변압기의 기본 작동 원리는 전자기 유도 법칙에 기반을 두고 있습니다. 그들의 회전 비율과 전류 비율은 기본 관계에 엄격하게 따릅니다: “전압 변환 비율은 회전 비율과 직접적으로 비례하며” 현재 비율과 반비례한다.” 이를 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

U₁/U₂ = N₁/N₂ = I₂/I₁,

여기서 U는 전압, N은 코너의 수, I는 전류이며, 서브키스 1과 2는 각각 고전압 측과 저전압 측을 나타냅니다. 이 관계에서는 이상적인 변압기(제로 구리 손실, 제로 코어 손실 및 제로 누설 유속)가 가정됩니다. 실제 공학적 응용 분야에서는 손실 및 누설 유속이 회전비에 대한 소규모 조정을 필요로 하지만 기본 원리는 변하지 않습니다.

적절한 회전 비율과 전류 비율을 결정하는 것은 정격 전압뿐만 아니라 변압기 용량, 절연 등급, 냉각 방식, 부하 특성 등 광범위한 설계 고려 사항에 따라 달라집니다. (예: 유도 또는 용량 부하), 그리고 그리드 전압 조절 요구 사항. 다음 섹션에서는 다양한 전압 레벨의 변압기에 대한 심층 분석을 제공하며, 주요 파라미터, 보정 논리, 그리고 적용 사례에 초점을 맞춥니다.

I. 저전압 배전용 트랜스포머

(일반적인 전압: 0.4 kV/10 kV, 0.4 kV/11 kV)

1. 핵심 매개변수 및 설계 논리

이러한 변압기는 배전망의 최종 지점에서 중요한 장비 역할을 하며, 고전압 전력을 저전압으로 변환하여 주택, 상업용 및 소규모 산업용에 공급합니다. 소비자들입니다. 그들의 전압 레벨은 중국의 저전압 배전 표준(0.4 kV은 삼상 4선 시스템을 의미하며, 전압은 380 V의 상전압과 220 V의 하전압을 갖는다)에 부합합니다.

• 회전 비율: 기본적인 변압기의 회전비는 직접적으로 전압 비율을 반영합니다.

– 0.4 kV/10 kV 변압기에 대한:

  N₁/N₂ = 10 kV / 0.4 kV = 25 → 1:25

– 0.4 kV/11 kV 변압기에 대해서:

  N₁/N₂ = 11 kV / 0.4 kV = 27.5 → 1:27.5

실제로는 설비 설계 시 부하 변동으로 인해 발생하는 전압 저하를 보상하기 위해 1:10, 1:11, 1:12, 1:25 및 1:27.5와 같은 조정 비율이 자주 사용됩니다. 예를 들어, 가벼운 부하 조건에서는 회전비의 미세한 조정을 통해 필요한 380 V ± 5% 범위 내의 저전압 영역을 유지하는 데 도움이 됩니다.

• 현금 비율: 현재 비율은 전압(또는 회전수) 비율의 반대입니다.

0.4 kV/10 kV 변압기에 대해서:

I₁/I₂ = 0.4/10 = 1/25 → 25:1 (저전압 전류는 고전압 전류의 25배)

현재의 값은 변압기의 정격 용량에서 더 정확하게 산출됩니다. 예를 들어, 1000 kVA의 0.4 kV/10 kV 변압기의 경우:

– 고전압 측면:

  I₁ = S / (√3 × U₁) = 1000 / (1.732 × 10) ≈ 57.7 A

– 저전압 측면:

  I₂ = 1000 / (1.732 × 0.4) ≈ 1443 A

그 결과 얻어진 현재비(1443/57.7 ≈ 25)는 와인딩 저항과 손실로 인한 소량의 편차를 감안하면 이론과 정확히 일치합니다.

2. 애플리케이션 시나리오 및 호환성 요구 사항

• 주거 및 상업용 배포: 이 지역들은 수요가 변동되는데, 최고 수요는 보통 아침과 저녁에 발생합니다. 저손실 S11 또는 S13 시리즈 변압기가 일반적으로 사용됩니다. 턴스 비율 설계는 탭 체인저 전압 조절(일반적으로 ±5%)을 지원해야 하며, 에어컨 등 유도 부하의 시작 시 발생하는 전압 저하를 방지해야 합니다. 냉장고.

• 소규모 공장 및 작업장: 공작 기계 및 펌프와 같은 장비들은 상당한 시동 전류(정격 전류의 3~7배)를 생성합니다. 턴스 비율 선택은 시동 중 전압 왜곡을 방지하기 위해 저항 저항과 균형을 맞추어야 합니다. 현재의 등급은 저전압 스위치보드 차단기의 등급과 일치해야 합니다(예: 1600 A, 2000 A).

