변전소 운영자는 오늘 천둥번개가 도착하여 110 kV 전력선의 전압을 108 kV에서 116 kV로 변경했을 때 그의 전자 계기를 보았습니다. 그럼에도 불구하고, 2차측의 20 kV 버스는 동시에 19.9 kV와 20.1 kV 사이의 값을 나타냈습니다. 그곳에서 작동하는 기기는 부하 전환기(on-load tap changer)라고 불리며, 변압기 비율은 단계적으로 조정됩니다.
이 기사는 변압기 비율이 무엇인지, 어떻게 계산되는지, 그리고 변압기 비율 과 전압 안정성 간의 관계가 무엇인지, 탭 체인저가 그 순간 변압기 비율을 어떻게 안정적으로 유지하는지, 변압기 비율 오류가 발생할 경우 어떤 결과를 초래할 수 있는지에 대해 설명합니다. 계산 예시는 IEC 60076 및 IEEE C57 표준에 대한 참고와 함께 제공됩니다. 일반적인 탭 범위, 탭 체인저의 비용 등도 포함됩니다.
변압기 비율이란 무엇인가? (정의 및 공식)
변압기 비율 또는 권선 비율은 1차 권선의 권선 수와 2차 권선의 권선 수의 비율을 정의합니다. 이는 1차 전압과 2차 전압의 비율과 이론적인 경우 1차 전류와 2차 전류의 역비율과 같습니다.
N1/N2 = V1/V2 = I2/I1.
실제 변압기는 이상적이지 않습니다. 실제 변압기에서는 누설 리액턴스와 권선의 저항으로 인해 전압 강하가 발생하여 실제 전압이 무부하 전압보다 낮아집니다. 전압의 차이를 백분율로 나타낸 것을 전압 조정 이라고 하며, 이는 변압기의 특성에 따라 약 2%-6%입니다.
다음 정의는 계약서에서 서로 교환하여 사용됩니다:
| 조건 | 의미 | 예시 |
|---|---|---|
| 권선 비율 | N1 / N2 (순수 권선 기하학) | 550 / 100 = 5.5 |
| 전압 비율 | 무부하 시 V1 / V2 | 110 kV / 20 kV = 5.5 |
| 조정 | 무부하에서 전부하로의 전압 강하 | 2.5%–6% |
변압기 비율 계산 방법: 작업 예제
비율을 결정하는 것은 전압이나 권선 수를 알면 쉽습니다.
예를 들어:
110 kV/20 kV 전압 변압기는 110:20 비율을 가지며, 1차에 2200회전이 있으면 2차에는 400회전이 있다는 것을 의미합니다.
고전압 변압기 18 kV – 400 kV의 경우 비율은 (400/18 = 22.2)가 됩니다.
배전 변압기는 일반적으로 11 kV/0.4 kV의 전압 비율을 가지며, 이는 비율이 11/0.4 = 27.5:1임을 의미합니다.
자동 변압기의 구조로 인해 일부 권선 시스템을 공유하므로 동일한 전압 비율인 2:1에 대해 더 적은 권선 수를 가집니다.
3상 시스템에서 작동하는 변압기의 경우 선간 전압을 사용해야 하며, 벡터 그룹(Dyn11, YNd11)은 위상 이동과 시스템의 크기 비율 관계를 결정하는 데 중요합니다.
비율이 그리드의 조정 밸브인 이유
전송선의 전압 변동은 부하의 변화, 발전기 고장, 무효 전력 손실 및 원천으로부터의 거리와 같은 여러 요인으로 인해 발생합니다. 비율 조정 없이, 피더는 하루 동안 5%에서 10%까지의 전압 변동을 경험할 수 있습니다. 변압기 비율은 전압 변동의 이점을 보상하는 실질적인 수단으로 작용하며, 권선 수와 출력 전압 간에는 직접적인 관계가 있어, 어떤 변화도 해당 변동으로 이어집니다.
시스템 운영자는 규정에 의해 설정된 법적 한도 내에서 전압을 유지해야 하며, 이는 배전 부문에서 ± 5%, 송전 부문에서 ± 10%의 전압을 유지해야 함을 요구합니다. 이 과정에서 가장 널리 사용되는 방법은 변압기 비율을 조정하는 OLTC입니다. 사실, OLTC는 매우 널리 사용되기 때문에 OLTC가 없는 변압기는 서면으로 정당화해야 합니다.
