변압기의 구조와 각 부분의 명칭 및 역할

변압기는 전력계통에서 가장 기본적이면서도 중요한 전기기기 중 하나다. 발전소에서 생산된 전력을 높은 전압으로 송전할 때도 사용되고, 공장이나 건물에서 실제로 사용할 수 있는 전압으로 낮출 때도 사용된다.

겉에서 보면 단순한 금속 탱크처럼 보이지만 내부에는 철심과 권선, 절연유, 절연물 등 여러 요소가 정교하게 배치되어 있다. 외부에도 부싱, 방열기, 콘서베이터, 브리더, 탭절환기와 같은 장치가 설치될 수 있다.

이 부품들은 각각 독립적으로 존재하는 것이 아니다.

변압기가 안정적으로 전압을 변환하려면 자속을 형성하는 자기회로, 전압과 전류를 전달하는 전기회로, 절연을 유지하는 절연구조, 발생한 열을 외부로 방출하는 냉각구조가 동시에 정상적으로 동작해야 한다.

이번 글에서는 변압기의 각 부분을 단순히 이름만 나열하지 않고, 왜 필요한지와 어떤 역할을 하는지까지 연결해서 살펴본다.

변압기의 기본 구조

변압기의 핵심은 크게 두 부분으로 볼 수 있다.

첫 번째는 철심(Core)이다.

두 번째는 권선(Winding)이다.

철심은 자속이 형성되는 자기회로를 구성하고, 권선은 전기에너지가 들어오고 나가는 전기회로를 구성한다.

가장 기본적인 변압기라면 철심과 1차 권선, 2차 권선만으로도 원리를 설명할 수 있다.

하지만 실제 전력용 변압기는 이 두 요소만으로는 사용할 수 없다.

고전압에서 안정적인 절연을 유지해야 하고, 손실로 발생하는 열을 방출해야 하며, 외부 회로와 안전하게 연결되어야 한다.

그래서 실제 변압기에는 다음과 같은 구성요소가 추가된다.

• 철심
• 1차 권선
• 2차 권선
• 절연물
• 절연유
• 탱크
• 부싱
• 방열기
• 콘서베이터
• 브리더
• 탭절환기
• 보호장치
• 온도계 및 유면계

변압기의 종류와 용량, 전압등급에 따라 일부 장치의 구조는 달라질 수 있다.

철심은 자속의 통로를 만든다

변압기에서 철심은 매우 중요한 역할을 한다.

1차 권선에 교류전압이 인가되면 권선에 전류가 흐르고 철심 내부에는 시간에 따라 변화하는 자속이 형성된다.

이 자속이 2차 권선과 쇄교하면서 유도기전력을 발생시킨다.

즉 변압기의 에너지 전달 과정은

1차 권선 → 자속 형성 → 2차 권선에 유도전압 발생

의 형태로 이루어진다.

철심은 이 자속이 효과적으로 형성될 수 있는 낮은 자기저항의 경로를 제공한다.

철심이 없다면 공기를 통한 자기회로의 자기저항이 커지고, 동일한 자속을 만들기 위해 훨씬 큰 여자전류가 필요할 수 있다.

따라서 철심은 변압기의 자기적인 결합을 강화하는 핵심 구조물이다.

변압기 철심은 왜 적층되어 있을까?

변압기의 철심은 일반적으로 하나의 두꺼운 철 덩어리로 만들지 않는다.

얇은 전기강판을 여러 장 겹쳐 적층한다.

그 이유는 와전류손을 줄이기 위해서다.

변압기의 철심에는 교번자속이 흐른다.

변화하는 자속은 철심 내부에도 유도기전력을 발생시키고, 철심이 도체이기 때문에 내부에 와전류가 흐를 수 있다.

이 와전류는 철심의 저항에 의해 열을 발생시키고 손실을 증가시킨다.

