변압기 병렬운전 조건

왜 배우는가: 변압기 한 대의 용량으로 부하를 감당할 수 없거나 부하가 변동하는 현장에서는 여러 대를 병렬로 운전한다. 병렬운전 조건은 전기안전기술사 시험에서 조건 나열, 임피던스 전압이 다를 때의 부하 분담, 다수 운전 조건을 묻는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제102회 1교시 4번, 제96회 1교시 7번, 제95회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

둘 이상의 변압기를 1차·2차 측에 동시에 접속해 부하를 나누어 맡는 운전으로, 조건이 맞아야 순환전류 없이 용량 비례 분담이 된다

• 극성
• 권수비
• %임피던스
• 순환전류
• 부하 분담
• 상회전·위상변위
• 용량 비례

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 변압기를 여러 대 나란히 묶어 한 대처럼 쓰는 것이다. 각 변압기의 2차 전압이 같은 크기와 같은 위상으로 맞물려 있어야 두 변압기 사이에 전압 차가 생기지 않는다. 전압 차가 있으면 변압기 사이로 전류가 돌기만 하고 부하에는 도움이 되지 않는다.

정식 정의는 다음과 같다. 병렬운전은 정격이 같거나 다른 여러 변압기의 1차 측과 2차 측을 각각 공통 모선에 접속하여 하나의 부하군에 동시에 전력을 공급하는 운전 방식이다. 이때 각 변압기는 자기 임피던스에 반비례해 전류를 나누어 분담한다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다. 극성은 1차와 2차 단자의 순간 전압 방향 관계이며, 극성이 다르면 2차 측 사이에 큰 전압 차가 생긴다. 권수비는 1차 권수와 2차 권수의 비로, 권수비가 다르면 무부하에서도 전압 차에 의한 순환전류가 흐른다. %임피던스는 정격전류가 흐를 때 변압기 내부 임피던스 강하가 정격전압의 몇 %인지를 나타낸다. %임피던스가 다르면 부하가 용량 비례로 나뉘지 않고 임피던스가 작은 쪽으로 몰린다.

원리는 회로 방정식으로 설명한다. 두 변압기의 2차 측 기전력 차를 \Delta V, 두 변압기의 2차 측 합성 임피던스를 Z_a + Z_b라 하면 순환전류는 다음과 같다.

$I_c = \frac{\Delta V}{Z_a + Z_b}$

여기서 I_c는 순환전류(A), \Delta V는 기전력 차(V), Z_a, Z_b는 각 변압기의 2차 환산 임피던스(Ω)이다. 무부하 상태에서 \Delta V가 0이어야 I_c가 0이 된다. 그래서 무부하 순환전류 0 이 병렬운전의 첫 번째 조건이 된다.

부하가 걸렸을 때의 분담은 다음 식으로 나타낸다. 임피던스 각이 같다고 보면 각 변압기의 부하 분담 전류는 용량을 %임피던스로 나눈 값에 비례한다.

$\frac{I_a}{I_b} = \frac{P_a / \%Z_a}{P_b / \%Z_b}$

여기서 P_a, P_b는 각 변압기의 정격용량(kVA), \%Z_a, \%Z_b는 각 변압기의 %임피던스이다. 식을 보면 %임피던스가 같으면 분담이 용량에 정확히 비례하고, %임피던스가 다르면 한쪽에 과부하가 걸린다.

3상 변압기의 병렬운전에서는 위상 관계도 맞아야 한다. 1차와 2차 선간 전압의 위상변위는 시계 숫자(clock-hour)로 표시하며, 위상 차가 30°의 배수로 나타난다. 위상변위가 다른 두 변압기를 묶으면 2차 측 선간 전압 차가 커져 큰 순환전류가 흐른다. 상회전 방향도 같아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

병렬운전이 필요한 이유는 크게 세 가지다. 첫째는 부하 증설 대응이다. 부하가 늘어날 때 변압기를 한 대 더 설치하면 기존 설비를 교체하지 않고 용량을 늘릴 수 있다. 둘째는 신뢰도 향상이다. 한 대가 고장이나 점검으로 정지해도 나머지 변압기로 부하를 이어 공급할 수 있어 정전 범위가 줄어든다. 셋째는 경부하 시 효율 개선이다. 부하가 적을 때 운전 대수를 줄이면 철손을 줄여 전체 효율을 높일 수 있다.

