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친환경 고효율 변압기를 통한 에너지절감 효과
2008년 6월 2일 (월) 23:59:00 |   지면 발행 ( 2008년 5월호 - 전체 보기 )

친환경 고효율 변압기를 통한 에너지절감 효과㈜효성 몰드변압기팀_문병철 팀장(02)707-7000 / www.hyosung.com개요국내 산업이 고도화·다양화되고 거대화됨에 따라, 전력의 소비가 급속하게 증가되어 수전 전력에 엄청난 수요가 발생하고 있다. 빌딩 및 공장 등 일반용, 산업용 전력의 수요가 증가되는 계절에는 전력 예비 보유율 유지가 어려운 상태다. 이에 따라 발전소 및 송·배전 계통의 전력공급 증설이 요구되면서, 한편으로는 발전량 증가에 따른 환경오염과 에너지원 고갈에 대한 문제를 함께 해결해야 노력이 시급한 실정이다.이를 해결할 수 있는 가장 이상적인 방법은 에너지를 절약하는 것으로, 에너지 절약에는 전력 사용자 의식변화와 불필요하게 낭비되는 손실을 줄이는 방법이 있다.일반적으로 발전에서 일반 수용가까지의 전체 전력손실 중 약 16%가 배전변압기에서 발생한다. 변압기의 손실은 크게 무부하손과 부하손으로 구성된다. 이 중 부하손은 부하율 제곱에 비례하며, 부하율에 따라 그 변압기의 손실 발생이 변화한다. 이에 반해 무부하손은 부하의 유무에 관계없이 발생되며 수전 중인 변압기에서 24시간 계속적으로 발생한다. 또한 이 무부하손은 부하 사용과는 관계없이 발생하는 불필요한 손실이므로 손실 평가를 부하손과는 다르게 해야 한다. 이와 같이 전체 손실 중 60~80%를 차지하는 부하손실 절감 또한 불필요하게 낭비되는 손실 절감에서 아주 중요해지고 있다.고효율 변압기는 전력변환장치로, 철심소재를 기존의 규소강판 대신 자구미세화 전기강판 또는 아몰퍼스 합금을 적용하여 무부하손(철손)과 부하손실(동손)을 기존 규소강판 변압기의 손실보다 30~50% 정도로 줄인 초절전형 변압기다.고효율 변압기의 기술 동향위에서 언급한 바와 같이 변압기의 손실은 무부하손과 부하손으로 구성되며, 고효율화를 위한 무부하손 절감은 철심(Core)기술의 개량, 부하손실의 절감은 권선기술의 개량에 의해 달성된다.

[표 1] 변압기 손실의 종류

1. 철심 기술의 개선철심에 자속을 통과시킬 때 발생하는 철손은 철심의 재질, 인가전압, 주파수에 따라 변화한다. 1955년대 방향성 전자강판을 이용한 권철심은 무부하손을 절감시켰으며, 결정 방위성을 높인 고자속 밀도방향성 전자강판, 표면 홈 공에 의해 자구를 세분화한 자구제어 방향성 전자강판으로 이어졌다. 최근엔 자구를 강제적으로 분할시켜 철손을 개선한 제품으로, 표면을 레이저 처리하거나 기어드 롤에 의한 기계적 방법, 화학적 방법 등이 사용되고 있다.

주) 알루미늄의 박판화 기술은 제조기술의 향상과 제조설비의 발달로 변압기의 경량화를 이룩했다. [그림 1] 알루미늄 박판화 기술2. 권선 기술의 개선권선 절연물의 박엽화(고강도 종이, 필름)나 고자속 밀도의 철심재료에 의한 소형화는 코일 도체의 단축과 손실절감에 기여한다. 권선 도체는 1965년대 전반 동재시황의 급등을 계기로 알루미늄화 기술이 개발되면서 현재의 주류로 발달됐다. 고효율화의 측면에서는 일부 알루미늄에서 동으로 바꾸어 권선저항을 줄인 방법도 실시되고 있다. 하지만 가장 중요한 것은 사용 장소 또는 부하의 종류에 따라 부하 특성에 가장 알맞고 경제적인 맞춤형 고효율 변압기 선택하는 것이다.3. 고효율 변압기의 에너지 절약 기준국내의 고효율 변압기 기준은 산업자원부 고시에 의거 「에너지이용합리화법」 제13조의 ‘고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정’에 따른 것으로, 이것은 고효율에너지기자재 보급을 활성화하기 위하여 일정기준 이상 제품에 대하여 인증하여 주는 효율 보증제도다. ⑴ 국내 고효율 변압기 인증 기술기준실질적인 에너지절감을 위하여 무부하손 저감뿐 아니라, 실부하 운전상태에서 부하손을 저감시킴으로써 총 손실(철손+동손) 측면에서 고효율화를 추구한 제품을 소비자가 선택할 수 있도록 기술기준을 제정했다.<표 2>는 지식경제부 고시 제2008-11호 ‘전력용 변압기 인증기술기준’에 의한 변압기의 총 손실값을 규정한 것이다. 또한 제2008-11호 ‘전력용 변압기 인증기술기준’에서 규정된 변압기 개정 내용은 다음과 같다.

