1. 무부하손(No Load Loss)
변압기에 전압을 가하면 변압기 철심에는 교번자속을 발생시키기 위한 여자전류가 흐른다, 자속의 방향이 반대방향 때마다 철심 내에 남아있는 잔류 자기를 없애기 위해 불필요한 전력이 소모된다. 이 손실의 유효분이 무부하손에 대응되며, 그의 대부분이 철손이다. 또한 그의 무효분은 철손의 자화에 대응되며, 이것이 히스테리시스 손실이다. 이 히스테리시스손의 크기는 자성체의 히스테리시스 곡선(Hysteresis loop)내의 면적과 같다. 변압기의 무부하손 중에는 실제로 철손 이외에 동손과 유전체손도 포함되어 있으나 이 손실은 대단히 작다. 5%의 여자전류에 의해서 생기는 동손은 순환전류가 없는 것으로 한다면, 전부하시에 있어서 1차 권선의 0.25%정도로 무시할 정도이다.
유전체 손은 전압이 상당히 높을 경우 겨우 확인할 수 있을 정도로 작으며, 상용주파수에서 대용량기의 철손에 비하면 문제가 되지 않는다. 여자용량(Exciting volt-amperes)은 결국 철심에 소비되는 유효전력과 무효전력이므로 변압기의 여자특성은 철심의 자속 밀도만으로도 권선설계의 영향을 끼치므로 철심 설계에 결정되어 진다.
그러므로, 변압기의 여자특성은 철심의 중량, 품질, 구조 및 자속 밀도가 주어지면 가령 고조파가 포함되어 있어도 권선과는 무관하게 계산되어진다. 변압기의 크기가 변하면 물론 철심의 중량은 변화하나, 철심의 구조와 철심재료의 품질과 함께 자속밀도는 거의 동일하므로 변압기의 무부하손과 여자용량은 개개의 변압기 전압과 용량과 권선의 형식과는 무관계하게 철심중량만으로 결정되어진다. 예를 들면 60Hz 용 변압기가 극히 클 경우 철심중량 Pound 당 1W로 무부하손실을 계산하게 된다.
- 여자용량: 여자용량중의 무효분은 일반적으로 유효분의 5-20%로 자속밀도의 변화에 대해서 유효분보다 민감하므로 단위중량당 여자용량의 변화는 단위중량당의 손실보다 크다. 보통품질의 규소강판의 여자특성은 Joint를 고려하여 파운드당으로 하지 않고 인치(Inch)당으로 주어진다.
이것은 여자전류가 5-25%의 범위에는 이 역율이 (1) 박강판 품질과 두께, (2) 여자밀도, (3) 주파수 (4) 죠인트의 良否 및 자기회로 단위장당 죠인트수에 좌우되기 때문이다. 이것은 코일의 설계와 무관한 전압 전류 및 정격용량과도 무관하게 된다.(단 자기 회로 단위장당의 죠인트수 혹은 적층강판 상호간에 흐르는 와전류에 의한 손실에 대해서 이 영향이 없는 것으로 한다.) 여기에 철심치수와 중량에도 무관계하다. 규소강판은 그의 품질이 우수하나 여자전류의 역율이 낮게 되는 경향이 있다. 이것은 투자율 향상보다도, 일반적으로 철손의 감소쪽이 크기 때문이다. 또한 규소강판은 높은 자속밀도로 운전하면 여자전류의 역율은 감소하나, 이것은 철손의 증가율보다도 여자용량의 증가율이 크기 때문이다. 그러므로 여자전류의 역율이 좋고 나쁜가, 강판품질이 좋고 나쁜가에 국한하지 않는다. 물론 품질상으로 유효분 무효분이 최소 즉 철손도 최소로 되어 여자전류도 최소로 되는 것이 바람직함은 물론이다.
특히 철손이 중요하다. 유효분과 자화분은 서로 90도의 위상차가 있으므로 여자전류의 값을 거의 자화분의 크기로 생각해도 무리는 없다. 유효분이 비교적 커서, 예를 들면 역률이 25% 일 경우에도 여자전류과 이 자화분의 크기의 차는 겨우 3% 정도이다. 그래서 자화전류와 여자전류는 거의 동일하게 쓰인다.