• 가로등 시스템: 이러한 변압기는 일반적으로 단상 또는 소형 삼상 변압기를 사용합니다. 1:10 또는 1:11 등의 회전비는 일반적으로 10kV 또는 11kV 네트워크에서 사용됩니다. 현재의 비율은 낮은 조명 부하를 수용해야 하며, 와인딩 구성은 무부하 손실을 최소화해야 합니다. 특히 조명 변압기는 야간에도 지속적으로 작동하기 때문에 이 점이 특히 중요합니다. 노하우드 손실을 운영 비용의 핵심 요소로 만드는 것입니다.

II. 중전압 배전 변압기

(일반적인 전압: 6 kV/35 kV, 6 kV/66 kV)

1. 핵심 매개변수 및 설계 논리

중전압 배전 변압기는 지역 배전 네트워크 내에서 “중전압 변환”을 수행하며, 고전압 송전 시스템과 저전압 사용자 측 사이의 필수적인 연결고리를 형성합니다. 유통. 그들의 부하 용량은 저전압 및 고전압 변압기의 중간 수준이며, 일반적으로 산업 단지, 교통 허브 및 핵심 도시 배전 네트워크에 배치됩니다.

• 회전 비율: 6 kV/35 kV 변압기의 이론적 회전 비율은 다음과 같습니다.

35 / 6 ≈ 5.83 → 1:5.83

6 kV/66 kV 변압기에 대해서:

66 / 6 = 11 → 1:11

중전압 네트워크에서는 전압 변동이 상대적으로 크기 때문에 (±10%), 이러한 변압기는 종종 부하 전환 변환장치(OLTC)를 장착합니다. 탭 체인저를 사용하면 6 kV 출력을 안정적으로 유지하기 위해 부하 하에서 회전 비율을 실시간으로 조정할 수 있습니다. 35 kV 측의 일반적인 탭 위치는 36.75 kV, 35 kV 및 33.25 kV가 될 수 있습니다.

• 현금 비율: 현재 비율은 전압(또는 회전수) 비율의 반대입니다.  

6 kV/35 kV 변압기의 경우 전류 비는 약 5.83:1입니다(저전압 전류는 고전압 전류의 5.83배입니다).

예를 들어, 5000 kVA 단위의 경우:

– 고전압 측 전류:

  I₁ = 5000 / (1.732 × 35) ≈ 82.5 A

– 저전압 측 전류:

  I₂ = 5000 / (1.732 × 6) ≈ 481 A

실제 현금 비율(481 / 82.5 ≈ 5.83)은 이론적 값과 매우 유사합니다.  

중전압 변압기는 더 높은 전기장 응력을 견뎌야 하기 때문에 와인딩 구조는 더 엄격한 회전수를 갖는 계층 구조를 채택합니다. 허용 오차(일반적으로 ±0.5% 내의 범위) 이 범위 이외의 편차는 국지적 전기장 농도를 유발하여 절연 손상 위험을 증가시킬 수 있습니다.

2. 애플리케이션 시나리오 및 호환성 요구 사항

• 산업단지 및 대규모 상업 단지: 중전압 변압기는 중소형 공장(예: 가공 및 식품 가공)과 상업 중심지의 집중된 부하에 적합합니다. 일반적인 출력 용량은 2000 kVA에서 10,000 kVA입니다.  

턴스 비율 설계는 산업 공정을 방해할 수 있는 과도한 탭 조정을 방지하기 위해 부하 연속성을 고려해야 합니다. 전류 비율은 중전압 차단기 정격(예: 125 A, 200 A)과 일치해야 합니다.

• 중전압 배전망 상호연결: 이러한 변압기는 핵심적인 “네트워크 노드”로서, 추가 분배 전송 전에 35kV 또는 66kV를 6kV로 낮춥니다. 회전비는 시스템 전압 규제 전략(특히 상류 변압기 탭 설정)과 일치해야 하며, 이를 통해 전역 전압 규제가 유지됩니다.

• 운송 인프라 및 전력 공급: 트롤리버스 시스템, 지하철 추진 전력 및 보상 전압 등 보상 전압이 빠르게 변하는 인덕티브 부하를 특징으로 하는 유사한 응용 분야에 사용됩니다.  

트랜스포머는 조화파(harmonic) 영향을 완화하기 위해 차폐 와인딩이 필요하며, 전류 비율은 피크 트랙션 스타트 전류를 처리하기 위해 정격 부하의 1.2~1.5배의 안전 여유를 제공해야 합니다.

