월간전기



[하계 전기설비의 자연재해 대책①] 옥외 설치 큐비클식 고압수전설비의 온도상승 대책

2015-07-01

[하계 전기설비의 자연재해 대책①] 옥외 설치 큐비클식 고압수전설비의 온도상승 대책 수변전 설비는 안정된 전력을 공장 및 빌딩, 시설 등에 급전하고 △생산설비 △정보처리 △보안 △방재 등의 전원을 확보하는 중요한 역할을 담당한다. 이에 따라 수변전 설비의 성능 개선과 수명에 대한 신뢰도 향상은 필수적인 과제가 되고 있다. 배전반류에 있어서 온도는 제품의 성능과 수명에 큰 영향을 미치는 요인 중 하나로, 특히 옥외반에서는 태양복사(太陽輻射)를 받는 면의 온도 상승과 열의 침입에 의해 반내 온도가 높아지기 때문에 적절한 온도상승 대책은 매우 중요하다. 본고에서는 옥외 설치 큐비클식 고압수전설비의 온도상승 대책에 대해 알아본다. 번역·정리 김대근 기자 온도상승의 기본 온도상승을 검토하는 경우에는 다음과 같은 기본 사항이 있다. 1) 열전도의 형식에 관계없이 온도차에 의해 열전달의 양이 결정된다. 2) 온도가 평형상태에 도달하면 열평형은 상시 유지된다. 3) 열설계를 실시하기 위해서는 온도와 열의 발생률을 결정해야 한다. 4) 발생 열량은 통상 소비전력으로 구한다. 전열의 형태 온도상승은 반(盤) 내부의 ‘발열량’과 반 외부로의 ‘방열량’과의 상관관계에 의해 결정되며, 전열의 형태는 다음과 같이 나타난다. 1) 열전도: 정지하고 있는 물체의 내부에서 열만 이동하는 현상. 2) 열전달: 고체의 표면과 이에 접촉하는 유체 사이의 열이동 현상. 고체의 표면에 접촉하는 유체가 열과 함께 이동하는 것을 대류라고 한다. 대류에는 송풍기 등의 외력으로 일으키는 강제대류와유체 자체의 온도차에 의해 생기는 자연대류가있다. 3) 열방사: 물체가 그 온도에 따라 발산하는 전자파로 열을 이동시키는 현상. 태양복사열 태양복사열의 침입 열량 및 온도 상승치를 추정하는 하나의 방법을 다음에 나타냈다. 그림에서와 같이 옥외에 설치된 반(盤)이 태양으로부터 받는 열량은 다음의 식으로 나타난다. 태양고도와 방위각(태양위치의 계산) sinh=sinØ×sinδ+cosØ×cosδ×cost sinA=cosØ×sint×sech 일사량 환기방식의 검토 배전반류의 온도상승 대책으로서 1~3과 같은 방법이 주로 이용되고 있지만, 4, 5와 같은 방법도 있으니 참고하기 바란다. 1) 방사와 배전반류 외면(外面)의 자연대류를 이용한 자연공랭 2) 환기구 설치 및 자연대류를 이용한 자연환기 3) 환기팬 등에 의한 강제환기 4) 공조기기에 의한 냉방 5) 송풍기 등에 의한 강제대류 배전반에는 방열현상과 관련하여 다음의 1~4의 현상 및 특질이 존재한다. 이를 바탕으로 환기의 방열량을 산출하여 환기방식을 결정한다. 이하에 개요를 설명한다. 1) 배전반의 자연방열은 열전도, 열대류, 열방사의 조합에 의한 자연적인 열이동 현상으로, 그 온도차가 근소하기 때문에 전열 유량은 대략 온도차에 비례한다고 볼 수 있다. 2) 방열 경로에 관해서는 일부는 외함을 통해 방열, 나머지는 환기에 의해 방열한다. 3) 반내 공기는 정상적인 대류가 발생하며 온도분포는 대략 높이에 비례하고 있다고 볼 수 있다. 4) 각 수납기기·배선의 온도 상승 성능은 주변 공기온도가 그 기기의 기준 주위온도 이하이면 그 성능은 충분히 유지된다. 또 이 기준 주위온도는 대체적으로 통일되어 있다. 옥외의 반 주위온도는 이과연표(理科年表, 국립 천문대편)의 ‘일최고기온 월별 평년치’의 최고치를 보이는 8월달에서 전국 80지점의 평균치 30℃를 주위온도로 하고 있다. 단, 반 설치지역의 온도가 명확한 경우에는 원칙적으로 그 지역의 값을 사용한다. 또 반내 온도는 JIS C 4620으로 정해져 있는 온도 상승 한도에서 최고허용온도의 기준온도가 40℃라는 점, 그리고 대다수의 사용기기에서 표준사용상태의 주위온도 상한치가 40℃라는 점에서 반 내부 공기의 평균온도를 40℃로 산출하고 있다. 