용할 수 있도록 한다. 또한 철도 전기화 시스템, 배터리 충전 설비 또는 UPS, 태양광 인버터 시스템에서는 전압 안정화·배전 분리용 변압기 또는 복합 주파 감응형 변압기가 사용되며, HVAC 모터 구동 시스템이나 엘리베이터, 펌프 설비에서는 기동전류 억제 목적의 기동용 변압기가, 자동제어 장치에서는 PLC·센서 전원을 위해 소형 제어용 변압기나 SMPS 1차 절연용 변압기가 사용된다.

 

더 나아가 계통 안정과 무효전력 제어를 위해 변압기 권선을 다회 감아 각기 다른 전압을 동시에 공급하는 다권선 변압기, 또는 단락 전류 제한을 위한 리액터형 변압기와 유사 구조도 구성에 포함된다. 결국 용도별로 구분된 변압기는 전력 생산·송전·배전 단계에서 전압 수준을 조절하는 기본 계통용 변압기, 사용처 및 환경에 특화된 산업·제어·안전용 변압기, 그리고 계측 및 보호 기능을 수행하는 변성기로 크게 나눌 수 있으며, 각각은 전기 시스템의 운전 목적, 전압·전류 요구, 부하 특성, 안전 등급 및 현장 조건을 충족하기 위해 설계 특징과 성능이 달라진다는 점이 핵심이다.

 

종 류	용 도
전력용 변압기	발,변전소 또는 배전선에서 전압을 변경하여 전력을 공급할 목적으로 사용됩니다. 배전용 변압기도 이 일종입니다.
절연 변압기	복수의 계통간을 절연할 목적으로 사용됩니다. TIE변압기라고도 합니다.
이동용 변압기	긴급 대비용으로 차량에 적재하여 용이하게 이동할 수 있는 변압기로 간단한 변전설비를 장착한 경우도 있습니다.
접지 변압기	전력 계통에 중성점을 설치하여 직접 또는 적당한 임피던스를 통하여 접지할 목적으로 사용됩니다.
전기로용 변압기	전기로에 전력을 공급하는 장치이며 전기로의 종류에 따라 여러가지 입니다. 일반적으로 2차측은 대전류 입니다.
반도체 전력 변환 장치용 변압기	정류기,SCR 등의 전원 변압기 이며, 정류법에 따라 종류도 다양합니다. 정류기와 일체로 된 것도 있습니다.
선박용 변압기	선박 내의 배전에 사용하는 특수한 변압기로 NK규제 등에 준하여 제작되며 인정이 필요합니다.
시동용 변압기	대용량 전동기의 시동 전류를 제한할 목적으로 사용되는 변압기입니다.
누설 변압기	네온관 등의 방전관, 아크용접 등 부저항 특성을 가진 부하에 공급하는 전원에 사용합니다.
시험용 변압기	주로 고전압 또는 대전류 시험 전원으로 사용되는 변압기입니다.