[기술노트] HID 램프용 모듈형 디밍 안정기

HID 램프용 모듈형 디밍 안정기 ㈜삼립전기 (031)281-8020~2 / www.e-daco.net 개요 1. 도로조명 운행자가 적은 야간에도 도로조명은 꼭 필요하다. 야간에는 시각 정보가 부족하기 때문에 안정적이고 균일한 조명을 설치함으로써 사고율을 줄일 수 있다. 한 예로 미국과 영국의 경우에는 도로조명으로 인해 약 30%에서 70%까지 사고와 범죄율을 줄였다는 실험결과도 나왔다. 도로조명은 야간 시각 환경을 개선하고 운전자와 보행자에게 필요한 시각 정보를 제공하여 결과적으로는 야간의 도로교통을 안전하고 원활하며 쾌적하게 하므로 적절한 시공, 관리, 운용이 요구된다. 보행자와 운전자에게 있어 가장 적절한 도로조명은 평균 휘도(일정한 넓이를 가진 광원 또는 빛의 반사체 표면의 밝기를 나타내는 양)와 균제도(조도에 의한 빛이 균일한 정도)가 적절하고 글레어(조명도의 분포가 고르지 않아 순간적으로 대상을 잘 볼 수 없게 되는 현상)가 적은 조명이다. 또한 1994년 3월에 발효된 ‘기후 변화 협약’과 2006년 12월에 발효된 ‘교토의정서’에 따라, 전체 전력 사용량의 20%에 달하는 조명의 전력 절감을 줄여 온실가스를 줄이는 데에도 기여해야 한다. 2. 도로조명과 에너지 절감 조명 전력을 줄여 온실가스를 감소시키기 위해 격등하거나 부분 점등하는 등의 방법을 쓰기도 한다. 에너지 절감을 위해 가로등을 격등하거나 부분 점등하는 것은 일견 좋은 방법처럼 보인다. 하지만 실제1973년~1974년 영국에서 공공조명을 격등 실시했을 때는 오히려 야간 교통사고 사상자가 12% 증가하는 결과를 가져왔다. 교통사고 사상자에 대한 보험금, 차량 수리비 등의 사회적 비용이 전력 절감 비용의 16배 이상 소요되었으므로, 1975년부터는 아예 격등제를 폐지하게 되었다. 우리나라 역시 가로등을 격등 또는 부분 점등하는 도로가 많고 교차로의 조명 수준이 열악한 상태다. 비교적 높은 평균 휘도에, 때로는 지나치게 높은 곳도 많고 균제도도 매우 나쁜 편에 속한다. 글레어 역시 매우 심하며 차선의 개수, 도로 종류에 따른 다양한 배광과 소비전력 광원도 부족하다. 이에 따라 2007년 12월, 도로조명에 관한 KS기준이 개정되어 일률적이던 휘도 기준을 선진국과 같이 도로의 규모와 종류에 따라 차등 적용하기로 하였다. 기존의 주황빛 고압 나트륨램프에서 색온도와 연색성이 높은 백색광(메탈 할라이드램프)으로 광원을 전환하고, 조명기구로는 눈부심을 방지하고 후사광을 차단하기 위해 컷오프형 등기구를 사용하게 되었다. 또한 에너지 절감과 균제도 유지를 위한 반사 효율 및 배광이 좋은 등기구가 등장하였다. 안정기에는 에너지와 온실가스를 절감하기 위해 디밍(Dimming) 기능을 첨가하고 기구내장형 안정기(건식)와 전자식 안정기를 사용하기 시작했다. 본고에서는 디밍 기능을 갖춘 ㈜삼립전기의 ‘모듈형 디밍 안정기’ 제품을 소개하여 디밍 시스템이 에너지 절감에 어떤 효과가 있는지 알아보기로 한다. 디밍 시스템(Dimming System) 1. 개요 디밍 시스템은 점등 후 일정 시간이 지나면 디밍 모드로 전환하는 시스템이다. 옥외 조명, 도로조명에 주로 쓰이는 메탈할라이드 램프, 고압 나트륨 램프와 같은 고압 방전 램프로 디밍(Dimming)을 구현하여 통행량이 적은 새벽 시간대에만 낮은 전력으로 균제도를 유지함으로써 조명 시스템 본래의 목적과 전력절감, 온실가스 배출 감소, 농작물 피해 감소 등을 이룰 수 있도록 하였다. 2. 효과 디밍 운전시에도 균제도를 유지할 수 있으므로 격등으로 인한 사고율 증가 및 치안상의 위험을 막을 수 있으며, 저렴하면서도 검증된 방식으로 램프 수명에는 거의 영향을 주지 않는다. 통행이 많은 시간에는 100%, 통행이 적은 새벽 시간대에는 50%까지 절감 운전하여 전력을 줄이고, 타이머 내장형 디밍 안정기에는 일정시간이 지나면 전력절감 운전을 할 수 있도록 설계했다.(<그림 1> 참조) 이처럼 별도의 타이머, 점멸기, 유무선 제어 시스템과 연계하여 원하는 시간에 전력 절감 운전을 제어할 수 있게 하였다. 도로조명(가로등), 보안등, 공장, 연구소 등 산업시설과 공원, 간판, 주차장 등 적어도 일정 시간 이상 점등이 필요한 곳에는 어디에나 적용 가능하며, 투자 회수 기간이 빠르다.

