발전소의 소내 전기설비1

발전소의 소내 전기설비 1

 

1. 변압기

가. 개요

변압기란 전자유도작용에 의해서 교류전압을 다른 교류전압으로 변환시키는 기기 즉, 전원 전압을 사용 목적에 따라 필요한 전압으로 승압 또는 강압하는 전기기기이다.

발전소에서 생산된 전력은 발전기가 회전기이고, 발전기의 회전자가 120°의 위상각을 갖도록 배치되어 있기 때문에 그전압은 3상 교류 13.8~24kV 정도로 낮은 것이 보통이다. 최근 건설되는 1,000MW급 USC(Ultra Super Critical) 발전플렌트의 발전기의 경우도 24.5~30kV 정도의 발전기 단자전압을 가지고 있다.

이 정도의 낮은 발전전압으로 대전력을 장거리 송전하기엔 부적합하므로 일반적으로 발전단이 양변압기를 설치해서 대전력의 장거리 충전에 적당한 전압인 154kV, 345kV 또는 765kV로 승압하여 송전하게 된다.

발전소에는 승압용 변압기(Step-up Transformer)와 강압용 변압기가 모두 사용된다.

나. 변압기 원리

(1) 전자유도현상

N회 감은 코일 양단에 검류계(미약한 전류를 검지하는 전류계)를 연결하고 자석을 코일 속에 넣었다 빼는 동작을 반복하면 검류계의 지침이 좌우로 움직인다. 이때 자극을 코일 속에 넣을 때와 자극을 뺄때에 검류계의 움직임이 반대로 된다.

자극을 코일에 출입시킬 때 지침이 움직이는 것은, 코일에 자력선(자속)의 변화를 주면 전압이 발생된다는 것을 의미하는것으로 이와 같은 현상을 전자유도작용이라 한다.

전자유도에 의해서 생기는 전압의 크기는 코일의 권수와 매초 당 자속의 변화량에 의해 정해진다.

이 관계를 전자유도에 관한 패러데이 법칙이라 하고 다음과 같이 나타낸다.

[유도전압의 크기] = [코일의 권수] x [매초당 자속의 변화량]

 

(2) 변압기의 원리

변압기는 전자유도작용을 이용하여 교류전압의 크기를 변성하는 정지유도장치로서 2개 이상의 전기회로인 권선(Winding)과 1개 이상의 자기회로인 철심(Core)으로구성된다.

2개의 전기회로 중 한쪽을 전원에 접속하고 다른 죽은 부하에 집속하면 전력은 변성되어 부하에 전남된다. 이래 전원에점속된 권선을 1차관선. 부하에 접속된 권선을 2차권선이라 한다. 또한 2개의 권선 중 사용권함이 높은 죽을 고압권선, 낮은 죽은 저압권선이라고도 한다.

도체에 전류가 흐르면 주위에 자계(#9)가 형성되고 자계 주위에 도체가 있으면 다시 전류가 발생된다.

1차권선과 쇄교하는자속이 모두 2차권선과 쇄교한다면 1차 및 2차 권선에 유기되는 기전력은 각각의 권수에 비해한다.

그러므로 1차 및 2차 유기기전력의 비는 건수비와 같이 된다. 따라서 권수비 a를 적절히 선택하면 사용목적에 따라 2차전압을 높게 또는 낮게 하여 사용할 수 있다.

 

다. 변압기 구조 및 부속장치

변압기를 유효하게 작용시키기 위해서는 철심과 권선이외에도 외부의 위험으로부터 변압기의 청심과 권선 등을 보호하기 위한 외함(Tank), 고• 저압측의 단자를 외부로 인출 시 도체를 변압기 외함과 절연시키기 위한 부싱(Bushing), 절연및 냉각역할을 하는 절연유(Insulation Oil), 전압조정을 위한 탭전압조정기(Tap Changer), 발생열을 방출하기 위한냉각장치(Radiator & Cooler) 및 각종 보호장치(방압관, 브흐홀쯔 계전기, 충격압력계전기, 각종 계기류, 제어판넬)등으로 구성되어 있다.

 

(1) 철심

변압기 철심(Core)은 전자유도작용에 필요한 자속의 통로, 즉 자기회로를 구성한다.

철심 재료는 규소 함유량이 4~4.5% 정도인 강판을 성층하여 사용한다.

규소강판을 사용하는 이유는 철손을 감소시키기 위한 것이나 함유량이 너무 많으면 투자율이 저하하고, 철심 가공이 어려워진다.

철심에서 발생하는 와류손은 철심 두께의 2승에 비례하므로 얇을수록 좋다.

