일본은 '에너지 사용의 합리화에 관한 법률(에너지 절약법)'을 1999년 4월에 근본적으로 개정하면서 '톱 러너Top Runner'방식을 도입했다. 톱 러너 방식이란, 일본 내 현시점에서 에너지 효율이 가장 높은 제품을 기준으로 삼아 동종의 다른 생산 업체가 일정한 목표 시기까지 이 기준에 이르도록 의무화한 제도다.
전기 · 전자제품, 자동차 등 에너지 효율을 개선할 경우 큰 에너지 절약이 기대되는 품목을 대상으로 했으며, 변압기도 여기에 포함됐다.
일본 내 변압기 생산 업체는 톱 러너 도입으로 지구온난화 방지에 일조할 뿐만 아니라 신규 수요 창출로 변압기 시장이 활발해질 것을 기대하고 에너지 절약형 신기술 개발에 적극 나서고 있다.
일상생활은 물론 모든 산업 분야에서 빠질 수 없는 전력은 편리하긴 하지만, 에너지 대량소비로 이어져 지구온난화를 가속화시킨다. 또한, 고도 정보화 사회로 변함에 따라 전력 공급에 대한 신뢰성과 질적 향상을 요구하는 목소리가 최근 더욱 높아졌다. 이러한 요구에 대응하는 방법에는 평소 적확한 보수와 점검을 통해 성능을 유지하고 사고를 미연에 방지하는 것이 있다.
전력 공급의 일익을 담당하는 변압기는, 2003년 4월 일본 에너지 절약법 개정에 따라 고압 배전용 변압기가 특정 기기(톱 러너 방식) 대상에 포함되면서 큰 변화를 맞았다.
본고는 배전용 변압기(삼상 3000㎸A, 6㎸급 이하)의 동향과 도입사례 그리고 예방보전을 소개한다.
배전용 변압기의 동향
변압기 구조와 역할｜변압기의 구조는 전기기기 중에서도 비교적 단순해 자로磁걟를 구성하는 철심과 전로電걟를 구성하는 코일로 이뤄진다. 유입 변압기와 몰드 변압기의 구조는 <그림 1, 2>와 같다.
변압기의 중요 특성 중 하나인 절연성은 권선 상호 간, 권선과 철심 · 탱크(용기) 간 등의 절연 강도가 높아야 하며, 각각 허용 온도를 만족한 절연 재료를 사용한다. 유입 변압기의 경우, 절연물에 절연유를 함침시키거나 반대로 절연물을 절연유 속에 가라앉히면 절연 강도는 비약적으로 늘어난다.
변압기의 변천｜변압기를 일본에서 생산한 지 1세기가 넘었다. 그동안 시대 요구에 따라 기술 혁신도 진보의 길을 걸었다. 1975년경부터 탱크의 냉각 효과에 뛰어난 파형 리브Rib를 도입해 소형, 경량화가 이뤄졌다. 그러나 앞으로는 여기에 에너지 절약을 강조한 톱 러너 대응 변압기가 주류를 차지할 것이다. <그림 3>은 최근 50년 동안의 변압기 변천 과정을 나타낸 것이다.
  
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변압기의 톱 러너 방식｜톱 러너 방식이란 '지구온난화의 원인인 이산화탄소(CO₂) 배출을 억제하기위해, 가까이에서 사용하는 기기의 에너지 절약 성능을 크게 높이고자 하는 프로그램'이다. 에어컨, TV, 복사기, 컴퓨터, 자동차 등 11품목이었던 것이 2004년 4월, 산업용 전기기기로는 처음으로 배전용 변압기와 스토브, 온수기, 자동판매기 등 7품목을 추가했다.
현재 일본 내 배전용 변압기의 가동 대수는 모두 약 270만 대이며, 손실은 약 165억㎾h, 손실이 너무 커 경신 시기를 맞이했다고 판단되는 변압기가 약 40만 대 있는 것으로 조사됐다. 이러한 변압기를 톱 러너 변압기로 바꾸면 큰 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다.
 톱 러너 변압기의 대상은 단상 500㎸A 이하, 삼상 2000㎸A 이하 표준품이다. 또한 변압기가 발생하는 손실, 즉 에너지 소비 효율은 무부하손과 부하손을 더한 전 손실(W)로 하며, 부하손은 부하율에 따라 변하므로 용량에 따라 기준 부하율이 정해져 있다(<그림 4> 참조).
에너지 소비량의 목표 기준치를 만족하는 변압기로 경신한 경우, <그림 6>에서 보듯이 약 30%의 개선 효과가 있으며, 구 JIS품(1980년 이전에 제작한 변압기)일 경우 약 60%로 상당히 큰 효과가 있다.
표준 연도는 유입 변압기가 2006년 4월, 몰드 변압기가 2007년 4월 출하 분부터 적용됐으며, 표준 연도 이후 제작 업체가 표준 기준치를 만족하지 못할 경우에는 회사명을 밝히는 등 벌칙을 부과한다.
