본질적으로, 승압 변압기는 들어오는 선에서 전압을 증가시켜 추가 전력 전송에 필요한 수준으로 만드는 장치입니다. 그러나 동일한 정의는 과전압도 포함합니다. 즉, 출력 전압이 부적절한 탭 변경이나 전력 시스템의 중성이 느슨해짐에 따라 정격 전압을 초과하는 비정상적인 상황입니다. 문단에 설명된 두 가지 상황이 있지만, 그 본질은 상당히 다르며, 이는 기술자가 문제의 근본 원인이 열린 중성일 때 탭 변경기를 조정하는 잘못된 해결책으로 이어질 수 있습니다. 이 매뉴얼의 목적은 변압기가 전압을 상승시키는 장치로서 어떻게 작동하는지, 전압을 증가시키는 동안 전류와 전기 부하에 어떤 일이 발생하는지, 그리고 그 결과로 어떤 효과가 발생하는지를 철저히 이해하는 것입니다.
간단히 말해: 변압기가 전압을 증가시키면, 2차 측의 전압은 1차 측의 전압보다 높아지며, 이는 권선의 회전 수 비율에 따라 결정됩니다 — Vs/Vp = Ns/Np — 반면 전류는 동일한 비율로 낮아집니다. 이는 변압기가 전력을 전달하지만 전력을 생성하지 않기 때문입니다. 이 측면은 변압기의 첫 번째이자 가장 중요한 결과입니다. 이 첫 번째 결과 이후에 네 가지 더 많은 결과가 있습니다. 절연체는 증가된 유전 스트레스를 견뎌야 하며, 이는 더 높은 전압에서 작동하는 권선이 더 나은 절연을 가져야 함을 의미합니다. 저항성 장비는 전압의 제곱이 증가함에 따라 더 많은 에너지를 받으며, 이는 전압이 5% 상승하면 저항성 장비의 열이 거의 10% 상승함을 의미합니다. 전압이 허용 전압 수준을 초과하면 백열전구는 빛을 멈춥니다. 코어 인덕터는 전압이 설계 범위를 훨씬 초과할 때 포화됩니다.
변압기가 전압을 상승시키는 방법
변압기는 완전히 고정된 구성 요소로 만들어진 장치이며, 권선 간에 전기적 연결이 없습니다. 이는 전자기 유도를 통해 작동합니다. 즉, 1차 권선에는 교류가 흐르고, 따라서 변화하는 자기장이 존재하며, 그 변화하는 자기장이 2차 권선에 전압을 생성합니다. 생성된 전압은 1차 전압에 2차 및 1차 권선의 비율을 곱한 값과 같습니다.
변압기의 2차 권선에서 생성된 전압은 그 와이어의 회전 수와 1차 권선의 회전 수의 관계에 따라 달라집니다. 예를 들어, 2차 권선의 와이어 회전 수가 1차의 두 배라면, 2차 코일의 전압이 1차 코일의 전압의 두 배라고 말할 수 있습니다. 이 회전 비율 간의 관계가 변압기가 전압을 상승시키거나 하강시킬 수 있는 능력을 부여하며, 이러한 변압기가 가져오는 이점, 즉 반대로 사용하는 것을 설명합니다.
변압기의 크기와 용량의 유일한 제한은 코어 설계에 의해 결정됩니다. 코어 내의 자기 플럭스 밀도는 코일에 적용된 전압에 비례하여 증가합니다. 따라서 전압이 높을수록 코어는 더 포화 상태가 됩니다. 따라서 코어가 포화 지점에 도달하면 플럭스 라인이 그 안을 흐를 수 없습니다. 이러한 한계를 생성하는 기본 구조를 이해하는 것이 출발점이며, 이는 우리의 가이드에 설정되어 있습니다. 배전 변압기 기초.
