전기기능사 변압기 병렬운전 조건: 하나씩 어기면 생기는 일

병렬운전은 두 변압기의 1차(전기가 들어가는 쪽)를 같은 전원에 잇고, 2차(전기가 나오는 쪽)도 같은 선에 이어 함께 부하에 전기를 보내는 방식입니다.

핵심은 2차 쪽에서 두 변압기가 서로 맞물려 있다는 점입니다. 두 변압기가 내는 전압이 크기와 방향까지 똑같으면 서로 밀거나 당기지 않고 부하에만 전류를 보냅니다. 그런데 조금이라도 다르면, 부하가 없어도 두 변압기 사이를 빙글빙글 도는 전류가 생깁니다. 이것을 순환전류라고 합니다. 순환전류는 일은 하지 않고 권선(감아 놓은 구리선)만 데웁니다.

그래서 병렬운전 조건은 결국 "순환전류가 생기지 않게 하는 조건"과 "부하를 알맞게 나눠 지게 하는 조건" 두 묶음으로 나뉩니다. 이 구분을 먼저 머리에 넣어 두면 아래 조건들이 쉽게 정리됩니다.

극성이 같을 것. 극성은 2차 단자에 나오는 전압의 방향입니다. 극성이 반대인 변압기를 그대로 묶으면 두 변압기의 2차 전압이 서로 더해지는 방향으로 한 바퀴 회로가 생깁니다. 그 회로에는 권선의 작은 임피던스밖에 없으므로 단락(합선)과 비슷한 큰 순환전류가 흘러 권선이 타 버릴 수 있습니다. 네 조건 가운데 어겼을 때 가장 위험한 조건입니다.

권수비가 같고, 1차·2차 정격전압이 같을 것. 권수비는 1차와 2차를 감은 횟수의 비율이고, 이 값이 2차 전압을 정합니다. 예를 들어 같은 전원에 이었는데 한 대는 2차 전압이 조금 높고 한 대는 조금 낮으면, 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 순환전류가 흐릅니다. 차이가 작아도 부하가 없을 때부터 계속 흐르기 때문에 권선이 과열되고 손실이 늘어납니다.

두 조건은 모두 부하와 관계없이 문제가 생긴다는 공통점이 있습니다. 시험에서 "무부하에서도 순환전류가 흐르는 경우"를 물으면 극성이나 권수비가 다른 경우를 떠올리면 됩니다.

%임피던스 강하가 같을 것. %임피던스(퍼센트 임피던스)는 정격 전류가 흐를 때 변압기 안에서 떨어지는 전압이 정격 전압의 몇 %인지를 나타낸 값입니다. 병렬로 묶인 변압기는 이 값이 작은 쪽이 부하를 더 많이 떠맡습니다. 그래서 %임피던스가 다르면 용량에 맞게 부하가 나뉘지 않고, 한 대는 과부하가 되는데 다른 한 대는 여유가 남는 일이 생깁니다.

저항과 리액턴스의 비가 같을 것. 변압기 내부 임피던스는 저항(r)과 리액턴스(x)로 이루어집니다. 이 비율이 다르면 두 변압기에서 나오는 전류의 위상(때)이 서로 어긋납니다. 그러면 두 전류를 합친 값이 각 전류를 단순히 더한 값보다 작아져, 같은 부하를 보내는 데 더 많은 전류가 흐르고 동손(구리선 손실)이 늘며 변압기를 덜 쓰게 됩니다.

이 두 조건은 순환전류보다는 부하 분담과 효율에 관한 조건입니다. 어겨도 바로 타지는 않지만 제 용량을 다 쓰지 못합니다.

병렬운전 문제에서 계산이 나오면 거의 이 관계를 씁니다. 두 변압기 A·B가 나누어 지는 부하의 비율은 다음과 같습니다.

• A가 지는 부하 ÷ B가 지는 부하 = (A의 정격 용량 ÷ B의 정격 용량) × (B의 %임피던스 ÷ A의 %임피던스)

즉 용량에는 비례하고 %임피던스에는 반비례합니다. 아래는 원리를 보여 주는 계산 예시입니다.

