OLTC 동작원리

왜 배우는가: OLTC는 부하가 흐르는 상태에서 변압기 탭을 바꿔 2차 전압을 정해진 범위로 유지하는 장치다. 실무에서는 계통 전압 변동과 역률 변화에 대응하는 핵심 설비이며, 대용량 변압기의 전압 품질과 직결되어 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제117회 1교시 7번, 제102회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

부하시 전압조정기(OLTC)는 부하 전류가 흐르는 상태에서 변압기 권선의 탭을 절환하여 2차 측 전압을 일정 범위로 유지하는 장치이다.

• 핵심 키워드: 부하시 탭 절환기(OLTC), 탭 선택기(Tap Selector), 절환 스위치(Diverter Switch), 전이저항(Transition Resistor), 순환전류(Circulating Current), 전압 조정 범위(±10%), 무부하 탭 절환기(NLTC)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변압기는 부하를 끊지 않고 권수비를 조금씩 바꾸는 장치가 필요하다. 그 역할을 하는 것이 OLTC다. 부하가 커지면 전압이 떨어지고 부하가 작아지면 전압이 올라가므로, 권선 탭을 옮겨 전압을 맞춘다.

정식으로는 OLTC를 부하 전류를 차단하지 않고 탭 위치를 바꾸는 탭 절환장치로 정의한다. 탭 전환 중에도 변압기가 부하에 계속 전력을 공급해야 하므로, 이 점이 무부하 탭 절환기와 가장 크게 다르다.

핵심 용어는 다음과 같다.

탭 선택기는 권선의 여러 탭 중 하나를 골라 연결하는 부분이다. 전류를 차단하지 않은 상태에서 움직이지 않으며, 무부하 상태에서 다음 탭을 미리 선택해 둔다.

절환 스위치(절환 개폐기)는 실제로 전류를 옮기는 부분이다. 아크를 소호하고 두 탭 사이에서 부하 전류를 넘겨준다. 절연유 속에 있어 냉각과 소호를 함께 맡는다.

전이저항(한류저항)은 두 탭을 잠시 동시에 연결할 때 생기는 순환전류를 제한하는 저항이다. 전이 중 전압 차에 따른 과전류를 막는 역할이다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 계통에서는 부하의 크기와 역률에 따라 전압이 시시각각 변한다. 부하가 크면 선로와 변압기의 전압강하가 커져 2차 전압이 낮아진다. 반대로 경부하에서는 전압이 상승한다. 이 변동을 권수비 조정으로 보상할 수 있어야 한다.

무부하 탭 절환기는 변압기를 정지시켜야 탭을 바꿀 수 있어, 전압을 상시 관리하기에는 부적합했다. 전력 공급을 끊지 않아야 하는 대용량 변압기와 송전·변전 설비에서는 부하 중 절환이 필수가 되었다. 그래서 OLTC가 대용량 변압기의 표준 장치로 자리 잡았다.

계통 측면에서 OLTC는 전압 품질을 유지하고, 무효전력 흐름에 따른 전압 변동을 줄인다. 또한 전압 안정도와 과도 안정도 향上에도 기여한다. 다만 절환 빈도가 많으면 접점과 절연유가 열화되므로 보수 주기 관리가 함께 필요하다.

• 탭 수와 간격은 기기와 전압등급마다 다르다. 일반적으로 정격전압의 ±10% 범위에서 전압을 조정한다.
• 한 탭당 전압 간격은 설계마다 달라 0.625% 같은 값이 쓰인 사례가 있다.

(본 절의 상세 구조와 절환 순서는 4절에서 다룬다.)

4. 구성요소·원리·절차

부하시 탭 절환장치(On-Load Tap Changer, OLTC)는 변압기의 탭 선택기(tap selector), 전환 스위치(diverter switch), 한류저항(transition resistor) 세 부분으로 구성된다. 탭 선택기는 권선의 탭을 미리 골라 놓는 무부하 접점이고, 전환 스위치는 부하전류가 흐르는 상태에서 탭을 옮기는 접점이다. 두 장치가 순서를 맞춰 움직여 부하를 끊지 않고 권수비를 바꾼다.

표의 각 구성요소는 탭 전환 중 역할이 나뉜다. 탭 선택기는 전류를 끊지 않고, 전환 스위치가 전류의 흐름을 담당한다.

원리는 다음과 같다. 두 탭에 동시에 연결하면 두 탭의 전위차로 내부 순환전류가 흐른다. 이 전류를 한류저항이 제한한 뒤 전환 스위치가 한 탭을 떼어 내므로 부하가 끊기지 않는다. 한류저항 값이 클수록 순환전류는 작아지나 전압 강하와 열 발생이 커지므로 적정 값을 고른다.

절차는 다음과 같다.

• 탭 선택기가 희망하는 탭의 접점을 무부하 상태에서 미리 연결한다.
• 전환 스위치가 현재 탭에서 한류저항 쪽으로 이동하여 부하전류 일부를 저항을 통해 흘린다.
• 전환 스위치가 중앙 위치에 와서 두 탭에 동시에 연결되고, 부하전류가 두 탭으로 나뉜다. 이때 순환전류가 흐른다.
• 전환 스위치가 새 탭 쪽으로 옮겨져 이전 탭을 떼고, 한류저항은 단락된다.
• 탭 전환이 끝나면 전류는 새 탭 하나로만 흐른다.

전압 조정량은 탭 수와 간격으로 정해진다. 탭 전압 한 단계의 변화율은 다음과 같다.

$\Delta V(\%) = \frac{V_{step}}{V_{rated}} \times 100$

여기서 V_{step}은 한 탭 간격의 전압(V), V_{rated}는 정격전압(V)이다. 예로 정격 154kV에서 탭 간격이 1.25%이면 한 단계의 전압은 154 \times 0.0125 = 1.925\,\mathrm{kV}이다. 결과는 약 1.9kV로 상식 범위에 있다.

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5. 관련 법령·기준·표준

OLTC의 설계와 시험은 KS 및 IEC 60214 계열 기준을 따른다. 국내 전력설비의 보호와 전압 관리는 「전기사업법」과 한국전기설비규정(KEC)의 적용을 받는다. 조문 번호는 이 절에서 확인된 범위로만 쓴다.

표의 값은 탭 구성과 전압급에 따라 달라진다. 기준 탭 수는 전압급별로 다르므로 설계 시 해당 변압기의 사양서를 따른다.