[표 2] 지식경제부고시 제2008-11호 ‘고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정’에 따른 변압기의 총 손실값 규정
① 전력용 변압기의 기준부하율에서 각 용량별 효율은 다음 식으로 산출한다.
n: 기준부하율에서의 효율(%) m : 기준부하율(%) C : 정격용량(㎸A) Wt : 기준부하율에서 총 손실(W)② 유입변압기의 총 손실 및 효율을 제외한 허용 오차는 KS C 4306에 따른다.③ 전력용 변압기의 무부하손실 및 부하손실은 KS C 4311 또는 IEC 60076의 시험방법으로 측정하고, 기준부하율에서 총 손실은 다음 식으로 산출한다.
Wt : 기준부하율에서의 총 손실(W) Wi : 무부하손실(W) m : 기준부하율(%) Wc : 정격용량에서 부하손실(W)④ 전력용 변압기의 기준부하율은 다음 식으로 산출한다.
⑤ 전력용 변압기의 등가부하율은 다음 식으로 산출한다.
Pe: 등가부하율(%) P : 시간에 따른 부하율 T : 동일전력의 공급시간⑥ 고효율에너지기자재 인증 전력용 변압기는 등가부하율이 인증 기준부하율 범위 내여야 한다.

⒜ 레이저 고효율 몰드변압기
⒝ 규소강판 일반 몰드변압기[그림 2] 레이저 고효율 몰드변압기와 규소강판 일반 몰드변압기의 손실평가 비교⑵ 고효율 변압기의 에너지절약 효과일반 규소강판을 사용한 일반 몰드변압기에 비해 레이저 코어를 사용한 고효율 몰드변압기가 초기 투자비용은 상대적으로 높지만, 장기적(Life Cycle)관점에서 전력 손실 절감으로 인한 비용적인 측면에서는 이익이 된다.변압기 구매 시 제품 구매 발생 비용과 Life Cycle을 기준으로 한 운전비용(전력요금)을 합하여 변압기 가격을 평가한다. 이것을 총 구매비용(TOC/Total Owning Cost)으로 환산하는 것은 사용자가 구매 결정을 하는 데 있어 중요한 기준이 된다.손실평가(Loss Capitalization/TOC) = 최초 변압기 구매가격 + (부하손+무부하손)평가금액

