저소음 지상변압기신한전기공업(주)_이현구 권순철한국전력공사_정익중 이병성 신동휘최근까지의 변압기 발전방향은 전력공급의 신뢰성 향상과 안전성 향상을 위한 노력을 거쳐 에너지 효율의 극대화를 위한 모습으로 발전되어 왔다. 이런 과정 속에서 그동안 환경과 관련된 부분들이 소홀히 다루어져 왔으나 이제는 환경과 관련된 부분에 대한 관심을 가져야 할 때가 되었으며, 그중 우리들의 생활에 직접적으로 영향을 주는 소음에 대한 고찰이 우선 필요하다. 전력설비의 용량증대와 도시의 팽창으로 외곽에 건설된 변전소가 주거지역과 가까워져 변압기를 비롯한 전력기기의 소음이 새로운 환경문제로 대두되고 있다. 배전선로에 사용하는 지상변압기의 경우 생활공간과의 거리가 불과 수m거리에 설치되어 소음문제는 날로 심각해지고 있는 실정이다. 특히 심야의 경부하 시 충전용량의 상승으로 인한 배전선로전압의 상승으로 변압기의 소음이 커져서 주민들은 소음에 민감하게 반응하고 있는 실정이다. 초고압 전력용변압기 및 옥내 설치용 건식변압기는 고객의 요구(민원해소차원)에 따라 저소음기술에 대한 관심도가 높아 관련기술이 발전되고 있으나, 배전용변압기는 전력용변압기에 비해 낮은 소음으로 인하여 한전과 변압기 제작사로부터 그동안 관심도가 적어 기술발전에 대한 정성이 극히 미흡한 실정이다. 따라서 배전용변압기의 저소음화 기술은 기간기술이 매우 취약한 상태이다. 소음해석기술, 저소음설계기술, 철심가공기술, 방진구조기술, 방진부품의 가공기술 등, 배전용변압기의 소음저감을 위한 핵심기술들이 낙후되어 있는 실정이다. 이와 같은 낙후된 기술로 인하여 고객의 불만이 나날이 늘어가고 있어 이에 대한 원천기술의 확보가 시급한 시점이다.환경규제의 기본배경환경기본법이 1977년에 제정된 이래 이법을 모태로 하여 30여개에 달하는 환경법이 만들어져 시행되고 있다. 우리나라의 환경법도 시기적으로 보나 내용적으로도 선진국에 환경법제에 뒤지지 않고 발전해 왔다. 이러한 환경법의 제정근거는 헌법 제35조(환경권)에 규정된 내용을 보면 다음과 같다.첫째, 모든 국민은 건강하고 쾌적한 환경에서 생활 할 권리를 가지며, 국가와 국민은 환경보전을 위하여 노력하여야 한다.둘째, 환경권의 내용과 행사에 관하여 법률로 정한다.셋째, 국가는 주택개발정책 등을 통하여 모든 국민이 쾌적한 주거생활을 할 수 있도록 노력하여야 한다. 환경권은 국민의 권리로서 그 구체적인 내용모두 헌법에서 규정하는 것은 무리이므로 법률에 유보하게 되고 헌법의 유보조항에 의하여 환경권의 내용과 행사에 관하여 정한 법규범의 총체를 환경법이라 한다.환경문제가 본질적으로 과학기술에 의하여 야기되었다고 본다면 그 해법 또한 과학기술에 의존할 수밖에 없을 것이다. 이러한 현대문명의 틀 속에서 탄생한 환경법 역시 그 내용의 바탕은 자연히 과학적이고 기술적일 수밖에 없는 것이다. 결과적으로 환경법은 일반국민 뿐만 아니라 법률가와 환경전문가 모두에게 난해하고 복잡하며 어려운 법으로 인식되어지고 있다. 소음 환경기준의 설정사람의 건강을 보호하고 쾌적한 생활환경의 척도라 할 수 있는 소음·진동 환경기준의 가장 이상적인 수준은 인체에 전혀 해를 주지 않는 조용한 환경 속에서 일상생활을 유지할 수 있는 수준이다.그러나 현실의 환경기준은 여러 가지 정책수단을 통해서 달성 가능한 수준에서 설정되기 때문에 각 나라는 그 나라의 경제와 사회 그리고 기술여건을 고려한 소음원 및 토지용도에 따라 구분하여 설정하고 있다.국제표준화기구(ISO)는 주거환경과 작업능률 및 기타 사회활동에서 가장 적합한 소음의 기준을 권고하고 있는데, 우리나라는 이 국제표준화기구의 권고기준에 근거하여 설정한 환경소음을 환경정책기본법에 규정하고 있다.