Ⅰ. 변압기의 용도

변압기(Transformer)는 전기기기 중에 제일 많이 또한 제일 널리 사용되고 있는 기기이며 송전(送電)계통이나 배전(配電)계통의 일부로서 교류전압을 승압하거나 강압하여, 경제적인 송배전(送配電)을 통하여 산업설비나 공장에 혹은 가정에 필요한 전압을 공급하는 용도로 사용됩니다.

발전소(수력, 화력 및 원자력 등)로부터 발전된 전력을 수용가까지 전달하기 위하여 요구되는 전압, 전류를 직접 보내려면 여러 가지 난점이 있습니다

즉, 낮은 전압으로는 필요로 하는 만큼의 대용량 발전기를 제작할 수 없으며, 그렇다고 해서 대전류가 흐르도록 송배전을 발전소로부터 수백 km 떨어진 전력 수용가까지 건설한다는 것은 더욱 큰 문제가 아닐 수 없습니다. 따라서, 이러한 전력을 경제적으로 보내기 위하여 여러 가지의 변압기를 각 송배전 단계에서 필요로 하고 있습니다.

우리나라에서 일반적으로 채택하고 있는 각 단계별 변압기는 다음과 같습니다.

먼저 발전소의 발전에 의해 11~25kV급의 전압을 발전시키며, 이 전압은 발전소용 체승 변압기(Step-up Transformer)로 66, 154 및 345kV로 승압하여 필요한 지역으로 송전선을 통하여 송전됩니다.

송전된 전압은 변전소에서 체강 변압기 (Step-down Transformer)를 통해 154kV 혹은 23kV급으로 강압시켜 배전선로와 연결되고, 따라서 공장 및 큰 빌딩에 전력을 공급하게 됩니다.

이와 같이 각 단계에서 여러 종류의 크고 작은 용량의 변압기가 사용됩니다.

 

 

Ⅱ. 변압기의 역사

전자유도의 발견

Michael Faraday(1791~1867)는 1820년 Oersted의 전류와 자석간의 상호현상, 1820년의 Arago의 실험 등에서 이 방면에 많은 관심을 가지게 되고, 비로소 근대 전기공학의 근본적 원리가 되는 전자유도의 법칙을 1831년 발견하였습니다.

이 발견의 결과, Strugeon에 의한 유도 코일의 발견, Masson에 의한 철심의 와전류를 경감하기 위한 리본(Ribbon)상의 박철판에 의한 성층 절연의 고안 등이 생기고, 1940년대까지는 변압기 탄생의 기초적 준비가 완료되었습니다.

변압기 역기전력

변압기의 발견자는 미국의 William Stanley입니다. 그는 “모든 전기회로에 있어, 마치 역학에 있어서의 작용과 반작용의 관계와 같이 한 회로에 기전력이 존재하면 반드시 역기전력이 발생하여 평형을 유지한다. 그리고 이 역기전력은 자석의 교번에 의해 만들어진다. 이 교번자속을 만드는데 필요한 암페어턴을 공급하기 위해 약간의 전류가 흐른다”고 생각하였고, 지금도 변압기의 이론에 이것이 사용되고 있습니다. 그 당시로서는 이것은 매우 뛰어난 생각이었습니다.

Stanley는 엷은 절연지로 철판을 절연 성층한 철심을 이용하여 현재와 같은 변압기를 여러 개 만들어 교류배전에 사용하였습니다. 이것이 교류 배전방식의 탄생이었으며, 이것을 기초로 하여 Westinghouse사는 1,000V로 3마일 송전에 성공하였고, 그 후 1,500V의 고압 송전도 하게 되었습니다.

이 당시에 변압기 절연유도 사용되고, 약 10년 후 규소강판이 공업적 규모로 제조되기 시작하여 현재 사용되는 변압기의 기본적 형태가 이루어졌습니다.