현재 제작 중인 변압기의 에너지 소비 효율은 <그림 7, 8>과 같다. 유입, 몰드 변압기 모두 현행 JIS · JEC품 및 JEM 고효율 제품은 톱 러너의 목표 기준치를 통과하지 못했으나 히타치[日立]가 제작한 어모퍼스 변압기와 타사의 슈퍼 고효율 변압기 등은 이미 목표 기준치를 통과했다.
향후 주류가 될 톱 러너 변압기로 보급을 촉진하고자 제조업자는 한층 더 높은 고효율 변압기를 목표로 기술 개발을 가속화하는 동시에, 조기 보급에도 힘써야 한다. 한편, 사용자에게는 톱 러너 변압기에 대한 이해와 빠른 운용이 필요하다.
 높은 에너지 절약(초고효율) 변압기 도입 사례
앞서 소개한, 이미 톱 러너 목표 기준치를 통과한 높은 에너지 절약 변압기 'Super 어모퍼스'를 도입해 큰 에너지 절약 효과를 올린 사례를 소개한다.
높은 에너지 절약 변압기 ' Super 어모퍼스'｜변압기 손실은 무부하손과 부하손으로 크게 나뉘며 무부하손은 주로 철심에서, 부하손은 주로 코일에서 발생한다.
'Super 어모퍼스'는 철심에 기존 규소 강판과 다른 새로운 철심 소재인 어모퍼스 자성 재료를 택했다. 그리하여 무부하를 현행 표준품(철심 : 규소 강판) 대비 1/5~1/6로 저감하고 권선 도체 사이즈를 최적화한 결과, 전 손실을 1/2로 낮춘 변압기다.
어모퍼스 자성 재료는 철 · 규소 · 붕소를 원재료로 한 합금으로, 비결정 구조를 형성한다. 무부하손은 철심을 여자했을 때 철심 내에 교번 자속이 관류貫流하면서 발생하는 손실이며, 와전류손과 히스테리시스손으로 나뉜다. 와전류손(We)은 아래 식과 같이 자성 재료의 판 두께(△t)의 2승에 비례하며, 전기 저항(ρ) 크기에 반비례한다(f : 주파수, B : 자속 밀도).
 히스테리시스손은 자성 재료에 자속이 흐를 때 자구磁區(한 덩어리의 자석)가 회전하고, 자속 방향으로 방향을 맞추는 데 필요한 에너지다(<그림 9> 참조).
  이 모든 조건에서 어모퍼스 재료는 규소 강판보다 상위에 있어 규소 강판 제품에 비해 약 1/5~1/6로 무부하손을 크게 낮춘다. 부하손을 낮추는 방법에는 코일의 도체 단면적을 크게 하고 도체 저항을 작게 하는 것이 있으며, <그림 11>은 일례로 손실 비교를 나타낸 것이다.
' Super 어모퍼스'를 도입해 에너지 절약을 개선한 사례｜소개할 사례는 ㈜히타치산업시스템 수배 전 · 환경 시스템 사업부 나카조[中條] 사업소에서 실시한 것이다.
이 사업소는 <표 1>과 같은 전기 설비를 사용했으며, 2002년 에너지 소비량 내역은 전기 71%, 가스 · 등유 29%다. 전기 사용량은 1370만㎾h/년이며, 일본 에너지 절약법 제1종 에너지 관리 지정 공장에 해당한다.
  각 변전대에는 전력 감시 시스템을 배치했으며, 전압 · 전류 · 전력 · 역률 등을 상세히 측정하면 범용 컴퓨터가 그 정보 데이터를 처리한다. 데이터는 감시실을 비롯해 주요 부서에서 실시간으로 검색이 가능하다.
이 사업소의 변전소는 운전을 개시한 지 25년이 흘렀다. 오래된 변압기는 손실이 클 뿐만 아니라 열화도 진행돼 에너지 절약과 신뢰성 양쪽 측면을 모두 고려해 'Super 어모퍼스'로 경신하기로 계획했다. 전력 감시 시스템에서 얻은 정보를 바탕으로 장래성도 고려하는 동시에 변압기의 용량, 대수를 점검했다. 경신에는 2.5년 정도가 걸렸으며, 모든 변전대에서 교체 작업을 실시했다.
경신 결과, 변압기 대수와 총 용량 모두 약 30%가 줄었으며, 에너지 절약 효과는 전력량 503㎿h/년, 전력량 요금 5,530k￥/년, 여기에 계약 전력 저감 분까지 포함하면 6,700k￥/년이라는 큰 에너지 절약 효과를 거뒀다(<그림 12> 참조).
