변압기
전자유도 원리로 교류 전압을 높이거나(승압) 낮춰서(강압) 부하에 맞는 전압을 공급하는 정지형 전력기기.
왜 중요한가
변압기는 수변전설비의 심장으로, 용량 산정·결선(Δ/Y)·접지·보호협조·절연관리가 모두 변압기를 중심으로 돌아갑니다. 잘못 고르거나 관리하면 정전·소손·감전·과열로 직결되고, 전기안전관리자의 정기점검(절연저항·절연유·온도) 대상의 핵심 설비라서 실무자가 가장 자주 마주치고 가장 많이 헷갈려하는 기기입니다. 변압기 한 대의 결선·접지·보호 선정이 건물 전체의 전압품질과 고장 파급 범위를 결정합니다.
개념과 원리
변압기의 원리: 전자유도와 권수비
변압기는 하나의 철심에 1차 권선과 2차 권선을 감아, 1차에 교류를 흘릴 때 생기는 변화하는 자속(磁束)이 2차 권선에 전압을 유도(패러데이 전자유도)하는 원리로 동작합니다. 회전부가 없는 '정지형 기기'라서 마모가 적고 효율이 99% 안팎으로 매우 높습니다.
핵심 공식은 권수비(turns ratio)입니다. 1차 권선수 N1, 2차 권선수 N2, 1차 전압 V1, 2차 전압 V2, 1차 전류 I1, 2차 전류 I2일 때 V1/V2 = N1/N2 = I2/I1 이 성립합니다. 즉 전압을 권수비만큼 올리면 전류는 같은 비율로 줄어들어, 이상변압기에서는 입력 피상전력과 출력 피상전력(V·I)이 같습니다. 예를 들어 22,900V를 380V로 낮추면 전류는 약 60배로 커집니다.
여기서 '1차/2차'의 정의가 중요합니다. 1차는 전원(보통 고압)측, 2차는 부하(보통 저압)측을 말합니다. '전압이 먼저 들어오는 쪽이 1차'라고 외우면 승압변압기(저압이 1차, 고압이 2차)에서 혼동하므로, 항상 '전원측=1차, 부하측=2차'로 이해하는 것이 정확합니다. 또 점검·시험할 때는 안전을 위해 저압(2차)측부터 측정하는 것이 관행입니다.
결선방식: Δ-Y, Y-Y, Δ-Δ, V결선과 각변위
삼상변압기는 1차·2차 권선을 Δ(델타, 삼각결선) 또는 Y(스타/와이, 성형결선)로 조합합니다. Δ는 세 권선을 삼각형으로 폐회로를 만들어 중성점이 없고, Y는 세 권선의 한 끝을 공통점(중성점)으로 모아 중성선(N)을 뽑을 수 있습니다.
Δ-Y(델타-와이): 수용가 강압용 표준 조합. 1차 Δ로 제3고조파를 가두고, 2차 Y로 중성점을 직접접지해 380/220V 삼상4선식을 뽑습니다. 선간 380V, 상전압(선-N) 220V가 동시에 나옵니다. Y-Y(와이-와이): 초고압 송변전에서 1·2차 모두 중성점을 직접접지해 절연을 절감하지만, 제3고조파 통로가 없어 안정권선(3차 Δ)이 필요합니다. Δ-Δ(델타-델타): 중성점이 없어 비접지·산업용에 쓰이며, 1대 고장 시 V결선으로 계속 운전할 수 있는 장점이 있습니다. V결선(개방Δ): 단상변압기 2대로 3상을 공급하는 방식입니다. 출력은 √3·(단상 1대 정격)으로, 설치한 2대 정격합 대비 86.6%(√3/2, 변압기 이용률), Δ결선 3대 운전 대비로는 57.7%(√3/3)로 떨어집니다.
결선 조합에 따라 1차와 2차 사이에 위상차(각변위, vector group)가 생깁니다. 예컨대 Dyn11은 2차가 1차보다 30° 앞서는(시계 11시 방향) 표준 각변위를 뜻합니다. 병렬운전이나 계통 연계 시 각변위(상회전·위상)가 일치해야 하므로, 결선 표기(Dyn11, YNyn0 등)를 반드시 확인해야 합니다.
주상변압기를 Δ-Y로 하는 이유와 안정권선(3차 Δ)
22.9kV 배전선로는 한전 계통이 Y 다중접지인데, 수용가 강압변압기는 왜 1차를 Δ로 할까요? 두 가지 이유가 있습니다.
