변압기 과여자(Over-Excitation)의 영향

변압기 권선의 열적 손상

1. 변압기 과여자의 원인

오늘날은 관행상 변압기 코어 자속 밀도의 정격 값은 약 1.7~1.8T로 설계하고 있습니다. 변압기 코어에 사용되는 전기강판의 포화 자속 밀도는 변압기 코어 설계 정격 값의 약 1.1배에 해당하는 1.9~2T 입니다. 전력용 변압기가 운전 중에 설계상의 제한에 따라 위에서 언급한 자속 밀도 보다 높아지면 코어 자속 문제에 직면하여, 결과적으로 변압기의 동작 및 수명에 악영향을 미친다고 알려져 있습니다. 일반적인 전력용 변압기는 설계적으로 또는 포화 자속 밀도 및 가열되는 금속 구조물의 열적 시정수에 따라 약간의 과여자 용량을 가지고 있습니다. 전력용 변압기에 대한 IEC, IEEE 등 국제 표준에서는 과여자에 대해 허용되는 짧은 시간을 규정하지 않지만, 대체로 변압기의 최대 과여자는 110%를 초과하지 않아야 한다고 명시하고 있습니다.
변압기 코어의 자속 밀도는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있습니다.

 

B = C * V / f

 

여기서, B는 자속밀도, C는 상수, V는 전압, f는 주파수를 나타냅니다.

위 수식에서 알 수 있듯이 자속 밀도는 전압과 주파수의 비율(V/f)에 비례합니다. 따라서 과여자는 변압기 운전 중에 전압의 증가 또는 주파수의 감소에 의해 발생할 수 있습니다. 통상 전압과 주파수가 일정하게 유지되는 변전소의 Step-Down 변압기에 비해 발전소용 Step-Up 변압기의 과여자 가능성이 상대적으로 높습니다. 그러나 매우 비정상적인 시스템 상태에서는 변전소의 Step-Down 변압기에서도 과여자 문제가 발생할 수도 있습니다. 과여자 릴레이는 모든 과도 과여자 조건에서 변압기가 트립되지 않도록 조정되어 전력계통 시스템의 안정성을 유지합니다. 단, 과여자의 지속시간과 변압기의 상태가 지정된 안전 범위를 넘어가면 바로 정지합니다.

변압기 과여자의 원인은 여러가지가 있지만, 일반적으로 다음과 같은 원인이 제시되고 있습니다.

• 갑작스러운 부하의 제거로 인한 과전압
• 낮은 주파수의 전력 발전
• 송전 라인의 경부하
• 송전 시스템에서 적절한 무효전력의 보상 불가

 

2. 변압기 과여자의 영향

변압기에서 발생되는 자속은 주변의 매체들 보다 코어의 비투자율이 상당히 높기 때문에 대부분 변압기 코어로 한정됩니다. 그러나 과여자로 인해 코어의 자속밀도가 포화 자속 밀도를 넘어 증가하면, 상당한 양의 자속이 코어로 부터 코어 주변의 금속 구조물 및 절연유로 누설됩니다. 누설된 자속이 금속 구조물에 인가되면 금속 구조물 표면에서는 와전류가 발생하여 국부 과열이 발생할 수 있습니다.
자속을 잘 전달하지 못하는 비투자율이 낮은 구조용 금속 구조물은 빠르게 가열됩니다. 계획되지 않은 경로로 흐르는 자속은 권선, 코어 바닥의 탱크 베이스 및 클램프 등의 금속 구조물에서의 와전류 루프를 생성할 수 있으며, 이러한 와전류는 위험한 수준의 온도 상승을 야기할 수 있습니다. 과도한 과여자 상태에서는 여자 전류에 고조파가 상당량 함유되기 때문에 권선 내부의 국부 가열은 충분히 극단적일 수 있습니다. 이러한 상태에서 변압기 손상이 없도록 하기 위해서는, 과여자 상태에서 권선에서 발생하는 손실이 장시간 지속되지 않게 해야한다는 것은 명백한 사실입니다.

과여자로 인한 손상의 물리적 증거는 과여자 정도, 지속 시간 및 변압기의 특정 설계에 따라 달라집니다. 아래 표는 그러한 물리적 손상과 예상되는 결과를 요약한 것입니다.

관련 부품	물리적 증거	결과
코어 및 권선을 위한 금속 구조물	- 금속 부품과 인접 절연물의 변색 - 절연유 내 탄화 물질 - 가연성 가스의 증가	- 절연유 및 절연물 표면의 오염 - 절연물의 기계적 열화 - 구조의 상실
권선	- 권선 절연물의 변색 - 가스의 증가	- 권선 절연물의 전기적 및 기계적 약화
리드 도체	- 도체 절연물 또는 지지목의 변색 - 가스 발생	- 절연물의 전기적 및 기계적 약화 - 지지목의 기계적 약화
적층 코어	- 코어와 접촉된 절연물의 변색 - 탄화 가스 발생	- 권선-코어 간 주절연물의 전기적 약화 - 코어의 와전류 손실 증가
탱크	- 페인트 손상	- 절연유의 오염

변압기의 과여자로 인한 가연성 가스의 진화에 따라 코어 및 권선을 위한 금속 구조물, 리드 도체, 적층 코어, 탱크 등이 상당한 온도에 도달할 수 있으며, 그 양에 따라 동반된 가스가 Buchholz 릴레이에 수집될 수 있습니다. 수집된 가스는 변압기가 과여자 되는 지속 시간에 따라 달라집니다.