3. 종류 ⑴ 모듈형 디밍 안정기 특수 자기식 안정기와 이그나이터 일체형 모듈형 디밍 스위치를 사용하여 2차측 전류를 제어함으로써 전력 변환 운전한다. 2~3스텝의 스텝 디밍으로 사용하며 현장 상황에 따라 다양한 시간대의 디밍 스위치 교체 사용이 가능하다. 중앙 제어시스템과 연계할 수 있으며 주로 150W 이상의 고용량 램프에서 사용한다. 최대 50%까지 디밍 운전이 가능하다. ⑵ 전자식 디밍 안정기 PWM 회로를 이용하여 2차측 전류 제어하며, 50%까지 연속으로 디밍 가능하다. 중앙 제어시스템과 연계할 수 있으며 150W 이하 저용량 램프에서 사용 가능하여, 주로 세라믹 메탈할라이드 램프에 사용한다. HID 모듈형 디밍 안정기 1. 친환경 모듈형 구조 ㈜삼립전기의 ‘HID 모듈형 디밍 안정기’는 입출력 전선에 커넥터가 채용되어 도구 없이 손쉽게 탈부착이 가능한 구조로 되어 있다.(<그림 2> 참조) 트랜스포머와 역율 개선 콘덴서에도 커넥터가 채용되어 모든 결선이 이그나이터 모듈 내부에서 이루어지며, 3색 LED를 채용하여 정상 작동 여부와 디밍 작동 여부를 정확하게 전달할 수 있다.

이렇게 커넥터 구조를 채용함으로써 수명이 다 된 부품만 교체가능하므로 자원을 재활용할 수 있어 친환경적이며, 유지보수 비용을 절감하여 경제성을 높였다. 탈부착이 가능한 입출력선만으로 안전하게 결선 작업을 할 수 있어서 안전사고 예방 효과도 있다. 유지보수 시 LED 확인 및 커넥터를 이용한 간편 교체로 편의성과 능률을 향상시켰다.

2. 기구 내장형 이 제품은 기구 내장형 타입(Built-in Type)으로 관련 펄스 전압 감소 및 전극 손상 방지 등 램프 수명의 단축 요인을 해소하였다. 차량, 바람에 의한 진동을 최소화하여 램프를 보호하고 감전사고 예방에도 효과적이다. 3. 전기적 특성 ⑴ 나트륨 램프용(NH 250W/150W) 디밍 안정기 ㈜삼립전기의 나트륨 램프용 디밍 안정기의 디밍운전 전후 전류와 전력을 비교해 보았다. <그림 4>와 같이, 디밍 후 150W 운전했을 경우 전류 0.792A, 전력 165.7W로 250W 100% 운전 시 전류 1.308A, 전력 285.1W와 비교하면 각각 60.5%, 58.1% 감소되어 약 42% 정도의 절전 효과가 있음을 입증하였다.

⑵ 메탈할라이드 램프용 디밍 안정기 ㈜삼립전기의 메탈할라이드 램프용 디밍 안정기의 디밍운전 전후 전류와 전력을 비교해 보았다. <그림 5>와 같이, 디밍 후 150W 운전했을 경우 전류 0.763A, 전력 162.9W로 250W 100% 운전 시 전류 1.256A, 전력 271.0W와 비교하면 각각 60.7%, 60.1% 감소되어 약 40% 정도의 절전 효과가 있음을 입증하였다.

4. 투자 회수 기간 모듈형 디밍 안정기는 기존의 안정기에 비해 초기 투자비용은 높지만, 투자 후 2년 이내에 투자금을 모두 회수하고 그 수 배의 이익을 낼 수 있다.(<그림 6> 참조) 5. 연간 효과 기존의 400W 가로등 1,000등을 모듈형 디밍 안정기 400W/250W(5시간 타이머)로 대체하면 <표 1>과 같은 결과를 낼 수 있다. 단, 이것은 단순히 안정기만 1,000개 교체하는 것으로 하루 평균 12시간 30분 점등, 점등 후 5시간 후 디밍한다는 조건을 전제하여 얻은 값이다. 가로등 전기요금은 55.3원으로 한국전력공사 2007년 4월 1일을 기준으로 하였으며, 발전량당 온실가스(CO2) 배출량 기준은 0.424TCO2/㎿h로 2005년 ‘기후변화협약 대응을 위한 중장기 정책 및 전략 수립에 관한 연구’를 참고한 것이다. 또한 전력의 석유 환산 톤 환산 계수는 0.215TOE/㎾h로 에너지관리공단 기후대책실 자료를 기준으로 하였다. <표 1>를 보면 기존 400W 가로등 1,000등 대비, 모듈형 디밍 안정기 400W/250W 1,000등을 사용한 경우 소비전력이 138,000㎾h 절감되어 약 24%의 에너지 절감 효과를 볼 수 있으며 23,257,800원의 전력비를 절감할 수 있다. 또 온실가스인 CO2의 배출량을 180톤 감소할 수 있으며, 94톤의 원유를 줄일 수 있다. 이 외에도 앞서 언급했듯 모듈형으로 안정기를 설치함으로써 설치 및 유지보수 비용을 절감하고, 따로 분리 배출할 수 있어 고장 또는 내용 수명 종료 해당 부품만을 폐기할 수 있으므로 친환경 효과도 얻을 수 있다.(<그림 7> 참조) 6. 적용 사례 및 마무리 ㈜삼립전기의 모듈형 디밍 안정기는 현재 여의도 KBS 별관 상업지구 도로에 설치 운전 중이다.(<그림 8> 참조) 이런 디밍 시스템이 장착된 안정기를 사용함으로써 야간의 도로조명을 효과적으로 이용할 수 있으리라 기대하며, 에너지 절감에도 크게 기여할 것으로 본다.