변압기 병렬운전

왜 배우는가: 변압기 병렬운전은 부하 증가에 대응하고 한 대 고장 시에도 전력을 공급하기 위해 현장에서 널리 쓰인다. 병렬운전 조건을 어기면 순환전류와 부하 쏠림이 생겨 과열과 사고로 이어지므로 시험에서 여러 회차에 걸쳐 반복 출제된다.

출제 이력: 제135회 4교시 1번, 제131회 1교시 13번, 제116회 4교시 4번, 제114회 2교시 2번, 제113회 3교시 3번, 제112회 4교시 4번, 제103회 4교시 3번, 제98회 1교시 1번, 제89회 3교시 3번, 제89회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 변압기 병렬운전은 둘 이상의 변압기를 1차·2차 측에 공통으로 접속하여 하나의 부하에 전력을 함께 공급하는 운전 방식이다. 핵심 키워드

• 변압기 병렬운전
• 극성
• 권수비
• %임피던스
• 순환전류
• 부하분담
• 상회전 방향과 위상변위
• 저항과 리액턴스의 비

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 변압기 두 대 이상을 나란히 연결해 한 덩어리처럼 쓰는 것이다. 부하가 늘면 한 대를 더 붙이고, 부하가 줄면 한 대를 떼어 손실을 줄인다. 정식으로는 같은 전압 등급의 변압기들을 1차 측 모선과 2차 측 모선에 병렬로 접속해 운전하는 것을 말한다. 이때 각 변압기가 부하를 용량에 맞게 나눠 맡아야 하며, 그러려면 전압과 임피던스가 맞아야 한다.

순환전류는 병렬로 붙은 변압기 사이에 전압 차이가 있을 때 무부하 상태에서도 두 권선 사이로 흐르는 전류다. 권수비나 전압 크기가 다르면 이 전류가 생겨 권선이 과열된다. 그래서 무부하에서 순환전류가 흐르지 않아야 한다는 것이 기본 조건이다.

부하분담은 각 변압기가 전체 부하를 나눠 맡는 몫이다. 부하분담은 변압기 정격용량에 비례하고 %임피던스에 반비례한다. 즉 용량이 크고 %임피던스가 작은 변압기가 더 많은 부하를 맡는다. 이를 식으로 쓰면 다음과 같다.

$\frac{P_A}{P_B}=\frac{P_{nA}}{\%Z_A}\div\frac{P_{nB}}{\%Z_B}$

여기서 P_A, P_B는 각 변압기의 분담 부하[kVA], P_{nA}, P_{nB}는 정격용량[kVA], \%Z_A, \%Z_B는 기준 용량에서의 퍼센트 임피던스[%]다.

%임피던스는 정격 전류가 흐를 때 임피던스에 걸리는 전압 강하를 정격 전압에 대한 백분율로 나타낸 값이다. 같은 용량 기준으로 환산해서 비교해야 의미가 있다. 용량이 다른 변압기를 병렬로 쓸 때는 기준 용량을 맞춰 환산한 %임피던스를 써야 한다.

병렬운전에서 가장 흔한 실패는 %임피던스가 서로 달라 한 대에 부하가 몰리는 것이다. 이때 과부하가 된 변압기는 허용 한도를 넘어 온도가 올라가고 수명이 줄어든다. 일반적으로 용량비는 관련 기준이 정한 범위 이내로 두는 것이 권장된다.

3. 등장 배경과 필요성

첫째, 부하 규모가 커지면 단일 대용량 변압기를 한 번에 설치하기 어렵다. 변압기를 여러 대로 나눠 설치하면 운반과 설치가 쉬워지고 증설도 단계적으로 할 수 있다. 수전설비를 단계적으로 늘리는 현장 요구에서 병렬운전이 자연스럽게 채택됐다.

둘째, 신뢰도를 높이기 위해서다. 한 대가 고장 나거나 점검에 들어가도 나머지 변압기로 부하를 이어 공급할 수 있다. 병원, 데이터센터, 공장처럼 정전이 큰 손실로 이어지는 설비에서 중요하다.

셋째, 부하 변동에 맞춘 운전 효율을 확보하기 위해서다. 부하가 적은 시간대에는 일부 변압기만 운전하고 나머지는 분리해 무부하손을 줄인다. 변압기는 부하율이 낮으면 철손의 비중이 커져 효율이 떨어지기 때문에 이 운전이 경제성에 직결된다.

넷째, 기존 설비를 활용하기 위해서다. 새로운 변압기를 추가할 때 기존 변압기와 병렬로 붙이면 설치 비용을 줄일 수 있다. 다만 기존 기기와 임피던스·결선·탭이 맞지 않으면 병렬운전이 불가능하므로, 증설 전에 조건을 확인하는 절차가 필요하다.