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고효율·친환경·자가진단을 고려한 전력용 변압기 기술 동향
2008년 6월 2일 (월) 23:50:00 |   지면 발행 ( 2008년 5월호 - 전체 보기 )

고효율·친환경·자가진단을 고려한 전력용 변압기 기술 동향두원공과대학_김세동 교수(031)670-7100 kimse@doowon.ac.kr도입가정이나 공장에 공급되는 전원은 교류이다. 교류는 직류보다 큰 전력을 먼 거리에 훨씬 경제적으로 전송할 수 있다. 또한 교류를 사용하면 변압기를 이용하여 전압을 쉽게 변화시킬 수 있으므로 전력의 전송 효율이 높아지게 된다. 따라서 교류전송방식에서 전력용 변압기가 널리 사용되고 있으며, 전기설비에서 전력용 변압기는 가장 중요한 기기라 할 수 있다.변압기 제조 기술개발은 지속적으로 진행되어 왔는데, 최근 환경보전, 에너지 절약형, 유지 보수 용이, 화재에 대한 안전성 및 Oilless화 된 변압기 개발이 필요하게 되었다.이와 더불어 고분자 재료의 현저한 발달에 따라 전기적, 기계적으로 우수한 에폭시 수지(Epoxy Resin)가 개발되었고, 이를 변압기에 적용하여 몰드변압기가 제조되었다. 현재는 몰딩 기술의 진보에 따라 6.6㎸급 뿐만 아니라 22.9㎸급까지 널리 적용되어 점차 고전압 대용량화와 소형·경량의 변압기가 생산되고 있다.또한 변압기 철심을 방향성 규소강판 변압기(G-9 또는 G-6) 대신 비정질 자성재료(Amorphous Metal)로 대체한 아몰퍼스 변압기가 상용화되어 왔다. 아몰퍼스 변압기는 무부하손을 일반 변압기의 1/5 수준으로 줄인 에너지절약형 신기술 변압기로 보급되고 있다.근래에 들어 방향성 전기강판 표면에 물리적 또는 화학적 특수처리를 가해 강판 내의 자구폭을 줄여 철손을 대폭 감소시킨 신소재 자구미세화 변압기가 개발되었고 고조파 내량, 환경 보전, 자가진단 기능 및 지능형 등을 고려한 전력용 변압기 기술도 개발 보급되고 있다. 본고에서는 최근에 개발되고 있는 고효율·친환경·자가진단을 고려한 전력용 변압기기술을 중심으로 소개하고자 한다.변압기 원리1. 전자 유도 작용

[그림 1] 전자 유도 현상변압기는 1882년에 프랑스의 고라와 영국의 집스라는 사람에 의해서 발명되었는데, 그 원리는 패러데이가 발견한 전자유도의 법칙을 응용한 것이다. <그림 1> (a)는 1차 코일에 직류로 전지를 연결한 것이며, 스위치를 뗐다 붙였다 할 때에만 전구가 점등될 뿐, 스위치를 붙여놓은 상태에서는 불이 들어오지 않는다. 이것은 스위치의 개폐에 의해 1차 코일에서 만들어지는 자계가 변화하고 그 때문에 2차코일을 통과하는 자력선이 변화해서 2차 코일에 유도기전력이 일어나기 때문이다. 이때 2차 코일에 발생하는 유도기전력의 방향은 렌츠의 법칙에 따른다.<그림 1> (b)에서 1차 코일에 교류전압을 가하면 스위치를 개폐하지 않아도 전구는 불이 들어온 채로 있다. 이것은 교류전압이 언제나 주기적으로 변화하기 때문이다. 이렇게 해서 1차 코일에 가한 교류전압을 2차 코일에 전할 수 있다. 그 사이를 중계하는 것이 자계(자력선)이다.