비율이 제조 시 고정되어 있는 경우, 실제 출력 전압을 지배하는 매개변수는 탭 권선의 회로에서의 턴 수입니다 — 탭 체인저가 존재하는 이유입니다. 이러한 설정과 나머지 이름판 데이터는 우리의 설명의 주제입니다. 변압기 사양, 이는 구매자가 전압 문제가 결함이라고 가정하기 전에 살펴봐야 할 곳입니다.
보존 법칙: 전압 상승, 전류 하락
전압을 증가시키는 가장 중요한 결과는 종종 간과됩니다: 전류가 감소합니다.
이상적인 변압기는 에너지를 손실 없이 전달하므로 두 쪽의 전압과 전류의 곱은 동일해야 합니다. 보조측의 전압이 상승하면, 동일한 전류에서 흐르는 보조 전류는 그에 따라 감소합니다. 다시 말해, 변압기가 보조측에서 240 V에서 100 A의 전류를 제공하면서 기본측에서 120 V에서 200 A를 소비한다면, 두 쪽의 전력은 동일합니다. 왜냐하면 새로운 전류가 생성되지 않기 때문입니다.
| 수량 | 관계 | 보조 전압 상승의 결과 |
|---|---|---|
| 전압 | Vs/Vp = Ns/Np | 턴 비율에 비례하여 상승 |
| 전류 | Is/Ip = Np/Ns | 역비례하여 하락 |
| 전력 | VpIp ≈ VsIs | 손실을 제외하고는 변하지 않음 |
| 소스에서 본 임피던스 | Zp = (Np/Ns)² × Zs | 턴 비율의 제곱으로 변환됨 |
임피던스 행은 가장 직관적이지 않기 때문에 고려하는 것이 중요합니다. 보조측의 부하는 소스에서 자신이 아닌 턴 비율의 제곱으로 곱해진 값으로 보입니다. 전압이 10배 증가하면, 1Ω의 부하는 기본측에서 0.01Ω처럼 보입니다. 이것이 오디오 및 RF 회로에서 임피던스 매칭이 발생하는 방식이며, 고정 부하가 있는 스텝업 변압기가 단순 계산에서 예상되는 것보다 훨씬 더 높은 기본 전류를 끌어오는 현상의 정확한 이유입니다.
실제로, 실제 변압기는 100% 보존을 달성하지 않습니다. 권선의 구리 손실과 코어 재료의 코어 손실은 열의 형태로 소산되므로 효율성은 1로 가정되는 것이 아니라 백분율로 표현됩니다. 이는 변압기가 부하 하에서 따뜻해지고 개방 회로에서 차가운 상태를 유지하는 이유입니다. 손실 자체는 결국 변압기의 수명을 제한하는 메커니즘 중 하나이며, 이는 우리의 기사에서 다루는 주제입니다. 변압기가 고장나는 원인.
임피던스와 부하에 대한 영향
연결된 부하의 특성은 연결된 부하가 반응하는 방식을 완전히 지배하며, 따라서 전압 상승의 결과는 설계 사양에서 운영상의 문제로 전환됩니다.