III. 고전압 변압기

(일반 전압: 110 kV/10 kV, 220 kV/10 kV)

1. 핵심 매개변수 및 설계 논리

고전압 변압기는 지역 전력망 내의 주요 다운스테이지 장치 역할을 하며, 고전압 송전 전력을 변압소 내의 중전압 수준으로 변환합니다. 그들은 전력 발전소나 송전망으로부터 전력을 공급받아 중전압 배전망에 공급합니다. 이러한 변압기는 높은 용량, 견고한 절연 시스템, 탁월한 작동 안정성을 요구합니다.

• 회전 비율: 110 kV/10 kV 변압기의 이론적 회전 비율은 다음과 같습니다.

110 / 10 = 11 → 11:1  

220 kV/10 kV 변압기에 대한 사항:

220 / 10 = 22 → 22:1  

고전압 측면의 높은 전압 레벨과 엄격한 절연 요건으로 인해 와인딩에 오일 침투 종이 절연체가 사용됩니다. 스핀트 비율 설계는 절연 두께와 와인딩 스핀트 수를 균형 있게 맞추어야 합니다. 또한, 계획된 정전 시 전압을 조정하고 장기적인 그리드 전압 편차를 보상하기 위해 무부하 탭 체인저(일반적으로 ±2 × 2.5%)가 설치됩니다.

• 현금 비율: 현재 비율은 전압(또는 회전수) 비율의 반대입니다.  

110kV/10kV 변압기의 경우 전류 비는 약 1:11입니다.

예를 들어, 50,000 kVA(50 MVA)의 변압기를 기준으로 하면:

– 고전압 측 전류:

  I₁ = 50,000 / (1.732 × 110) ≈ 262 A

– 저전압 측 전류:

  I₂ = 50,000 / (1.732 × 10) ≈ 2,887 A

실제 전류 비율(262 / 2,887 ≈ 1/11)은 이론과 일치합니다. 편차는 주로 무부하 전류(일반적으로 정격 전류의 0.5%–2%)에서 발생합니다.  

현재 비율은 또한 정확한 릴레이 보호 성능을 보장하기 위해 전류 변환기(CT) 비율과도 조정되어야 합니다.

2. 애플리케이션 시나리오 및 호환성 요구 사항

• 변전소 통합: 110kV 및 220kV 변전소의 핵심 장비로서, 변압기는 상류 송전선 전압 레벨(예: 220kV/10kV, 220kV 그리드 통합용)과 일치해야 합니다. 일반적인 용량 범위는 31.5 MVA에서 120 MVA입니다. 상승/감소 비율의 안정적인 유지는 하단 유통망에 영향을 미칠 수 있는 전압 변동을 방지하는 데 중요합니다.

• 대규모 산업 시설용 전원 공급 장치: 철강, 금속 및 석유화학 등 산업 분야에서는 지속적인 고하중이 요구됩니다. 턴스 비율 설계에서는 부하 요소를 고려해야 합니다(대부분 80%~90%대의 작동에 최적화되어 있습니다). 현재의 비율은 단락 전류가 장비 한계 내에서 유지되도록 하기 위해 고전압 스위칭 기기의 사양과 일치해야 합니다.

• 대규모 데이터 센터용 전원 공급 장치: 데이터 센터는 매우 높은 신뢰성을 요구하며 종종 이중 재난 방지 전력 변환기 구성을 사용합니다. 회전비는 UPS 및 전력 관리 시스템과 조화되어야 하며, 이를 통해 서버 가동 중단이 발생할 수 있는 전압 불안정을 방지할 수 있습니다. 현재 비율은 향후 확장 시 용량 여유를 포함해야 합니다.

IV. 초고전압 (UHV) 변압기

(330kV/220kV, 500kV/220kV, 1000kV/500kV)

UHV 변압기는 장거리 고용량 전력 송배전에 사용되며, 국가 전력망 핵심 시스템의 핵심 장비로 기능합니다. 그들은 초고전압(330kV, 500kV)과 울트라고전압(1000kV 이상)으로 구분됩니다. 그들의 설계는 전송 효율, 손실 감소, 절연 성능 및 전력망의 전반적인 안정성을 모두 고려하여 균형을 맞춰야 합니다.

1. 초고전압 변압기 (330 kV/220 kV, 500 kV/220 kV)

• 핵심 파라미터:

330 kV/220 kV 변압기용:

330 / 220 = 1.5 → 1.5:1  

500 kV/220 kV 변압기용:

500 / 220 ≈ 2.27 → 2.27:1  

이 장치는 종종 허브 변전소에서 “이중 목적'의 상향/하향 변압기로 작동합니다. 이러한 변압기의 회전 비율 설계는 부하 전환을 지원해야 합니다(일반적인 조절 범위 ±8 × 1.25%)하여 장거리 전압 저하(100km 당 5%–8%회)를 처리할 수 있어야 합니다.

현재 비율은 회전 비율의 반대편을 따른다. 330kV/220kV 변압기의 현재 비율은 1:1.5이다(330kV 쪽의 전류는 220kV 쪽의 전류의 1/1.5).