- 히스테리손: 히스테리손은 철심의 자화 특성에 의한 자계를 방향이 서로 다른 자계로 변환시킬 때 손실로 Steinmetz의 실험식에서 사용되는 철심의 재질에 따라 변화하며, 사용주파수에 비례하고 철심에 통과하는 자력선 밀도의 1.6승에 비례한다. 이 히스테리시스손을 줄이기 위해서는 철심의 잔류자기가 적은 소재를 사용하여 변압기를 제작해야 하는데, 이러한 소재로서 규소강판이 사용되고 있으며, 최근에는 규소강판보다 철손을 획기적으로(약 1/3 ~ 1/4 수준) 줄일 수 있는 신소재로서 비정질합금인 아몰퍼스(Amorphous alloy)가 일부 소형 변압기에 사용되고 있다.
- 와전류손: 와전류손은 변압기 철심에 교번자속이 흐르게 되면 철심 자체에 유도전압이 유기되고, 이에 따라 교번자속과 직각방향으로 자속의 주변에 맴도는 와전류가 흐르게 되고(플레밍의 오른손 법칙), 이 와전류 크기의 제곱 및 철심의 전기 저항에 비례하는 Joule 열 손실을 발생시키는데, 이것이 ‘철심의 와전류손’이다. 이러한 와전류손은 도전율에 비례하고 사용 주파수에 2승에 비례하며, 철심 자속밀도에 2승에 비례한다. 와전류손을 줄이기 위해서는 철심을 흐르는 자속과 직각방향(즉, 와전류가 흐르는 방향)의 ‘철심 전기저항’을 증가시켜 와전류의 크기를 줄이는 방안으로서, 현재 모든 변압기 제작사들은 두께가 얇고(0.23 ~ 0.35mm), 그 양쪽면은 무기(Inorganic) 절연재로 코팅된 규소 강판을 적층하여 변압기 철심을 제작함으로써, 철심의 와전류손을 줄이고 있다.
- 무부하전류의 실용한계: 전력용 변압기에 있어서 여자 전류의 상한은 일반적으로 정격전압의 110%전압으로서, 15%가 그의 한계이나 실제에는 이것보다 작을 때는 2%정도의 것도 있다. 용량 1KVA이하의 변압기가 되면 위 값을 훨씬 상회한다.
- 유전체손(Dielectric Loss) : 유전체손은 전압에 의한 절연물이 유전체 특성에 의해서 발생되는 손실로서 보통 전력용 변압기에서는 무시해도 될 정도로 작다.
2. 부하손(Load loss)
변압기 2차측에 부하전류가 흐를 때 수반하는 손실(Impedance Loss)로서, 유효분과 지상 무효분으로 구성되며, 전자는 실용상 동손으로, 후자는 1차 2차 권선간의 공간의 가역적 자화(Reversible Magnetization)에 각각 대응된다. 이때 임피던스는 효율, 전압변동율, 온도상승 단락전류에 단락기계력의 계산, 변압기의 병렬운전에 적부를 판정하는 중요한 요소가 된다. 한편 부하전류가 증가하면 부하손도 증가하게 된다. 부하손에는 변압기 권선 내 도체에서 발생하는 I²R 손(Copper loss)과 변압기 철심지지물(Frame) 및 외함(Tank)에서 발생하는 표유부하손(漂遊負荷損; Stray loss)이 있다. 동손은 또한 그 발생 원인별로 구분하여 저항손(抵抗損), 와(渦)전류손, 순환(循環)전류손(Circulating current loss) 등으로 구성된다.
- 동손 : 동손 즉 저항손은 권선 도체의 전기저항에 의해 발생하는 손실로서 부하전류의 2승에 비례한다. 저항손이 과다할 경우, 권선의 권수를 줄여 도체량을 줄이거나 또는 철심량을 증가시키면 권선의 회수는 도체단면적에 반비례하므로 도체단면적을 증가시켜 도체의 전기저항을 줄이면 권선의 길이가 작아지므로 저항손은 감소한다.
- 와전류손 : 권선 내를 흐르는 자속은 권선의 축 방향으로 흐르는 것이 이상적이나, 일부 자속은 권선의 반경 방향으로 흐르게 된다. 이러한 반경 방향으로 흐르는 자속에 의해 도체에는 와전류가 흐르게 되고, 이에 따라 발생하는 손실이 도체의 와전류손이며, 이를 줄이기 위해서는 도체를 여러 가닥으로 나누어, 이들 도체를 병렬로 하여 권선하게 된다.