1. 정격 용량이 둘 다 100kVA 이고, A의 %임피던스는 4%, B는 5% 라고 합니다.
2. 용량이 같으므로 부하 비율은 %임피던스의 역비입니다. A : B = 5 : 4
3. 전체 부하가 180kVA 이면 A는 180 × 5 ÷ 9 = 100kVA, B는 180 × 4 ÷ 9 = 80kVA 를 집니다.
4. 이때 A는 이미 정격 100kVA 에 도달했습니다. 부하가 더 늘면 A가 먼저 과부하가 됩니다.

두 대를 합친 용량은 200kVA 이지만, %임피던스가 달라서 A를 과부하시키지 않고 보낼 수 있는 부하는 180kVA 에서 멈춥니다. 조건 3을 지켜야 하는 이유가 이 숫자 하나에 담겨 있습니다.

3상 변압기(또는 단상 변압기 세 대를 3상으로 결선한 것)를 병렬로 쓸 때는 위의 조건에 더해 상회전 방향과 각변위(1차와 2차 전압 사이의 위상 차이)가 같아야 합니다.

각변위는 결선 방법이 정합니다. Δ-Δ 결선과 Y-Y 결선은 1차와 2차의 위상 차이가 없고, Δ-Y 나 Y-Δ 결선은 1차와 2차 사이에 30도의 위상 차이가 생깁니다. 그래서 Δ-Δ 변압기와 Δ-Y 변압기를 묶으면 2차 전압의 위상이 30도 어긋나 큰 순환전류가 흐릅니다.

시험에서는 "병렬운전이 불가능한 결선 조합"을 고르게 합니다. 외우는 요령은 두 변압기의 결선 기호 네 개에서 Δ(또는 Y)의 개수를 세는 것입니다.

• 가능: Δ-Δ와 Δ-Δ, Y-Y와 Y-Y, Y-Δ와 Y-Δ, Δ-Y와 Δ-Y, Δ-Δ와 Y-Y, Δ-Y와 Y-Δ (Δ 개수가 짝수)
• 불가능: Δ-Δ와 Δ-Y, Y-Y와 Y-Δ 처럼 Δ 개수가 홀수인 조합 (Δ-Δ와 Δ-Y 는 Δ가 3개)

전기기능사 전기기기 과목에는 동기발전기의 병렬운전 조건도 따로 나옵니다 (출제기준의 '동기발전기의 병렬운전 — 병렬운전에 필요한 조건'). 두 목록을 섞은 선지가 함정이 됩니다.

• 동기발전기: 기전력의 크기·위상·주파수·파형이 같을 것. 돌아가는 기계가 스스로 전압을 만들어 내므로 "만들어 내는 전압"이 같아야 합니다.
• 변압기: 극성·권수비(정격전압)·%임피던스·저항과 리액턴스의 비가 같을 것 (3상은 상회전 방향·각변위 추가). 받은 전압을 바꿔 주는 기계이므로 "바꾸는 방식"이 같아야 합니다.

두 경우 모두 정격 용량은 같지 않아도 됩니다. "용량이 같을 것"이 조건으로 끼어 있으면 그 선지가 틀린 것입니다. 변압기 쪽 선지에 "주파수가 같을 것"이나 "파형이 같을 것"이 나오면 동기발전기 조건을 가져다 놓은 것인지 의심해 보세요.

이 사이트의 단원 분석 기준으로 변압기 단원은 전기기기 과목 20문항 가운데 약 5문항 비중으로, 직류기와 함께 이 과목에서 비중이 가장 큰 단원입니다. 병렬운전은 그 안의 한 부분이지만 조건 목록만 정확히 알면 계산 없이 맞힐 수 있는 문제가 많습니다.

1. 종이에 두 칸을 만들고 왼쪽에 "순환전류(극성·권수비)", 오른쪽에 "부하 분담(%임피던스·r/x 비)"을 적습니다. 3상이면 "상회전·각변위"를 아래에 덧붙입니다.
2. 그 옆에 동기발전기 조건(크기·위상·주파수·파형)을 따로 적어 두 목록을 비교합니다.
3. 위의 100kVA 두 대 예시를 숫자만 바꿔 한 번 직접 계산해 봅니다.
4. 그다음 전기기능사 변압기 단원 문제를 풀며 결선·손실 문제와 함께 익힙니다.