그래서 철심을 얇은 강판으로 나누고 강판 사이를 전기적으로 절연하면 큰 와전류 경로를 제한할 수 있다.

즉 철심을 사용하는 이유는 자속의 경로를 만들기 위해서이고, 철심을 적층하는 이유는 와전류를 줄이기 위해서다.

이 두 가지 목적은 서로 다르다.

철심형과 외철형 구조

변압기 철심 구조는 대표적으로 철심형과 외철형으로 나눌 수 있다.

철심형 변압기

철심형(Core Type)은 철심의 두 기둥에 권선을 배치하는 구조다.

권선이 철심을 감싸는 형태로 볼 수 있다.

구조가 비교적 단순하며 여러 종류의 변압기에 사용된다.

외철형 변압기

외철형(Shell Type)은 철심이 권선을 둘러싸는 형태에 가깝다.

중앙 철심에 권선을 배치하고 자속이 양쪽 경로로 나뉘어 흐르는 구조를 가질 수 있다.

철심형과 외철형은 각각 자기회로, 절연, 냉각, 기계적 강도 등에서 장단점이 있으며 실제 설계에서는 용도와 용량을 고려해 선택한다.

1차 권선과 2차 권선

변압기에는 최소한 두 개의 권선이 존재한다.

전원에 연결되는 쪽을 일반적으로 1차 권선(Primary Winding)이라고 하고, 부하에 전력을 공급하는 쪽을 2차 권선(Secondary Winding)이라고 한다.

1차와 2차의 구분은 반드시 고압과 저압을 의미하는 것은 아니다.

어느 쪽에서 전원을 공급하느냐에 따라 1차와 2차가 결정된다.

예를 들어 강압 변압기에서는 일반적으로 고압측이 1차, 저압측이 2차가 된다.

반대로 승압 변압기에서는 저압측이 1차, 고압측이 2차가 될 수 있다.

따라서

1차 = 항상 고압

2차 = 항상 저압

이라고 외우면 정확하지 않다.

권수비와 전압의 관계

이상적인 변압기에서는 권수비와 전압비 사이에 다음 관계가 성립한다.

V1 / V2 = N1 / N2

여기서

V1은 1차 전압,

V2는 2차 전압,

N1은 1차 권수,

N2는 2차 권수다.

즉 1차 권선의 감은 수가 2차보다 많으면 강압 변압기가 되고, 2차 권선의 감은 수가 더 많으면 승압 변압기가 된다.

하지만 실제 변압기에서는 권선저항과 누설자속, 손실 등이 존재하기 때문에 실제 전압비는 이상적인 관계와 약간 차이가 날 수 있다.

고압권선과 저압권선은 어떻게 배치할까?

변압기 내부에서 고압권선과 저압권선을 아무 위치에나 배치하지는 않는다.

일반적인 구조에서는 저압권선을 철심 쪽에 가깝게 배치하고, 고압권선을 그 바깥쪽에 배치하는 경우가 많다.

그 이유는 절연설계를 유리하게 하기 위해서다.

철심은 보통 접지전위에 가까운 상태로 관리된다.

따라서 철심 가까이에 고압권선을 배치하면 철심과 고압권선 사이에 높은 절연내력이 필요하다.

반대로 저압권선을 철심 쪽에 배치하면 철심과 권선 사이의 전위차가 상대적으로 작아져 절연구조를 유리하게 설계할 수 있다.

즉 권선배치는 단순한 공간 활용 문제가 아니라 전압분포와 절연성능을 고려한 결과다.

권선에는 왜 구리를 사용할까?

변압기 권선에는 일반적으로 구리 또는 알루미늄 도체가 사용된다.

구리는 전기전도성이 높아 같은 전류를 흘릴 때 저항손실을 줄이기 유리하다.

권선에서 발생하는 동손은

Pcu = I²R

로 나타낼 수 있다.

따라서 권선저항이 작을수록 동손을 줄이는 데 유리하다.