[그림 2] 변압기의 회로 구성실제의 변압기에서는 <그림 2>와 같이 얇은 규소강판을 겹쳐 쌓아 철심으로 하고 그 주위에 1차 코일과 2차 코일을 감는다.이와 같이 변압기의 기본 원리는 패러데이의 전자 유도 법칙(Faraday’s law of electromagnetic induction)과 렌츠의 법칙(Lenz’s law)으로 설명될 수 있다. 전자 유도 법칙으로 유도기전력이 발생하며, 렌츠의 법칙은 유도기전력의 방향을 결정한다.2. 동작 원리<그림 2> (a)는 변압기 회로를 나타낸 것으로 간단히 (b)와 같이 기호로 나타낼 수 있다. 1차 권선(Primary Winding)과 2차 권선(Secondary Winding)은 전기적으로 분리되어 있으나 자기적으로는 결합되어 있다.1차 권선에 교류전류를 흘리면 철심을 통과하는 자속이 변화하게 되어 전자 유도작용에 의한 유도 기전력이 2차 권선에 발생된다. 이때 유도기전력은 자기회로를 통과하는 자속의 변화 속도와 양쪽에 감겨 있는 권수에 따라 달라진다.1차측의 주파수를 일정하게 하면 2차측도 같은 주파수가 된다. 2차 권선수가 1차 권선수보다 적으면 2차 전압이 1차 전압보다 낮아진다. 반대로 2차 권선수가 많으면 1차 전압보다 2차 전압이 커진다. 전자를 강압기(Step-down Transformer)라 부르고 후자를 승압기(Step-up Transformer)라 한다.2차 권선에 흐르는 전류의 양은 연결된 부하에 따라 달라지며, 2차 전류에 의해 1차 전류가 달라진다. 변압기는 1차 권선에 공급된 전력을 최소의 손실로 2차 권선에 전달하는 전기기기다. 강압기인 경우 전압은 1차측이, 전류는 2차측이 크다.
전압, 전류, 권수 사이의 관계는 아래 공식과 같다. 이 식을 권수비(Turn Ratio) 또는 변압비(Transformer Ratio)라 부른다.
여기서 V1 = 1차 전압[V], V2 = 2차 전압[V], N1 = 1차 권선수[회], N2 = 2차 권선수[회], I1=1차 전류[A], I2 = 2차 전류[A]를 나타낸다.3. 자심의 종류와 특성코일 속을 텅빈 공간으로 두기보다는 철 같은 것을 넣으면 자속이 증가하여 인덕턴스가 커지게 된다. 그래서 대부분의 코일은 자심을 중공(中空)으로 하지 않고 규소 강판(철에 5% 이내의 규소(Si : 실리콘)를 혼합한 자심 재료), 퍼멀로이(Pemalloy : 철과 니켈의 합금으로서 투과율이 크고 우수한 자심 재료), 페라이트(Ferrite : 망간아연이나 니켈아연의 산화물을 가루로 한 다음 구워서 굳힌 것), 비정질 자성재료(Amorphous Metal : 철(Fe), 붕소(B), 규소(Si) 등의 혼합물을 용융(鎔融) 후 급속 냉각시켜 불규칙한 원자 배열을 갖도록 한 얇은 박판)(<그림 3> 참조), 자구미세화(방향성 규소 강판을 레이저 빔으로 가공, 분자구조인 자구(Domain)을 미세하게 분할함으로써 손실을 개선한 소재) 등을 코일 속에 넣어서 자속 밀도가 높아지도록 하고 있다.

