변압기 종류 — 유입식·건식·몰드형 선정

변압기는 한번 잘못 선정하면 설치 후에 바로잡기가 거의 불가능합니다.
건물 내부에 유입식 변압기를 넣었다가 소방법 위반으로 교체 명령을 받은 사례가 실제로 있습니다.
그만큼 설치 환경을 먼저 보고 종류를 정해야 하죠.
오늘은 현장에서 쓰는 변압기 종류별 구조와 냉각 방식, 설치 환경에 따른 선정 기준, 용량(kVA) 계산까지 정리해보겠습니다.

변압기란? — 전압을 바꾸는 정지형 전기기기

변압기(Transformer)는 전자기 유도를 이용해 교류 전압을 필요한 크기로 높이거나 낮추는 정지형(회전부 없는) 전기기기입니다.
공장·건물에서는 수전한 고압(22.9kV 등)을 설비가 쓰는 저압(380/220V)으로 낮추는 데 주로 쓰입니다.
전력 설비의 길목마다 빠지지 않는 핵심 기기죠.

변압기는 절연·냉각을 무엇으로 하느냐에 따라 종류가 갈립니다.
기름으로 절연·냉각하는 유입식, 공기로 식히는 건식, 수지로 권선을 감싼 몰드형 등이 있고, 설치 장소(옥내·옥외)와 화재 위험, 유지보수 조건에 따라 선택이 달라집니다.
아래에서 종류별 구조와 용량 선정까지 정리합니다.

변압기의 작동 원리는 아래 포스팅에서 더 자세히 다루겠습니다.

변압기 종류 5가지

변압기는 냉각 방식과 절연 매체에 따라 크게 다섯 가지로 분류됩니다.
유입식(ONAN/ONAF), 건식 자냉식, 건식 풍냉식, 몰드형, 가스절연(SF6)형입니다.
각각 설치 장소, 화재 위험도, 유지보수 주기가 크게 다르므로 선정 전에 반드시 설치 환경과 용도를 먼저 확인해야 합니다.

국내 산업 현장에서 가장 흔히 접하는 것은 유입식(옥외 수전 설비)과 몰드형(빌딩·공장 내부)입니다. 소방법상 특수 장소(지하, 방화구획 내)에는 유입식 설치가 제한되므로 도면 설계 단계에서 건축 용도와 소방 규정을 반드시 확인해야 합니다.

유입식 변압기 : 구조와 냉각 방식

유입식 변압기는 철심과 권선을 절연유가 채워진 탱크 안에 담아 절연과 냉각을 동시에 처리합니다.
가격이 저렴하고 열 방산 능력이 뛰어나 대용량 수전 설비에 오랫동안 사용되어 왔습니다.

주요 구성 부품

유입식 변압기는 본체 탱크, 철심(Core), 1차·2차 권선, 부싱(Bushing), 컨서베이터(Conservator), 브리더(Breather)로 구성됩니다.
컨서베이터는 탱크 위에 달린 보조 오일 탱크로, 온도 변화에 따른 절연유 팽창·수축을 흡수합니다.
브리더는 외부 공기가 변압기 내부로 들어갈 때 습기와 먼지를 걸러주는 실리카겔 건조제 통입니다. 브리더 실리카겔 색깔이 파란색에서 핑크색으로 변하면 교체 신호입니다.

절연유 관리가 핵심

유입식 변압기 수명은 절연유 상태로 결정된다고 해도 과언이 아닙니다.
절연유가 열화되면 절연 내력이 낮아져 권선 사이 방전이 발생합니다.
절연유 내전압 시험(절연파괴전압, BDV)은 30kV 이상을 유지해야 합니다. 현장에서는 3~5년 주기로 절연유 샘플링 검사를 실시합니다.
수분 함량이 35ppm을 초과하거나 BDV가 25kV 이하로 떨어지면 절연유 교체나 재생 처리가 필요합니다.

건식 변압기와 몰드형 변압기 차이

건식 변압기와 몰드형 변압기는 모두 절연유를 사용하지 않아 화재 위험이 낮다는 공통점이 있습니다. 하지만 절연 구조와 적용 환경이 다릅니다.