하지만 실제 설계에서는 재료 가격, 중량, 기계적 강도, 단면적, 냉각특성 등을 함께 고려한다.

그래서 용도에 따라 알루미늄 권선을 사용하는 변압기도 존재한다.

권선 절연은 왜 중요한가?

변압기 권선에는 서로 다른 전위가 존재한다.

하나의 권선 내부에서도 턴과 턴 사이에 전압차가 존재하고, 1차와 2차 권선 사이에도 큰 전위차가 발생할 수 있다.

또한 권선과 철심 사이에도 절연이 필요하다.

따라서 변압기의 절연구조는 매우 중요하다.

권선 도체 표면에는 절연피복이 적용되고, 권선 사이에는 절연지나 프레스보드 같은 절연재료가 사용될 수 있다.

유입식 변압기에서는 절연유도 중요한 절연매체로 작용한다.

절연이 약해지면 권선간 단락이나 층간단락, 지락 등의 고장으로 이어질 수 있다.

절연유는 왜 필요한가?

유입식 변압기 내부에는 절연유가 채워져 있다.

절연유는 크게 두 가지 역할을 한다.

첫 번째는 절연이다.

절연유는 권선과 철심, 권선 상호 간의 전기적 절연을 보조한다.

두 번째는 냉각이다.

변압기 내부에서는 철손과 동손 때문에 열이 발생한다.

절연유는 내부에서 발생한 열을 흡수하고 대류를 통해 탱크와 방열기로 전달한다.

따라서 절연유는 단순히 내부를 채우는 액체가 아니라 변압기의 절연과 열관리에서 중요한 역할을 한다.

절연유는 시간이 지나도 항상 같은 상태일까?

절연유의 상태는 시간과 운전환경에 따라 변할 수 있다.

고온에 장기간 노출되거나 산소, 수분, 오염물질 등의 영향을 받으면 절연성능이 저하될 수 있다.

특히 수분은 절연유와 고체절연물의 절연성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

그래서 대형 변압기에서는 절연유의 상태를 주기적으로 분석하기도 한다.

대표적으로 절연내력, 수분함량, 산가 등의 항목을 확인할 수 있으며 고장진단에서는 용존가스분석이 사용되기도 한다.

변압기 탱크의 역할

유입식 변압기의 외부를 감싸는 금속구조물을 탱크라고 한다.

탱크는 단순한 외함 이상의 역할을 한다.

철심과 권선, 절연유를 외부환경으로부터 보호하고 내부의 기계적 구조를 지지한다.

또한 절연유가 담기는 용기이기도 하다.

변압기 내부에서 발생한 열이 절연유를 통해 탱크 벽면으로 전달되므로 탱크 역시 냉각과 관련되어 있다.

대형 변압기에서는 냉각성능을 높이기 위해 별도의 방열기를 연결하는 경우가 많다.

방열기는 왜 필요한가?

변압기가 운전되면 철손과 동손이 발생한다.

손실은 대부분 열로 변환된다.

이 열을 외부로 충분히 방출하지 못하면 권선과 절연유의 온도가 계속 올라갈 수 있다.

따라서 대형 유입식 변압기에는 방열기(Radiator)가 설치된다.

가열된 절연유가 방열기로 이동하면 외부 공기와 열교환을 하면서 온도가 낮아진다.

냉각된 절연유는 다시 변압기 내부로 돌아간다.

이러한 자연대류만 이용하는 방식도 있고, 팬이나 펌프를 사용해 냉각성능을 높이는 방식도 있다.

즉 변압기의 냉각방식은 용량과 발열량에 따라 달라진다.

부싱은 무엇인가?

변압기 내부의 권선을 외부 전력선과 연결하려면 도체가 금속탱크를 통과해야 한다.

그런데 탱크는 일반적으로 접지되어 있기 때문에 단순히 도체를 금속벽에 통과시키면 절연 문제가 발생한다.