| 부하 유형 | 전압 상승 시 행동 | 결과 |
|---|---|---|
| 저항성 (히터, 백열등, 주전자) | 전류는 비례적으로 증가하며; 전력은 전압의 제곱에 비례하여 증가함 | 가열 증가; 램프 수명이 급격히 감소함 |
| 모터 (유도) | 토크는 증가하지만, 자화 전류와 코어 손실도 증가함; 모터는 전류에서는 더 차갑게 작동하지만 코어에서는 더 뜨거워질 수 있음 | 전류 소모는 줄어들지만 자손실은 증가함; 전압이 정격을 훨씬 초과하면 과열됨 |
| 전자 전원 공급 장치 | 많은 장치가 조절되며 범위를 허용함; 그렇지 않은 장치는 고장날 수 있음 | 입력 범위에 전적으로 의존함; 비조절 전원 공급 장치는 취약함 |
| 커패시터 뱅크 | 반응 출력은 전압의 제곱에 비례하여 증가함 | 과보상 및 추가 전압 상승; 가능한 공진 |
| 변압기 | 코어 플럭스 밀도가 증가함; 설계 지점을 초과한 포화 및 고조파 발생 | 과열, 고조파 왜곡, 가청 소음 |
| 스위치 모드 전원 공급 장치를 사용하는 전자기기 | 일반적으로 넓은 입력 범위 (100-240 V)를 가지므로 내성이 있음 | 정격 범위 내에서는 거의 영향을 미치지 않음 |
저항성 행은 흥미로운 관찰을 포함하고 있음. 저항성 부하에서 전력은 전압의 제곱에 비례함. 따라서 5%와 같은 과전압은 약 10%의 더 많은 열을 생성함을 의미함. 히터의 경우, 이는 요소의 수명이 훨씬 짧아지고 에너지 비용이 더 높아짐을 의미함. 그러나 백열등의 경우, 이는 과전압에 대한 강한 의존성으로 인해 수명이 더 짧아짐을 의미함. 이것이 유틸리티에 대한 전압 조절의 중요성의 이유이기도 하며, 과전압으로 인해 사용자에게 실제로 측정 가능하고 증가하는 비용이 발생함.
모터 행은 처음 보기에는 더 미묘함. 모터가 더 많은 전압을 받으면 동일한 기계적 출력으로 더 적은 전류를 소비하게 되며, 이는 좋은 것처럼 보이지만 자성 회로와 관련하여 상황은 꽤 다름. 그 이유는 증가된 전압이 코어 손실을 증가시키고, 전류 감소에도 불구하고 모터가 내부적으로 과열되며, 매우 높은 전압에서는 철의 포화가 시작되기 때문임.
높은 전압의 물리적 효과
부하에 대한 효과 외에도 전압의 증가로 인해 변압기에 네 가지 방식으로 스트레스가 가해집니다.
- 절연체에 대한 스트레스. 절연체에 대한 스트레스는 전압이 증가함에 따라 증가하며, 절연체에 대한 스트레스가 증가함에 따라 절연체의 수명이 감소합니다. 결과적으로, 더 높은 권선 전압을 가진 변압기는 더 높은 기본 절연 수준을 가져야 하며, 같은 이유로 낙뢰 임펄스 내전압은 사양의 항목 중 하나가 되고 세부 사항이 아닙니다.
- 부분 방전. 스트레스가 충분히 높아지면 절연체 내의 공극이나 결함이 방전되기 시작하여 해당 재료의 점진적인 열화를 초래합니다. 부분 방전은 고장의 전조 역할을 하지만 고장 자체는 아니며, 과전압의 부작용 중 하나입니다.
- 코어 포화 및 고조파. 코어가 설계된 자기 플럭스 밀도 이상으로 구동되면(재료와 코어의 구성은 코어가 견딜 수 있는 자기 플럭스의 수준을 결정합니다), 자화 전류가 왜곡되어 일부 홀수 고조파를 포함하게 되어 손실이 증가하고 온도가 상승하며 시스템의 다른 곳에서 공진이 발생할 수 있습니다.
- 증가된 가청 소음. 자화로 인한 코어의 치수 변화인 자력 변형도 플럭스 밀도가 증가함에 따라 증가합니다. 따라서 과전압 변압기는 정상 전압 수준의 동일한 변압기보다 상당히 더 많은 가청 소리를 발생시킵니다.
이 네 가지 현상은 과전압을 위험하게 만드는 공통된 특징을 가지고 있습니다: 그것들은 누적적이며 거의 보이지 않습니다. 과전압 변압기는 문제의 징후를 전혀 보이지 않으며, 단지 더 빨리 노화되고 고장이 예상보다 빨리 발생합니다.
