변압기의 설계와 제작

변압기는 전압을 바꿔주는 전력기기입니다. 삼상 자속에 의해 회전하는 운동을 하는 회전기에 비해 변압기는 아무 운동이 없기 때문에 정지기라고 합니다. 변압기는 자속을 흘려주는 철심과 전압을 인가하여 전류가 흐르고 또 기전력이 유기되는 권선으로 이루어집니다. 철심에는 얇은 전기강판을 사용합니다. 전기 강판은 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판으로 나누어집니다. 무방향성 전기 강판은 강판 내부의 결정 방향이 모든 방향으로 균일한 제품입니다. 방향성 전기 강판은 내부의 결정이 압연 방향으로 정렬되어 더 많은 자속을 흘릴 수 있도록 한 전기 강판입니다. 변압기에는 주로 방향성 전기 강판이 많이 사용됩니다. 강판의 두께는 얇을수록 철심에서 발생하는 손실이 줄어들지만 쌓아야 하는 개수가 늘어나므로 생산성에서는 손해를 보게 됩니다. 전기 강판 회사에서는 전기 강판의 두께에 따른 발생 손실을 각 제품명에 표기하여 둡니다. 따라서 제품명만 보아도 전기강판의 두께와 손실을 알 수 있습니다. 권선의 모양이 원통형이기 때문에 철심 또한 그 단면적이 둥글게 되어야 합니다. 전기강판이 얇을수록, 쌓는 단 수를 늘릴수록 원 안에 더 많은 철심이 들어가도록 할 수 있는데 이 비율을 점적률이라고 합니다. 즉 점적률이 1에 가까울수록 변압기를 더 작게 만들 수 있습니다. 하지만 전기강판의 개수가 늘기 때문에 적층 시간이 늘어나므로 최적의 단 수와 점적률을 찾는 것이 설계의 관건입니다. 요즘은 전동화 시대여서 철심을 쌓아주는 기계도 있습니다. 전기강판은 앞뒤로 얇은 절연 코팅이 되어 있습니다. 철심의 형태에는 1상 2각, 1상 3각, 3상 3각, 3상 5각이 있습니다. 일반적인 전력용 변압기에서는 3상 3각 철심 형태를 가장 많이 적용하고 있습니다. 철심은 전기강판이 여러 겹으로 적층한 것으로 철심에서도 열이 방생합니다. 따라서 철심 내부에서는 열 발산이 어려울 수 있으니 철심 내부로도 절연유가 지나갈 수 있는 통로를 만들어 주기도 합니다. 철심을 적층하고 나면 철심을 고정해야 하는데 이러한 고정 장치를 clamp라고 합니다. 이 Clamp로 철심의 상부와 하부의 앞 및 뒷면을 눌러 철심을 고정합니다. 모든 자속이 철심으로 흐르는 것이 아니라 일부는 밖으로 자속이 누설이 발생합니다. 이러한 누설 자속이 Clamp를 쇄교하게 되면 clamp에서도 손실이 발생할 수 있습니다. 이러한 누설 자속을 고려하여 clamp의 형상과 재질 등을 선정해야 합니다. 철심을 다 쌓고 나면 권선을 철심에 삽입해야 합니다. 전력용 변압기에서는 보통 고순도의 구리를 사용합니다. 변압기의 사양에 따라 전선의 크기를 결정해야 합니다. 도체의 종류에는 단도체, 복도체 및 CTC가 있습니다. 단도체는 하나의 도체로 된 것이며, 복도체는 2개 또는 3개의 도체가 각각의 절연지로 둘러싸여 있고, 마지막에는 공통 절연지로 도체 전체를 감은 도체를 의미합니다. CTC는 Continously transposed conductors로서 5개 이상의 도체가 연속적으로 전위가 되어서 도체를 원통형으로 감더라도 각 도체의 위치가 변경되어 모든 도체의 길이가 비슷하게 되어 순환 전류가 생기지 않아 손실 발생이 적은 도체입니다. CTC는 제조 공정이 까다로우므로 만드는 회사가 많이 없습니다. 우리나라에는 삼동, TCT, LS전선 3개 정도의 회사가 있습니다. 그리고 CTC는 가격도 단도체나 복도체에 비해서 수천 원 비쌉니다. 가격이 비싸므로 무조건 CTC를 사용하기보다 최적 설계로 비용이 가장 경제적인 점을 찾아야 합니다.

고압 측은 전압이 높고 전류가 낮으므로 단도체 또는 복도체를 주로 사용하고, 저압 측은 전류가 크므로 손실 발생을 줄이기 위해 CTC를 많이 사용합니다. CTC의 각 도체는 바니쉬로 개별 절연이 되어 있고, 층간에도 절연이 되며 겉은 마지막으로 절연지로 감싸는 형태로 되어 있습니다. 변압기 제조 과정에서 권선과 철심이 결합한 본체를 고온에서 건조하는 과정이 있는데 이때 바니쉬가 경화되면서 강도가 커져서 단락 기계력 같은 큰 힘에도 잘 견딜 수 있는 장점이 있습니다. 도체의 선정 시에는 도체를 원통형으로 아래로 감아 내려가기 때문에 각 층이 무너지지 않도록 도체 치수를 적절히 선정해야 합니다. 너무 얇은 도체를 선정하게 되면 도체를 쌓을 때 넘어질 수도 있고 단락 기계력에도 취약하게 됩니다. 그리고 수평으로는 여러 겹으로 감기 때문에 내부에서는 열 발산이 잘되지 않습니다. 이럴 때는 철심과 마찬가지로 도체 사이에 냉각을 위해서 Cooling duct를 넣어 주기도 합니다. 권선들을 철심에 동심으로 삽입하게 되는데 이때 권선을 삽입하는 순서는 보통 저압 권선이 철심과 가까운 가장 안쪽에 위치하도록 하고 고압 권선을 제일 바깥으로 위치 시킵니다. 절연적인 측면에서 이렇게 하는 것이 유리하기 때문입니다. 또한 변압기 내부에 문제가 생겼을 때 변압기 내부로 사람이 들어가서 수리를 해야 할 경우도 발생하는데, 만약 고압 권선이 안쪽에 위치하게 되면 철심과 고압 권선의 거리를 넓게 해야 할 뿐만 아니라, 권선의 바깥쪽과 변압기 외함 사이는 사람이 들어가야 할 공간이 필요하므로 절연 거리가 많이 필요하지 않음에도 불구하고 제일 바깥쪽 권선과 변압기 외함 사이를 넗게 해서 제작 비용이 올라가므로 저압 권선을 제일 안쪽에 배치하는 것이 유리합니다.

Tap이 들어가는 변압기의 경우에는 Tap 권선을 제일 바깥쪽에 위치시키기도 합니다. Tap 권선에서 많은 전선이 인출되므로 제일 바깥쪽에 있는 것이 전선을 부하 시 탭 절환장치와 연결하기가 편합니다. 권선을 철심에 삽입하고 나면 권선을 압착시켜야 합니다. 권선의 위와 아래에서 권선을 압착 후 압착된 권선이 움직이지 않도록 압착된 상태를 clamp에 있는 지지대로 잘 유지시켜야 합니다. 그래야 내부 고장 발생 시 권선이 안전할 수 있습니다.