첫째, 제3고조파(영상분) 차단입니다. 비선형 부하(정류기·인버터 등)에서 발생하는 제3고조파는 세 상이 동상(同相)이라 중성선과 영상회로를 통해 흐릅니다. 1차를 Δ로 하면 이 제3고조파(영상전류)가 Δ 폐회로 내부를 순환·소멸해 한전 계통으로 빠져나가지 못합니다. 둘째, 지락사고 파급 차단입니다. 수용가에서 1선 지락이 나도 1차 Δ가 영상전류 통로를 끊어 한전 계통으로 사고가 번지지 않으므로, 한전의 지락고장용량 부담이 줄어듭니다. 그래서 강압변압기는 Δ(1차)-Y(2차)가 표준입니다.
반대로 한전 154kV 변전소 주변압기는 1·2차 모두 Y(유효접지)로 합니다. 1선 지락 시 건전상 전위상승을 상규 대지전압의 약 1.3배 이내로 낮춰 절연비용을 줄이기 위함입니다. 다만 Y-Y는 제3고조파 여자전류 통로가 없어 전압파형이 왜곡되므로, 3차에 Δ 권선(안정권선, stabilizing winding)을 추가해 제3고조파를 순환·억제합니다. 결과적으로 1차 Y · 2차 Y · 3차 Δ의 3권선 변압기가 됩니다. 안정권선은 소내전력 공급이나 조상설비 연결에도 활용됩니다.
중성점 접지방식: 유효접지·직접접지·비접지
변압기 2차(또는 계통) 중성점을 어떻게 처리하느냐가 안전·보호·통신유도장해를 좌우합니다.
직접접지(유효접지): 중성점을 저저항 없이 대지에 직결합니다. 지락 시 큰 지락전류가 흘러 보호계전기가 확실히 동작하고, 건전상 전위상승이 작아(상규 대지전압의 약 1.3배 이내) 절연을 줄일 수 있습니다. 22.9kV 다중접지 배전계통, 154kV 이상 송전계통이 여기에 해당합니다. 단점은 지락전류가 커 통신선 유도장해와 차단기 부담이 큽니다.
저압 380/220V 계통: 변압기 2차 중성점을 직접접지(KEC의 계통접지 TN·TT 방식과 연계)하여 중성선과 보호도체를 구성합니다. 이때 중성점 접지선과 접지저항 기준(접지극·등전위본딩)을 KEC에 따라 관리합니다.
비접지(또는 고저항접지): 중성점을 띄우거나 큰 임피던스를 거쳐 접지합니다. 1선 지락이 나도 지락전류가 거의 흐르지 않아 무정전으로 운전을 이어갈 수 있어, 정전이 곤란한 산업설비(Δ결선 계통)에 씁니다. 대신 건전상 전위가 선간전압까지 상승하므로 절연을 충분히 확보하고, 지락검출을 위해 GPT(접지형 계기용변압기)+CLR(한류저항) 같은 영상전압 검출회로를 둡니다.
변압기 용량 산정: 수용률·부하율·부등률·역률
변압기 용량은 부하 설비용량을 그대로 합산하지 않고, 실제 동시 사용량을 반영해 산정합니다. 세 가지 계수가 핵심입니다.
수용률(demand factor) = 최대수용전력 ÷ 설비용량. 모든 부하가 동시에 100% 켜지지는 않으므로 보통 0.4~0.8을 적용합니다. 부하율(load factor) = 평균전력 ÷ 최대전력. 설비를 얼마나 고르게 쓰는지를 나타냅니다. 부등률(diversity factor) = 각 부하 최대전력의 합 ÷ 합성최대전력. 부하마다 최대가 되는 시각이 달라 1보다 큰 값(1.1~1.5 등)을 갖고, 클수록 합성최대가 작아져 용량을 줄일 수 있습니다.
산정 절차는 ①전등·전열·동력 등 설비용량 합산 → ②수용률·부등률 적용해 합성 최대수용전력[kW] 산출 → ③역률(보통 0.8~0.9)로 나눠 피상전력[kVA]으로 환산 → ④장래 증설 여유(보통 20~30%)를 더해 → ⑤표준용량(100/150/200/300/500kVA 등)으로 올려 잡습니다. 운전은 정격의 60~80% 수용률 선에서 관리하는 것이 발열·여유 측면에서 안전합니다. 2차 부하를 정확히 모를 때는 2차 주차단기 트립값을 최댓값으로 보고 용도별 수용률을 곱해 역산하는 약식법도 씁니다.
%임피던스와 병렬운전 조건
%임피던스(%Z)는 변압기 정격전류가 흐를 때 내부 임피던스에서 생기는 전압강하를 정격전압에 대한 백분율로 나타낸 값입니다. %Z가 작을수록 전압변동이 적고 단락전류가 크며(단락전류 ≈ 정격전류 × 100/%Z), 클수록 단락전류를 억제합니다. 통상 배전용 변압기는 4~6% 수준입니다.