반대로 병렬운전 조건이 맞지 않으면 여러 문제가 생긴다. 극성이나 위상이 다르면 투입 순간에 큰 돌입 순환전류가 흘러 차단기가 동작하거나 권선이 손상된다. %임피던스가 다르면 한 대만 과부하가 걸려 과열되고, 나머지 변압기는 여유를 두고 쉬는 불균형이 생긴다. 권수비나 정격전압이 다르면 무부하에서도 순환전류가 흘러 동손과 철손이 함께 늘어난다.

따라서 병렬운전의 목적은 여러 대를 붙이는 데 있지 않다. 조건을 맞춰 순환전류를 막고, 각 변압기가 용량에 비례한 부하를 안정적으로 나누어 맡게 하는 데 있다. 이 점이 답안에서 조건을 설명할 때의 출발점이 된다.

조건을 맞추지 않은 병렬운전은 순환전류와 부하 편중을 낳아 설비를 위험하게 한다

병렬운전을 시작하기 전에는 극성, 권수비, 정격전압, 상회전, 위상변위, %임피던스를 차례로 확인하는 절차가 필요하다. 이 확인은 현장 시험과 설계 단계에서 모두 이루어진다.

4. 구성요소·원리·절차

변압기 병렬운전은 두 대 이상의 변압기를 1차·2차 측에서 동시에 모선에 연결해 하나의 변압기처럼 부하를 분담시키는 운전이다. 병렬운전이 성립하려면 극성, 권수비(전압비), %임피던스, 위상변위(조 번호), 상회전 방향이 맞아야 한다. 이 다섯 조건 중 하나라도 어긋나면 2차 측에 순환전류가 흐르거나 부하가 용량과 다르게 분담된다.

구성요소별 역할은 다음과 같다.

무부하 순환전류는 두 변압기의 2차 기전력 차이가 만드는 전류다. 전압비가 다르면 두 기전력 차 \Delta E가 두 변압기 임피던스의 합 Z_1+Z_2에 걸려 흐른다.

$I_c = \frac{\Delta E}{Z_{1}+Z_{2}}$

\Delta E: 두 변압기 2차 무부하 전압 차(V), Z_1, Z_2: 각 변압기의 2차 환산 임피던스(Ω), I_c: 순환전류(A).

부하 분담은 각 변압기의 정격용량과 %임피던스에 따라 정해진다. 부하 전류는 각 변압기의 정격용량에 비례하고, %임피던스에 반비례하도록 나뉜다.

$\frac{I_A}{I_B} = \frac{P_A}{P_B}\cdot\frac{\%Z_B}{\%Z_A}$

P_A, P_B: 각 변압기 정격용량(kVA), \%Z_A, \%Z_B: 각 변압기 %임피던스.

병렬운전 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 두 변압기의 정격 전압, 권수비, 결선 방식(조 번호)을 명판과 시험성적서로 확인한다.
• 극성 시험과 상회전 방향을 확인한다.
• 탭 위치를 맞추고 2차 무부하 전압 차를 측정한다.
• %임피던스와 용량 비를 비교해 부하 분담이 적정한지 검토한다.
• 2차 차단기를 투입하기 전 위상과 전압 크기가 일치하는지 동기 검정기로 확인한 뒤 병입한다.

5. 관련 법령·기준·표준

변압기 병렬운전 조건은 법령으로 정한 수치가 아니라 KEC 및 제조·시험 기준에서 쓰는 전기공학 기준이다. 시험 기준은 건식과 유입식 변압기 각각의 현행 국가 표준 시험 기준을 쓴다. 변압기 결선 기호와 위상변위는 IEC 60076-1 표기를 따른다.

위 표의 값 중 %임피던스 허용 편차와 용량 비 권장값은 설계 관행에 따른 값이다. 전압비와 조 번호는 IEC 60076-1 표기를 따른다. 정격용량 차이가 큰 변압기는 병렬운전을 피하는 것이 원칙이다.

6. 유형과 비교

변압기 병렬운전은 결선과 용량, 임피던스 조건에 따라 가능 여부가 달라진다. 먼저 병렬운전 조건의 적합·부적합 경우를 표로 구분하고, 임피던스 전압 차이와 통합운전의 조건을 나누어 비교한다.