단권변압기는 왜 작고 효율이 좋을까 — 원리와 함정

단권변압기는 하나의 권선을 공통으로 사용하는 구조라서, 전압비가 크지 않은 계통 연계에서 경제성과 효율을 동시에 노릴 때 자주 거론된다. 기술사 시험에서는 보통 3권선 변압기와 비교하거나, 왜 초고압 계통 연계용으로 단권변압기를 많이 채택하는지 장단점을 논하라는 형태로 출제된다. 핵심은 전력이 전자유도에 의해서만 전달되는 것이 아니라 일부는 전기적으로 직접 전달된다는 점에 있다.

단권변압기란 무엇인가

단권변압기는 1차와 2차가 서로 절연된 별도 권선으로 나뉘지 않고, 하나의 연속 권선 일부를 공통권선으로 함께 쓰는 변압기다. 고압측 전체 권선과 저압측 일부 권선이 중첩되므로, 권선 재료량을 줄이면서도 필요한 전압 변환을 수행할 수 있다. 구조적으로는 분리권선 변압기보다 단순해 보이지만, 공통권선이 존재하므로 절연 협조와 사고 전류 검토는 오히려 더 세심하게 접근해야 한다.

전압비가 1에 가까울수록 단권변압기의 장점이 두드러진다. 그래서 345/154 kV, 154/66 kV처럼 계통 간 전압 변환이나 대용량 연계용 주변압기에 많이 적용되며, 경우에 따라 제3권선을 두어 무효전력 보상기기나 3고조파 전류 경로를 마련하기도 한다. 반면 1차와 2차가 전기적으로 이어져 있으므로, 절연형 변압기처럼 계통을 완전히 분리해 주는 역할은 기대할 수 없다.

한 권선으로 전압이 바뀌는 까닭

단권변압기의 작동은 전자유도와 도전 전달이 함께 일어난다는 점으로 설명하면 이해가 쉽다. 전체 권선에 전압을 가하면 자속이 형성되고, 권선의 일부 구간에서 권수비에 따라 필요한 전압이 유기된다. 동시에 공통권선 구간은 1차와 2차가 직접 연결된 통로가 되어 일부 전력이 전기적으로 바로 넘어가므로, 분리권선 변압기보다 같은 용량을 더 적은 권선 재료로 처리할 수 있다.

전류 관계도 단권변압기의 특징을 잘 보여 준다. 직렬권선에는 고압측과 저압측 전류의 차에 해당하는 전류가 흐르고, 공통권선에는 양측 전류가 중첩된 형태로 흐른다. 이 때문에 권선 전체가 정격전력을 모두 유도 방식으로 담당하는 것이 아니라, 전압차에 해당하는 부분만 변압기 작용으로 처리하게 된다.

실무에서 중요한 포인트는 누설리액턴스가 비교적 작게 형성되기 쉽다는 점이다. 이는 전압변동률과 효율 면에서는 유리하지만, 단락사고 시 임피던스가 낮아 고장전류가 크게 나타날 수 있음을 뜻한다. 따라서 단권변압기는 단순히 경제적인 기기라기보다, 계통 단락용량과 보호협조까지 함께 묶어 검토해야 하는 설비라고 보는 편이 맞다.

권수비와 전압 관계 계산

단권변압기의 경제성을 설명할 때는 전압비 k를 사용한다. 여기서 k = V_L / V_H 이며, V_H는 고압측 정격전압, V_L는 저압측 정격전압이다. 두 권선이 완전히 분리된 변압기에 비해 필요한 권선 재료량은 대체로 1 – k 에 비례하고, 같은 권선량을 기준으로 한 단권변압기 용량 증대비는 1 / (1 – k) 로 정리할 수 있다.

또한 자기적으로 변환되는 용량은 S_m = S_auto × (1 – k) 로 놓는다. S_auto는 단권변압기 정격용량[MVA]이고, S_m은 실제 변압기 작용으로 처리되는 내부 변환용량[MVA]이다. 나머지 S_auto × k 는 공통권선을 통한 도전 전달분으로 이해하면 되므로, 전압비가 1에 가까울수록 유도에 의해 처리해야 할 비율이 작아진다.

예를 들어 345/154 kV, 200 MVA 단권변압기를 가정해 보자. k = 154 / 345 = 0.446 이고, 내부 변환용량은 S_m = 200 × (1 – 0.446) = 110.8 MVA가 된다. 즉 외부에서는 200 MVA를 주고받지만, 권선과 철심이 전자유도 방식으로 담당하는 용량은 약 110.8 MVA 수준이며, 권선량 비율도 1 – k = 0.554 정도이므로 분리권선 변압기와 비교하면 이론적으로 약 44.6%의 권선 재료 절감 여지가 생긴다.

