섬너(Sumpner) 시험: 변압기 효율, 전압 조정률, 발열 분석을 위한 역률 시험

섬너 시험(Sumpner's Test) 또는 백투백(Back-to-Back) 시험: 변압기 효율, 전압 조정률, 발열 효과 측정

개방 회로 시험과 단락 시험으로 등가 회로 파라미터를 구할 수 있습니다. 하지만 이 시험들로는 변압기의 온도 상승을 알 수 없습니다. 개방 회로 시험은 철손(코어 손실)만, 단락 시험은 동손(구리 손실)만 검사하기 때문입니다. 변압기가 두 손실을 동시에 겪지 않기 때문입니다. 이 문제의 해결책이 섬너 시험(Sumpner's Test)입니다.

섬너 시험은 실제 부하 연결 없이 실제 부하 조건을 시뮬레이션해 변압기 효율, 전압 조정률, 부하 조건 하 발열 효과를 구하는 시험입니다. 백투백 시험(Back-to-Back Test)이라고도 부르는데, 두 대의 동일 정격 변압기를 백투백으로 연결하기 때문입니다.

소형 변압기는 실부하 연결이 쉽지만 대형 변압기는 실부하 연결이 어렵습니다. 섬너 시험은 실제 부하 없이 중요 파라미터를 구할 수 있으며, 개방/단락 시험보다 더 정확한 결과를 줍니다.

섬너 시험 (백투백 시험)

섬너 시험에는 동일 정격의 단상 변압기 2대가 필요합니다. 실험 회로도는 아래와 같습니다.

위 그림처럼 동일 정격 변압기 T₁, T₂를 백투백 연결합니다. 두 변압기 1차 권선은 정격 전압·주파수 병렬 연결되고, 입력 측에 전류계 A₁, 전압계 V₁, 전력계 W₁을 연결합니다.

두 변압기 2차 권선은 반대 극성으로 직렬 연결합니다. 전압계 V₂를 두 2차 권선 사이에 연결해 극성 반대를 확인합니다. V₂ 범위는 정격 2차 전압의 2배여야 합니다. 두 2차 권선 단자 중 임의 두 단자(여기선 B, C)를 연결하고, 나머지 두 단자(A, D) 사이 전압이 0이면 직렬 반대 극성 연결 성공입니다. A, D 단자를 후속 측정에 사용합니다. 만약 V₂가 정격 전압 2배를 읽으면 동극성 연결이므로, A-C를 연결하고 B-D를 사용해 반대 극성으로 만듭니다.

이제 1차 측에 정격 전압을 가합니다. 2차 권선 총 전압이 0이므로 2차 권선은 개방 회로처럼 동작해 2차 전류는 0입니다. 따라서 1차 측 정격 전압, 2차 측 0 전류 상태에서 전력계 W₁은 두 변압기의 철손(코어 손실)을 측정합니다.

조정용 변압기 T_R를 통해 주 전원으로 여자된 저전압(정격의 5~10%)을 2차 단자에 가합니다. 2차 측에 전류계 A₂를 연결하고(위 그림 참조), 2차 전압을 조절해 A₂가 정격 2차 전류를 가리키게 합니다. 이 2차 전류가 변압기 작용으로 1차 권선에 정격 전류를 흐르게 하며(초록 점선 경로), 변압기가 정격 부하 조건에서 운전하는 것과 동일해집니다. 따라서 전력계 W₂는 두 변압기의 정격 동손(구리 손실)을 읽습니다.

섬너 시험 회로 측정 기기 판독값:

• 전류계 A₁ = 무부하 전류 = 2I₀
• 전압계 V₁ = 인가 정격 입력 전압(1차 전압)
• 전력계 W₁ = 두 변압기 철손(코어 손실) = 2P_i
• 전류계 A₂ = 두 변압기 정격 2차 전류 = 2I₂
• 전압계 V₂ = 두 2차 권선 직렬 연결 총 전압
• 전력계 W₂ = 두 변압기 정격 동손(구리 손실) = 2P_cu

관측 테이블

I1 (A)	V1 (V)	W1 (W)	I2 (A)	V2 (V)	W2 (W)
…..	…..	…..	…..	…..	…..

손실 계산

두 변압기가 동일하므로 양쪽 손실은 같습니다. 회로의 전력계(W₁, W₂)는 두 변압기 합산 철손과 동손을 측정합니다. 한 대당 손실을 구하려면 읽기값을 절반으로 나누면 됩니다.

효율 계산

변압기 효율은 다음과 같이 계산합니다.

등가 회로 파라미터 계산

섬너 시험 판독값으로 등가 회로 파라미터(등가 저항, 리액턴스)를 구할 수 있습니다.

여기서 R_S = 2차 측 기준 등가 저항.

각 변압기 전압 강하:

따라서:

온도 상승 계산

변압기 온도 상승은 섬너 시험으로 결정할 수 있어 열달림 시험(Heat Run Test)이라고도 부릅니다. 섬너 시험에서 일정 간격마다 오일과 권선 온도를 측정합니다. 변압기를 장시간(36~48시간) 운전해 오일 온도 상승을 유도하고, 고온 하 내열성을 평가합니다.

섬너 시험의 장단점

장점

• 대용량 변압기도 실부하 연결 없이 시험 가능.
• 시험에 필요한 전력이 매우 적음(두 변압기 손실 합만큼만 소모).
• 동손, 철손, 온도 상승, 등가 회로 파라미터, 효율을 한 번에 구할 수 있음.

단점

유일 단점: 동일 정격 변압기 2대가 필요합니다.