[그림 3] 아몰퍼스 코어(3상 EVANS)고효율 변압기변압기의 주요 손실은 철손과 동손이며, 이와 같은 손실 발생을 최소화하기 위한 변압기 기술이 크게 진전되었다. 더욱이 에너지관리공단에서는 1999년 고효율 변압기를 고효율 기자재 인증품목으로 선정하고, 2007년 7월 23일 전력용 변압기의 고효율 인증기술기준이 포함된 ‘고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정’을 개정 고시했다. 전력용 변압기로의 적용 범위는 유입 일단접지 변압기는 100㎸A 이하, 유입 3상 변압기는 3,000㎸A 이하, 건식 3상 변압기는 3,000㎸A 이하인 것으로 한다. <표 1>은 건식 3상 변압기의 총 손실값(W)을 나타낸 것이다. 기준 부하율별에 따라 총 손실값을 규정하고 있는데, 용량별 부하율별로 다양하다는 것을 알 수 있다.앞으로 한전의 리베이트 제도 정비와 관련 업체의 인증 획득이 마무리되면 변압기 시장이 활성화될 것으로 예상하고 있다. 특히 대한주택공사의 경우 분양 아파트는 물론 임대 주택까지 주공에서 분양하는 모든 아파트에 고효율 변압기를 적용할 것으로 알려져 있으며, 공동주택의 고효율 인증 전력용 변압기 기준 부하율을 40% 적용하기로 결정한 것으로 보도되고 있다. 주공은 매년 분양과 임대를 포함하여 약 10만 세대의 공공주택을 공급해 왔으며, 700세대를 기준으로 1개 단지에 500㎸ 변압기 3대 사용을 기준으로 설계를 하고 있다. 또한 고효율 변압기 사용 확대를 통해 입주민의 전기요금 부담이 경감되도록 하였고 고유가에 따른 정부의 에너지절약 정책에도 부응할 것으로 기대하고 있다.고효율 변압기의 보급과 관련하여 업계 전문가들은 부하율 50% 이상일 때는 자구미세화(방향성 전기강판 표면에 물리적 또는 화학적 특수처리를 가해 강판내의 자구폭을 줄여 철손을 대폭 감소시킨 신소재, 일명 레이저 규소강판이라고도 함) 변압기가 아몰퍼스 변압기보다 상대적으로 원가 경쟁력은있으나, 50% 이하일 때는 아몰퍼스 변압기가 우위를 점할 것으로 내다보고 있다. 참고로 <표 2>는 소재별 몰드변압기 특성을 비교한 것이다.

[표 2] 소재별 몰드변압기의 특성 비교
비고 : 부하율 50%×12시간(08:00에서 20:00) + 부하율 0%×12(3상 500kVA 22.9kV/LV 기준)고효율 변압기의 활성화를 유도하기 위해서는 정부지원제도(공공기관의 사용 의무화, 세제지원 등)가 실질적으로 효과를 거둘 수 있는 보완 조치가 필요한 것으로 지적되고 있다.최근 전기설비에 사용되는 여러 가지 절연물질과 잔류성 유기오염물질, 기름 누설, 소음 등 환경 문제가 새롭게 대두되고 있어, 세계 여러 나라들은 전기ㆍ전자제품 생산 및 사후 처리에 대한 환경 규제 정책을 강화해 나가고 있다.중국은 2006년 7월부터 ‘유해 물질 사용제한지침(RoHS)’인 ‘전기전자제품 오염관리법’을, 유럽에서는 2006년 8월 31일부터 발효하고 있는 ‘폐전기전자제품 처리지침’ 등 세계적으로 환경 규제를 강화하고 있다. 여기에서 RoHS 규제 품목이란 중금속인 납, 카드뮴, 수은, 6가 크로뮴과 브롬계 난연제(PBB-폴리브로미네이티드 비페닐, PBDE-폴리브로미네이티드 디페닐 에테르)가 함유된 전기ㆍ전자제품을 말한다.전기기기 중에서 전력용 변압기 절연유로 많이 사용되는 PCBS(폴리염소화비페닐)와 같은 잔류성 유기오염물질은 인체에 축적되면 암을 일으키고 생식기에도 영향을 미치는 물질이기 때문에, 국제 사회는 PCBS로부터 인체와 환경을 보호하기 위하여 2001년 스톡홀롬 협약을 체결하고 2025년까지 국제적으로 사용을 규제하기로 하였다. 