의도하지 않은 전압 상승: 원인
전압 수준이 의도적으로 상승하는 것 외에 과도하게 되는 주된 이유는 네 가지입니다.
| 원인 | 메커니즘 | 이를 인식하는 방법 | 대응 |
|---|---|---|---|
| 잘못된 탭 체인저 설정 | 탭이 현재 존재하는 공급 전압과 다른 공급 전압에 맞춰 설정되어 있습니다. | 모든 부하에서 일관되고 예측 가능한 오프셋; 항상 존재합니다. | 실제 공급에 맞게 탭을 재설정하고 측정으로 확인합니다. |
| 중성선 손실 | 중성 기준이 떠서 전압이 부하 임피던스에 따라 다리 간에 나누어집니다. | 두 다리의 전압이 전체 선 전압으로 합산됩니다; 일부 부하는 높은 전압을 보고 다른 부하는 낮은 전압을 봅니다. | 비상: 격리하고 공급 결함으로 처리합니다. |
| 페란티 효과 | 길고 가벼운 부하의 선에서 정전용량 충전 전류가 수신 측 전압을 송신 측 전압보다 높입니다. | 부하가 감소할 때 전압이 상승합니다; 밤이나 수요가 낮은 기간에 최악입니다. | 리액티브 보상 또는 한계 내에서 수용합니다. |
| 커패시터 뱅크 공진 | 전력 인자 보정 커패시터가 시스템 인덕턴스와 공진하여 고조파 주파수에서 전압을 증폭합니다. | 커패시터 스위칭과 관련된 왜곡 및 전압 상승. | 뱅크의 조율을 해제하거나 재조율합니다; 고조파를 조사합니다. |
| PV 또는 발전 역피드 | 내장 발전은 수출 시 연결 지점에서 전압을 높입니다. | 발전이 높고 지역 부하가 낮을 때 전압이 상승합니다. | 변압기 탭 조정, 전압 조정 또는 수출 제한 |
가장 간단한 원인은 고장난 탭 체인저입니다. 탭 체인저가 잘못 설정되면 변압기는 항상 예상 전압을 공급하게 되며, 해결책은 명목 전압 값을 사용하는 대신 실제 입력 전압을 확인한 후 올바르게 재설정하는 것입니다. 탭 체인저의 맥락에서, 오프 서킷(변압기가 전원이 꺼져 있을 때만 설정 가능)과 온 로드 탭 체인저가 존재하여 부하 하에서 작동을 수행할 수 있으며 일반적으로 전압 조정 릴레이에 따라 작동합니다.
페란티 효과는 또 다른 놀라운 원인입니다. 이는 장거리 전송 또는 전원 공급선이 길이에 따라 분포된 정전 용량을 가지고 있으며, 해당 선이 많이 부하되지 않을 때 선의 인덕턴스를 통해 흐르는 정전류가 전압을 감소시키는 대신 증가시킨다는 사실에 기반합니다. 이 효과의 성질은 선 길이에 비례하고 부하 용량에 반비례하므로 긴 선과 낮은 부하의 경우 가장 심각하게 나타나며, 이로 인해 소비가 더 높은 낮보다 밤에 전압 강하 문제가 발생할 수 있습니다.
잃어버린 중성선 사례
이 놓친 깊이가 이 원인과 다른 그러한 이유들 사이에 일반적인 구분이 없을 수 있는 이유이며, 답변의 성격이 조정이 아닌 위기라는 점에서 다릅니다.
분할 위상 공급의 경우, 변압기의 중앙 탭이 중성을 제공하여 선-중성 전압을 정상 수준으로 유지합니다. 중성 연결이 느슨하거나 부식되었거나 변압기, 서비스 드롭, 날씨 헤드, 계량기 베이스 또는 패널의 어느 지점에서든 열려 있으면 기준이 손실됩니다. 두 개의 선 도체와 그 사이에 연결된 부하들은 전체 선 전압에 대해 직렬로 연결되어 있으며, 전압은 양쪽의 부하 임피던스에 따라 분배됩니다.
