변압기 과설계 손실과 효율

과설계의 정의

변압기 과설계는 부하 예측치를 과대하게 잡아 정격용량을 실제 부하보다 크게 선정하는 것이다.

그 결과 무부하손과 부하손 구조 때문에 효율 저하와 역률 문제가 생긴다.

과설계는 설비 투자비와 운전 손실을 동시에 좌우하므로 반드시 검토해야 한다.

손실의 두 종류

변압기 손실은 무부하손인 철손과 부하손인 동손의 합으로 쓴다.

철손은 히스테리시스손과 와전류손으로 이루어져 전압만 걸리면 부하와 무관하게 일정하다.

동손은 권선 저항에 흐르는 전류의 제곱에 비례한다.

두 손실의 성질이 다르므로 과설계 때 어느 쪽이 문제인지 구분해 비교해야 한다.

부하율과 효율

변압기 총 손실은 무부하손 Pi와 부하율의 제곱에 비례하는 동손의 합이다.

효율은 출력을 입력으로 나눈 값이며, 출력은 부하율, 정격 용량, 역률의 곱으로 놓는다.

여기서 Pi는 무부하손, Pcu는 정격 부하 동손, α는 부하율, S는 정격 용량이다.

효율은 철손과 동손이 같을 때 최대가 되며, 그때 부하율은 Pi를 Pcu로 나눈 값의 제곱근이다.

과설계의 효율 저하

과설계된 변압기는 정격 용량이 실부하보다 커서 대부분 경부하 상태로 운전된다.

부하가 작으면 α가 작아져 동손 항은 줄지만, 무부하손은 그대로 남는다.

그래서 전체 손실에서 철손 비중이 커지고, 효율은 저부하 영역에서 떨어진다.

과설계는 증설 대응 여유라는 장점이 있지만, 무부하손 증가와 투자비 증가라는 한계가 따른다.

계산 예제

예를 들어 정격 1000kVA 변압기에 실제 최대 부하가 300kVA인 경우를 보자.

평균 부하를 180kVA로 가정하면 부하율은 180을 300으로 나눈 60%다.

이용률은 300을 1000으로 나눈 30%다. 용량이 실부하의 3배 이상이므로 과설계로 본다.

이 숫자는 가상의 예이므로 실제 설계에서는 부하 조사 결과를 사용한다.

흔한 실수와 시험 포인트

첫째 실수는 손실을 동손만으로 설명하는 것이다. 손실은 철손과 동손의 합이다.

둘째는 효율 정의를 혼동하는 것이다. 효율은 출력을 입력으로 나눈 값이다.

셋째는 과설계 원인을 수용률, 부등률, 부하율 없이 여유가 크다고만 쓰는 것이다.

채점은 손실 구분, 부하 변화에 따른 거동, 효율 저하 원리, 용량 산정 근거를 본다.

정리

마지막으로 핵심을 정리한다. 손실은 철손과 동손의 합이다.

과설계는 경부하 운전을 만들어 철손 비중과 효율 저하를 키운다.

용량은 합성 최대 수용전력을 기준으로 정한다.