단상 및 3상 변압기 병렬 운전 최적화: 조건, 원리 및 적용 가이드

변압기 병렬 운전의 필요성 및 조건

전력 시스템에서 변압기는 전압 레벨을 승압 및 강압하는 데 사용됩니다. 변압기의 용량은 부하 수요에 따라 선택되지만, 부하 수요는 나날이 증가합니다. 따라서 추가 부하 수요를 충족하기 위해 기존 변압기를 더 큰 용량의 변압기로 교체하거나, 기존 변압기와 병렬로 추가 변압기를 연결할 수 있습니다.

부하 수요를 충족하는 경제적인 방법은 기존 변압기와 병렬로 두 번째 변압기를 연결하는 것입니다.

변압기 병렬 운전의 필요성

변압기 병렬 운전이 필요한 주요 이유는 다음과 같습니다.

기존 변압기보다 더 큰 정격의 부하를 공급하기 위해 두 번째 변압기를 병렬로 연결합니다.
유지보수 시 두 번째 변압기를 사용하여 소비자에게 전력 공급의 연속성을 유지합니다. 이는 시스템 신뢰성을 높입니다.
한 변압기가 고장 나거나 어떤 이유로 작동하지 않을 때, 두 번째 변압기가 전력을 공급하여 정전을 방지합니다.

변압기 병렬 운전의 조건

변압기의 성공적인 병렬 운전을 보장하기 위해 다음 조건들을 만족해야 합니다.

두 변압기의 1차 권선이 공급 시스템의 전압과 주파수에 적합하게 설계되어야 합니다.
두 변압기가 동일한 극성으로 연결되어야 합니다. 극성이 맞지 않으면 단락 사고가 발생할 수 있으므로, 병렬 연결 시 극성이 반드시 일치해야 합니다.
두 변압기의 권수비(변환비)가 동일해야 합니다. 즉, 1차 및 2차 권선의 전압 정격이 동일해야 합니다. 권수비가 다르면 병렬 운전이 가능하지만, 무부하 상태에서 순환 전류가 흐르고 불평등한 부하 분담이 발생합니다.
순환 전류를 방지하기 위해 X/R 비율이 동일해야 합니다. 즉, 두 변압기의 임피던스 삼각형이 동일해야 합니다. X/R 비율이 다르면 두 변압기가 서로 다른 역률로 운전됩니다.
두 변압기의 kVA 정격이 다를 때, 순환 전류를 무시하면 등가 임피던스는 개별 kVA 정격에 반비례합니다.

단상 변압기 병렬 운전

두 개의 단상 변압기는 아래 그림과 같이 병렬로 연결할 수 있습니다.

단상 및 3상 변압기 병렬 운전 최적화: 조건, 원리 및 적용 가이드

그림과 같이 두 변압기의 1차 권선은 공급 버스바에, 2차 권선은 부하 버스바에 연결됩니다. 이렇게 두 대 이상의 변압기를 병렬로 연결하여 변압기 정격을 초과하는 부하를 공급할 수 있습니다.

변압기를 병렬로 연결할 때 변압기의 극성이 일치해야 합니다. 그렇지 않으면 단락이 발생하여 변압기가 손상될 수 있습니다.

이상적인 조건

이상적인 조건에서는 두 변압기가 동일한 전압비와 권수비를 가진다고 가정합니다. 따라서 두 변압기의 임피던스 삼각형은 모양과 크기가 동일합니다. 이 조건의 페이저 다이어그램은 아래와 같습니다.

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여기서,

E = 각 변압기의 무부하 2차 전압
V₂ = 2차(부하) 단자 전압
V₁ = 1차(공급) 단자 전압
Iₐ = 변압기 1이 공급하는 전류
Iʙ = 변압기 2가 공급하는 전류
I = 총 전류

페이저 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 총 부하 전류(I)는 V₂보다 위상각 φ만큼 지연됩니다. 그리고 각 변압기의 전류 Iₐ와 Iʙ는 총 전류(I)와 동위상입니다.

동일한 전압비 조건

두 변압기가 동일한 전압비를 가진다고 가정하면, 무부하 전압이 동일합니다(Eₐ = Eʙ = E). 이 조건에서는 두 변압기 사이에 전류가 흐르지 않습니다. 이 조건의 등가 회로는 아래와 같습니다.

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여기서,

Eₐ, Eʙ = 무부하 전압
Zₐ, Zʙ = 임피던스
Iₐ, Iʙ = 각 변압기의 2차 전류
V₂ = 단자 전압
I = 총 전류

두 변압기의 임피던스가 병렬로 연결되어 있으므로, 총 임피던스 Zₐʙ는 다음과 같습니다.

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이 조건의 벡터 다이어그램은 아래와 같습니다.

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여기서 전류 Iₐ와 Iʙ은 동위상이 아닙니다. 따라서 부하에 공급되는 총 전류는 Iₐ와 Iʙ의 페이저 합입니다. 총 전류(I)는 벡터 다이어그램에 표시된 바와 같습니다. 여기서는 각 변압기의 무부하 전압이 동일하고 벡터 다이어그램상에서 동위상이라고 가정했습니다.

서로 다른 전압비 조건

두 변압기의 변환비가 동일하지 않으면 무부하 2차 전압이 다릅니다. 이 조건에서는 무부하 상태에서 변압기 사이에 일정량의 전류가 흐르는데, 이를 순환 전류 Iᴄ라고 합니다.

이 조건의 벡터 다이어그램은 아래와 같습니다.

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3상 변압기 병렬 운전

3상 변압기도 두 대 이상을 병렬로 연결하여 부하 용량을 늘릴 수 있습니다. 3상 변압기 병렬 운전에 필요한 조건은 단상 변압기와 동일하며, 추가로 다음 조건들을 준수해야 합니다.

두 변압기의 위상 순서가 동일해야 하며, 위상 순서 표시기로 확인해야 합니다.
1차 권선과 2차 권선 사이의 위상 변위가 동일해야 합니다.
변압기 뱅크에 사용되는 세 개의 변압기는 모두 동일한 유형(코어형 또는 쉘형)이어야 합니다.
전압비 계산 시 선간 전압을 기준으로 하며, 전압비를 동일하게 유지해야 합니다.

1차 및 2차 단자 전압 사이의 전압비는 상당 권수비와 같지 않습니다. 예를 들어, V₁과 V₂가 각각 1차 및 2차 단자 전압이라면, 성형/삼각 결선(Y-Δ)의 권수비는 다음과 같습니다.

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3상 변압기 병렬 운전 회로도는 아래와 같습니다.

단상 및 3상 변압기 병렬 운전 최적화: 조건, 원리 및 적용 가이드

두 변압기(T1, T2)의 1차 및 2차 권선은 위 그림과 같이 연결됩니다. 여기서는 2차 권선의 b, c 단자를 유연하게 연결하고 전압계를 연결하여 테스트용으로 사용합니다. 두 전압계 모두 0을 가리키면 극성이 올바른 것입니다. 전압계가 상전압의 2배를 가리키면 극성이 잘못된 것입니다.

단상 및 3상 변압기 병렬 운전 최적화: 조건, 원리 및 적용 가이드

변압기 병렬 운전의 필요성 및 조건

변압기 병렬 운전의 필요성

변압기 병렬 운전의 조건

단상 변압기 병렬 운전

이상적인 조건

동일한 전압비 조건

서로 다른 전압비 조건

3상 변압기 병렬 운전

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