이를 해결하기 위한 장치가 부싱(Bushing)이다.

부싱은 고전압 도체가 접지된 외함을 안전하게 통과할 수 있도록 절연을 유지해주는 장치다.

쉽게 말하면

전압이 걸린 도체가 접지된 탱크를 통과할 수 있도록 만든 절연 통로

라고 볼 수 있다.

전압등급이 높아질수록 부싱의 절연설계는 더욱 중요해진다.

부싱이 길고 복잡하게 생긴 이유

고전압 부싱은 단순한 플라스틱 관처럼 만들 수 없다.

전압이 높아지면 도체와 접지부 사이의 전기장 분포를 제어해야 하고 표면을 따라 발생할 수 있는 누설전류와 섬락 가능성도 고려해야 한다.

그래서 외부 부싱은 표면경로를 길게 확보하기 위해 여러 개의 주름이나 갓 모양 구조를 가진 경우가 많다.

오염이나 수분이 존재하는 환경에서도 충분한 연면거리를 확보하기 위해서다.

콘서베이터는 무엇인가?

대형 유입식 변압기 상부에는 별도의 작은 탱크가 설치된 모습을 볼 수 있다.

이를 콘서베이터(Conservator)라고 한다.

절연유는 온도에 따라 부피가 변한다.

변압기 부하가 증가해 내부온도가 상승하면 절연유가 팽창한다.

반대로 온도가 낮아지면 수축한다.

만약 완전히 밀폐되지 않은 일반적인 구조에서 이러한 부피변화를 고려하지 않으면 내부압력이나 유면 변화 문제가 발생할 수 있다.

콘서베이터는 절연유가 팽창하고 수축할 수 있는 여유공간을 제공한다.

즉 변압기 내부의 유량 변화를 수용하는 일종의 팽창탱크 역할을 한다.

브리더는 왜 설치할까?

콘서베이터 방식의 변압기에서는 절연유가 팽창하고 수축하면서 외부 공기가 출입할 수 있다.

문제는 외부 공기 안에 수분이 포함되어 있다는 점이다.

수분이 변압기 내부로 들어가면 절연유와 절연지의 절연성능을 저하시킬 수 있다.

이를 줄이기 위해 사용하는 장치가 브리더(Breather)다.

브리더 내부에는 수분을 흡수할 수 있는 흡습제가 들어간다.

외부 공기가 변압기 내부로 들어가기 전에 브리더를 통과하면서 수분을 줄이는 역할을 한다.

따라서 브리더의 상태 역시 유지관리에서 확인해야 하는 항목이 될 수 있다.

탭절환기는 왜 필요한가?

변압기의 기본 전압비는 권수비에 의해 결정된다.

V1 / V2 = N1 / N2

그렇다면 권수비를 조금 바꾸면 2차 전압도 조정할 수 있다.

이 원리를 이용하는 장치가 탭절환기(Tap Changer)다.

권선의 일부에 여러 개의 탭을 만들어 실제 사용하는 권수를 변경하면 변압기의 전압비를 조정할 수 있다.

탭절환기는 크게 무전압 상태에서 조작하는 방식과 운전 중 부하를 끊지 않고 조정할 수 있는 방식으로 나눌 수 있다.

대형 전력용 변압기에서는 계통전압을 일정 범위로 유지하기 위해 부하시 탭절환기가 사용되기도 한다.

무전압 탭절환기와 부하시 탭절환기

무전압 탭절환기는 변압기를 전원에서 분리한 상태에서 탭을 변경해야 한다.

구조가 상대적으로 단순하지만 운전 중에는 조작할 수 없다.

반면 부하시 탭절환기(OLTC, On-Load Tap Changer)는 변압기가 부하를 공급하고 있는 상태에서도 전압비를 조정할 수 있다.

하지만 부하전류가 흐르는 상태에서 권선의 접속점을 바꾸는 것은 단순하지 않다.

