변압기 냉각방식

왜 배우는가: 변압기 냉각방식은 용량과 설치 환경(옥내·옥외, 화재 위험, 고도)을 결정하는 기준이라 설계와 점검의 출발점이다. 기술사 시험에서는 IEC 기호(ONAN·ONAF 등)를 정확히 쓰고 방식별 특징을 비교하는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제137회 1교시 7번, 제135회 4교시 3번, 제89회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

변압기 냉각방式은 권선과 철심에서 발생한 손실열을 절연매체(유 또는 공기)와 냉각매체(공기·물)로 방출하는 방법을 IEC 기호(ONAN, OFAF 등)로 구분한 것이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 냉각매체: 절연유(Insulating Oil), 공기(Air), 물(Water)
• 자연 순환(Natural): 대류에 의해 유가 순환하는 방식
• 강제 순환(Forced): 펌프·팬으로 유 또는 공기를 강제 순환시키는 방식
• 라디에이터(Radiator): 유의 열을 외기로 방출하는 방열 면
• IEC 60076 계열: 전력용 변압기 규격 체계
• 고도 보정: 설치 고도에 따른 온도 상승 한계 감소
• 건식 변압기(Dry-type Transformer): 절연 매체로 공기·수지를 쓰는 변압기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변압기는 전기를 바꾸는 과정에서 열이 난다. 이 열을 빼내지 못하면 절연지가 빨리 노화된다. 냉각방식은 그 열을 어떤 물질로 옮기고, 그 물질을 자연으로 움직일지 펌프·팬으로 움직일지를 정하는 것이다.

정식 정의는 다음과 같다. 냉각방식은 변압기 내부 발열을 외부로 전달하는 절연매체와 냉각매체의 종류, 그리고 매체 순환 방법의 조합으로 정해진다. IEC는 이 조합을 두 글자 또는 네 글자 기호로 표기한다.

기호 체계는 다음과 같이 읽는다. 첫 글자는 내부 냉각매체(O: 유, A: 공기, W: 물, G: 가스 등)이다. 둘째 글자는 내부 매체의 순환 방식(N: 자연, F: 강제)이다. 셋째 글자는 외부 냉각매체, 넷째 글자는 외부 매체의 순환 방식이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 유입 자냉식(ONAN): 유가 대류로 순환하고 외기가 자연 대류로 방열하는 방식이다. 가장 단순하고 소음이 적다.
• 유입 풍냉식(ONAF): 유는 대류로 순환하고 라디에이터에 팬으로 바람을 보내는 방식이다. 정격 용량을 높일 때 쓴다.
• 강제 유입 풍냉식(OFAF): 유를 펌프로 순환시키고 팬으로 방열하는 방식이다. 대용량 변압기에 쓴다.
• 강제 유입 수냉식(OFWF): 유를 펌프로 별도 열교환기에 보내고 물로 냉각하는 방식이다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기 용량이 커지면 단위 체적당 손실이 늘어 자연 냉각만으로는 온도 상승 한계를 지키기 어렵다. 그래서 같은 본체 크기에서 용량을 높이려고 강제 순환과 방열 보조 장치가 도입되었다. 팬을 쓰면 방열 면적이 줄어 더 작은 변압기로 같은 정격을 만족시킬 수 있어 비용이 줄어든다.

설치 환경도 배경이다. 옥내에 설치하는 유입 변압기는 화재 위험 때문에 난연성 절연유를 쓰거나 내화 변압기실에 두어야 한다. 이 요구로 건식 변압기와 난연 유 변압기가 함께 쓰이게 되었다.

고도도 중요한 배경이다. 고지대에서는 공기 밀도가 낮아 냉각 능력이 떨어진다. 그래서 설계 고도를 넘는 곳에서는 온도 상승 한계를 낮추는 보정이 필요하다. 근거 기준으로 보면 관련 기준이 정한 설계 고도를 기준으로 하고, 오일 침수 자연 냉각은 400m마다 1K, 오일 침수 강제 냉각은 200m마다 1K 감소시킨다. 건식 자연 냉각은 500m마다 2.5%, 건식 강제 냉각은 500m마다 5% 감소시킨다. 오일 침수 수냉은 고도 보정을 하지 않는다.

설계 고도 기준, 오일 침수 강제 냉각 200m마다 1K 감소

건식 자연 냉각 500m마다 2.5% 감소

즉 냉각방식 선택은 용량, 화재 안전, 설치 고도를 함께 보고 정한다.

