변압기는 전력 시스템에서 없어서는 안 될 필수 부품입니다. 변압기의 주요 기능인 전압을 높이거나 낮추는 역할은 장거리 전력 송배전을 가능하게 하고 효율적으로 만듭니다. 그러나 모든 전기 장치와 마찬가지로 변압기에도 단점이 있습니다. 가장 큰 단점 중 하나는 작동 중 발생하는 전력 손실, 특히 열 손실입니다. 이 열은 전체 출력 전력을 감소시키므로 효과적으로 관리해야 합니다.변압기 오일의 성능에 영향을 미칩니다.또한 다른 주요 구성 요소에도 영향을 미치며 단열 및 냉각 시스템에 추가적인 부담을 줍니다.

이러한 운영 비효율성은 변압기 성능에 영향을 미치고 운영 비용을 증가시키며 장기적인 신뢰성을 유지하기 위한 유지보수 전략을 필요로 합니다. 변압기 손실은 부하 손실과 무부하 손실의 두 가지 범주로 나뉩니다. 시스템 효율성을 개선하고 가동 중지 시간을 최소화하며 비용을 보다 효과적으로 관리하려면 이 두 가지 손실을 모두 이해하는 것이 필수적입니다.

변압기 손실이란 무엇인가요?

변압기 손실의 의미를 이해하려면 먼저 전기 시스템의 핵심 매개변수인 역률을 이해해야 합니다. 역률은 주어진 시스템에 공급되는 총 전력(피상 전력)에 대한 유효 출력 또는 '실효 전력'의 비율입니다. 이상적으로는 역률이 1(흔히 '단위'라고 함)인 것이 바람직하며, 이는 공급된 모든 전력이 효율적으로 활용됨을 의미합니다. 그러나 실제로는 역률이 1에 미치지 못하는 경우가 많으며, 이는 비효율을 초래하고 전기 장비의 운영 부담을 증가시킵니다.

역률이 낮으면 변압기는 동일한 양의 유효 에너지를 공급하기 위해 더 많은 전류를 끌어와야 합니다. 이러한 과잉 전류는 열 발생을 증가시킬 뿐만 아니라 장비의 조기 마모를 초래합니다. 따라서 변압기 손실의 특성과 원인, 특히 역률과의 관계를 이해하는 것은 에너지 소비를 최적화하고 시스템 상태를 유지하는 데 매우 중요합니다.

변압기 손실은 크게 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

· 부하 손실(구리 손실)– 변압기가 부하에 전력을 공급할 때 발생합니다.

· 무부하 손실(노심 손실)부하가 연결되지 않은 경우에도 발생합니다.

각 유형을 좀 더 자세히 살펴보고, 그 발생 메커니즘과 최소화 방법에 대해서도 알아보겠습니다.

부하 손실

변압기가 부하를 받고 있을 때, 즉 적극적으로 전기 에너지를 전송할 때 부하 손실이 발생합니다. 이러한 손실은 권선(일반적으로 구리 또는 알루미늄으로 제작)의 저항으로 인해 발생하며, 이로 인해 에너지가 열로 소멸됩니다. 따라서 "구리 손실"이라는 용어는 종종 부하 손실과 같은 의미로 사용됩니다.

이러한 손실은 1차 및 2차 권선 모두에서 발생하며 부하 전류의 제곱에 비례합니다(I²R 손실). 즉, 전류가 조금만 증가해도 에너지 손실이 크게 커질 수 있다는 뜻입니다. 역률이 낮으면 동일한 유효 전력을 공급하는 데 더 많은 전류가 필요하므로 이 문제가 더욱 악화됩니다. 예를 들어 전류가 두 배가 되면 동손은 네 배로 증가합니다.

이러한 열은 전력 전달 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 열 응력을 유발하여 시간이 지남에 따라 절연체 및 기타 내부 부품을 열화시킬 수 있습니다. 구리 손실을 해결하고 완화하기 위해 여러 가지 기술이 사용됩니다.

부하 손실을 줄이는 기술

1. 도체 재료 선택
구리는 우수한 전도성으로 인해 여전히 선호되는 재료이지만 알루미늄은 무게와 비용이 중요한 요소인 대형 변압기에도 사용됩니다. 재료 선택은 성능과 경제성 사이의 균형을 맞춰야 합니다.

2. 권선 설계 최적화
엔지니어는 균일한 전류 분포를 보장하고 저항을 줄이기 위해 권선을 설계할 수 있습니다. 여러 개의 작은 도체를 병렬로 연결하는 연선법과 같은 기술은 와전류 효과를 줄이고 열 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

3. 단면적 조정
권선의 단면적을 증가시키면 전기 저항이 낮아지고 I²R 손실이 줄어듭니다. 하지만 이는 재료비 증가 및 공간 요구 사항 증가와 균형을 이루어야 합니다.