그 결과 한쪽에서는 전압이 상승하고 다른 쪽에서는 하락하는 효과가 발생합니다. 따라서 가벼운 부하 쪽의 부하는 거의 전체 선 전압과 동일한 전압을 취하게 되며, 반면에 무거운 부하 쪽의 장치는 거의 전압 변화가 없음을 알게 됩니다. 전압 차이는 전기 기기의 성질 때문이며, 전기 장치가 켜질 때마다 균형이 변경됩니다. 주요 증상은 한쪽에서 타버린 장치와 반대쪽에서 성능이 저하된 장치가 병렬로 존재하는 것입니다.
이 때문에 잃어버린 중성선은 공급의 비상 사태로 간주되어야 하며 규제 문제로 보아서는 안 됩니다. 이러한 사건에서 손상을 제한하는 보호 장치와 접지 계획에서 중성의 역할은 우리의 가이드에서 다루어집니다. 변압기 접지 기초.
전압이 제어되는 방법
전압 제어는 예상 및 예상치 못한 전압 변동이 중요하므로 시스템의 여러 단계에 통합됩니다.
- 탭 체인저. 오프 회로 탭퍼는 전압 비율을 설정하고, 부하 탭 체인저는 자동 전압 조정기의 감독 하에 전기 회로를 끊지 않고 비율을 변경합니다.
- 자동 전압 조정기 및 보상기. 이들은 시스템의 전압을 측정하고 탭을 변경하여 사냥을 피하기 위해 전압을 범위 내에서 유지합니다.
- 리액티브 보상. 커패시터와 리액터는 부하로 인한 전압 변동을 초래하는 리액티브 에너지를 조절하며, 조정되지 않은 배터리는 공진 문제를 제거합니다.
- Voltage measurements and protection. The overvoltage relay breaks the circuit or indicates the occurrence of the voltage level outside the acceptable range—last opportunity for voltage protection.
- Surge arrestors. They eliminate overvoltage coming from lightning and switching action and do not allow the insulation to operate beyond its impulse level.
- Proper calculation in the beginning. Choosing the transformer of the needed insulation class and impedance as well as the tap changing range for real supply conditions prevents most of the issues described in this article because this is the reason why the specification is the most important step.
For a site installing or replacing a distribution transformer, the practical step is to specify against the measured supply voltage and the expected load profile rather than against nominal figures. Our 배전 변압기 범위 illustrates the parameters that should be pinned down — rated voltages, tap range, impedance, insulation level and cooling class — because each of them determines how the unit behaves when the supply is not exactly nominal.
Voltage Limits and Standards
Utilities don’t attempt to keep voltage consistent; instead, they keep it within a band and the extent of that band defines what kind of variations equipment can withstand.
In North America, the main specification used is ANSI C84.1, which specifies for example the so-called Range A utilities (roughly ±5% of nominal) as a range within which equipment is expected to work and which is referred to as Range B or (approximately ±5.5%) range that is expected to be tolerated but not sustained. If we take 120 V service we get roughly 114-126 V for Range A and if we take 240 V services we get roughly 228-252 V.
In Europe, EN 50160 specifies the voltage characteristics of voltage in use and which states nominal voltage of 230 V and allowed variations in the surrounding space about ±10% during most of the time and also with the restrictions on harmonics, flicker and unbalance. Able equipment in the circuits designed for the European market will be able to work with these band characteristics of the voltage.
Practically this means that nominal voltage is probably a more exactly defined mean of the voltage which is required from the transformer. The transformer should be chosen in such a way that it provides correct voltage (nominal voltage) at some point in the band of available supply voltage and for the insulation to work normally at the top level of this band and for the load to be compatible with calculating this variation. In case something is happening in the supply and if some company’s supply has always been near a band edge, it would be better to adjust tap.
자주 묻는 질문
How does a transformer increase the voltage?
Utilizing electromagnetic induction and turns ratio for an electric transformer. It generates a magnetic field in the magnetic core through the process of inducing current. In case the secondary winding of the transformer has more turns than the primary winding, the voltage induced is proportionately high, meaning that the ratio Vs/Vp = Ns/Np applies. There is no logical connection between the branches and energy is not produced and thus the transformer performs the transfer of electrical power in a different circuit with an alteration of voltage – current ratio at the same time.