탭 체인저: 비율을 조정하는 메커니즘
두 가지 종류의 탭 체인저가 존재하며, 그 중 선택하는 것은 주로 작업 주기 문제입니다:
| 측면 | 오프 회로 (DETC) | 부하 중 (OLTC) |
|---|---|---|
| 작동 | 비전압 상태에서만 | 부하 중, 자동화된 |
| 일반적인 탭 범위 | ±2.5%에서 ±5% | ±10%에서 ±16% |
| 단계 | 3–5 | 13–17 (각각 1.25%–2.5%) |
| 조정 능력 | 계절별만 | 지속적, 자동 (±2% 유지) |
| 가격 프리미엄 | 기준선 | +$15,000–$60,000 등급에 따라 다름 |
| 일반적으로 사용되는 | 배전 변압기 | 전력 변압기 ≥5 MVA |
OLTC가 전류로 작동하는 동안, 고정 탭에서 전환하는 과정에서 주요 접점에서 전기 아크를 최소화하기 위해 저항기 또는 리액터 및 빠른 진공 차단기를 사용합니다. 현대적인 모터 제어 OLTC는 사이클을 완료하는 데 약 2초에서 10초가 소요됩니다. 이 경우 컨트롤러는 변압기의 2차 측에서 전압 피드백을 사용합니다.
병렬 작동을 위한 비율 일치
두 개의 변압기를 사용하여 동일한 버스를 동시에 공급할 때, 비율을 밀접하게 일치하도록 조정해야 합니다. 비율의 차이 Δ%는 이른바 순환 전류를 생성하며 (유휴 상태에서도 회로에 참여함).
한 가지 조언은 순환 전류를 더 작은 변압기의 용량의 10% 이하로 유지해야 한다는 것입니다.
비율의 1% 차이의 효과는 일반적으로 20 MVA / 110 kV 용량을 가진 두 변압기의 용량의 2%-5%의 순환 전류를 초래하며, 이는 임피던스에 따라 달라집니다(정상적으로 10%).
변압기는 이를 위해 몇 가지 기본 조건에 따라 운영되어야 하며, 즉: 동일한 벡터 그룹, 비율이 일치해야 하며, 임피던스는 10% 이상으로 변동해서는 안 됩니다.
이를 고려하여 운영자는 각 변압기의 탭 위치를 변경하여 이를 동일하게 만들어야 하며, 많은 현대 AVR은 이를 위한 마스터-팔로워 방식이 있습니다.
잘못된 비율의 영향: 순환 전류 및 보호 문제
릴레이 정격으로 인한 릴레이 오작동은 잘못된 릴레이 설정으로 인해 보호 장치의 오작동을 초래할 수 있으며, 이는 적절한 결함 없이 보호 장치가 작동하거나 2%-5% 오류로 인해 실제 내부 결함을 감지하지 못하게 됩니다.
전압 변화는 개울을 따라 전압을 외부 한계로 강제할 수 있습니다.
부하 상황의 불균형은 비율이 높은 장치가 상당한 양의 능동 및 무효 전력을 소비하여 노화를 가속화함을 의미합니다.
그래서 비율 검사는 IEC 60076-1 요구 사항에 따라 시운전의 단계 중 하나가 되었으며, 이는 주요 탭에서 전압 비율이 설계 값과 ±0.5% 이상 차이나지 않아야 하며, 모든 탭은 명판 데이터에 대해 검증되어야 합니다.
비율 테스트 방법 및 표준
표준 현장 테스트는 변압기 비율(TTR) 미터로 수행되는 권선 비율 테스트입니다:
| 방법 | 원리 | 정확도 | 일반적인 용도 |
|---|---|---|---|
| TTR 미터 (TTR 테스트) | 각 탭에서 주입된 전압과 유도된 전압을 비교합니다. | ±0.1% | 시운전, 정기 유지보수 |
| 무부하에서의 전압 비율 검사 | 전압을 줄이고 양쪽을 측정합니다. | ±0.3% | 현장 검증 |
| 정전 용량 비율 / 저전압 테스트 | 정전 용량 결합을 통한 동등 비율 | ±0.5% | 공장 유형 테스트 |
공장 테스트와 현장 테스트는 모두 IEC 60076-1 및 IEEE C57.12.90에서 유래합니다. TTR 테스트는 동일한 장치에서 수행된 다양한 테스트 간의 비율 변화가 종종 권선의 단락을 나타내므로 주요 진단 테스트로 간주되며, 연간 비율 테스트는 모니터링의 필수 요소입니다.