변압기 병렬운전 조건은 네 가지입니다. ①극성이 같을 것(반대면 순환전류로 소손), ②권수비(정격전압비)가 같을 것(다르면 순환전류 발생), ③%임피던스가 같을 것(부하를 용량에 비례해 분담하려면 %Z가 같아야 함), ④삼상에서는 상회전과 각변위(결선조합)가 일치할 것.
용량이 달라도 %Z가 같으면 각 변압기는 자기 용량에 비례해 부하를 나눠 갖습니다. 그러나 %Z가 다르면 %Z가 작은 변압기에 부하가 더 쏠려(분담 ∝ 용량/%Z) 먼저 과부하가 됩니다. 따라서 병렬 가능한 최대부하는 %Z가 작은 쪽이 정격에 도달하는 시점으로 제한됩니다. 이 분담 계산은 전기기사~기술사 수준의 응용 주제로, 실무에서는 가급적 같은 %Z·같은 결선의 변압기를 병렬합니다.
절연관리: 절연저항 측정과 절연유 진단
절연저항 측정(메거): 변압기 권선과 대지(또는 권선 상호) 사이 절연 상태를 절연저항계(메거)로 확인합니다. 고압 변압기는 보통 1000V·2500V·5000V 메거를 용도에 맞게 선택합니다('사용전압의 2배'는 대략적 관행). 현장에서는 흔히 1차(고압)측 1000MΩ 이상, 2차(저압)측 200MΩ 이상을 양호로 보지만, 이는 제조사 권장·현장 관행 수치이며 법정 절대기준이 아니어서 온도·습도·사용연수에 따라 판정합니다. 측정 시 반드시 차단기를 개방한 정전상태에서 1차/2차를 분리해 측정하고, 측정온도·습도를 함께 기록해 추이로 관리합니다.
참고로 저압회로(KEC) 자체의 절연저항 기준은 SELV·PELV 0.5MΩ, FELV·250V 이하 0.5MΩ, 500V 이하 1.0MΩ, 500V 초과 1.0MΩ으로, 과거의 대지전압별 0.1~0.4MΩ 표는 폐지되었습니다. 변압기 권선 판정값(MΩ 단위)과 혼동하지 마세요.
절연유 관리(유입식): 절연유는 절연과 냉각을 동시에 담당합니다. 정기적으로 절연내력(파괴전압[kV])·산가(중화가)·수분·색·유량을 점검하고, 대형기는 용존가스분석(DGA)으로 H2·CH4·C2H2 등 가스를 분석해 내부 아크·과열·코로나를 조기 진단합니다. 호흡기(실리카겔)의 색이 분홍으로 변하면 흡습이 진행된 것이므로 교체합니다. 유량 부족·패킹 누유·이상 가스는 절연열화의 신호입니다.
몰드(건식) vs 유입식, 그리고 변압기 보호
유입식 변압기는 절연유로 절연·냉각하므로 효율과 과부하 내량이 좋지만, 화재 위험과 오일관리(유량·산가·호흡기 패킹) 부담이 있어 주로 옥외나 전용 변전실에 둡니다. 몰드(건식) 변압기는 권선을 에폭시로 몰딩해 난연성이 우수하고 유지보수가 적어 건물 실내(큐비클)에 많이 쓰지만, 가격이 비싸고 개폐서지에 약합니다. 그래서 VCB(진공차단기) 2차측 몰드변압기에는 개폐서지로부터 권선을 보호하기 위해 SA(서지흡수기, surge absorber) 설치가 사실상 표준입니다(유입식은 생략 가능).
보호 측면에서는 변압기 1차에 PF(전력퓨즈) 또는 COS(컷아웃스위치)를 둡니다. 통상 300kVA를 경계로 그 이하 소용량은 COS+퓨즈링크로 단순·저렴하게 보호·개폐하고, 그 이상은 PF+LBS/ASS 같은 부하개폐기를 조합해 큰 차단용량과 한류효과를 확보합니다(이 300kVA 경계는 일반 관행으로 한전 규정·현장 표준에 따라 달라질 수 있음). 이와 함께 OCR(과전류계전기)로 과부하·단락을 보호하고, 대용량 변압기는 비율차동계전기(87T)로 권선 내부고장을, 유입식은 부흐홀츠 계전기로 내부 가스·유동을 검출합니다.
탭절환기(탭체인저)도 변압기의 핵심 부속입니다. 1차 권선의 탭을 바꿔 권수비를 미세 조정함으로써 입력전압 변동에도 2차 전압을 정격으로 유지합니다. 무전압 절환(NLTC)은 정전 후 조작, 부하시 절환(OLTC)은 통전 중 자동조정이 가능합니다.