건식 자냉식 변압기(ANAN)

권선을 에나멜 선으로 감고 절연 종이나 유리 섬유로 마감한 후 공기 대류만으로 냉각합니다.
구조가 단순하고 제작 비용이 저렴하지만 습도에 취약합니다.
습도가 높은 환경에서 권선 표면에 이슬이 맺히면 절연 성능이 급격히 저하됩니다. 따라서 습도가 높은 지하나 해안가 설비에는 적합하지 않습니다.

몰드형 변압기(Cast Resin Transformer)

권선을 에폭시 수지로 완전히 감싸(몰딩) 습기와 먼지, 부식성 가스로부터 완전히 차단합니다.
절연 등급 F급(155°C) 또는 H급(180°C)으로 과부하 내성이 강하고, 난연성이 뛰어나 소방법상 제한 구역에도 설치 가능합니다.
가격은 유입식 대비 1.5~2배이지만 유지보수 비용이 낮고 수명이 깁니다.

변압기 용량(kVA) 선정 계산법

변압기 용량을 너무 작게 선정하면 과부하로 수명이 단축되고, 너무 크게 선정하면 여자 전류에 의한 손실이 늘고 설치 비용이 높아집니다.
일반적으로 최대 부하의 70~80% 수준으로 운전하도록 용량을 선정합니다.

3상 변압기 용량 계산 공식

부하 용량(kVA) = 총 부하 전력(kW) ÷ 역률(PF)

예시: 전동기 합계 50kW, 조명·제어 10kW, 역률 0.85라면

부하 kVA = (50 + 10) ÷ 0.85 = 70.6 kVA → 표준 용량 75 kVA 또는 100 kVA 선정

수용률(Demand Factor)과 부등률(Diversity Factor)을 적용하면 실제 변압기 용량을 줄일 수 있습니다. 모든 부하가 동시에 100% 운전하는 경우는 드물기 때문입니다. 산업 현장에서는 수용률을 70~80%로 적용하는 경우가 많습니다.

변압기 용량을 실제 부하 데이터로 정확히 산출하는 4단계 계산 절차(수용률·부등률 반영, 표준 용량 매칭)는 아래 글에서 더 자세히 다룹니다.

특고압·고압·저압 변압기 구분

수전 전압과 배전 전압에 따라 변압기를 특고압용·고압용·저압용으로 구분합니다. 이 구분을 알아야 한국전력 수전 계약 방식과 수배전반 구성을 이해할 수 있습니다.

특고압 수전(22.9kV → 3.3kV 또는 440V)은 계약 전력 100kW 이상 대규모 수용가에서 사용합니다. 변전실에 특고압 변압기를 설치하고 1차 측에 22.9kV, 2차 측에 3.3kV 또는 440V를 출력합니다. 특고압 변압기는 대부분 유입식이며 변전실 전용 건물이나 전용 공간이 필요합니다.

저압 수전(220V/380V)은 계약 전력 100kW 미만 소규모 수용가에서 한전 주상변압기를 통해 공급받습니다. 이 경우 수용가 자체 변압기 설치 없이 분전반만 구성하면 됩니다.

공장 내부에서는 220V/380V를 24V DC, 110V AC 등 제어 전원으로 낮추기 위해 소형 제어 변압기(Control Transformer)를 사용합니다. 0.1~5kVA 소용량으로 배전반 내 DIN 레일에 설치하는 형태가 일반적입니다. 전선 굵기 선정과 마찬가지로 2차 측 부하 전류에 맞는 용량을 선정하는 것이 중요합니다.

결선 방식과 벡터 그룹 읽는 법

변압기 명판에는 반드시 벡터 그룹(Vector Group)이 표시됩니다.
예를 들어 Dyn11이라면 1차 측 델타 결선(D), 2차 측 성형 결선 중성점 인출(yn), 위상차 330°(11시 방향)를 뜻합니다.
이 벡터 그룹을 잘못 이해하면 병렬 운전 시 순환 전류가 발생해 변압기가 소손됩니다.

국내 주요 결선 방식

한전 배전 계통과 연계하는 수용가 변압기는 대부분 Dyn11(1차 △, 2차 Y-중성점 인출)을 사용합니다. 2차 측 중성점이 인출되어 있어 단상 부하와 3상 부하를 동시에 공급할 수 있고, 3상 4선식 배전이 가능합니다. 공장 내 저압 변압기 중 소용량 제어 전원용으로는 Yzn(지그재그 결선)을 사용해 직류 성분과 고조파를 억제하기도 합니다.