4. 효율적인 냉각 시스템
강제 공기 순환이나 오일 순환과 같은 향상된 냉각 메커니즘을 사용하여 열을 효과적으로 발산합니다.변압기 유체또한 열 평형을 유지하고 단열재 파손을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다.

산업 현장에서는 다음과 같은 원칙들이 적용됩니다.전기 모터 권선또한 변압기 권선 성능을 복원하고 절연 열화 또는 부적절한 권선 형상으로 인한 과도한 손실을 줄이는 데에도 적용할 수 있습니다.

무부하 손실(코어 손실이라고도 함)

무부하 손실이란 변압기에 전원이 공급되지만 외부 부하에 전력을 공급하지 않을 때 발생하는 에너지 손실을 말합니다. 이러한 손실은 전압 변환에 필수적인 변압기 코어 내부의 교류 자기장 때문에 발생합니다. 무부하 상태에서도 코어는 자화 사이클을 유지하기 위해 에너지를 소비합니다.

핵심 손실에 기여하는 두 가지 주요 메커니즘은 다음과 같습니다.

1. 와전류 손실
이는 자기장의 변화로 인해 핵연료봉 내부 물질에 유도되는 순환 전류입니다. 이 전류는 열을 발생시키고 핵연료봉 내부의 에너지 손실의 원인이 됩니다.

2. 히스테리시스 손실
이러한 현상은 코어 재료가 반복적인 자화 및 탈자화 과정을 거치면서 자기 영역이 마찰에 의해 재배열되기 때문에 발생합니다. 자기 반전 빈도, 코어 재료 구성, 자속 밀도와 같은 요소들이 모두 히스테리시스 손실에 영향을 미칩니다.

부하 손실과 달리 철손은 비교적 일정하며 변압기 부하의 영향을 크게 받지 않습니다. 그러나 여자 전류의 변동, 특히 역률이 낮은 조건에서는 이러한 손실이 약간 증가할 수 있습니다.

무부하 손실을 줄이는 기술

1. 핵심 소재 선정
실리콘 강철은 낮은 히스테리시스 손실과 높은 전기 저항률 덕분에 오랫동안 변압기 코어의 업계 표준 소재였습니다. 그러나 비정질 강철은 훨씬 더 낮은 에너지 손실률로 인해 점차 인기를 얻고 있습니다.

2. 개선된 코어 디자인
자기 경로가 짧고 자속 분포가 균일한 코어를 설계하면 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 모두 줄이는 데 도움이 됩니다.

3. 라미네이션
얇고 절연된 판으로 코어를 적층하면 전류 흐름에 대한 저항이 증가하여 와전류 발생을 제한할 수 있습니다. 이 방법은 무부하 손실을 줄이는 가장 효과적인 수단 중 하나로 남아 있습니다.

고정밀 응용 분야에서,전력 변압기 오일 테스트절연 상태를 평가하고 무부하 손실 증가로 인해 발생할 수 있는 노심 과열의 초기 징후를 감지하기 위해 자주 수행됩니다.

변압기 손실 문제 균형 조정

변압기를 설계하고 선정할 때는 부하 손실과 무부하 손실을 줄이는 균형을 맞추기 위해 사용 패턴을 신중하게 고려해야 합니다.

· 장기간 높은 부하에서 작동하는 시스템용, 도체 품질과 냉각 효율을 향상시켜 구리 손실을 줄이는 데 중점을 두어야 합니다.

· 장시간 유휴 상태이거나 저부하 상태인 시스템의 경우이러한 경우 무부하 손실을 최소화하는 것이 매우 중요합니다. 따라서 비정질강과 같이 손실이 적은 핵심 소재를 선택하면 상당한 비용 절감을 가져올 수 있습니다.

변압기 설계를 용도에 맞게 조정하면 에너지 효율성을 높일 뿐만 아니라 장비 수명을 연장하고 유지보수 빈도를 줄일 수 있습니다.

결론

변압기 손실은 전력 공급 중이든 유휴 상태이든 관계없이 전력 배분에서 불가피한 부분입니다. 그러나 부하 손실과 무부하 손실의 원인과 특성을 이해하면 시설 관리자는 비효율성을 줄이고 비용을 절감하며 변압기 수명을 연장하는 전략을 실행할 수 있습니다. 신중한 설계, 재료 선택, 그리고 권선 재작업 및 코어 최적화와 같은 기술을 포함한 정기적인 유지보수를 통해 이러한 손실을 크게 줄일 수 있습니다.