4. 구성요소·원리·절차

변압기 냉각방식은 두 가지 매체로 나뉜다. 하나는 절연유(절연유, Insulating Oil)이고 다른 하나는 공기 또는 물이다. 절연유는 권선과 철심에서 생긴 열을 받아 탱크와 방열기로 옮기고, 공기나 물은 그 열을 최종적으로 외부로 내보낸다. 냉각방식은 이 두 매체를 자연으로 순환시키는지 강제로 순환시키는지에 따라 정해진다.

구성요소별 역할은 다음 표와 같다.

냉각 원리는 열이 전달되는 순서로 이해한다. 권선과 철심의 손실열이 절연유에 전달되고, 가열된 절연유는 밀도가 낮아져 위로 올라간다. 절연유는 방열기에서 열을 내놓고 밀도가 높아져 아래로 내려온다. 이 대류 순환이 자연 냉각의 원리다. 강제 냉각은 이 순환을 펌프로 빠르게 하고, 방열 면적을 팬으로 키워 같은 크기에서 더 많은 열을 빼내는 방식이다.

냉각방식은 절연유 순환 방법과 외부 냉각 매체의 강제 여부로 구분한다.

IEC 60076-2 기준의 냉각방식 기호는 다음 절차로 읽는다.

• 첫 글자는 내부 냉각 매체를 나타낸다. O는 절연유(Oil)다.
• 둘째 글자는 내부 유의 순환 방식이다. N은 자연 순환, F는 강제 순환이다.
• 셋째 글자는 외부 냉각 매체다. A는 공기(Air), W는 물(Water)이다.
• 넷째 글자는 외부 냉각 매체의 순환 방식이다. N은 자연, F는 강제다.
• 따라서 ONAN은 유 자연순환·공기 자연냉각, OFAF는 유 강제순환·공기 강제냉각을 뜻한다.

권선 온도 상승의 기본 관계는 다음과 같다. 손실이 같을 때 방열 능력이 커지면 온도 상승이 줄어든다.

$\Delta\theta = \frac{P_{loss}}{h \cdot A}$

여기서 \Delta\theta는 온도 상승(K), P_{loss}는 총 손실(W), h는 열전달 계수(W/(m²·K)), A는 방열 면적(m²)이다. 강제 냉각은 h와 A를 키워 \Delta\theta를 낮춘다. 세부 계수는 설계 자료에 따르며 본 식은 원리 이해용이다.

5. 관련 법령·기준·표준

변압기 냉각과 온도 상승은 KS와 IEC 규격을 기준으로 한다. 국내에서는 IEC 60076 계열을 KS C IEC 60076으로 받아 사용하며, 국내 설계에서는 변압기 온도 상승 시험과 정격 조건을 이 기준에 따른다. 미국은 ANSI C57 계열을 쓰고, 건식 변압기는 IEC 60076-11과 ANSI 기준이 함께 쓰인다. 구체 조항 번호는 확인된 범위에서만 쓴다.

설계 기준 조건은 다음과 같다. 설계 기준 주변 온도는 IEC 60076-2 기준으로 옥외 최고 40℃이며, 가장 더운 달의 월평균 30℃, 연간 평균 20℃를 쓴다. 옥외용 최저 온도는 -25℃, 실내용 최저 온도는 -5℃다.

고도 보정 기준은 관련 기준이 정한 설계 고도를 기준으로 한다. 평균 권선 온도 상승 한계는 설계 고도를 넘을 때 다음과 같이 낮춘다.

주변 온도가 설계 최고치를 넘는 곳에서 쓰면, 허용 온도 상승 한계를 그 초과분만큼 줄여 적용한다.

개정 연혁은 다음과 같다. 국내 변압기 기준은 KS 제정 이후 IEC 개정에 맞춰 갱신되어 왔으며, 현재의 냉각방식 기호 체계는 IEC 60076-2 기준을 따른다.

6. 유형과 비교

변압기 냉각방식은 절연유 순환 방식(자연순환 또는 강제순환)과 열을 외부로 보내는 매체(공기 또는 물)의 조합으로 나뉜다. IEC 60076 계열은 이를 네 글자 약호로 표기하며, 첫 글자는 내부 절연유의 냉각 방식, 둘째 글자는 외부 냉각매체의 순환 방식을 뜻한다. 약호의 의미를 먼저 알아야 비교표를 읽을 수 있다.

• 1문자: O(유입, Oil), F(강제 순환, Forced) 등 내부 냉각매체
• 2문자: A(공기, Air), W(물, Water), N(자연, Natural), F(강제, Forced)

아래 표는 IEC 체계의 주요 냉각방식을 비교한다.