1:1 변압기
1:1 변압기의 이해 및 1:1 변압기를 사용하는 경우
송전선로의 정전용량이 너무 큰 경우
송전선로가 길어질수록 선로와 대지 간, 선로와 선로 간에 형성되는 정전용량이 커진다.
이러한 정전용량은 무부하 시 발전기 자기 여자 현상(Self-excitation) 등을 유발하여 모선 전압이 비정상적으로 상승하는 문제를 일으킨다.
이때 1:1 변압기를 리액터(Reactor)와 유사한 역할로 사용하면, 불필요한 전압 상승을 억제하고 전력 계통의 안정성을 확보할 수 있다.
단락용량을 감소시키기 위한 경우
전원계통의 단락용량이 너무 크면, 차단기(Circuit Breaker)의 차단 능력 한계를 초과하는 상황이 발생할 수 있다.
1:1 변압기를 계통에 삽입하면 변압기의 임피던스가 개입하여 단락전류를 줄여주므로 차단기의 부담을 경감시킬 수 있다.
이 경우, 변압기의 리액턴스 성분이 충분히 커야 효과적으로 단락용량을 감소시킬 수 있다.
절연 변압기로 사용하는 경우
병원, 수영장, 산업현장 등에서는 감전 사고를 예방하기 위해 비접지 절연 변압기(Isolation Transformer)를 사용한다.
이 변압기는 전기회로를 1차 측과 2차 측으로 전기적으로 절연시켜 인체에 직접적인 감전 위험을 줄인다.
또한, 1차 측에서 발생하는 노이즈(Noise)나 서지(Surge)가 2차 측으로 전달되는 것을 억제하여 민감한 장비를 보호하는 역할도 한다.
3배수 고조파 유출 방지
전력 계통에서 부하가 비선형일 경우 3배수 고조파(Triple Harmonics)가 발생한다.변압기를 Δ-Y 결선으로 구성하면, 부하 측에서 발생한 3배수 고조파는 Δ 결선 내부에서 순환하게 되어 전원 측으로 전달되지 않는다.
따라서 전원계통의 파형 왜곡을 줄이고, 품질 좋은 전력을 공급할 수 있다.
전기철도에서 흡상변압기로 사용
교류 전기철도의 BT 방식(Booster Transformer 방식)에서는 25kV 단상 급전 방식을 사용한다.
한 선은 급전선에, 다른 한 선은 레일에 접속되는데, 레일은 대지와 절연되어 있지 않기 때문에 일부 전류가 대지로 유출될 수 있다.
전류가 대지로 흘러가면 대지 전위 상승, 기기 오작동, 감전 위험이 발생한다.
이때 1:1 변압기를 흡상변압기(Booster Transformer)로 사용하여, 레일을 통해 흐르는 전류를 강제로 부 급전선으로 끌어올린다.
이렇게 하면 전류가 대지로 누설되는 것을 막아 안전성을 높인다.
공항 항공등화 용
활주로 등화(항공등화)는 보통 2~4km 이상에 걸쳐 설치되므로 일반적인 병렬방식 전원 공급 시 말단 전압강하가 크게 발생한다.
이를 방지하기 위해 정전류 방식(Series Lighting Circuit)을 사용하며, 이때 1:1 절연변압기가 적용된다.
직렬회로에서 사용하는 변압기는 평상시에는 자기적으로 불포화 상태이지만, 2차 회로가 개방되면 1차 측의 보호를 위해 포화상태로 작동한다.
또한, 2차 단락 시에는 무부하 상태가 되어 시스템의 안정성을 보장한다.
1:1 변압기가 갖추어야 할 특성
저손실 특성
임피던스 중 저항 성분이 적어야 전력손실을 최소화할 수 있다.
불필요한 전력 손실은 효율 저하 및 발열 문제를 유발하므로 고품질 소재와 적절한 설계가 필요하다.
선로 용/단락용량 경감용 변압기의 특성
이 경우에는 저항분이 작고 리액턴스 성분이 커야 한다.
즉, 손실은 최소화하면서도 충분히 큰 리액턴스를 제공하여 단락전류 억제 효과를 발휘해야 한다.
절연변압기·항공등화 용·흡상변압기·고조파 억제용의 특성
이런 용도의 변압기는 % 임피던스가 작아야 한다.
% 임피던스가 크면 전압강하가 발생하므로 부하 측에 안정적인 전압을 공급하기 위해 작은 임피던스를 요구한다.
안전성 확보
1차와 2차 권선이 혼촉(절연 파괴 등)되지 않아야 하며, 절연 내력이 충분히 확보되어야 한다.