누전차단기 종류와 선정 방법에서 설명하듯, 변압기 2차 측 중성점 접지와 누전차단기 선정은 서로 연관되어 있습니다. 중성점 접지 방식(TT·TN·IT)에 따라 누전차단기 동작 특성이 달라지므로 변압기 결선 방식과 함께 검토해야 합니다.

변압기 %Z는 단락 전류 크기를 좌우하므로, 변압기 2차 측 차단기의 차단 용량(kA)을 정할 때 반드시 함께 검토해야 합니다.

변압기 설치·유지보수 실무 체크리스트

변압기는 설치 환경과 초기 시운전 절차가 수명에 직접 영향을 줍니다. 다음 체크리스트를 발주·시공·인수 단계별로 활용합니다.

자주 묻는 질문

몰드형 변압기와 건식 변압기 중 어느 것을 선택해야 하나요?

설치 장소가 지하, 병원, 백화점, 데이터센터처럼 소방법상 화재 위험 제한 구역이거나 습도가 높은 환경이라면 몰드형을 선택합니다. 일반 공장이나 창고처럼 환기가 잘 되는 건조한 실내라면 건식 자냉식이 경제적입니다. 예산이 허용되면 유지보수 편의성과 수명 면에서 몰드형이 장기적으로 유리합니다.

변압기 소음이 심한 이유는 무엇인가요?

변압기 소음의 주원인은 철심의 자기왜형(Magnetostriction)입니다. 교류 전압이 인가되면 철심이 미세하게 늘어났다 줄어들면서 주파수의 2배(100Hz)로 진동합니다. 소음이 갑자기 커졌다면 철심 체결 볼트 풀림, 냉각 팬 이상, 또는 절연유 열화로 인한 부분방전이 발생했을 가능성이 있습니다. 소음 레벨이 기준치(예: 1MVA 이하 60dB) 대비 5dB 이상 높아지면 전문 점검이 필요합니다.

변압기 병렬 운전을 할 때 조건은 무엇인가요?

병렬 운전 조건 세 가지 — ① 1차·2차 전압이 같을 것, ② 정격 용량 대비 임피던스 전압(%Z)이 같을 것, ③ 벡터 그룹이 같을 것. 이 세 조건 중 하나라도 맞지 않으면 순환 전류가 흘러 과열이나 소손으로 이어집니다. 특히 벡터 그룹을 다르게 병렬 연결하는 실수가 현장에서 간혹 발생합니다. 병렬 운전 전에 반드시 위상 확인 시험(Phase Rotation Test)을 실시합니다.

변압기 효율은 어떻게 확인하나요?

변압기 효율은 무부하손(철손)과 부하손(동손)으로 결정됩니다. 고효율 변압기는 철손을 줄이기 위해 방향성 전기강판(Hi-B 강판)을 사용합니다. 국내에서는 에너지효율 1등급(98.5% 이상) 변압기를 우선 선정하도록 권장하고 있으며, 에너지공단의 고효율 기자재 인증 목록에서 확인할 수 있습니다. 부하율 50% 운전이 많은 설비는 50% 부하 효율이 높은 제품을 선택하는 것이 실제 절감 효과가 더 큽니다.

변압기 임피던스 전압(%Z)이란 무엇인가요?

%Z는 단락 시 흐르는 전류를 제한하는 내부 저항 비율입니다. 일반적으로 배전용 변압기는 4~6%가 표준입니다. %Z가 낮을수록 전압 변동률이 작아 전압 안정에 유리하지만, 단락 전류가 커져 차단기 선정이 까다로워집니다. 차단기 차단 용량(kA)을 산정할 때 변압기 %Z를 기준으로 최대 단락 전류를 계산합니다.

변압기 명판 규격과 절연 등급의 국제 표준(IEC 60076) 표기 방식은 LS ELECTRIC 공식 사이트의 변압기 제품 자료에서도 확인할 수 있습니다.

본 글은 일반적인 기술 정보 제공을 목적으로 작성되었으며, 실제 설계 및 시공 시에는 반드시 자격을 갖춘 전문가와 상담하시기 바랍니다. 현장 조건과 법규에 따라 적용 방법이 달라질 수 있습니다.