외함 외면에서의 방열은 외함 강판을 통한 내부 공기에서 외부공기로의 전도, 대류, 방사에 의한 전열 현상이지만, 일괄하여 열관류로 취급하고 있으며 그 열류(熱流)는 외함 강판의 종합 열관류율을 비례정수로 하는 내외공기 온도차에 비례하는 것으로 산출한다. 옥외용 외함 외면 방출열류의 산출 외함 외면의 방출열류는 지붕면 및 측면에 대해 각각 약 3(m/s) 정도의 자연풍을 고려한 종합 열관류율을 적용하고, 전체 일사입열(日射入熱)을 상당외기온도 상승치에 의해 구한다. 또한 각면의 일사입열량은 15시(각면 입열량의 합계가 최대가 되는 설치방위를 남서 방향으로 한 시각)의 값을 채용한다. 자연환기에 의한 방열 자연환기에는 일반적으로 온도차 환기와 풍력환기가 있다. 여기에서는 계산이 용이한 온도차 환기의 환기유량을 구한다. 강제환기 자연환기의 부족분만을 환기팬으로 보충하는 개념이다. 환기팬의 풍량을 결정할 시에는 다음의 항목에 주의해야 한다. 1) 환기팬 풍량에 맞는 흡기구(급기풍량)를 확보한다. 2) 흡기구에 필터 설치 시 저항계수에 의한 풍량감쇠. 3) 환기 후드를 설치한 경우의 풍량 감쇠. 단, 이 환기 계산에서는 환기 후드의 풍량계수를 0.8로 한다. 강제환기를 채용하는 경우, 필요 환기량과 발열량의 관계는 다음의 식으로 나타난다. 자연환기와 강제환기의 판정 내부 발열량 QC를 전열량(全熱量, 현열과 잠열의 합)으로 하고, 외함 외면에서의 방열량 QBO와 자연환기에 의한 방열량 QV의 합계치를 전방열량으로 하여 이들을 비교한다. QC≤[QBO+QV]이면, 자연환기에 의해 반내 온도가 40℃ 이하로 유지되고 있는 것으로 판정한다. QC>[QBO+QV]이면, 자연환기에서는 환기량 부족으로, 강제환기가 필요하다고 판정한다. 환기 구조 대책 통기구를 설치하지 않으면 급기·배기의 경로가 없기 때문에 태양복사열에 의한 열량 및 큐비클 내부 변압기 등에서 발생되는 열량의 방출량이 감소한다. 이로 인해 내부 온도가 상승하여 기구류 등의 수명이 단축될 수 있다. 일반적으로 사용되는 환기 구조는 다음의 4가지가 있다. 방출 열량 감소 대책 및 사용상의 주의점 등을 아래에 설명한다. 1) 기초대의 통기구 기초대에 통기구를 설치하는 경우는 그림과 같이 소동물 침입 방지 대책으로서 펀칭 메탈(Punching metal)이나 메시(Mesh) 등을 설치한다. 덮개를 다는 것도 하나의 방법이다. 2) 마룻바닥의 통기구 기초대에 설치된 통기구로부터의 급기는 마룻바닥에 사진과 같은 타원형 구멍 뚫기, 펀칭 메탈을 적용하여 상승기류를 이용한 환기를 실시한다. 3) 문의 통기구 문에 통기구를 설치해 급기 및 배기를 실시한다. 4) 강제환기 지붕 부분, 측면 등에 환기팬을 설치해 강제적으로 온도상승을 억제한다. 환기팬은 제조사의 카탈로그에 표시되어 있는 배기능력을 가지지만, 이는 환기팬이 배출하는 만큼의 공기가 급기구를 통해 유입되는 것을 전제로 한다. 따라서 공기 취입구가 작으면 공기의 유입이 적어져 환기능력이 저하된다. 주택지 등 소음 제약이 있는 경우는 환기팬 후드에 바람이 닿아서 발생하는 소리에 주의가 필요하다. 5) 제조비용은 올라가지만, a~c와 같은 함체의 가공을 통해 온도상승을 억제하는 대책도 있다. a) 함체 천장의 내부를 단열재로 덮어 태양복사열로 인한 큐비클 내부의 온도상승을 억제한다. b) 지붕 부분을 이중화하여 천장판(Ceiling board)을 설치함으로써 함체 외피와 천장판 사이에 틈새를 만들어 태양복사열로 인한 큐비클 내부의 온도상승을 억제한다. c) 함체 외피를 단열용 커버를 사용해 이중으로 덮음으로써 태양복사열로 인한 큐비클 내부의 온도상승을 억제한다. 함체 외피와 커버 사이에 틈새를 만들어 공랭효과를 도모할 수 있으며, 일반적인 함체 구조에 비해 내부 온도를 5℃ 정도 낮출 수 있다. 6) 반용(盤用) 열교환기(반용 쿨러) 큐비클에서 발생하는 열량은 반용 열교환기(반용 쿨러)를 통해 배기한다. < Energy News >