- 표유부하손 : 변압기 권선에서 발생한 자속 중 일부 자속은 철심을 따라 흐르지 않고 누설(Leakage flux)되어, 변압기 본체의 철구조물, 내부조임용 볼트류(Clamp Bolt)나 외함을 따라 흐르게 된다. 이에 따라 이들 부위에 와전류가(Eddy current) 흐르게 되어 손실을 발생시키는데, 이것을 표유부하손이라 한다.부하전류 2승에 비례하고, 일반적으로 본체의 철구조물에서 발생하는 표유부하손은 미미하나, 주로 외함에서 상판에서 발생하는 표유부하손의 양은 상당히 문제가 크므로, 외함 내부를 차폐(shielding) 하는 방법으로, 규소강판으로 자기차폐(magnetic shield)를 만드는 방법과 알루미늄 판으로 도전차폐(conducting shield), 또는 스텐레스 스틸편을 붙히는 방법이 있다. 한편, 대형 발전소에서 사용되는 대용량 변압기와 IPB로 연결되는 부위가 발열되어 문제가 되므로 발생되는 손실을 미리 계산하여 저감대책(비전도성 강제등 사용)을 강구하고 있다. 주로 발전소의 전력용 대용량 변압기의 대 전류가 인출되는 부분 즉 Bushing이 취부되는 부분을 비자성체인 스테인레스 강판이나 알루미늄 판을 취부하여 표유부하손을 감소시키지 않으면 심한 발열과 함께 애자가 파손되는 경우가 있다.
- 순환전류손 : 도체의 각각은 절연하여 여러 가닥으로 나누어 병렬로 사용할 때, 권선의 반경방향으로 병렬 배치된 도체들은 각각의 길이가 다르게 되고, 또한 각 병렬도체와 쇄교하는 자속의 분포도 다르게 되어 병렬 도체간 전압차이가 발생하게 된다. 이 전압차이에 의해 병렬도체 간 순환 전류가 흘러 발생하는 손실이 순환전류손이다. 이를 줄이기 위해 도체에 감기는 병렬도체의 상대적 배치를 연속적으로 바꾸어 주는 방법을 전위라 하며, 연속전위권선(Continuous Transposed Cable)이 이러한 용도에 사용된다.
(신판변압기의 설계공작법 木村久男)
변압기에 전압을 가하면 변압기 철심에는 교번자속을 발생시키기 위한 여자전류가 흐른다, 자속의 방향이 반대방향 때마다 철심 내에 남아있는 잔류 자기를 없애기 위해 불필요한 전력이 소모된다. 이 손실의 유효분이 무부하손에 대응되며, 그의 대부분이 철손이다. 또한 그의 무효분은 철손의 자화에 대응되며, 이것이 히스테리시스 손실이다. 이 히스테리시스손의 크기는 자성체의 히스테리시스 곡선(Hysteresis loop)내의 면적과 같다. 변압기의 무부하손 중에는 실제로 철손 이외에 동손과 유전체손도 포함되어 있으나 이 손실은 대단히 작다. 5%의 여자전류에 의해서 생기는 동손은 순환전류가 없는 것으로 한다면, 전부하시에 있어서 1차 권선의 0.25%정도로 무시할 정도이다.
유전체 손은 전압이 상당히 높을 경우 겨우 확인할 수 있을 정도로 작으며, 상용주파수에서 대용량기의 철손에 비하면 문제가 되지 않는다. 여자용량(Exciting volt-amperes)은 결국 철심에 소비되는 유효전력과 무효전력이므로 변압기의 여자특성은 철심의 자속 밀도만으로도 권선설계의 영향을 끼치므로 철심 설계에 결정되어 진다.
그러므로, 변압기의 여자특성은 철심의 중량, 품질, 구조 및 자속 밀도가 주어지면 가령 고조파가 포함되어 있어도 권선과는 무관하게 계산되어진다. 변압기의 크기가 변하면 물론 철심의 중량은 변화하나, 철심의 구조와 철심재료의 품질과 함께 자속밀도는 거의 동일하므로 변압기의 무부하손과 여자용량은 개개의 변압기 전압과 용량과 권선의 형식과는 무관계하게 철심중량만으로 결정되어진다. 예를 들면 60Hz 용 변압기가 극히 클 경우 철심중량 Pound 당 1W로 무부하손실을 계산하게 된다.
