고압을 사용하는 생산 공장 등의 구내 저압 배전선 설비는 기존 적정하게 부하 배분하고 있지만 장기적으로 과부화가 걸릴 수 있는 상황을 가정해 신설 시 고압 장치 용량은 어느 정도의 여유를 가질 필요가 있다. 이에 초기 단계에서 설비 가동률을 억제하는 기능이 장기적으로 개선되지 않으면 과잉 설비 투자가 발생한다. 또한 급속한 기술 혁신과 제품 수명의 단축 등으로 생산 라인의 빈번한 변경이 실시되면서 변압기 가동률 또한 현저한 불균형에 의해 변압기 손실 증가 등의 문제가 발생하는 경우도 있다.

 

저압 조류 제어 장치의 필요성
변압기 가동률의 불균형을 개선하는 등 기존 설비를 유효하게 활용하는 하나의 방책으로서 변압기 병렬 운전이 있다. JEC-2200(변압기 관련 일본 규격)에 따르면,

① 모든 탭에서 변압기 비율이 동일할 것

② 위상 변위가 동일할 것

③ 모든 탭에서 단락 임피던스의 차이가 평균 1/10 이내

④ 정격 용량의 비율이 1:3 이내 등 병렬 운전의 조건이 기재돼 있다. 이러한 조건을 충족하지 않고 병렬 운전을 실시할 경우에는

이러한 현상에 의해 비효율적으로 변압기가 가진 능력을 충분히 발휘할 수 없다. 또한 병렬 운전 문제점으로서 단락 용량이 증대하거나 지락·단락 사고 시 보호 장치의 대책 등을 생각할 수 있기 때문에 대부분의 구내 전기 설비에서 변압기의 병렬 운전은 실시하지 않는다. 이에 기간 경과에 따른 부하 설비 변동 등에 대해 신속하고 유연하게 대응할 수 있는 변압기 및 저압선 등을 평균적으로 운용하고, 전기 설비 교체, 개수 공사의 회피에 목적을 둬‘저압 조류 제어 장치’를 새롭게 개발했다. 개발은 ㈜ 덴소 퍼실리티, 이시바시 기술사 사무소, 중앙 제작소와 공동으로 실시했다.

고압을 사용하는 생산 공장 등 구내에 있는 여러 대의 효율적인 변압기 운전 실현 개발을 목적으로 해‘저압 조류 제어 장치 ’시험기를 제작해 검증시험을 실시했다. 시험기를 ㈜덴소 본사 공장의 배수 처리 설비에 설치해 검증시험을 실시한 결과 변압기의 부하 전류를 무작위로 제어할 수 있는지 확인했다.
 

검증시험 개요｜<그림 1>은 시험 회로의 서로 다른 용량의 변압기 간에 시험기를 연결해 이하의 조건에 따라 실시했다.

 

·저압 조류 제어 장치...정지→기동
 

시험 결과｜‘저압 조류 제어 장치’시험기는 출력이 서서히 증가하도록 제어하며 기동을 시작한지 약 10초 후 변압기의 부하 전류가 거의 균등한 운전 목표대로 제어할 수 있다는 것을 보여줬다(<그림 2>참조). 또한 급격한 부하 변동은 기술적으로 제어가 가능하지만, 상품 가격을 포함한 종합적인 평가에서 메리트가 적다고 판단했기에 보상 기능은 생략했다. 이에 <그림 3>에서 볼 수 있듯이 폐수 처리 설비의 펌프가 기동할 경우 급격한 부하 변동 부분은 보상하지 않는다.

 

개발한 저압 조류 제어 장치의 외관을 <사진 1>, 주요 사양을 <표 1>로 나타냈다. 이 장치는 <그림4>처럼 공장에 설비된 여러 대의 변압기 저압 측에 연결한다. 그리고 부하측의 전류를 검출해 인버터 등의 전력 전자 기술을 활용하여 변압기의 부하 전류를 서로 융통시키면 어떤 전류도 제어할 수 있다.

다른 용량의 변압기도 적용 가능｜같은 용량뿐만 아니라 다른 용량 변압기에도 적용 가능하며, 변압기의 부하 전류를 무작위로 제어하는 것으로 일시적인 부하 증가에 대응 및 변압기 용량의 적정화에 효과가 있기 때문에 설비 투자의 억제를 도모하는 것이 가능하다.
기존 보호 설비를 유효 활용｜저압선 간의 접속에 따른 사고 파급을 방지하기 위해 한류 퓨즈(Currentlimiting Fuse : 지정된 한류 범위 내의 전류에 의해 용단되었을 때 높은 아크 전압이 발생하여 그로 인해 전류의 증가를 억제하고, 지속 시간을 짧게 하도록 동작하는 퓨즈. 한류 특성으로서는 통전 최대 전류, I2t 특성 등이 사용된다)에 의한 계통 분리 방법을 채택해 기설 보호 시설을 유효하게 활용할 수 있다.

대용량 조류 제어 가능｜직렬 인버터 방식을 채용해, 인버터 용량의 약 100배에 상당하는 부하 전류를 제어한다.

소형화에 따른 코스트 저감｜소용량 인버터에 조류 제어하는 방식을 채용하는 것으로 소형화에 따른 코스트 저감을 실현했다.

 

본 장치의 구체적인 적용 사례로는 가동률에 큰 불균형을 발생하는 변압기 사이에 적용 시 무작위로 변압기의 부하 전류를 조정함으로써 변압기 손실을 줄일 수 있다. 또한 일시적인 부하의 증가로 인해 변압기가 과부하 되는 경우도 있어 지금까지 변압기 교체 및 부하 설비의 연결 방식을 실시하고 있었지만, 본 장치를 설치한 시설 형태라면 이러한 교체·개수 공사를 방지할 수 있기 때문에 설비 투자 억제에 효과가 있다.

 

변압기는 일반적으로 과부하가 같은 경우 기존에는 변압기 교체 및 부하 전환 등의 공사를 실시했지만 이 장비를 적용할 시 변압기의 부하 전류(가동률)을 조정해 기존 시설을 유효하게 이용하는 것이 가능하다(<그림 5> 참조).

 

변압기를 신설 또는 교체하는 경우 기존에는 개별 배전선의 부하 용량에 변압기 용량을 검토하고 향후 부하 증가를 예상해 선정했지만, 본 장비를 적용할 경우 여러 변압기 전체 부하 용량을 검토할 수 있어 변압기 용량의 최적화를 통해 설비 투자의 억제를 도모한다(<그림 6> 참조).

 

 

변압기의 가동률(부하)이 현저하게 불균형한 경우, 변압기의 손실에 따른 전기요금 증가나 리스크 등이 발생해 비효율적인 운용이 이뤄졌지만 본 장치를 적용 시 변압기의 가동률(부하)을 적정화 해 효율적인 변압기로 운전하여 손실의 저감과 CO2 감소에도 효과가 있다(<그림 7> 참고).

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기존 변압기 설비는 부하 밸런스의 균형이 맞지 않아 경과 연수에 따른 부하 언밸런스가 발생해 비효율적인 운영을 하고 있는 생산 공장 등이 적지 않다. 이에 저압 조류 제어 장치의 도입이 유효한 대책이다.