변압기 소음 저감

왜 배우는가: 변압기는 변전소와 공동주택 인근에 설치되는 대표적인 소음원이라 소음 민원과 직결된다. 소음의 원인을 전기적 원인과 기계적 원인으로 나눠 이해해야 발생원별 저감 대책을 논리적으로 쓸 수 있다.

출제 이력: 제128회 4교시 2번, 제122회 3교시 2번, 제111회 2교시 4번, 제102회 2교시 2번, 제98회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변압기 소음은 철심의 자기변형과 권선의 전자력, 냉각장치의 기계 진동이 구조물과 공기를 통해 전달되어 발생하는 소음이다.

변압기 소음은 원인에 따라 전기적 소음과 기계적 소음으로 나눠 이해한다. 전기적 소음은 전류와 자속이 만드는 힘과 철심의 자기변형에서 생기고, 기계적 소음은 냉각팬과 펌프의 회전 진동 및 설치부의 진동 전달에서 생긴다. 두 원인을 구분해야 저감 대책도 발생원별로 나눠 세울 수 있다.

답안에 쓸 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 자기변형: 교번 자속에 의해 철심 강판의 치수가 주기적으로 변하는 현상이다.
• 로렌츠력: 자계 속에서 전류가 흐르는 도체가 받는 힘이다.
• 맥스웰력: 철심 적층 이음부에서 자속이 통과하며 생기는 흡인력이다.
• 냉각팬: 열을 식히기 위해 공기를 보내는 장치로 대표적인 기계 소음원이다.
• 밀폐 방음함: 변압기 주위를 둘러싸 소음이 밖으로 나가지 않도록 막는 구조이다.
• 방진 지지: 진동이 기초와 건물로 전달되지 않도록 절연하는 지지 방식이다.
• 고체전달음: 구조물을 타고 건물 내부까지 전달되는 진동음이다.

답안 첫 줄에는 정의 문장을 쓰고, 이어서 전기적 원인과 기계적 원인을 핵심 키워드로 나열하는 순서가 채점에 유리하다. 키워드를 나열만 하지 말고 각 키워드가 어떤 원인과 연결되는지 한 문장씩 붙여야 한다. 키워드의 뜻을 정확히 알고 있어야 설명 단계에서 원인과 대책이 자연스럽게 이어진다.

2. 개념 풀이

변압기 소음은 변압기가 전원에 연결되어 동작하는 동안 철심, 권선, 냉각장치에서 생기는 진동이 공기와 구조물을 통해 퍼져 나가는 소리이다. 무부하 상태에서도 철심이 여자되어 있으면 소음이 나므로, 부하 전류가 없어도 소음이 발생한다는 점이 이 문제의 출발점이다. 여기에 부하가 커지면 권선과 냉각장치의 기여가 더해져 전체 소음이 커진다.

자기변형(Magnetostriction)은 가장 중요한 원인이다. 철심은 규소강판을 적층하여 만드는데, 교번 자속이 강판을 통과하면 강판의 길이가 자화 방향으로 미세하게 늘고 줄어든다. 이 변화는 자속의 방향과 관계없이 자속밀도의 크기에 따라 일어나므로, 전원이 한 주기 동안 두 번 최댓값을 지나는 것과 같아 철심 진동은 전원 주파수의 2배로 나타난다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$f_{철심} = 2 f_{전원}$

그 결과 50Hz 계통에서는 100Hz (60Hz 계통은 120Hz) 성분이 주된 소음이 된다. 이 대역은 저주파 성분이라 차음이 어렵다. 다만 철심의 자속밀도가 높을수록 자기변형이 커지므로, 설계 단계에서 자속밀도에 여유를 두는 것이 소음 저감의 근본 대책이 된다.

권선에서 생기는 소음은 로렌츠력과 누설 자속에 의한 전자력에서 나온다. 권선에 전류가 흐르면 자계와의 상호작용으로 힘이 작용하고, 이 힘은 전류의 제곱에 비례한다. 따라서 과부하 상태에서 권선이 진동하여 소음이 커지며, 이 소음은 부하 전류가 커질수록 두드러진다.

철심 이음부에서는 맥스웰력이 작용한다. 철심은 강판을 엇갈려 쌓아 자속이 한 판에서 다음 판으로 이어지는데, 이음부에서 자속이 방향을 바꾸며 인접한 강판 사이에 흡인력이 생긴다. 이 힘이 이음부를 주기적으로 당기고 놓으면서 철심 전체를 진동시키므로, 자기변형과 함께 철심 진동의 두 축을 이룬다.

냉각장치는 기계적 원인이다. 유입식 변압기의 냉각팬과 펌프는 회전체이므로 불평형과 공기 흐름에서 소음과 진동을 만든다. 이 소음은 자기적 원인과 달리 최대 용량으로 운전할 때 팬과 펌프가 가장 크게 가동되어 두드러진다. 변압기 주위를 둘러싸는 외함이나 방음벽이 없으면 팬 소음이 외부로 그대로 퍼진다.

고체전달음과 공기전달음도 구분한다. 공기전달음은 철심과 외함에서 공기 중으로 직접 나가는 소리이고, 고체전달음은 변압기 기초, 배관, 지지대를 타고 건물 구조물로 전달되어 먼 곳의 실내에서 들리는 소리이다. 고체전달음은 흡음으로 줄이기 어렵기 때문에 방진 지지와 유연 연결로 진동 경로를 끊는 것이 효과적이다.

소음의 주파수 특성상 저주파 성분이 많아 파장이 길고 투과가 쉬우므로, 벽 한 겹으로 차단하기 어렵다. 이 특성 때문에 대책은 발생원 저감, 전달 경로 차단, 수음 측 차폐를 함께 적용하는 방식으로 구성된다.

소음 저감은 진동의 발생원을 줄이고 전달 경로를 차단하는 것이 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기는 발전소에서 생산된 전기를 송전과 배전에 맞게 전압으로 바꾸는 설비이며, 전력 계통의 가장 기본적인 기기이다. 전력 수요가 늘면서 변압기의 단위 용량이 커졌고, 그만큼 철심의 자속밀도와 권선 전류도 커졌다. 자속밀도와 전류가 커질수록 자기변형과 전자력이 커지므로 대용량 변압기일수록 소음 문제가 두드러진다.