What would cause a transformer to have high voltage?
There are four main reasons. A tap changer that is incorrectly adjusted will give rise to a constant voltage shift regardless of the situation and can be corrected by resetting the tap based on the supply voltage measured. An interrupted neutral will cause the floating of the reference neutral thus resulting in a rise of voltage in one phase but a fall in another, meaning it is a supply emergency instead of adjustment. Ferranti effect will result in an increase of the receiving end voltage due to capacitive charging in long unloaded lines, reaching the peak in minimal loading. The resonance of the capacitor bank and the inductiveness of the system will boost the voltage. The embedded generator project will export power in unloaded systems as well making it a more frequent cause of voltage rise nowadays.
What happens if the voltage increases?
The scenario can be described as follows: In the case of a transformer operating under a constant load under which the current rises, the current will be inversely proportional for this load as a transformer can provide power without generating it. Constant loads will consume power as resistive load obtaining approximately 10 percent more heat under 5 percent overvoltage. Power varies in direct proportion to voltage in the power square; therefore, resistive load will make heating element life less. Core losses in motors and magnetising current increase while running current smay decrease, therefore motor will be hotter centrally. Insulation will be under greater electric voltage and will undergo wear faster, therefore with prolonged overloading there are chances of getting through the discharges. Saturation takes place in transformers and motors, so they generate harmonics as well as heat. And in any case, the transformer behind the affected one will have louder humming at high flux density.
How does a transformer affect voltage?
The electrical transformer manages the proportion of voltages in the primary and secondary circuits through the turns ratio, and in this mechanism, it performs three major functions. First, the transformer steps up or steps down the voltage, depending on which circuit has a bigger number of turns. Next, it performs voltage regulation not too well, because when the load increases, the output voltage decreases due to the drop in impendant voltage in relation to current value, which is expressed in the percentage of impedance on the nameplate. Finally, the transformer has taps to regulate voltage either off the circuit during installation or when the relay comes to operate. The voltage at the output of the transformer will depend not only on its operation but also on the load profile and state of supply network.
Does raising the voltage reduce losses?
The answer depends on where the losses are taken into account, either in the transmission line or at the receiving end. For any fixed amount of power, increasing the voltage lowers the current, and the resistive losses in a conductor depend on the square of the current, thus leading to significant decrease in the transmission losses. However, this effect takes place only in the transmission part of the line. Once the voltage is increased when the power is being consumed, the resistive load will be consuming more power and increasing the losses in the load. It is important to distinguish between these two conditions; therefore, high voltage can be regarded as efficient in transmitting the power and at the same time overvoltage leads to energy losses and even shorter service lifetime of the equipment used.
참고 문헌
- IEEE — Transformer Loading and Insulation Coordination Standards
- International Electrotechnical Commission — IEC 60076 Power Transformers and IEC 60038 Standard Voltages
- ANSI — ANSI C84.1 Electric Power Systems and Equipment Voltage Ratings
- CENELEC — EN 50160 Voltage Characteristics of Electricity Supplied by Public Networks
- U.S. Department of Energy — Power Quality and Distribution System Guidance
결론
When it comes to increasing the voltage in a transformer, it is evident that the output voltage will be dependent on the winding ratio. The output current will also decrease at the same ratio as the voltage increase due to the fact that transformers transfer power instead of generating it. After encountering the higher output voltage, the next step is to consider what effect it will make in the equipment operated with it. Resistive installations will require more power with voltage squared and produce more heat. Motors will operate with less current and increased core losses. Higher voltage will result in more quick ageing of insulation, more noise, and excessive harmonics if the voltage exceeds its threshold value. When it comes to the increase generation of this high voltage, the whole system is designed according to these pack of parameters like insulation, winding ratio, and tap. When the generation of high voltage is unintentional, its root cause determines what solution to apply. For instance, switching the faulty tap back to default or compensating for Ferranti effect.