변압기의 소음규격변압기의 소음규격은 NEMA TR-1(1974)에서 규정한 값을 대부분의 국가에서 인용하여 사용하고 있다. 한국전력공사의 ES 147에서 규정한 배전용 유입변압기의 소음레벨 규정 값은 <표2>와 같이 규정하고 있다.변압기의 소음1. 개요변압기의 전기적인 특징은 무부하 손실에 따라서 특징지어지는데 최근에는 철심의 재질과 설계의 개선으로 많은 감소를 이루었다. 그러나 현재의 여러 가지 상황들은 소음의 개선을 요구하는 목소리가 점점 더 높아지고 있다. 이런 상황들은 도심의 팽창과 산업화에 따라 주거지역과 근접하여 변압기가 설치되어 주민들로부터 많은 불만을 사고 있다. 변압기의 소음은 연속적인 순음의 특성을 가지고 있어서 교통소음보다도 5[dB]에서 10[dB]정도 낮게 규정되고 있다. 이런 이유에서 변압기의 소음은 손실보다도 더 중요하게 생각되어지고 있다. 변압기 소음은 일반적으로 세 가지로 나누어 생각할 수 있다.첫째로 철심의 다리, 요크 등의 자화 현상에 의한 자왜(magnetostriction)로부터 생기는 소음이 있다. 자왜에 의한 소음은 철심의 수축팽창 현상으로 이 값은 주로 철심의 재질특성에 따라서 다른 값을 보인다.둘째로 철심의 설계특성에 따른 자왜와 자화로 발생되는 소음으로 철심의 접합부분의 설계가 단일접합(SSL, single step lap joint)과 다중접합(MSL, multi step lap joint)인가에 따라서 다르게 나타난다. <그림2>에 나타낸 변압기의 개념도의 x-y평면 자속분포의 불균일성에 따라서 단일접합설계로 제작된 철심이 다중접합설계의 낮은 자기저항 때문에 보다 더 높은 소음을 나타낸다. 또한 z평면의 적층에 따른 air gap의 영향을 받는다. 접합부의 간접적인 영향을 별개로 생각하여도 접합부는 자왜와 자화 양쪽에 관련된 철심의 자속분포에 따라서 소음에 직접적인 원인이 된다.셋째로는 위의 두 가지 원인에 의해서 발생된 소음의 방사는 주위의 매질, 즉 절연유, 공기, 탱크 등 주위조건에 따라서 기본 주파수와 다른 진동 패턴을 나타낸다. 이런 조건들은 철심의 기계적인 안정성, 즉 bandaging 또는 clamping 등의 조건에 따라서 다르게 나타난다.2. 철심에 의한 소음변압기의 소음은 두 가지 다른 성분을 가지고 있다. 가장 중요한 요소는 자기회로의 규소강판의 자왜(magnetostriction)로 인한 윙윙거리는 소리이다. 자왜력(magnetostriction force)은 자기회로에서 지지 점에서 직접 전도에 의하여 전달되고, 또 절연물과 절연유를 통하여 탱크 벽에 전달된다. 여기 되어진 탱크 벽은 진동하여 소음을 발생시킨다. 변압기의 코일에 전압이 인가되면 Faraday의 법칙에 따라 철심에 자화전류가 흐르게 되고 다른 권선에 전압이 유기된다. 이로 인해 철심은 수축팽창을 일으켜 떨림 현상을 일으킨다. 규소강판의 길이를 L이라하고, △L만큼 변형되면 자기왜형은 자속밀도의 제곱에 비례한다. ①이때, 자속의 변화를 정현파로 바꾸면 ②즉, 철심에 자속이 통과하면 전원주파수 2배의 정현파진동을 일으키게 된다. 또 철심의 유효길이 L은 다음 식으로 나타낸다. ③식 ③ 과 같이 각 속도 ω의 조화파형을 갖는 변압기 자속밀도는 피크자속밀도 BM 의 조화 함수이므로, 주파수의 조화함수를 가진 철심에 주기적인 스트레인 즉 자기진동을 발생시켜 2배의 조화주파수 2ω의 소음주파수를 나타낸다. <그림1>은 철심에서 발생되는 소음의 주파수를 분석한 그래프이다. 식 ③과 같이 인가전원 주파수의 2배인 120[㎐]의 조화주파수가 발생되는 것을 수식과 실험에서 동일한 결과를 보이고 있다.