항목	식	계산값
전압비	k = V_L / V_H	154 / 345 = 0.446
내부 변환용량	S_m = S_auto × (1 – k)	200 × 0.554 = 110.8 MVA
용량 증대비	1 / (1 – k)	1 / 0.554 = 1.81
권선 절감률	k × 100	44.6%

위 계산은 단권변압기가 왜 대용량 계통 연계에 유리한지 수치로 보여 준다. 다만 이 절감 효과는 전압비가 가까울수록 커지므로, 전압 차가 큰 곳에서는 기대 이점이 작아지고 절연형 변압기의 장점이 다시 부각된다. 답안에서는 식만 적기보다, 어떤 항이 경제성으로 연결되는지 한 줄 덧붙여 주는 편이 설득력이 높다.

장점과 단점은 무엇일까

장점은 분명하다. 같은 용량 기준으로 권선 재료와 철심 사용량을 줄일 수 있어 소형·경량화에 유리하고, 동손과 누설리액턴스가 감소해 효율과 전압변동률도 대체로 좋아진다. 설비 규모가 큰 초고압 변전소에서는 이런 차이가 제작비, 운반성, 설치공간, 손실비용까지 연쇄적으로 영향을 주므로 단권변압기의 채택 가치가 크다.

반대로 단점도 명확하다. 1차와 2차가 전기적으로 절연되지 않으므로 계통 간 절연 분리 효과가 없고, 고압측 이상전압이 저압측으로 전달될 우려가 있다. 또한 임피던스가 작아 단락전류가 커지기 쉬워 차단기 정격, 모선 강도, 보호계전기 협조를 더 엄격히 따져야 한다.

적용 측면에서는 송전계통의 전압 연계용 주변압기, 대용량 계통 연계용 변압기, 기동보상용 탭 변환기 등에 많이 쓰인다. 반면 수용가 보호나 절연 분리가 중요한 장소, 또는 전압비가 매우 큰 변환에는 적합성이 떨어진다. 결국 단권변압기는 무조건 경제적인 기기가 아니라, 전압비와 절연 요구조건이 맞을 때 강점을 발휘하는 선택지라고 정리할 수 있다.

사용할 때 따져야 할 점

단권변압기를 적용할 때는 먼저 절연 협조를 점검해야 한다. 공통권선 구조 때문에 서지와 지락 시 전위 상승이 저압측에 어떤 방식으로 전달되는지 검토해야 하며, 필요한 경우 피뢰기 배치와 중성점 접지방식을 함께 보완해야 한다. 제3권선을 두는 경우에는 고조파 순환, 무효전력 기기 접속, 불평형 완화 측면의 역할도 같이 살펴보는 것이 좋다.

다음으로 단락용량 증가에 대한 계통 검토가 필요하다. 단권변압기 채택으로 고장전류가 커지면 차단기 교체나 계전정정 변경이 뒤따를 수 있으므로, 기기 단품 가격만 비교하면 판단이 어긋나기 쉽다. 실무에서는 오히려 이 부분이 경제성 검토의 쟁점이 되는 경우가 적지 않다.

운전 중에는 탭 절환 범위, 순환전류, 냉각방식, 공통권선 온도상승을 함께 관리해야 한다. 특히 병렬운전 시 임피던스 차이나 탭 위치 불일치가 전류 불평형으로 이어질 수 있으므로, 계통 운전조건까지 포함한 종합 검토가 필요하다. 시험 답안에서도 장점만 길게 적기보다 보호와 절연의 불리점을 균형 있게 적어야 완성도가 올라간다.

단권변압기의 핵심 정리

단권변압기는 하나의 연속 권선 일부를 1차와 2차가 공통 사용하므로, 전자유도와 도전 전달이 함께 이루어지는 변압기다. 전압비가 1에 가까운 계통에서는 권선 재료 절감, 고효율, 소형화 측면에서 매우 유리해 초고압 연계용으로 널리 쓰인다. 반면 절연 분리가 되지 않고 단락전류가 커지기 쉬워 절연 협조와 보호계통 검토가 필수다. 시험에서는 전압비 k, 내부 변환용량 S_m = S_auto × (1 – k), 장단점 비교를 한 흐름으로 정리하면 답안이 안정적으로 구성된다.