응용 분야별 전형적인 비율 및 탭 범위
| 응용 | 전형적인 비율 | 탭 범위 | 탭 체인저 |
|---|---|---|---|
| 발전소의 GSU | 18/400 kV (22.2:1) | 5단계에서 ±7.5% | 오프 회로, 때때로 OLTC |
| 송전 변전소 | 220/110 kV (2:1) | 17단계에서 ±16% | OLTC |
| 하전송 | 110/20 kV (5.5:1) | 13단계에서 ±12% | OLTC |
| 산업 전력 | 33/11 kV (3:1) | 9단계에서 ±10% | OLTC 또는 오프 회로 |
| 배전 | 11/0.4 kV (27.5:1) | 오프 회로에서 ±2.5% | 오프 회로 |
배전 변압기는 주기적인 조정만 필요하므로, ±2.5% 및 ±5%의 단계로 오프로드 탭이 계절적 부하 변동을 고려하기에 적합합니다. 반면, 송전 및 하송전 변압기는 OLTC로 구성되어 있으며, 이는 대규모 고객 그룹이 송전 전압의 작용에 직접 영향을 받기 때문입니다.
탭 체인저 및 변압기 가격 영향
탭 체인저 선택은 모든 변압기 예산에서 실제 항목입니다. 계획 범위:
| 변압기 | OLTC 없이 | OLTC와 함께 | 프리미엄 |
|---|---|---|---|
| 5 MVA / 33 kV | $55,000–$90,000 | $75,000–$130,000 | +$15,000–$40,000 |
| 20 MVA / 110 kV | $150,000–$260,000 | $175,000–$320,000 | +$20,000–$60,000 |
| 50 MVA / 110 kV | $360,000–$700,000 | $400,000–$800,000 | +$25,000–$90,000 |
요금은 사양의 종류, 브랜드 및 지역에 따라 다릅니다. 그리드 연결 장치에 관련된 높은 비용은 짧은 시간 내에 보상됩니다: 부하 전환기(OLTC)는 전압을 조절하고 피더의 에너지 손실을 줄이기 때문에 비용을 빠르게 회수할 수 있습니다.
브랜드 및 비율 설계의 차이
비율 수학은 원래 회사와 관계없이 동일하게 유지됩니다 — 물리학은 협상 대상이 아닙니다; 그러나 제조업체는 탭 변경기 설계, 제어, 품질 관리 및 가격에 따라 차별화됩니다. 신뢰성 기준은 MR(마시넨파브리크 라인하우젠) 및 ABB 탭 변경기에 의해 설정되며, 아시아 기업들은 점점 더 저렴한 가격으로 라이센스 또는 자체 개발한 OLTC 설계를 사용하고 있습니다.
| 브랜드 | 국가 | 탭 변경기 강점 | 지표 가격 (20 MVA/110 kV, OLTC 포함) |
|---|---|---|---|
| 히타치 에너지 | 스위스/일본 | 독점 OLTC, AVR 통합 | $450,000–$700,000 |
| 지멘스 에너지 | 독일 | MR OLTC 옵션, 디지털 제어 | $430,000–$680,000 |
| 슈나이더 일렉트릭 | 프랑스 | 배급 집중, MV 유닛 | $280,000–$450,000 |
| TBEA | 중국 | 자체 OLTC, 규모 | $180,000–$320,000 |
| 장쑤 수비안 전력 | 중국 | 맞춤 비율 및 탭, MR 또는 자체 OLTC | $160,000–$300,000 |
비용은 사양 및 지역에 따라 결정됩니다. 맞춤형 비율 및 탭 사양이 필요한 프로젝트 — 고유 벡터 그룹, 특별 탭 범위 또는 특정 브랜드의 OLTC — 에서 장쑤 수비안 전력은 신뢰할 수 있는 파트너입니다: 50 kva에서 220 kV까지의 배급 및 전력 변압기를 제조하고, 개별 탭 구성에 대한 견적을 제공하며, 필요한 MR 또는 유사한 부하 전환기를 설치합니다. 각 유닛은 IEC 60076-1 표준에 따라 모든 탭에 대한 비율 테스트 기록과 함께 제공되며, 공장 가격은 일반적으로 유럽 기업의 가격보다 30%-50% 낮습니다.
자주 묻는 질문
변압기 비율은 어떻게 계산됩니까?
변압기 비율은 1차 코일의 감은 수를 2차 코일의 감은 수(N1/N2)로 나눈 값으로 결정되며, 이는 무부하 전압 비율(V1/V2)과 같습니다. 예를 들어, 110 kV/20 kV에서 적용되는 변압기는 5.5:1 비율을 가지며, 11 kV/0.4 kV 변압기의 비율은 27.5:1입니다. 역관계 때문에, 비율이 1보다 작은 승압 변압기(예: 18/400 kV 전압을 가진 변압기의 경우 0.045)에서는 출력 전압이 높고 출력 전류는 낮습니다.
변압기 비율의 허용 오차는 무엇입니까?