와류손을 줄이기 위해 0.35mm 정도의 박강판을 여러 장 겹쳐서 제작하며 박강판 사이는 절연을 실시한다.

철심 재료의 구비조건은 다음과 같다.

• 투자율이 높을 것 
• 히스테리시스 계수가 작을 것
•   전기저항이 클 것

철심의 구조는 권선과의 관계에 의하여 크게 내철형(Core Type)과 외철형(ShellType)으로 구분한다.

 

내철형은 권선이 철심을 둘러싸는 형태이고, 외형은 철심이 권선을 둘러싸는 형태이다.

분포철심형은 자속밀도를 줄이기 위해 자기회로를 여러 개 만들어 놓은 형태이다.

(2) 권선

권선용 도체는 10~20A 정도의 소용량 변압기에는 원형 동선을 주로 사용하고, 대용량 변압기에는 직사각형의 평각 동선을 사용한다.

권선의 배치는 고압, 저압 2개의 권선과 철심을 쇄교시키는 방법에 따라 동심배치와 교호 배치가 있다.

동심 배치는 철심의 외측에 저압권선을 감고, 다시 철연해서 그 위에 고압 권선을 감는 방법이다.

동신 배치는 주로 내철형에 쓰이고 고• 저압권선 사이의 절연이 용이하므로 고전압 변압기에 적용된다.

철심과 권선 사이의 절연을 쉽게 하기 위하여 저압권선을 내측에 감는다.

교호 배치는 고압권선과 저압권선을 교차시켜 감는 방법이다.

교호 배치는 주로 외철형에 쓰이고, 누설자속이 적으므로 대전류 변압기에 적용하면 유리하다.

 

(3) 절연유

(가) 절연유의 종류

변압기유(Transformer Oil)는 절연과 냉각 작용을 한다.

절연유의 상태는 변압기의 성능에 매우 큰 영향을 미치므로 절연유를 잘 선택하고 관리해야한다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 절연유는 원유를 정제해서 만든 광유로서 주성분은 탄화수소이다.

 

(나) 절연유 열화원인

절연유의 절연내력이 저하되는 것을 열화(Aging)라고 하며 열화의 원인은 다음과 같다.

• 수분의 흡습 및 산화작용

• 온도 변화에 의한 절연유의 수축, 팽창으로 대기 중의 습기가 변압기로 흡입되어 절연유를 열화시킨다.
• 산소가 절연유와 화학작용을 일으켜 산화되어 슬러지(Sludge)를 형성한다.

• 금속과의 접촉

• 권선과 철심 등의 금속과 접촉하므로 산화된다.

• 절연재료의 영향

• 절연 테이프나 절연 바니쉬(Varnish)도 절연유의 열화에 큰 영향을 미친다.

• 광선의 영향

• 절연유 사용 중 광선이 직접 쬐이면 절연유가 열화되므로 특히 보관 시 주의가 필요하다.

(다) 절연유 열화판정시험

절연유는 주기적으로 열화 상태를 시험해야 하며 열화판정방법으로는 절연내력 시험과 산가 시험이 있다.

절연유 중에 수분, 전해질, 섬유 등의 불순물이 있으면 절연내력이 급격히 저하한다.

절연내력 시험을 통해 측정된절연내력시험이 30kv/2.5mm 이상이어야 한다.

절연유가 산화되면 유기산이 증가하여 결국은 슬러지가 발생된다.

산가란 기름 1g 중에 함유되어 있는 지방산을 중화하는데 필요한 수산화칼륨(KOH)의 mg수로서 표시한다.

산가에 의한 열화판정기준은 다음과 같다.

 

(라) 절연유 중 가스 분석

변압기 내부에서 국부적인 과열이나 방전 등이 발생하면 절연유 또는 절연지가 열분해된다.

이때 생긴 분해가스는 절연유 중에 용해되므로 이를 분석하여 변압기의 이상상태를 예측할 수 있다.

 

(마) 절연유 열화방지장치

변압기의 온도 변화에 따라 절연유가 수축, 팽창하면서 대기 중의 공기가 변압기 내로 출입하게 된다.

고온의 절연유가 공기와 접촉하면 공기 중의 산소와 수분으로 인해 열화되어 절연내력이 저하된다.

이러한 현상을 방지하기 위해 본체 크 위에 작은 크를 설치한 것을 콘서베이터(Conservator)라 한다.

콘서베이터는 절연유와 공기와의 접촉 면적을 적게 하고 침전물과 수분 배출이 용이하도록 되어 있다.