변성기(變星機)는 전기 설비의 주요 구성 기기 중 하나로, 전력 계통에서 전류와 전압을 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 사용됩니다. 수변전 설비를 설계할 때 검토해야 할 주요 사항 중 하나는 '사용 기기의 결정'인데, 변성기 역시 여기에 포함됩니다. 변성기는 고전압, 대전류 회로를 계측 및 보호에 필요한 저전압, 소전류 회로로 변성하여 취급자의 안전을 확보하고 계통 운영의 효율성을 높이는 역할을 합니다.

1. 계기용 변성기 (Instrument Transformers)

계기용 변성기는 크게 전력량을 측정하는 데 사용되는 MOF (Metering Out Fit), 대전류를 소전류로 변성하는 변류기 (CT: Current Transformer), 그리고 비접지 계통에서 영상 전압을 검출하는 접지형 계기용 변압기 (GPT: Grounding Potential Transformer)가 있습니다.

• 전력수급용 계기용 변성기 (MOF) MOF는 계기용 변류기(CT)와 계기용 변압기(PT)를 하나의 탱크 안에 수납한 기기로, 사용 전력량을 측정하기 위해 전류 및 전압을 변성합니다. MOF를 사용함으로써 고전압 회로와 2차측 계전기 또는 계기 회로를 전기적으로 절연하여 취급 전압을 낮추고, 2차측 접지 공사를 통해 취급자의 안전을 도모합니다. 또한, 고전압, 대전류를 대부분 110 [V], 5 [A]로 변성하여 측정 범위를 확대하고 계기 사용의 융통성을 향상시키며, 계전기 및 계기의 표준화를 가능하게 하고 정밀 측정을 용이하게 하며 원격 측정 및 제어에도 기여합니다.

• 변류기 (CT: Current Transformer) 변류기는 대전류를 소전류로 변성하여 계기 및 과전류 계전기에 공급하는 역할을 합니다. 계전기용 변류기는 단락 사고 발생 시 1차 권선에 흐르는 고장 전류에 대해 열적, 기계적으로 견딜 수 있는 강도를 가져야 합니다. 운영 시 중요 사항: 변류기의 2차측 회로는 임피던스가 낮고 전압도 낮아 여자 전류가 극히 적은 것이 정상입니다. 그러나 2차측이 개방되면 1차 전류가 모두 여자 전류로 작용하여 철심의 자속 밀도가 매우 높아지고, 고전압이 유기될 수 있습니다. 이는 2차측 회로의 절연을 파괴하거나 과열로 인한 소손을 유발할 수 있으므로, 2차측 전류계를 교환할 때는 반드시 변류기 2차를 단락 상태로 유지한 다음 교환해야 합니다. 영상 전류 검출 방법: 지락 사고 시 계전기가 동작하기 위한 영상 전류를 검출하는 방법에는 **영상변류기(ZCT)**에 의한 방법, Y결선의 잔류회로를 이용하는 방법, 그리고 3권선 CT를 이용하는 방법이 있습니다. 특히 Y결선의 잔류회로 방식은 3상 전류를 정확히 측정하고 불평형분을 측정하며, 중성점 접지 방식에서 지락 사고 검출이 용이합니다.

• 접지형 계기용 변압기 (GPT: Grounding Potential Transformer) GPT는 주로 비접지 계통에서 지락 사고 시의 영상 전압을 검출하는 데 사용됩니다. 1선 지락 고장의 경우 지락상의 전압이 0 [V]가 되면 나머지 건전상은 전압 상승이 √3배가 됩니다.

2. 전력 변압기 (Power Transformers)

일반적인 변압기는 전압을 적절한 레벨로 강압 또는 승압하는 역할을 하며, 전기 설비의 '전원설비 측면'에서 그 종류와 용도가 중요하게 고려됩니다.

• 변압기의 종류 및 용도: 유입형, H종 건식, 가스절연, 몰드변압기, 아몰퍼스 변압기 등이 있으며, 이 중 에너지 절약 측면을 고려하여 용도에 적합한 변압기를 선정해야 합니다. 변압기는 연중 운전되므로 무부하손, 부하손을 검토하여 고효율 변압기를 채택하는 것이 중요합니다.

• 에너지 절감 방안:

  • 고효율 변압기 채택.
  • 변압기의 운전대수 제어가 가능하도록 뱅크를 구성하여 효율적인 운전 관리를 통해 손실을 최소화합니다. 이는 전력 부하 곡선에 따른 운전 수제어 또는 소용량 변압기로 교체 등을 고려하는 것을 의미합니다.

• 몰드 변압기: 고압 및 전압의 권선을 에폭시 수지로 몰드한 고체 절연 방식의 변압기입니다. 난연성, 절연 신뢰성, 보수 및 유지 용이성을 위해 개발되었으며, 유입 변압기보다 에너지 절약 측면에서 유리합니다.

  • 장점: 난연성이 우수하여 화재 위험이 없으며, 내코로나 및 임펄스 특성이 향상되어 신뢰성이 높고, 소형 경량화가 가능하고, 무부하 손실이 줄어들어 운전 경비가 절감되고 에너지가 절약됩니다. 또한 보수 및 점검이 용이합니다.
  • 주의 사항: 일반적으로 유입 변압기보다 충격파 내전압이 작으므로, 진공 차단기(VCB)와 함께 사용할 경우 개폐 서지에 대한 대책으로 서지 흡수기(SA) 등을 설치해야 합니다.

• 아몰퍼스 변압기: 비정질 구조 및 초박판 철심 소재를 채택하여 무부하 손실이 기존 몰드 변압기의 1/5 수준으로 낮아 전력 손실이 적습니다. 이는 철심 발열에 의한 권선 온도 상승을 최소화하여 과부하 내량이 커지고, 제품 수명이 길어지는 장점이 있습니다.

• 변압기 탭 (Taps): 일반적으로 1차(고압)측 권선의 중간 단자를 인출하여 설치됩니다. 탭 절환의 목적은 1차(수전단) 전압의 변동에 의해 2차측 전압이 정격 전압에서 벗어났을 때, 이를 정격 전압으로 조정하는 것입니다.

• 변압기 병렬 운전:

  • 병렬 운전 조건: 극성이 일치할 것, 권수비(2차 정격 전압)가 같을 것, 내부 저항과 누설 리액턴스의 비가 같을 것, %임피던스 강하가 같을 것. 3상식에서는 추가로 상회전 방향 및 각 변위가 같아야 합니다.
  • 문제점: %임피던스 강하가 같지 않으면 부하 분담이 용량비로 이루어지지 않아 전체 변압기 합계 용량을 사용할 수 없게 되며, 계통의 %임피던스가 작아져 단락 용량이 증가하는 문제점이 있습니다.

• 변압기 시험: 단락 시험과 무부하 시험을 통해 임피던스 전압, %임피던스, 동손 및 철손을 구하여 변압기의 효율을 산정할 수 있습니다.

3. 다른 시스템과의 통합

변성기는 **GIS (가스 절연 개폐 설비)**와 같은 현대적인 전력 설비에서도 중요한 구성 요소로 포함됩니다. GIS는 차단기, 단로기, 변성기, 피뢰기 등의 설비를 금속제 탱크 내에 일괄 수납하여 절연 성능과 소호 능력이 뛰어난 SF6 가스를 충전하고 밀봉한 시스템입니다.