- 여자용량: 여자용량중의 무효분은 일반적으로 유효분의 5-20%로 자속밀도의 변화에 대해서 유효분보다 민감하므로 단위중량당 여자용량의 변화는 단위중량당의 손실보다 크다. 보통품질의 규소강판의 여자특성은 Joint를 고려하여 파운드당으로 하지 않고 인치(Inch)당으로 주어진다.
이것은 여자전류가 5-25%의 범위에는 이 역율이 (1) 박강판 품질과 두께, (2) 여자밀도, (3) 주파수 (4) 죠인트의 良否 및 자기회로 단위장당 죠인트수에 좌우되기 때문이다. 이것은 코일의 설계와 무관한 전압 전류 및 정격용량과도 무관하게 된다.(단 자기 회로 단위장당의 죠인트수 혹은 적층강판 상호간에 흐르는 와전류에 의한 손실에 대해서 이 영향이 없는 것으로 한다.) 여기에 철심치수와 중량에도 무관계하다. 규소강판은 그의 품질이 우수하나 여자전류의 역율이 낮게 되는 경향이 있다. 이것은 투자율 향상보다도, 일반적으로 철손의 감소쪽이 크기 때문이다. 또한 규소강판은 높은 자속밀도로 운전하면 여자전류의 역율은 감소하나, 이것은 철손의 증가율보다도 여자용량의 증가율이 크기 때문이다. 그러므로 여자전류의 역율이 좋고 나쁜가, 강판품질이 좋고 나쁜가에 국한하지 않는다. 물론 품질상으로 유효분 무효분이 최소 즉 철손도 최소로 되어 여자전류도 최소로 되는 것이 바람직함은 물론이다.
특히 철손이 중요하다. 유효분과 자화분은 서로 90도의 위상차가 있으므로 여자전류의 값을 거의 자화분의 크기로 생각해도 무리는 없다. 유효분이 비교적 커서, 예를 들면 역률이 25% 일 경우에도 여자전류과 이 자화분의 크기의 차는 겨우 3% 정도이다. 그래서 자화전류와 여자전류는 거의 동일하게 쓰인다.
- 히스테리손: 히스테리손은 철심의 자화 특성에 의한 자계를 방향이 서로 다른 자계로 변환시킬 때 손실로 Steinmetz의 실험식에서 사용되는 철심의 재질에 따라 변화하며, 사용주파수에 비례하고 철심에 통과하는 자력선 밀도의 1.6승에 비례한다. 이 히스테리시스손을 줄이기 위해서는 철심의 잔류자기가 적은 소재를 사용하여 변압기를 제작해야 하는데, 이러한 소재로서 규소강판이 사용되고 있으며, 최근에는 규소강판보다 철손을 획기적으로(약 1/3 ~ 1/4 수준) 줄일 수 있는 신소재로서 비정질합금인 아몰퍼스(Amorphous alloy)가 일부 소형 변압기에 사용되고 있다.
- 와전류손: 와전류손은 변압기 철심에 교번자속이 흐르게 되면 철심 자체에 유도전압이 유기되고, 이에 따라 교번자속과 직각방향으로 자속의 주변에 맴도는 와전류가 흐르게 되고(플레밍의 오른손 법칙), 이 와전류 크기의 제곱 및 철심의 전기 저항에 비례하는 Joule 열 손실을 발생시키는데, 이것이 ‘철심의 와전류손’이다. 이러한 와전류손은 도전율에 비례하고 사용 주파수에 2승에 비례하며, 철심 자속밀도에 2승에 비례한다. 와전류손을 줄이기 위해서는 철심을 흐르는 자속과 직각방향(즉, 와전류가 흐르는 방향)의 ‘철심 전기저항’을 증가시켜 와전류의 크기를 줄이는 방안으로서, 현재 모든 변압기 제작사들은 두께가 얇고(0.23 ~ 0.35mm), 그 양쪽면은 무기(Inorganic) 절연재로 코팅된 규소 강판을 적층하여 변압기 철심을 제작함으로써, 철심의 와전류손을 줄이고 있다.
- 무부하전류의 실용한계: 전력용 변압기에 있어서 여자 전류의 상한은 일반적으로 정격전압의 110%전압으로서, 15%가 그의 한계이나 실제에는 이것보다 작을 때는 2%정도의 것도 있다. 용량 1KVA이하의 변압기가 되면 위 값을 훨씬 상회한다.
- 유전체손(Dielectric Loss) : 유전체손은 전압에 의한 절연물이 유전체 특성에 의해서 발생되는 손실로서 보통 전력용 변압기에서는 무시해도 될 정도로 작다.