이에 따라 우리나라도 2015년까지 PCBS 사용을 근절하기로 방침을 정하고 있다. PCBS는 열적 안정성과 절연성이 우수하여 과거로부터 전력용 변압기 절연유 등에 많이 사용된 물질이다. 현재는 PCBS 대신에 광유나 실리콘유 등으로 대체된 상태다.앞으로 환경부에서는 변압기에도 환경마크 규격을 제정할 것으로 알려져 있는데, 이 환경마크 제도는 동일 용도의 제품 중 생산 및 소비과정에서 상대적으로 오염을 적게 일으키거나 자원을 절약할 수 있는 제품에 표시, 정확한 환경정보를 소비자에게 제공하고 기업에게 환경제품을 개발 생산하도록 유도하는 제도다.국내 기업 중에서 동방전기공업은 지난 2005년도에 VPI(진공압력 함침) 건식변압기를 한전 규격인정 품목에 등록하고 친환경상품진흥원에 친환경제품 대상으로 등록시켜 판매 중이다.신한전기공업도 H종 VPI 건식변압기를 시판 중이며, 고진공 및 고압력 상태에서 H종 이상의 수지를 함침하는 진공압력 함침기술에다 220℃까지 견딜 수 있는 절연지를 사용, 기계적 전기적 강도를 높인 것으로 알려져 있다. 사고 발생 시 변압기 화재 및 연소를 최소화시켜 주고, 급격한 기후 변화와 부하변동 요인에도 능동적인 대처가 가능하다고 한다.자가진단 및 지능형 변압기 진단기술변압기는 가장 대표적인 전력기기로서 전체 전력품질을 좌우하는 핵심기기다. 그만큼 고도의 기술력과 품질이 요구된다. 특히 설치 운전 중인 변압기에 대한 철저한 안전관리가 무엇보다도 중요하다.현재 유입변압기에는 다양한 진단기술이 개발 활용되고 있지만, 첨단 변압기로 분류되는 몰드변압기는 탁월한 성능에 비해 성능진단 기술이 미흡한 실정이다. 근래에 들어 한국전기연구원, 태광이엔시, 전력연구원이 공동 개발한 ‘몰드변압기 온라인 이상검출장치’는 운전 중인 몰드변압기의 이상을 상시 감시하고 이상 징후가 나타날 경우 신속하게 경보를 울리는 부분방전 검출센서 및 측정시스템이다.또한 중견 변압기 제조기업인 KP일렉트릭이 세계 처음으로 부분방전을 자가진단 가능한 몰드변압기를 개발한 것으로 보도되었다. 이 변압기는 부분방전 측정센서를 몰드 코일에 내장시켜 영구적으로 절연상태를 실시간 감시 및 진단할 수 있다.그리고 ㈜케이디파워는 제로인변압기를 장착한 지능형 수배전반을 보급하고 있다. 철판에 분자구조를 분산시키는 기술을 응용한 제로인변압기는 50% 부하율에서 아몰퍼스 변압기보다 효율은 0.55% 높고(아몰퍼스 98.22, 제로인 98.77), 소음은 20㏈(아몰퍼스 62㏈, 제로인 42㏈)이 낮은 것으로 알려져 있다. 이 수배전반은 또한 CDMA 무선망을 통한 그래픽 디지털 지능운전이 가능하고 컬러 LCD 터치스크린을 구분하여 ‘전력컨디션 그래픽시스템’을 구현했다. 이를 통해 전력컨디션 인디케이터, 전력밀도지수, 전기화재 예측, 전력안전계수 관리가 가능하다.난연-슬림형 변압기일반적으로 슬림형 변압기는 기기 점유면적 감소, 과부하내력, 내전압 성능, 절연지 허용 상승온도 및 절연지 수명 등이 표준형 변압기에 비해 우수한 것으로 알려져 있다. 또 표준형 변압기에 비해 중량 및 크기를 줄일 수 있고 기기 슬림화나 난연성능이 요구되는 장소에 적합하다. 특히 한전 슬림형 변압기는 <표 3>에서 보는 바와 같이 성능이 우수한 H종 절연지를 사용하기 때문에 A종 절연지에 비해 수명 특성이 11배 정도 우수한 것으로 보고되고 있다. 따라서 A종 절연지를 사용했을 때에는 적용 대상이 건물 구내 또는 지하 시설물 구내로 한정되어 왔으나, 최근에는 H종 절연지 사용 변압기를 번화가 지역 화재발생 시 안전 사고 및 민원발생 우려 개소, 지상기기 설치 반대 및 철거 요청 민원이 요구되는 개소 등으로 설치 확대하고 있다.