[표 3] 3P 1,000㎸A 22.9㎸/380-220V 몰드변압기
[표 4] 부하사용 패턴에 따른 일일 평균 사용 부하량
[표 5] 부하사용 패턴에 따른 전력요금 비교표
<표 3>, <표 4>, <표 5>는 3상 고효율 몰드변압기의 전력요금 절감 사례를 나타낸 것이다. 부하의 사용패턴에 따른 일일 평균 사용 부하량에 따라, 고효율 몰드변압기 사용 시 전력요금은 일반 몰드변압기 사용 대비 평균부하율 67%(Case 5) 정도로, 연간 약 370만 원(전기요금 기준 110원/㎾H)의 전기요금을 절약할 수 있다.⑶ 고효율 변압기의 전력량 및 CO2, 요금 삭감 계산실제 에너지절약 효과는 부하설비의 운전 상황(부하율) 등에 따라 다르므로, 이용하는 부하설비의 운전상황에 맞게 변압기를 선정할 필요가 있다. 특정기기 변압기 도입에 의한 에너지절약 효과는 연간 운전 손실량(㎾h/년)을 바탕으로 전력량 요금 절감액과 환산계수를 곱하여 CO2 배출 삭감 효과를 구한다.전력량 절감과요금 절감, CO2 배출 삭감 효과의 계산식은 다음과 같다. 소비에너지(㎾h/년) 절감 효과 = (Wt1 - Wt2)운전손실 절감액(원/년) = (Wt1 - Wt2) × Yn = [(W11 - W12 ) + Pe²× (Wc1 - Wc2)] × YnCO2 배출 삭감량(kg/년) = (Wt1Wt2) × Qn Wt1, Wt2 : 연간 소비에너지(㎾h/년) W11, W12 : 무부하손(㎾) Wc1, Wc2: 정격 운전 시 부하손(㎾) Pe : 평균 가부하율 Yn : 전력량 요금(엔/㎾h) Qn : CO2 배출계수 0.378㎏ CO2/㎾h※ 이 식은 일본의 ‘2002년 지구온난화 대책의 추진’에 관한 법률을 참고한 것이다.⑷ 투자회수설비투자의 회수는 투자액(설비 구입비, 기기류의 교체공사비 등), 운전비용(변압기 손실에 따른 소비전력량 요금, 유지 보수비 등) 그리고 금리, 감각비(잔존평가액) 등을 고려하여 검토해야 한다. 같은 용량이라도 각 연대별로 기기의 소비전력량에는 차이가 있으며, 연대를 거슬러 올라갈수록 손실이 크기 때문에 운전비용은 고액이 된다.효율이 좋은 고효율 변압기로 교체하면 경제적인 효과가 크다. 변압기는 일단 설치하면 기기의 성질상 사용기간이 20년 이상 장기적으로 되기 때문에 시간이 흐를수록 경제적 효과도 커진다.1. 신규 설비의 경우투자 회수년 = 일반 제품과 고효율 제품의 초기투자 차액/연간운전비용 개선액2. 설비 교체의 경우투자 회수년 = 고효율 제품의 최기투자액/연간 운전비용 개선액4. 고효율 변압기의 보급을 위한 방법⑴ 고효율기자재 의무사용① 지식경제부 장관은 ‘고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정’ 제3조에 의해, 적용대상 기관의 장(長)에게 고효율기자재를 신규 및 교체수요 발생 시에 의무적으로 사용할 것을 요청할 수 있다.② 지식경제부 장관은 고효율기자재의 구매를 촉진하기 위하여 제3조의 규정에 의한 적용대상 기관의 장에게 구매를 위한 필요한 관련 규정의 정비와 예산의 반영을 요청할 수 있다.③ 제3조의 규정에 의한 적용 대상기관의 장은 우선 구매 등을 통하여 고효율기자재를 사용하도록 적극 노력해야 한다.⑵ 고효율기자재 보급촉진을 위한 지원① 지식경제부 장관은 고효율기자재의 보급촉진을 위하여 다음에 해당하는 지원 등 필요한 조치를 할 수 있다. ㄱ. 에너지이용합리화자금의 융자우대 ㄴ. 고효율기자재에 대한 홍보 및 정보 제공 ㄷ. 전력산업기반기금의 지원 (삼상 변압기의 절감전력 ㎾당 50만원 지원 : 한국전력공사 홈페이지 참조) ㄹ. 기타 보급촉진을 위한 조치② 지단 이사장은 ‘중소기업기본법’에 의해 중소기업을 지원하기 위하여 예산의 범위 내에서 시험 수수료를 지원할 수 있다.마무리우리나라 에너지 사용량은 세계 10위 수준이며, 2006년도 에너지 수입액은 856억 달러로 전체 수입액의 27.7%를 차지했다. 이것은 반도체와 자동차 수출을 합한 금액보다도 많은 수준이다.21세기는 자원이 국력과 직결되므로 에너지는 곧 안보란 말까지 나오고 있다. 또 교토의정서 채택 등으로 온실가스 감축의무 부담도 가중되고, 기름 값이 천정부지로 뛰고 있지만 좀처럼 상황은 개선될 기미가 보이지 않고 있다. 고유가 시대 진입, 높은 에너지 해외 의존, 국제 환경규제 등은 우리에게 경제적으로 막대한 부담을 주고 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 정부에서는 다양한 에너지 효율 향상 과제를 수행 중이다. 국가적인 차원에서 에너지절약을 실천하기 위해서는 산업·수송·건물·기기 등 4대 부문의 에너지 효율 향상이 함께 이뤄져야 한다고 전문가들은 지적한다. 이 중에서 각종 전기제품의 에너지 효율 향상이 핵심으로 꼽히는데, 이는 근본적으로 에너지를 절감할 수 있는 가장 효과적인 부문이기 때문이다.지금까지 사용해 온 많은 기기들은 ‘전기 먹는 하마’로까지 불려왔다. 제품 개발에 있어 효율은 전혀 고려대상이 아니었다는 반증이다.지식경제부와 에너지관리공단 등에서는 각종 전기 장치의 에너지 효율을 높이기 위해 현재 ‘고효율에너지기자재인증제도’와 같은 효율 관리 제도를 운영 중에 있다. 이 제도들의 장점은 사용자가 단순히 제품의 가격만을 평가하는 것이 아니라 변압기의 효율을 동시에 평가함으로써 가격과 품질이 우수한 제품을 구매할 수 있다는 것이다. 이로 인해 고효율 변압기 제조업체의 기술개발과 품질 향상을 유도 할 수 있을 것으로 기대된다.

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