변압기의 예방 보전과 경년 열화(수명)
변압기는 전기 설비 중에서도 부하 설비의 상류에 위치하며, 전기기기 중 신뢰성이 높고 수명이 긴 제품이다. 이는 곧 그만큼 예방 보전과 경년 열화(수명)에 대한 인식이 중요함을 뜻한다. 보전을 크게 나누면, 고장을 미연에 막는 '예방 보전'과 고장이 발생하고 나서 대책을 세우는 '사후 보전'으로 분류된다. 변압기는 한 차례 설명한 대로 상류에 위치하기에 사고나 각종 문제가 발생하면 손실이 상당히 크므로 예방 보전이 필수다.
변압기 보수 점검｜점검에는 평상시 점검, 정기 점검, 임시 점검이 있다.
 변압기 고장 실태(일본 전기기술 보고 Ⅱ부 제 230호에서 발췌)는 <그림 13>과 같으며, <그림 14, 15>는 유입 변압기와 몰드 변압기의 주요 점검 항목을 각각 나타낸 것이다.
 
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변압기 이상 진단 - 유입 변압기｜유중 가스 분석은 변압기 내부 이상을 초기 단계에 유효하게 발견할 수 있어 예지 진단 기술로 넓게 사용되며, 사고를 미연에 방지하는 데 효과가 높다. 절연 중 방전, 과열 용손 및 절연물 열 열화 시에 분해 가스가 발생하며, 절연유 속에 용해된다. 유중 가스 분석 장치로 추출한 각 가스 성분을 판정 기준과 대조한다.
판정 기준 이외에 가스 성분 패턴, 조성 비, 특정 가스 등을 종합적으로 검토해 이상을 추정할 수 있으며, 높은 정확도가 필요하다.
한편, 유입 변압기의 이상은 절연유의 일반 시험을 통해서도 알 수 있는데, 절연유는 주로 운전 중열, 수분, 탄소로 말미암아 열화가 진행되며, 변압기의 절연성과 열화에 영향을 미친다.
절연유의 전산가全酸價는 0.2㎎KOH/g 정도가 되면 슬러지가 생성돼 홍차색을 띤다. 소 · 중용량 기종은 코일 내와 탱크-코일의 유도油道가 비교적 작아서 슬러지 부착으로 인한 국부 과열을 막기 위해서라도 0.2㎎KOH/g을 넘으면 새로운 오일로 신속히 교체하는 것이 바람직하다.
변압기의 운전 연수가 10년을 초과하면 본체 커버, 핸드홀 커버, 부싱 등에 사용하는 개스킷의 열화로 말미암아 우수나 습기가 침투할 우려가 있다.
수분은 열화를 촉진할 뿐 아니라 절연 파괴로도 이어지기에 주의가 요구된다.
중요한 특성 중 하나인 절연 파괴 전압값은 절연유에 슬러지가 발생해도 실제 사용에 지장이 없는 수치로 나타나는 경우가 있다. 절연 파괴 전압의 저하는 절연유 안에 수분이나 도전성 불순물이 섞였을 때 나타난다. 이 수치가 25㎸/2.5㎜ 이하이면 새로운 오일로 교체한다.
절연유의 저항률은 변압기의 절연 저항값에 큰 영향을 미친다. 체적 저항률은 변압기의 절연 저항과 같으며, 온도 상승과 함께 떨어지는 경향이 있다.
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 변압기 이상 진단 - 몰드 변압기｜몰드 변압기의 이상 진단은, 코일부의 절연물을 채취하는 것이 불가능하기에 전기적 부분 방전 시험을 하는 것이 보통이다.
전기적 절연 파괴는 그 징조로 부분(코로나) 방전을 동반하는 경우가 많다. 이상 부위의 절연 특성이 떨어지면 코로나 개시 전압과 코로나 소멸 전압도 떨어지며, 방전 전하량은 증가한다.
변압기의 경년 열화(수명) 진단｜변압기 수명은 코일 등 도전부에 사용하는 절연물의 열화에 따라 정해진다. 수명을 결정하는 요인으로 절연물 특성 외에 사용 환경, 운전 조건, 보전 상태 등이 있다. 가장 큰 영향을 미치는 것은 열이며, 흡습이나 산소가 가해지면 더욱 촉진된다(<그림 16> 참조).
주요 열화(수명) 진단법으로 유입 변압기는 절연지에 의한 중합도 측정법, 절연유 안의 가스에 의한 푸르푸랄Furfural 분석법이, 몰드 변압기는 부분 방전 측정법이 대표적이다(<표 2> 참조). 어떤 방법이든 판정을 할 때는 다른 진단 결과도 함께 고려 대상에 넣어 종합적으로 검토해야 한다.
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톱 러너 방식에 대응한 변압기를 도입하면 CO₂배출량 감축으로 지구온난화를 방지하고, 에너지 절약으로 전력량 요금을 절약하는 등 큰 도움이 된다.
현재 일본의 제조 설비는 노후화가 진행 중이다. 예방 보전을 통해 생각지도 못한 이상 징조를 포착할 수 있으며, 중요한 역할을 하는 변압기의 신뢰성 확보를 위해서도 예방 보전은 반드시 필요하다.
정리 전화영 기자
<Energy News>
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