변압기 병렬운전

왜 배우는가: 변압기를 두 대 이상 병렬로 운전하면 부하 분담과 설비 증설이 쉬워지지만, 조건이 맞지 않으면 순환전류와 부하 편중이 생겨 과부하나 손실이 발생한다. 이 때문에 병렬운전 조건은 발송배전 설계와 운영 현장에서 기본으로 확인하는 항목이고, 기술사 시험에서도 용어·논술·계산 문제로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제133회 2교시 4번, 제132회 4교시 1번, 제130회 1교시 10번, 제128회 1교시 9번, 제126회 1교시 12번, 제119회 1교시 9번, 제113회 1교시 7번, 제92회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변압기 병렬운전은 같은 전압의 두 대 이상 변압기를 1차·2차 측에서 공통 모선에 연결하여 하나의 부하를 나누어 맡게 하는 운전 방식이다.

• 핵심 키워드: 병렬운전, 극성, 권수비, %임피던스, 순환전류, 부하분담, 저항과 리액턴스의 비, 상회전 방향(3상)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 변압기 한 대의 용량이 부족하거나 고장에 대비해야 할 때 여러 대를 같이 붙여 쓰는 것이다. 각 변압기가 부하를 나눠 맡으려면 두 변압기의 2차 전압이 같은 크기와 위상을 가져야 한다. 두 변압기의 2차 전압이 다르면 무부하 상태에서도 두 변압기 사이에 전류가 흐른다.

정식으로 말하면 병렬운전은 두 변압기의 2차 측을 같은 모선에 접속하여 동일한 2차 단자 전압을 공유시키는 운전이다. 이때 각 변압기의 부하 전류가 정격 용량에 비례하여 분담되도록 임피던스 조건을 맞추는 것이 핵심이다.

극성(Polarity)은 1차·2차 권선의 감김 방향과 단자 표기가 일치하는 것을 뜻한다. 극성이 반대이면 2차 전압이 서로 반대 방향으로 더해져 큰 순환전류가 흐르고, 변압기 소손으로 이어진다.

권수비(Turns Ratio)는 1차 권수와 2차 권수의 비이며, 두 변압기의 권수비가 같아야 2차 무부하 전압이 같다. 권수비가 다르면 무부하에서도 순환전류가 흐른다.

%임피던스(Percent Impedance)는 정격전류가 흐를 때 변압기 내부 임피던스 강하가 정격전압의 몇 %인지를 나타내는 값이다. 부하 분담은 이 값의 역수에 비례하므로 %임피던스가 같아야 용량에 비례한 분담이 된다.

저항과 리액턴스의 비(R/X)가 같아야 두 변압기의 부하 전류 위상이 같아진다. 위상이 다르면 같은 kVA를 맡더라도 전류 크기와 손실이 달라진다.

3상 변압기에서는 여기에 상회전 방향과 위상변위(각변위)가 같아야 한다. 결선 조합에 따라 2차 선간전압의 위상이 30° 차이 날 수 있으므로, 같은 각변위군(벡터군)끼리 묶어야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 수요가 늘면서 변압기 용량을 한 번에 크게 늘리기보다 여러 대로 나누어 설치하는 방식이 쓰이게 되었다. 이 방식은 한 대가 고장나도 나머지 변압기로 부하를 이어 받을 수 있고, 부하 변동에 맞춰 운전 대수를 조정할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 설치 시점이나 교체 시점이 서로 다른 변압기를 병렬로 묶으면, 제작사와 정격이 달라 임피던스나 권수비가 조금씩 차이 난다. 이 차이가 순환전류와 과부하를 만든다. 따라서 병렬운전 조건을 정해 두고 설치 전에 확인하는 절차가 필요해졌다.

또 병렬운전은 부하가 적을 때 불필요하게 큰 변압기가 저부하로 운전되는 문제도 줄인다. 변압기는 부하율이 낮으면 철손 비율이 커져 효율이 떨어지므로, 여러 대를 부하에 맞춰 나누어 운전하는 것이 에너지 효율에도 도움이 된다.