스코트결선 변압기

왜 배우는가: 스코트결선 변압기는 3상 전원에서 단상 전기철도 급전용 2상 전원을 얻는 대표 장치이며, 전원 불평형을 줄이는 방법으로 전기철도 급전 계통 문항에서 반복해 출제된다. 3상-2상 변환의 원리와 변압기 권수비를 이해해야 급전 방식 전체를 설명할 수 있다.

출제 이력: 제116회 3교시 4번, 제100회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

스코트결선 변압기는 단상 변압기 2대(주좌·T좌)를 이용해 3상 전원을 위상차 90°의 2상 전원으로 변환하여 단상 전기철도 부하를 3상 계통에 평형되게 공급하는 결선 장치이다.

• 스코트결선(Scott Connection)
• 3상-2상 변환(Three-phase to Two-phase Conversion)
• 주좌 변압기(Main Transformer)
• T좌 변압기(Teaser Transformer)
• 권수비(Turns Ratio)
• 전압 불평형(Voltage Unbalance)
• 단상 부하 평형화(Load Balancing)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전기철도 차량은 단상 교류를 쓰는데 3상 전력계통에서 한 상만 빼서 쓰면 나머지 두 상이 한쪽으로 치우쳐 불평형이 생긴다. 스코트결선은 이 단상 부하를 3상 계통 전체에 골고루 나누어 주기 위해 만든 결선이다.

정식으로 정의하면, 스코트결선은 3상 전원의 두 상 사이에 연결한 주좌 변압기와, 그 중간 탭에 연결한 T좌 변압기를 조합한 결선이다. 두 변압기의 2차측은 시간적으로 90° 위상차를 가진 2상 전원을 만든다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 주좌 변압기: 권수비가 1:1인 변압기이며, 1차 권선 양단을 3상의 두 상(예: M상·T상)에 걸고 중간 탭을 끌어낸다. 2차 측은 하나의 2상 단자쌍이 된다.
• T좌 변압기: 1차 권선의 한쪽 끝을 주좌의 중간 탭에 연결하고, 다른 끝을 나머지 한 상에 연결한다. 권수비는 √3/2 (약 0.866)이며, 2차 측이 다른 2상 단자쌍을 이룬다.
• 2상 전원: 두 2차 출력의 위상차가 90°인 전원으로, 단상 부하를 두 쌍으로 나누어 공급할 수 있다.

스코트결선의 원리는 주좌와 T좌에 흐르는 전류를 따로 계산한 뒤 중첩하는 방법으로 이해하면 쉽다. 두 변압기가 만드는 1차 전류의 벡터 합이 3상 계통에 평형으로 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도 초기에는 단상 교류 부하가 커지면서 3상 계통에서 한 상만 사용하면 전압 불평형과 역상분 전류가 발생하는 문제가 생겼다. 발전기나 송전계통의 안정성을 해치지 않으면서 큰 단상 전력을 공급할 방법이 필요했다.

스코트결선은 미국 Westinghouse의 Charles F. Scott이 2상 발전 설비로 3상 전동기를 구동하거나 그 반대로 쓰기 위해 고안한 결선에서 출발했다. 이후 교류 전철화 초기에 급전용 변압기 결선으로 널리 채택되었다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 3상 계통의 상간 부하를 평형화하여 불평형 전압을 줄인다. 둘째, 단상 전기철도 부하를 3상 전원에서 직접 받을 수 있게 한다. 셋째, 3상 계통의 전원 용량을 더 효율적으로 쓴다.

다만 결선이 복잡하고 설치 면적이 크며 경제성이 낮아, 현재는 단상 변압기 2대를 쓰는 방식보다 2철심형 또는 1철심형 일체형 스코트 변압기로 구현하는 추세다.

4. 구성요소·원리·절차

스코트결선 변압기는 단상 변압기 2대(또는 2철심형·1철심형 단일 변압기)로 3상 전원을 2상 전원으로 바꾸는 장치다. 교류 단상 전기철도 급전에서 전원 3상 불평형을 줄이기 위해 쓴다. 구성요소는 주변압기(Main Transformer)와 T좌변압기(Teaser Transformer)다.

주변압기 권수비가 1:1이면 T좌변압기 권수비는 0.866:1이어야 평형 운전이 된다. 주변압기 2차측은 중간 탭을 기준으로 양단에 전압이 나뉘고, T좌변압기는 그 중간 탭에서 나온 지점에 연결되어 주변압기 전압의 \sqrt{3}/2 배 전압을 만든다. 이 결과 두 2차 출력은 시간상 90° 차이를 가진 2상 전압이 된다.

원리는 중첩의 원리로 설명한다. 먼저 T좌 권선에만 전류를 흘리고, 다음에 주변압기 2차 권선에만 전류를 흘린 뒤 1차 전류를 각각 구해 더한다. 두 결과를 합치면 3상 1차 전류의 합이 평형을 이룬다는 것을 보일 수 있다.

절차는 다음과 같다.

• 3상 전원의 두 선간(예: a-b)에 주변압기 1차 권선을 연결한다.
• 주변압기 2차 권선의 중간 탭을 끄집어내 T좌 변압기 권선의 한쪽 끝과 연결한다.
• T좌 변압기 1차 권선은 나머지 상(c)과 주변압기 중간 탭 사이에 연결한다.
• 두 변압기 2차측을 각각 단상 급전 계통의 두 출력에 연결하여 2상 4선 방식을 만든다.
• 2상 부하가 평형이면 3상 측 부하도 평형이 된다.

식으로 표현하면 다음과 같다.

$V_{T} = \frac{\sqrt{3}}{2}\,V_{M}$

여기서 V_{M}은 주변압기 2차 단상 전압, V_{T}는 T좌변압기 2차 전압이다. 두 출력 전압의 위상차는 90°이다.

단상 부하의 전력 평형 조건은 3상 측 선전류의 크기가 같아지는 것이다. 이때 역률은 부하 역률을 따른다. 불평형 2상 부하는 어떤 변압기 결선으로도 3상 측 평형을 복원할 수 없다는 점을 함께 기억한다.

스코트결선은 3상 전원을 90° 위상차의 2상 전원으로 변환해 전원 불평형을 줄이는 결선이다.

스코트결선, T좌변압기, 주변압기, 권수비 \sqrt{3}/2, 2상 4선을 답안 핵심어로 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

스코트결선은 전기철도 급전 설비의 하나이므로 법령·기준은 국가 기술기준과 철도 설계기준을 따른다. 국내에서는 「전기사업법」과 「철도의 건설 및 철도시설 유지관리에 관한 법률」에 따른 철도 전기설비 기준이 적용된다. 이 절에서는 결선 자체의 기준 수치만 정리한다.

스코트결선은 교류 전철화 초기에 단상 변압기 2대로 구성했다. 현재는 결선 복잡성, 설치 면적, 경제성 면에서 불리해 거의 쓰지 않는다. 대신 M상·T상 권선을 별개의 철심에 감아 한 탱크에 넣은 2철심형이나 두 철심을 묶은 1철심형으로 만든다.

외국 기준과의 차이는 이 절에서 다루지 않는다.

6. 유형과 비교

스코트 결선은 같은 3상 전원을 2상 전원으로 바꾸는 방식이다. 3상 변압기 결선 중에서 단상 부하를 평형에 가깝게 공급하는 목적으로 쓰이는 대표 결선과 비교하면 특징이 드러난다. 먼저 주좌변압기(Main Transformer)와 T좌변압기(Teaser Transformer)의 역할을 구분한다.