IEC 60076-1에 따라, 주 탭에서의 비율은 명판 값의 ±0.5% 이내여야 하며, 다른 특별한 지시가 없는 한 모든 탭 위치에서 동일한 허용 오차가 적용됩니다. 현장 TTR 미터는 ±0.1%로 측정하므로, 시운전 테스트에서 0.5%를 초과하는 편차는 단락된 감기 또는 잘못된 연결에 대한 조사를 요구합니다.
변압기가 전압 조정을 위해 탭 변경기가 필요한 이유는 무엇입니까?
부하, 발전 및 원천으로부터의 거리 기반의 선 전압 변동으로 인해 비율 조정이 없으면 배전 피더는 하루 종일 5%–10% 변동할 수 있습니다. OLTC는 ±10%에서 ±16% 범위 내에서 1.25%–2.5%의 단계로 비율을 조정하여 약 ±2%의 2차 전압을 자동으로 제공합니다. 이는 모터, 전자 장치 및 고객 장비가 과전압 및 저전압으로부터 안전하도록 보장합니다.
두 개의 변압기가 병렬로 연결되어 있을 때 비율이 다르면 어떻게 됩니까?
외부에서 오는 부하가 없더라도 두 장치 간에 전류가 순환합니다. 다시 말해, 변압기가 대기 모드일 때에도 순환 전류가 흐릅니다. 20 MVA/110 kV 장치의 경우, 1% 비율 불일치만으로도 약 2%-5%의 정격 전류가 흐르는 순환 전류가 발생합니다. 또한, 불일치가 증가하면 순환 전류도 그에 따라 증가합니다. 비율을 탭 선택 과정을 통해 동일하게 만드는 운영자의 행동은 소형 변압기의 정격의 10% 이상으로 순환 전류가 상승하는 것을 방지합니다.
부하 전환 탭 체인저가 변압기 비용에 얼마나 추가됩니까?
OLTC는 일반적으로 5 MVA에서 50 MVA로 정격된 전력 변압기의 비용에 $15,000에서 $60,000을 추가할 수 있게 합니다. 더 높은 정격의 변압기는 더 비쌉니다. 이 투자는 일반적으로 더 나은 전압 제어와 낮은 전력 손실, 장비 고장의 부재로 인해 보상을 받습니다.
참고 문헌
- IEC 60076-1: 전력 변압기 — 일반 — 비율, 허용 오차, 탭 및 시험 요구 사항을 정의합니다.
- IEC 60076-8: 응용 가이드 — 전력 변압기의 탭, 병렬 작동 및 응용에 대한 지침.
- IEEE C57.12.00: 액체 침지 변압기에 대한 일반 요구 사항 — 비율 및 탭 사양에 대한 북미 요구 사항.
- 마시넨파브릭 라인하우젠 (MR) — 부하 전환 탭 체인저 설계 및 제어에 대한 산업 참조.
- IEEE C57.12.90: 액체 침지 배전, 전력 및 조정 변압기에 대한 시험 코드 — 비율 시험을 포함한 시험 절차.
- US EPA: 변압기 효율 프로그램 — 전압 제어 및 효율적인 변압기가 대규모에서 중요한 이유에 대한 배경.
결론
변압기 비율은 전력 시스템에서 제어 장치처럼 작용합니다. 탭 체인저에 의해 이루어진 턴 비율의 미세하고 정확한 변화는 법적 한도 내에서 전압을 유지하면서 수백 킬로미터의 전력선에 걸쳐 전력 공급을 확보할 수 있게 합니다. 비율 측정, 그 한계 및 병렬 작동에 대한 지식은 변압기를 지정, 시험 또는 서비스하는 모든 전문가에게 매우 중요합니다.
비율은 또한 무부하 전압 비율입니다. 배전 변압기는 5.5:1에서 27.5:1까지 작동할 수 있습니다.
부하 전환 탭 체인저가 있는 변압기는 비율을 -10%에서 +16%로 수정하고 탭 레버를 13-17 단계로 위치시킵니다.
변압기는 전류의 순환을 방지하기 위해 동일한 비율과 임피던스를 가져야 합니다. 비율 시험은 의무적이며 (IEC 60076-1, 허용 오차 ±0.5%) 단락 턴을 감지할 수 있게 합니다.
귀하의 프로젝트가 특정 비율, 탭 범위 또는 OLTC 구성이 필요한 경우, 장쑤 수비안 전력 50 kVA에서 220 kV 클래스까지의 배전 및 전력 변압기를 설계하고 공급할 수 있으며, 모든 장치에 대한 전체 비율 테스트 보고서를 제공합니다.