자주 묻는 질문
흔한 오개념 바로잡기
- 저압 절연저항은 0.1~0.4MΩ만 넘으면 된다.대지전압별 0.1/0.2/0.3/0.4MΩ의 구 판단기준은 폐지됐고, 현행 KEC는 SELV·PELV 0.5MΩ, 250V 이하 0.5MΩ, 500V 이하 1.0MΩ, 500V 초과 1.0MΩ의 절연저항 기준을 적용한다.
- 변압기 1차는 전압이 먼저 들어오는 쪽이다.변압기 1차는 전원(고압)측, 2차는 부하(저압)측으로 정의한다. 승압변압기는 저압이 1차일 수도 있으므로 '전원측=1차'로 이해해야 하며, 점검·시험은 안전을 위해 2차(저압)부터 측정한다.
- 중성선(N)·접지선은 등전위라 만져도 감전 안 된다.정상 시 전위차가 작을 뿐, 중성선 단선·부하 불평형·고조파가 있으면 전압이 실려 감전될 수 있다. 중성선은 항상 활선(충전부)으로 취급한다.
- CT 2차를 개방해도 전압이 낮으니 괜찮다.CT는 2차 개방 시 철심 포화로 고전압이 유기되어 절연파괴·감전 위험이 크다. CT 2차는 반드시 단락(또는 부담 연결) 상태로 다루고, 반대로 PT는 2차 단락을 금한다.
- Y-Y 변압기는 단순해서 그냥 써도 된다.Y-Y는 제3고조파 여자전류 통로가 없어 전압파형 왜곡이 생기므로, 3차 Δ(안정권선)로 제3고조파를 순환·억제해 보완해야 한다.
- V결선 출력은 단상 2대 정격합의 57.7%이다(√3/2).두 기준값을 혼동한 것이다. 설치한 2대 정격합 대비 출력비(변압기 이용률)는 √3/2 = 86.6%이고, 57.7%(√3/3)는 Δ결선 3대 운전 대비 출력비다. V결선 출력 자체는 √3·(단상 1대 정격)이며, '2대 정격합 대비 86.6%, Δ 3대 대비 57.7%'로 구분해야 한다.
- 변압기는 풀부하로 쓰거나 오래 쓰면 터진다.정상 변압기는 풀부하에서도 잘 터지지 않으며, 대부분의 소손은 절연열화·제조결함·운송충격에 의한 층간단락이 원인이다.
- 변압기는 사용연한 20년이 지나면 교체해야 한다.변압기에 법정 수명연한은 없다. 절연유·절연저항·온도·외관 진단 결과(상태)로 판정하며, 정기점검을 통과하면 20년 이상도 사용할 수 있다.
현장 실무 팁
- 절연저항 측정은 반드시 2차 주차단기를 개방한 정전상태에서, 변압기 1차/2차를 분리해 측정한다. 측정값은 온도·습도에 크게 좌우되니 측정조건을 함께 기록해 추이로 관리한다.
- CT 2차는 절대 개방하지 말 것(단락 또는 부담 연결 유지). 반대로 PT 2차는 단락 금지. 변류기·계기용변압기 작업 전 항상 확인한다.
- 정기점검 체크리스트: 절연저항, 절연유(유량·색·산가·절연내력·가스), 권선/유온, 부싱·애자 오손, 호흡기 실리카겔 색, 탭절환기 상태, 이상음·진동, 단자 조임상태를 순서대로 확인.
- 변전실 발열 관리: 부하율이 높으면 권선온도 상승이 커지므로 강제환기·냉방을 선제적으로 검토한다. 단자 풀림은 발열·소손의 주원인이므로 열화상카메라로 주기 점검한다.
- 변압기 도입·이설 시 운송·설치 충격을 가볍게 보지 말 것. 대용량은 충격기록계 데이터를 확인하고, 도착 후 내부점검·절연시험을 거친 뒤 가압한다.
- 용량 산정 시 장래 증설 여유(보통 20~30%)와 운전 수용률 60~80%를 함께 고려해 표준용량으로 올려 잡는다. 2차 부하 미상이면 2차 차단기 트립값×용도별 수용률로 역산한다.
- VCB 2차측 몰드(건식)변압기에는 개폐서지 보호를 위해 SA(서지흡수기) 설치를 표준으로 적용한다(유입식은 생략 가능).
- V결선 용량 산정 시 출력 기준을 혼동하지 말 것: 설치한 2대 정격합 대비 86.6%(이용률 √3/2), Δ 3대 운전 대비 57.7%(√3/3)다.
- 중성선(N상)과 주상변압기 인하선은 항상 활선으로 취급해 맨손 접촉을 금한다. '등전위·무피복이라 안전'은 오개념이다.
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※ 본 가이드는 참고용입니다. 실제 현장 적용 시에는 KEC(한국전기설비규정) 등 관계 법규, 제조사 사양, 관할 한전·전기안전공사 기준을 우선합니다.