예시(240 MVA 변압기):  

I₁ (330 kV 사이드) = 240,000 / (1.732 × 330) ≈ 412 A  

I₂ (220 kV 측면) = 240,000 / (1.732 × 220) ≈ 618 A  

비율 ≈ 1:1.5입니다.

• 애플리케이션 시나리오: 이러한 변압기는 중간 및 장거리 전송(500~1000km)에 사용되며, 예를 들어 서부 지역에서 중앙 지역으로 수력 또는 화력 전력을 전송하는 데 사용됩니다. 로드 센터. 변환률은 전력 흐름을 최적화하고 손실을 줄이기 위해 송전선 임피던스 특성과 지역 운용 전략과 조화되어야 합니다.

2. 초고전압 변압기 (1000 kV/500 kV)

• 핵심 파라미터: 이론적 전환 비율은 다음과 같습니다:

1000 / 500 = 2 → 2:1  

현재 비율: 1:2 (1000kV 사이의 전류는 500kV 사이의 절반입니다).

이러한 변압기는 초고전압 전력망의 핵심 장비로, 매우 큰 용량을 갖추고 있습니다(일반적으로 1000MVA 이상). 그들의 와인딩은 초고전압 절연재를 사용하며, 회전 정확도는 ±0.1% 내에서 제어됩니다. 이들은 초고전압 작동 시 발생하는 전자기 간섭 및 잡음을 차단하기 위해 전압 조정 및 필터링 장치를 탑재하고 있습니다.

예제(1000 MVA 변압기):  

I₁ (1000 kV 사이드) = 1,000,000 / (1.732 × 1000) ≈ 577 A  

I₂ (500 kV 측면) = 1,000,000 / (1.732 × 500) ≈ 1154 A  

비율은 이론상 1:2를 따른다.

• 애플리케이션 시나리오: 국가 핵심 네트워크에서 1000km 이상 거리를 이동하는 초장거리 전력 전송에 사용됩니다. 예를 들어 서부에서 동부, 북부에서 남부로 전력을 전송하는 경우입니다. UHV 전송은 500kV 시스템의 약 1/4 수준의 손실을 보입니다. 이러한 변압기는 정밀한 회전비 제어를 통해 다양한 국가 표준에 맞게 조정하여 국경을 넘는 전력 교환도 지원합니다. 대형 원자력 및 화력 발전소의 전력을 UHV 송전망으로 전송하는 데 필수적인 요소입니다.

V. 실용적 설계에 영향을 미치는 주요 요인

위의 회전비 및 전류비는 이론적 값입니다. 실제 트랜스포머 설계에서는 다음 요소를 고려하여 조정해야 합니다.

1. 부하 특성: 감산 부하(예: 모터)는 저전력 인덕턴스에서 발생하는 전압 저하를 보상하기 위해 저전압 측에서 더 많은 회전수를 필요로 합니다. 커패시티브 부하의 경우 과전압을 방지하기 위해 회전수를 줄여야 합니다.

2. 손실 감소: 코발트 손실(회로 저항 및 전류 제곱과 관련된 것)을 줄이기 위해 설계자는 절연성 유지에 유의하면서 도체 단면적을 늘리거나 회로 회전수를 줄일 수 있습니다.

3. 그리드 전압 조정: 전압 변동이 심한 지역에서는 회전비 조절 기능을 확장하고 규정된 단자 전압을 보장하기 위해 추가 탭 위치가 필요합니다.

4. 절연 등급: 고전압 측의 높은 절연 수준은 코너 간 거리를 더 크게 만들어 이론적인 코너 비율에 작은 편차를 유발합니다. 이러한 문제를 보정하려면 정밀한 전자기 계산을 통해 적용해야 합니다.

VI. 결론

다양한 전압 레벨에 따른 변압기의 회전비와 전류비는 기본적으로 전자기 유도 법칙을 기반으로 한 종합적인 설계의 결과입니다. 여기에는 전압 레벨, 정격 용량, 적용 시나리오 및 송전망 요건이 고려됩니다. 저전압 배전망의 1:25 회전비에서부터 초고전압 송전망의 2:1 회전비에 이르기까지, 변환비의 변동은 전력 송신의 거리, 용량 및 효율을 직접적으로 결정합니다.

실제 적용 시, 회전 비율의 정확한 설계와 전류 비율의 최적화는 전압 조절 장치, 절연 설계 등과 함께 수행되어야 합니다. 그리고 손실 제어는 다양한 부하 조건 하에서 안정적인 변압기 작동을 보장하는 데 필수적입니다. 이는 전 산업 체인 전반에 걸쳐 전력 공급에 대한 핵심 지원을 제공합니다.