단권변압기

왜 배우는가: 교류 전기철도는 급전 거리가 길어질수록 전차선의 전압강하와 통신유도장애가 커지므로 이를 억제하는 급전방식이 필요하다. 단권변압기는 변압기 한 대로 이 문제를 줄이는 대표 기기이므로 급전계통과 변전 설비를 다루는 시험에서 여러 차례 출제된 개념이다.

출제 이력: 제139회 2교시 4번, 제130회 2교시 1번, 제109회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

단권변압기는 하나의 권선을 1차와 2차가 공유하는 변압기이다.

단권변압기(AT, autotransformer)는 권선의 일부가 1차 권선과 2차 권선 역할을 함께 하는 변압기이다. 단권변압기는 1차와 2차 사이에 전기적 절연을 제공하지 않는다. 두 권선이 한 코일로 이어져 있다는 점이 별도의 1차·2차 권선을 가진 2권선 변압기와 가장 크게 다르며, 교류 전기철도에서는 이 구조를 이용해 급전회로의 전압을 나누어 전차선에 공급하는 기기로 쓰인다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 자체용량: 직렬권선의 전압과 전류의 곱이며, 권선 자체가 맡는 용량이다.
• 분로권선: 1차와 2차가 공통으로 쓰는 권선 부분이다.
• 직렬권선: 높은 전압 측 단자와 공통 단자 사이의 권선이다.
• 통과용량: 1차에서 2차로 전달되는 전력의 크기이다.
• 권수비: 높은 전압 측과 낮은 전압 측 감은 수의 비이다.
• AT 급전방식: 단권변압기의 중앙 탭을 레일에 접속해 전차선에 전력을 공급하는 방식이다.

2. 개념 풀이

단권변압기는 하나의 코일에 적어도 3개의 탭(tap)을 두고, 코일의 일부가 1차 회로와 2차 회로에 함께 속하도록 전기적으로 연결한 변압기이다. 1차와 2차가 코일을 공유하므로 권선이 2개인 변압기보다 구조가 단순하고, 같은 용량에서 크기와 무게가 줄어든다.

전압비는 감은 수의 비와 같다. 높은 전압 측 감은 수를 n_h, 낮은 전압 측 감은 수를 n_l이라 하면 V_h : V_l = n_h : n_l이 성립한다. 전류는 대략 I_h : I_l = n_l : n_h의 관계에 있으므로 두 측의 전압과 전류의 곱이 거의 같아지며, 식으로 쓰면 V_h I_h ≒ V_l I_l이다.

단권변압기의 자체용량은 부하용량보다 작다. 분로권선에는 두 측 전류의 차이만 흐르기 때문이다. 자체용량은 직렬권선이 맡는 전압과 전류의 곱이고, 부하용량은 2차 측 전압과 전류의 곱으로 자체용량보다 크다.

분로권선은 1차와 2차가 공유하는 부분으로, 이 부분을 흐르는 전류 차이가 용량 이점을 만든다. 탭의 위치를 바꾸면 2차 전압이 달라지므로 전압을 조정하는 용도로도 쓸 수 있다. 다만 두 권선 사이에 전기적 분리가 없으므로 한쪽의 고장이 다른 쪽으로 전파될 수 있다는 점을 함께 알아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

교류 전기철도는 직류 방식에 비해 높은 전압을 얻기 쉬워 같은 전력을 낮은 전류로 보낼 수 있다. 그러나 열차 수가 늘고 운행 간격이 짧아지면서 전차선의 전압강하가 커졌고, 급전 거리를 늘리려면 전압강하를 보상할 방법이 필요해졌다. 직류 방식은 전압이 낮아 변전소 간격을 짧게 해야 하므로 설비가 많아지는 점이 상대적으로 불리하다.

AT 급전방식은 급전선과 전차선 사이에 50kV를, 전차선과 레일 사이에 25kV를 공급하는 방식이다. 중앙 탭이 레일에 연결되므로 레일 전류가 AT 권선을 거쳐 급전선으로 되돌아가고, 레일에서 대지로 흘러나가는 전류가 줄어든다. 이 구조 덕분에 통신유도장애와 매설 금속체의 전식이 억제된다.

단권변압기는 이 방식의 핵심 기기이다. 변전소 사이에 설치되어 급전 거리를 늘리고 전차선의 전압강하를 보상하는 역할을 한다. 전압강하 보상 대책으로 전철변전소와 무인구분소에 설치되는 것도 같은 이유에서다.

단권변압기가 필요한 이유는 세 가지로 정리된다. 첫째, 급전 전압을 높여 전압강하와 전력 손실을 줄인다. 둘째, 급전 거리를 늘려 변전소 수를 줄인다. 셋째, 레일 귀로 전류를 급전선으로 되돌려 통신유도장애와 전식을 억제한다. 이 세 가지 배경은 7절의 장단점과 직접 연결된다.

2권선 변압기와 비교하면 단권변압기는 작고 가벼우며 가격이 저렴하다. 이 점은 변전 설비를 여러 곳에 설치해야 하는 전기철도에서 설치 수를 늘리는 실질적 배경이 된다. 용량 이점의 세부 산정은 6절과 8절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

단권변압기는 권선 하나에 세 개 이상의 단자를 두고, 그중 중성점 탭을 기준으로 권선 전압을 나누어 쓰는 변압기이다. 교류 급전계통에서는 이 구조 덕분에 급전선과 전차선 사이의 높은 전압을 그대로 쓰면서, 레일을 기준으로 양쪽에 같은 크기의 전압을 얻는다. 구성요소를 역할별로 정리하면 다음 표와 같다.