특히 의료·철도·항공 등 안전성이 중요한 분야에서는 절연 신뢰성이 가장 중요한 요건이 된다.
종합 결론
1:1 변압기는 이름 그대로 전압의 권수비가 1:1인 변압기이지만, 단순히 전압을 변환하는 장치 이상의 다양한 기능과 역할을 수행합니다. 전력 계통에서 1:1 변압기를 사용하는 주된 목적은 전력 품질 유지, 계통 보호, 안전 확보 등 여러 가지로 나눌 수 있으며, 적용되는 분야에 따라 요구되는 설계 특성과 성능이 달라집니다.
먼저 송전선로나 장거리 배전에서 1:1 변압기는 정전용량이 큰 경우 전압 상승을 억제하고 무부하 시 발전기 자기 여자(Self-excitation) 현상을 방지하는 중요한 역할을 합니다. 장거리 송전선로에서는 선로 자체의 정전용량과 전력 계통의 인덕턴스가 상호작용하여 모선 전압이 급격히 상승할 수 있는데, 1:1 변압기를 삽입하면 변압기의 리액턴스가 이러한 과전압을 흡수하거나 제한하여 안정적인 전압을 유지하게 됩니다.
단락용량이 과도하게 큰 경우에도 1:1 변압기는 효과적입니다. 전력 계통에서 단락 사고가 발생하면 차단기가 감당해야 할 전류가 매우 커지는데, 변압기의 임피던스가 개입하면 단락전류가 경감되어 차단기의 부담을 줄이고, 계통 전체의 보호 장치 설계에도 유리합니다. 이는 특히 발전소, 변전소 등에서 중요한 안전 설계 요소입니다.
절연변압기로서의 활용도 매우 중요합니다. 병원, 수영장, 산업 현장 등에서 감전 위험이 높은 장소에 1:1 절연 변압기를 적용하면 1차와 2차 권선 사이를 전기적으로 완전히 절연하여 인체 감전 사고를 예방할 수 있습니다. 또한 1차 측에서 발생하는 전원 노이즈나 서지가 2차 측으로 전달되지 않도록 차단하여 민감한 장치나 의료기기의 안정적 운용에도 기여합니다.
또한, Δ-Y 결선으로 1:1 변압기를 적용하면 3배수 고조파(Third Harmonic) 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 비선형 부하에서 발생한 고조파가 전원 측으로 유출되지 않고 변압기 내부 Δ 결선에서 순환하게 되어, 전력 계통의 파형 왜곡을 줄이고 전력 품질을 높일 수 있습니다. 이는 공장, 데이터센터 등 고조파에 민감한 산업 환경에서 특히 유용합니다.
전기철도에서는 흡상변압기로서 1:1 변압기가 활용됩니다. BT 방식 교류 전기철도에서 레일을 통한 전류 유출 문제를 방지하기 위해 변압기가 설치되며, 레일에 흐르는 전류를 강제로 부 급전선으로 끌어올리는 역할을 수행합니다. 이를 통해 대지 전위 상승으로 인한 기기 오작동이나 감전 사고를 예방할 수 있습니다.
공항의 항공등화(활주로 조명)에서도 1:1 변압기는 핵심적인 장치입니다. 활주로가 수 km에 걸쳐 설치되기 때문에, 직렬 방식으로 전류를 공급할 때 변압기가 없으면 말단 부하에서 전압강하가 발생합니다. 1:1 절연 변압기를 사용하면 직렬회로에서 안정적으로 정전류를 공급하고, 회로 단락이나 개방 상태에서도 1차 회로를 보호할 수 있습니다.
마지막으로, 1:1 변압기는 사용 목적에 따라 요구되는 특성이 다르지만 중요한 사항이 있습니다. 임피던스 중 저항 성분이 적어야 전력손실이 최소화되고, 단락 전류 억제를 위한 변압기는 리액턴스가 충분히 커야 합니다. 반면 절연, 항공등화, 흡상변압기, 고조파 억제용 변압기는 % 임피던스가 작아야 전압강하를 최소화하고 부하 측 전압을 안정적으로 유지할 수 있습니다. 또한, 1차와 2차 권선 사이에 혼족이 없어야 하며 절연 내력이 충분해야 안전성이 확보됩니다.
결론적으로 1:1 변압기는 단순한 전압 변환 장치를 넘어, 전력 품질 유지, 계통 보호, 안전 확보, 고조파 억제 등 다양한 목적을 수행하는 다목적 전력 장치입니다. 그 활용 목적에 따라설 게 및 특성이 달라지며, 올바른 용도에 맞게 설치될 때 계통 안정성과 안전성을 크게 향상할 수 있습니다.