순간적인 회로개방이나 탭 사이의 단락을 방지하면서 전류를 안전하게 전환해야 하기 때문에 별도의 전환기구가 필요하다.

그래서 OLTC는 대형 변압기에서 상당히 중요한 유지보수 대상 중 하나다.

유면계는 무엇을 확인할까?

유입식 변압기에는 절연유의 양을 확인하기 위한 유면계가 설치될 수 있다.

절연유는 단순히 많으면 좋은 것이 아니다.

적절한 유면이 유지되어야 권선과 내부 절연구조가 정상적으로 절연유에 잠기고 냉각도 원활하게 이루어진다.

유면이 비정상적으로 낮아진다면 누유나 다른 이상상태를 의심할 수 있다.

다만 절연유는 온도에 따라 팽창과 수축을 하기 때문에 유면을 판단할 때는 온도조건도 함께 고려해야 한다.

온도계는 어디의 온도를 측정할까?

대형 변압기에서는 온도관리가 매우 중요하다.

절연유의 온도를 측정하는 유온계가 사용될 수 있고, 권선의 열상태를 추정하거나 측정하기 위한 권선온도계도 사용될 수 있다.

변압기의 권선은 전류가 직접 흐르기 때문에 동손에 의해 뜨거워진다.

특히 부하전류가 증가하면

Pcu = I²R

관계에 따라 발열이 빠르게 증가할 수 있다.

온도가 지나치게 높아지면 절연재료의 열화가 빨라질 수 있기 때문에 온도감시는 변압기 보호에서 중요하다.

부흐홀츠 계전기는 어떤 역할을 할까?

콘서베이터가 있는 유입식 변압기에서는 부흐홀츠 계전기(Buchholz Relay)가 사용되는 경우가 있다.

이 장치는 변압기 본체 탱크와 콘서베이터를 연결하는 배관에 설치된다.

변압기 내부에서 절연열화나 국부적인 과열, 아크 등의 고장이 발생하면 절연유가 분해되면서 가스가 발생할 수 있다.

비교적 작은 내부고장에서는 가스가 서서히 축적될 수 있고, 큰 내부고장에서는 절연유가 급격하게 이동할 수 있다.

부흐홀츠 계전기는 이러한 현상을 이용해 내부고장을 검출하는 보호장치다.

일반적으로 경보와 차단 기능을 단계적으로 구성할 수 있다.

압력방출장치가 필요한 이유

변압기 내부에서 심각한 고장이 발생하면 절연유가 급격하게 가열되고 가스가 발생하면서 탱크 내부압력이 빠르게 상승할 수 있다.

압력이 지나치게 올라가면 탱크 자체에 기계적인 손상이 발생할 위험이 있다.

그래서 대형 유입식 변압기에는 비정상적인 내부압력을 방출하기 위한 압력방출장치를 설치할 수 있다.

이 장치 역시 정상적인 변압 작용에는 직접 참여하지 않지만 사고 확대를 방지하는 중요한 보호요소다.

변압기에서는 절연과 냉각이 서로 연결되어 있다

변압기의 각 부분을 따로 보면 철심은 자속, 권선은 전류, 절연유는 냉각처럼 각각 하나의 역할만 하는 것처럼 보일 수 있다.

실제로는 서로 밀접하게 연결되어 있다.

예를 들어 부하가 증가하면 권선전류가 증가한다.

→ 동손이 증가한다.

→ 권선온도가 상승한다.

→ 절연유가 열을 흡수한다.

→ 뜨거워진 절연유가 상승한다.

→ 탱크와 방열기로 이동한다.

→ 외부 공기로 열이 방출된다.

→ 냉각된 절연유가 다시 내려온다.

이 과정이 원활하지 않으면 내부온도가 높아지고 결국 절연재료의 수명에도 영향을 줄 수 있다.