[표 3] 슬림형 변압기와 표준형 변압기 특성 비교
마무리전력용 변압기는 최초의 기기가 제작된 이후 현재에 이르기까지 약 100년, 교류 배전과 함께 발달해 왔다. 현재까지 변압기보다 효율적이고 경제적인 전력 변환기기는 생각할 수 없기 때문에 에너지 전송 형태로 앞으로도 계속 널리 사용될 것이다.변압기의 설계ㆍ제작 기술, 재료 및 시험ㆍ보수 기술 등 혁신적인 기술발전으로 오늘날 초고압 대용량 변압기가 만들어졌다. 이로써 대용량 송전이 가능해졌으며, 다른 한편에서는 소형에 손실이 적은 저소음 고효율 변압기를 시장에 공급하여 에너지 절약의 일익을 담당하고 있다.그러나 소비전력의 모든 것이 통과하는 변압기는 전력 손실의 발생뿐만 아니라 고조파 발생 부하의 대응, CO2 ·SO2 ·NO2 등 유해가스의 배출 등의 문제도 야기되고 있으므로, 앞으로 이와 같은 여러 가지의 문제점에 대응할 수 있는 기술개발이 요구된다.전력산업도 친환경을 고려하지 않으면 안되는 시대가 되었다. 발전에 필요한 원료(가스, 원유 등)를 이용하여 전기를 만들어 내는 것도 결국은 환경을 파괴하는 일이고, 연소과정에서 나오는 각종 물질도 친환경과는 거리가 멀다. 또 생산된 전기를 수용가에게 보내는 송전, 변전, 배전과정도 환경 문제와 직접적으로 관련되어 있다. 그리고 수용가에서 사용되는 많은 전기기기에서도 유해물질 등을 사용하고 있기 때문에 앞으로 친환경 전기기기의 기술개발을 통하여 차세대 핵심 산업으로 발전시켜야 한다.
김세동한양대학교 전기공학과 졸업, 한양대학교 전기공학 석사. 서울시립대학교 전기공학 박사. 한국건설기술연구원 수석연구원 역임. 한국전력공사 수화력건설처 근무. 현 두원공과대학 전기과 교수. 한국건축전기설비기술사회 부회장. 한국조명전기설비학회 북한전기에너지연구회장참고 문헌1) 고효율 변압기(고효율에너지기자재 보급 촉진에 관한 규정-산업자원부 고시 제2007-94호)2) 한국전기신문, ‘고효율변압기 기준 개정 100일…무엇이 달라졌나, 연말까지 새인증 획득 ‘마무리’...내년이후 활성화 전망’, 20007.11.153) 한국전기신문, ‘주공, 고효율변압기 확대 사용, 내년부터 공급되는 모든 아파트에...기준부하율은 40% 최종 결정’, 2007.12.204) 한국전기신문, ‘긴급진단-고효율 변압기 무엇이 문제인가, 아몰퍼스 코어 vs 자구미세화강판’, 2004.3.225) 한국전기신문, ‘아몰퍼스, 레이저 변압기 부하율별로 경쟁력 달라 공존가능성 높아 ’, 2007.11.146) 한국전기신문, ‘ABB, 고효율변압기 시장 선점 ‘주목’ 몰드변압기 5기종 고효율인증 잇따라 획득’, 2007.12.137) http://blog.naver.com/gootaeji/110026622779, 레이저코어 저소음 고효율 몰드변압기, 2008.4.28) 한국전기신문, ‘변압기 업체 PCBs 근절 한 뜻’, 2007.4.199) 한국전기신문, ‘고효율과 함께 친환경도 뜬다’, 2007. 11.2210) 한국전기신문, ‘H종 VPI 건식변압기’ 2005.1.311) 한국전기신문, ‘전력산업연구개발과제를 조망한다-변압기진단기술 신기원 개척’, 2004.10.2812) 한국전기신문, ‘세계 첫 부분방전 자가진단 몰드변압기 개발’, 13) 한국전기신문, ‘최신 지능형 수배전반 출시, 케이디파워, 세계 최초 제로인변압기 장착, 2004.1.1914) 한국전기신문, ‘난연-슬림형 변압기’ 활용도 제고

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