13편 – 변압기의 온도상승과 냉각 방식의 이해

변압기는 전력 계통에서 장시간 연속 운전을 해야 하는 대표적인 장치이기 때문에 내부에서 발생하는 열을 어떻게 관리하고 냉각하느냐가 매우 중요한 요소가 된다.

 

 

변압기 내부에서는 동손과 철손이 지속적으로 발생하면서 온도가 상승하게 되고, 이 온도는 절연물의 노화와 성능 저하에 직결된다. 절연물은 일정 온도 이상에서는 급격하게 열화가 진행되기 때문에 변압기의 수명을 좌우하는 가장 중요한 요인 중 하나가 바로 온도상승이다. 일반적으로 변압기의 수명은 절연물의 수명이라고 말할 정도로 절연체가 받은 열적 스트레스가 전체 장치의 내구성과 안정성에 큰 영향을 미친다. 변압기의 온도상승은 보통 권선 온도상승과 유입유 온도상승으로 구분되며, 각각 규정된 허용 온도 범위가 있으며 이를 넘어서는 경우 변압기가 위험한 상태로 진입한다고 판단한다. 특히 권선은 직접적으로 전류가 흐르며 동손으로 인한 열을 가장 많이 받기 때문에 권선의 온도 상승을 제한하기 위한 냉각 기술이 필수적이다.

변압기의 냉각 방식은 변압기의 종류와 용량, 설치 환경에 따라 매우 다양하며, 크게는 자연냉각과 강제냉각의 두 가지 방식으로 나누어진다. 유입 변압기에서는 절연유가 열을 전달하는 핵심 매개체로 사용되는데, 이 절연유는 전기 절연 기능뿐 아니라 열을 흡수해 외부로 배출하는 냉각 역할까지 수행한다. 가장 기본적인 방식은 ONAN(유입자냉식 자연냉각) 방식으로, 내부의 절연유가 열을 받으며 자연 대류로 상부로 이동하고 외부의 라디에이터에서 자연 풍속과 외기 온도를 통해 식으며 다시 아래로 내려오는 구조를 가진다. 이 방식은 구조가 단순하고 고장이 적어 중소용량 변압기에서 널리 사용된다. 반면 고용량 변압기에서는 자연 대류만으로는 충분한 냉각이 어렵기 때문에 냉각팬이나 유류펌프가 추가된 ONAF(유입자냉식 강제풍냉) 또는 OFAF(유입자강제유냉식 강제풍냉) 방식이 사용된다. 팬을 이용해 라디에이터 쪽으로 강한 바람을 불어넣어 냉각을 강화하거나, 유류펌프를 사용해 절연유의 순환을 강제로 빠르게 하여 효율적으로 열을 방출한다. 이러한 강제냉각 방식은 냉각 효율을 크게 높여 변압기의 정격 용량을 더 키울 수 있으며, 고압 대용량 설비에서 필수적으로 적용된다.

 

냉각 방식의 차이는 단순한 운전 방식의 차이뿐만 아니라, 변압기의 장기적인 수명에도 매우 큰 영향을 미친다. 절연물은 온도가 6~8°C 상승할 때마다 수명이 절반으로 줄어드는 것으로 알려져 있으며, 이는 변압기의 운전 온도를 일정하게 유지하는 것이 얼마나 중요한지를 말해준다. 또한 변압기에는 ‘상승온도 보정’ 개념도 적용되는데, 사용 환경의 외기 온도나 계절 변화에 따라 허용 부하가 조금씩 달라지기 때문에 정격 부하를 초과한 과부하 운전이 가능한 경우도 있다. 예를 들어 겨울철처럼 외기 온도가 낮으면 냉각이 잘 되기 때문에 단기간 한시적으로 정격 이상의 부하를 운전해도 무방한 경우가 있다. 하지만 이는 반드시 제조사의 권고 범위 내에서 사용해야 하고, 온도 상승 한계는 절대 넘지 않아야 하며, 이를 제대로 관리하지 못할 경우 절연 시스템에 깊은 손상을 주어 변압기의 전체 수명을 빠르게 감소시키게 된다.

 

결국 변압기의 온도상승과 냉각 방식은 단순한 열 관리가 아니라 변압기의 안전과 신뢰성을 유지하는 핵심 기술이며, 전기기사 이론에서도 매우 중요한 시험 포인트다. 냉각 방식의 종류인 ONAN, ONAF, OFAF, OFWF 같은 용어들은 반드시 정확히 기억해두어야 하고, 변압기의 효율, 손실, 온도상승, 절연의 관계를 종합적으로 이해하는 것이 필요하다. 열 관리는 변압기 운전의 본질 그 자체라고 해도 과언이 아니며, 변압기의 수명과 안정성을 위해 가장 기본이자 필수적으로 체계적으로 관리해야 할 분야이다.