규소강판의 발견

Stanley가 처음 사용한 철심은 성질이 열화됨에 따라 점점 철손이 증가되었습니다. 이러한 불편은 영국의 Robert Hadfield가 규소강판을 발견함으로써 개선되었으며, 연이어 Hadfield는 망간강의 연구를 하여 자기적 성질을 개선하였고, 그 후에 독일의 Gumlich가 규소강판의 공업적인 생산을 하게 되었습니다.

미국 Westinghouse사는 1921년에 220kV급 변압기를 생산하게 됨으로써 규소강판의 획기적 사용의 기회가 되었으며, 규소강판은 근래까지도 자성재료로써 괄목할 만한 발전을 하고 있습니다.

열간압연 규소강판은 손실이 50Hz, 15,000 Gauss에서 3.1~3.6(W/kg)이었던 것이 냉간압연 규소강판의 사용으로 1.35~1.55(W/kg)로 저감되었고, 근래에는 고자속밀도 규소강판(Hi-B Core)의 사용으로 1.05(W/kg) 정도의 수준으로 제작되고 있을 뿐만 아니라, 또한 아몰포스(Fe-B-Si-Alloy)가 1980년에 개발되어, 현재는 저용량 변압기에 실용화되어 0.6(W/kg) 수준의 저손실 변압기를 만드는 획기적인 재료가 되고 있습니다.

국내 초고압 변압기의 발전

- 전력사업의 초기

우리나라의 전기사업의 기원은 1898년 1월 18일 구한 말 정부로부터 경영권을 얻은 미국인 콜 브란(H. Collbran)과 보스트 위크(H. R. Bostwik)가 “한성전기회사”를 설립한 후 부터라고 할 수 있습니다. 그러나 1905년 일본의 강요로 을사보호조약이 체결되고, 1906년에는 통감부가 설치됨에 따라서 한미회사들은 일본인의 정치 및 경제적 간계 밑에서 운영이 대단히 나빠져 1909년 6월 24일 한일척식주식회사에 170만원으로 매각되었습니다.

일본인들은 1914년 7월 제 1차 세계대전이 일어나자 전시호황을 타고 여러 개의 일본인 전기사업체를 신설하였지만, 그런 속에서도 순수한 우리민족 자본에 의하여 설립되고 운영된 것은 오직 “개성전기주식회사”로 1916년 4월에 설립되었습니다.

- 초고압 송전

1920년에 들어서는 원거리 송전기술이 발전되어, 1923년에 66kV 중대리(강원도) - 서울 간의 166.9km의 송전선이 완성되어 우리나라 특고압 송전의 문이 열렸으며, 1935년 10월에는 장진강 제2발전소 - 평양간에 154kV 200km, 평양 - 서울간 200km, 그리고 영월 - 대구간 170km가 건설됨으로써 초고압 송전이 이룩되었습니다.

1941년 6월에는 허천강 발전소에서 청진과 라남에 이르는 동양 최대의 220kV를 송전하게 되었고, 1941년 9월에는 수풍발전소에서 다사도, 평양, 진남포를 연결하는 220kV 송전선이 완성되었으며, 전력사업의 획기적인 발전은 1961년 7월 1일 “한국전력”이 창립되어 제1, 2차 전원개발 5개년 계획 (1972-1981년)을 추진하는 동안 초고압 계통의 확립은 물론 초고압기기의 국산화를 이룩하였습니다.

- 초고압 변압기의 국산화 개발

22kV급 변압기는 1959년 이천전기에 의하여 개발되었고, 1960년대 들어 국내산업이 형성되기 시작하여 전력수요가 증가하고, 154kV급 초고압 변압기는 효성중공업에 의하여 1969년 10월 국산화에 성공하였습니다. 또한 345kV급 변압기는 1978년 1월에 역시 효성중공업에 의하여 개발이 성공적으로 이루어져 국산화를 이룩하였습니다.

그리고 1992년 1월에는 765kV급 시험용 변압기가, 1996년 8월에는 765kV급 상용화용 초고압 변압기가 효성중공업에 의하여 국산화 개발에 성공하였습니다.