변압기 정전이행 및 전자이행 전압

왜 배우는가: 변압기 1차측 서지가 절연된 2차측 회로까지 전달되는 현상은 저압기기 보호와 절연협조 설계에서 반드시 고려해야 한다. 이 개념은 정전이행과 전자이행이라는 두 경로를 구분해야 하므로 원리 문제와 대책 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 7번, 제129회 2교시 3번, 제122회 1교시 11번, 제112회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변압기 이행전압은 1차측 과도 서지가 1·2차 권선 사이의 정전결합과 전자결합을 통해 2차측에 나타나는 전압이며, 정전이행전압과 전자이행전압으로 나뉜다.

핵심 키워드: 변압기 이행전압, 정전이행전압, 전자이행전압, 권선 간 정전용량, 상호인덕턴스, 서지, 절연협조, 서지보호기(SPD)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 변압기 두 권선은 철심을 공유할 뿐 전기적으로는 떨어져 있다. 그런데 1차측에 번개나 개폐로 급격한 전압 변화가 들어오면 그 충격이 권선을 건너 2차측 회로에 그대로 나타난다. 이때 2차측에 나타난 전압을 이행전압이라 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 변압기 이행전압은 1차측에 발생한 과도 서지가 1·2차 권선 사이의 정전용량과 상호인덕턴스를 통해 2차측에 유기되는 전압이다. 정상 운전 전압과 달리 짧은 시간에 높은 값으로 나타나므로 2차측 기기의 절연을 위협한다.

이행전압은 전달 경로에 따라 두 성분으로 나눈다. 첫째, 정전이행전압은 1·2차 권선 사이에 존재하는 정전용량을 통해 전하가 옮겨 가면서 생기는 성분이다. 전압 변화율 dv/dt가 클수록 커지므로 급준한 파두를 가진 서지에서 특히 문제가 된다.

둘째, 전자이행전압은 1차 전류가 급변할 때 생긴 자속이 2차 권선과 쇄교하여 유도되는 성분이다. 상호인덕턴스와 전류 변화율 di/dt, 권수비, 2차측 부하 조건에 좌우된다. 두 성분은 발생 원리가 다르므로 원인을 나누어 분석해야 대책이 정확해진다.

권수비 N1:N2는 전압 변환 관계를 정하는 기본 비율이다. 전자이행 성분은 이 비율을 따라 2차측에 비례하여 나타나므로, 권수비만으로 이행전압의 크기를 예측하려는 답안은 정전 성분을 빠뜨리게 된다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통에서 서지 발생 원인이 다양해지면서 이행전압의 중요성이 커졌다. 낙뢰에 의한 직격뢰와 유도뢰, 차단기의 개폐 동작, 진공차단기에서 나타나는 급준파 서지가 대표적이다. 이런 서지는 짧은 파두를 가지므로 권선 간 정전결합을 통한 전달이 두드러진다.

과거에는 고압 변압기 자체의 절연만 검토하는 경우가 많았다. 그러나 변압기가 1차 고압과 2차 저압을 연결하는 구조이므로, 1차측 서지가 2차측 저압 기기나 제어회로까지 전달되는 경로를 함께 검토해야 한다. 이행전압은 이 경로를 설명하는 개념이다.

또한 이행전압은 절연협조 설계와 직접 연결된다. 피뢰기나 서지보호기가 1차측 서지를 얼마나 제한하는지, 그 잔류 전압이 2차측 기기 절연강도보다 낮은지를 판단하려면 이행 경로와 크기를 먼저 알아야 한다. 따라서 이행전압은 보호대책 수립의 출발점이 된다.