2. 부하손(Load loss)
변압기 2차측에 부하전류가 흐를 때 수반하는 손실(Impedance Loss)로서, 유효분과 지상 무효분으로 구성되며, 전자는 실용상 동손으로, 후자는 1차 2차 권선간의 공간의 가역적 자화(Reversible Magnetization)에 각각 대응된다. 이때 임피던스는 효율, 전압변동율, 온도상승 단락전류에 단락기계력의 계산, 변압기의 병렬운전에 적부를 판정하는 중요한 요소가 된다. 한편 부하전류가 증가하면 부하손도 증가하게 된다. 부하손에는 변압기 권선 내 도체에서 발생하는 I²R 손(Copper loss)과 변압기 철심지지물(Frame) 및 외함(Tank)에서 발생하는 표유부하손(漂遊負荷損; Stray loss)이 있다. 동손은 또한 그 발생 원인별로 구분하여 저항손(抵抗損), 와(渦)전류손, 순환(循環)전류손(Circulating current loss) 등으로 구성된다.
- 동손 : 동손 즉 저항손은 권선 도체의 전기저항에 의해 발생하는 손실로서 부하전류의 2승에 비례한다. 저항손이 과다할 경우, 권선의 권수를 줄여 도체량을 줄이거나 또는 철심량을 증가시키면 권선의 회수는 도체단면적에 반비례하므로 도체단면적을 증가시켜 도체의 전기저항을 줄이면 권선의 길이가 작아지므로 저항손은 감소한다.
- 와전류손 : 권선 내를 흐르는 자속은 권선의 축 방향으로 흐르는 것이 이상적이나, 일부 자속은 권선의 반경 방향으로 흐르게 된다. 이러한 반경 방향으로 흐르는 자속에 의해 도체에는 와전류가 흐르게 되고, 이에 따라 발생하는 손실이 도체의 와전류손이며, 이를 줄이기 위해서는 도체를 여러 가닥으로 나누어, 이들 도체를 병렬로 하여 권선하게 된다.
- 표유부하손 : 변압기 권선에서 발생한 자속 중 일부 자속은 철심을 따라 흐르지 않고 누설(Leakage flux)되어, 변압기 본체의 철구조물, 내부조임용 볼트류(Clamp Bolt)나 외함을 따라 흐르게 된다. 이에 따라 이들 부위에 와전류가(Eddy current) 흐르게 되어 손실을 발생시키는데, 이것을 표유부하손이라 한다.부하전류 2승에 비례하고, 일반적으로 본체의 철구조물에서 발생하는 표유부하손은 미미하나, 주로 외함에서 상판에서 발생하는 표유부하손의 양은 상당히 문제가 크므로, 외함 내부를 차폐(shielding) 하는 방법으로, 규소강판으로 자기차폐(magnetic shield)를 만드는 방법과 알루미늄 판으로 도전차폐(conducting shield), 또는 스텐레스 스틸편을 붙히는 방법이 있다. 한편, 대형 발전소에서 사용되는 대용량 변압기와 IPB로 연결되는 부위가 발열되어 문제가 되므로 발생되는 손실을 미리 계산하여 저감대책(비전도성 강제등 사용)을 강구하고 있다. 주로 발전소의 전력용 대용량 변압기의 대 전류가 인출되는 부분 즉 Bushing이 취부되는 부분을 비자성체인 스테인레스 강판이나 알루미늄 판을 취부하여 표유부하손을 감소시키지 않으면 심한 발열과 함께 애자가 파손되는 경우가 있다.
- 순환전류손 : 도체의 각각은 절연하여 여러 가닥으로 나누어 병렬로 사용할 때, 권선의 반경방향으로 병렬 배치된 도체들은 각각의 길이가 다르게 되고, 또한 각 병렬도체와 쇄교하는 자속의 분포도 다르게 되어 병렬 도체간 전압차이가 발생하게 된다. 이 전압차이에 의해 병렬도체 간 순환 전류가 흘러 발생하는 손실이 순환전류손이다. 이를 줄이기 위해 도체에 감기는 병렬도체의 상대적 배치를 연속적으로 바꾸어 주는 방법을 전위라 하며, 연속전위권선(Continuous Transposed Cable)이 이러한 용도에 사용된다.
(신판변압기의 설계공작법 木村久男)
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