따라서 변압기에서는 전기적 설계와 열적 설계를 따로 떼어서 생각하기 어렵다.

변압기의 각 부분을 기능별로 구분하면

변압기의 구조가 복잡해 보일 때는 각 부품을 기능별로 나누면 이해하기 쉽다.

자기회로

철심

자속이 형성되는 경로를 제공한다.

전기회로

1차 권선

2차 권선

탭권선

전압을 인가받거나 유도된 전압을 출력하며 에너지를 전달한다.

절연계통

권선절연

절연지

절연유

부싱

서로 다른 전위를 가진 부분을 전기적으로 분리한다.

냉각계통

절연유

탱크

방열기

팬

펌프

내부에서 발생한 열을 외부로 방출한다.

유량 및 압력관리

콘서베이터

브리더

압력방출장치

절연유의 팽창과 외부 공기 유입, 내부압력 등을 관리한다.

전압조정

탭절환기

실제 권수를 변경해 전압비를 조정한다.

보호 및 감시

부흐홀츠 계전기

온도계

유면계

내부 이상을 감시하고 고장 확대를 방지한다.

이렇게 보면 변압기의 여러 부품이 왜 필요한지 훨씬 명확해진다.

변압기의 구조를 에너지 흐름으로 이해하기

변압기의 각 부분을 외우기보다 에너지의 흐름을 따라가면 더 쉽게 이해할 수 있다.

1차 권선에 교류전압이 인가된다.

→ 1차 권선에 여자전류가 흐른다.

→ 철심에 교번자속이 만들어진다.

→ 자속이 2차 권선과 쇄교한다.

→ 2차 권선에 유도기전력이 발생한다.

→ 부하가 연결되면 2차전류가 흐른다.

→ 전기에너지가 부하로 전달된다.

이 과정에서

권선에서는 동손이 발생하고,

철심에서는 철손이 발생한다.

→ 손실이 열로 변한다.

→ 절연유가 열을 흡수한다.

→ 방열기를 통해 외부로 열을 방출한다.

동시에

권선과 권선,

권선과 철심,

내부도체와 탱크 사이에서는

적절한 절연이 유지되어야 한다.

결국 변압기는 단순히 두 개의 코일을 철심에 감은 장치가 아니다.

자기회로, 전기회로, 절연계통, 냉각계통, 보호계통이 하나로 결합된 전기기기라고 보는 것이 정확하다.

마무리

변압기의 핵심 구조는 철심과 권선이지만 실제 전력용 변압기가 안정적으로 동작하려면 훨씬 많은 구성요소가 필요하다.

철심은 자속의 경로를 만들고, 1차와 2차 권선은 전기에너지를 전달한다.

부싱은 고전압 도체가 접지된 탱크를 안전하게 통과하도록 절연하고, 절연유는 절연과 냉각을 동시에 담당한다.

방열기는 내부에서 발생한 열을 외부로 방출하며 콘서베이터는 절연유의 열팽창과 수축을 수용한다.

브리더는 외부에서 유입되는 공기의 수분을 줄이고, 탭절환기는 권수비를 조절해 출력전압을 조정한다.

또한 부흐홀츠 계전기나 온도계, 유면계 등의 장치는 변압기의 이상상태를 감시하고 사고가 확대되는 것을 막는 역할을 한다.

따라서 변압기의 구조를 이해할 때는 부품의 이름만 외우기보다

자속은 어디로 흐르는가

전류는 어디로 흐르는가

열은 어디로 이동하는가

절연은 어느 부분에서 필요한가

라는 네 가지 흐름을 함께 생각하는 것이 중요하다.

다음 글에서는 변압기 구조에서 한 단계 더 들어가 변압기가 실제로 어떤 원리로 전압을 높이고 낮추는지, 그리고 권수비와 전압비가 왜 서로 비례하는지를 패러데이의 전자기 유도 법칙부터 자세히 살펴본다.