수변전 설비용 기기 선정
수변전 설비용 기기 선정의 이해
수변전 설비용 기기는 현대 산업 사회에서 전력은 생산과 생활 전반을 지탱하는 핵심 에너지 자원이다. 건물, 공장, 산업 단지, 연구 시설 등 전력을 대규모로 사용하는 수용가의 경우, 전력을 안정적으로 공급받기 위해 반드시 수변전 설비(受變電 設備)을 갖추어야 한다. 수변전 설비란 송전계통 또는 배전계통으로부터 고압이나 특고압의 전력을 수전하여, 이를 사용 전압 수준으로 변환하고 안전하게 분배하기 위한 일련의 장치와 기기를 의미한다. 이때, 설비의 용량이나 특성, 계통 전압 수준에 따라 적절한 기기들을 선정해야 하는데, 이는 전력 공급의 안정성·경제성·안전성을 동시에 확보하기 위함이다.
특히, 우리나라 배전계통의 대표적인 표준 전압인 22.9kV 계통에서 2000 KVA 급의 변압기를 설치하여 수전하는 경우, 부하 특성과 계통 조건을 고려한 올바른 기기 선정이 필수적이다. 부적절한 기기 선정은 단순한 전력 손실뿐만 아니라, 계통 사고, 장비 파손, 화재 등의 안전사고로 이어질 수 있다. 따라서 각 기기의 역할과 정격을 명확히 이해하고, 표준 규격에 맞추어 설계하는 과정이 필요하다.
이 글에서는 22.9kV 계통, 2000kVA 수전 설비를 기준으로 수변전 설비에 사용되는 주요 기기들의 선정 예를 구체적으로 살펴본다.
LBS, ASS, AISS
부하개폐기(LBS)는 수용가 측에서 전력선을 개폐할 때 사용하는 장치로, 주로 책임분계점에 설치된다. ASS(Automatic Sectionalizing Switch)는 유입식 자동개폐기, AISS(Air Insulated Sectionalizing Switch)는 그중 절연 방식을 사용하는 자동개폐기로 기능은 동일하나 절연 매체가 다르다. 이들 장치는 계통 사고 시 고장 구간을 신속히 분리하여 사고 확산을 방지하는 역할을 한다.
피뢰기 (Surge Arrester)
수변전 설비에서 피뢰기는 낙뢰나 개폐서지와 같은 이상전압으로부터 기기를 보호하는 핵심 장치이다.
22.9kV 다중접지 계통에서는 변전소 측에는 정격 21kV, 배전선으로 측에는 18kV 피뢰기를 사용한다.
따라서 본 사례에서는 18kV 전격 피뢰기를 채택하며, 공칭 방전전류는 2.5kA 규격을 따른다.
피뢰기 선정 시 핵심은 정상 운전 전압에서는 동작하지 않고, 이상 전압이 인가될 경우 즉시 방전하여 기기를 보호하는 것이다.
Power Fuse (전력퓨즈)
Power Fuse(PF)는 과전류나 단락 사고 시 회로를 신속히 차단하여 설비를 보호한다.
본 예에서는 한류 형 PF를 선정한다.
22.9kV 계통에서 사용되는 한류 형 PF의 정격전압은 25.8kV이며, 이는 충분한 절연 여유를 제공한다.
또한 정격전류는 예상되는 과부하나 순간 서지 전류에 의해 불필요하게 동작하지 않도록 신중히 결정해야 한다.
VCT (MOF: Metering outfit)
계량 및 보호용으로 전압변성기(VT)와 변류기(CT)를 조합한 장치이다.
VT 2차 전압은 110V, CT 2차 전류는 5A로 선정하는 것이 표준이다.
이를 통해 전력량계, 계전기 등에 안정적으로 신호를 공급할 수 있다.
진공차단기 (VCB)
VCB는 고전압 회로에서 고장 전류를 신속히 차단할 수 있는 주요 보호 장치이다.
2000kVA, 22.9kV/380-220V 변압기의 1차 정격전류는 약 50.42A이다.
그러나 실제로는 최소 규격인 정격전류 630A, 정격차단전류 12.5kA의 VCB를 사용한다.
이는 충분한 차단 능력을 확보하여, 사고 시에도 안전하게 회로를 보호할 수 있도록 한다.
서지 흡수기 (SA)
개폐 동작 시 발생하는 과도 전압으로부터 2차 기기를 보호하기 위해 설치한다.
VCB와 몰드 변압기 사이에 설치하여 순간적인 과도 서지를 흡수한다.
22.9kV 계통에서는 정격전압 18kV SA가 표준으로 적용된다.
변압기 1차 측 COS (Cut Out Switch)
변압기 보호를 위한 퓨즈 일체형 개폐기로, 주로 변압기 단락 사고 시 동작한다.
COS의 정격전류는 변압기 1차 전류의 약 150%을 기준으로 한다.
본 사례에서는 50.42A × 1.5 = 75.63A → 80A COS를 선정한다.
결론 및 향후 방안
수변전 설비에서 기기의 선정은 단순히 규격에 맞는 장비를 나열하는 수준을 넘어서, 실제 운전 조건과 계통 환경을 종합적으로 고려한 최적화 과정이라고 할 수 있다. 본 사례에서 다룬 22.9kV, 2000 KVA 급 수변전 설비의 경우, 각 기기의 역할은 뚜렷하며 상호 보완적이기 때문에 하나라도 적절히 선택되지 않으면 전체 설비의 신뢰도와 안정성이 크게 저하될 수 있다.
우선, 개폐기(LBS, ASS, AISS)는 수용가와 배전 계통 간의 경계 지점에서 책임을 명확히 하고 사고 구간을 신속하게 분리할 수 있도록 함으로써 전력 공급의 연속성을 높인다. 이들은 단순한 개폐 장치로 보일 수 있지만, 실제로는 사고 시 피해 확산을 방지하는 첫 번째 방어선이라는 점에서 중요하다.
다음으로 피뢰기는 계통 내에서 가장 민감하면서도 필수적인 보호 장치이다. 낙뢰, 개폐서지 등 외부 및 내부 요인에 의해 발생할 수 있는 이상전압은 매우 짧은 순간에도 기기 절연을 파괴할 수 있다. 따라서 본 사례처럼 18kV 전격 피뢰기를 선정하는 것은 단순히 규격을 맞추는 것이 아니라, 계통의 특성과 접지방식을 반영한 합리적 결정이다. 피뢰기가 제 기능을 발휘하지 못한다면, 변압기나 차단기, 심지어 2차 측의 저압 기기까지 연쇄적으로 손상될 수 있다.
또한, Power Fuse(PF)와 COS와 같은 보호용 퓨즈류는 고장 전류 차단에 있어 신속성과 신뢰성이 핵심이다. 특히 한류 형 PF는 단락 사고 시 고장 전류를 효과적으로 억제하여 설비 손상을 줄이는 데 중요한 역할을 하며, COS는 변압기 개별 보호를 담당하여 사고의 극소화를 실현한다. 이를 통해 수용가는 필요 이상의 정전 피해를 예방할 수 있으며, 경제적 손실 또한 최소화할 수 있다.
VCB(진공차단기)는 본 설비에서 가장 중요한 고장 차단 장치로, 충분한 차단 용량과 안정적인 동작 특성을 갖추어야 한다. 본 사례에서는 50.42A라는 상대적으로 작은 운전 전류에도 불구하고 630A, 12.5kA 규격의 차단기를 채택하였다. 이는 실제 운전 상황에서 발생할 수 있는 대전류 고장을 안전하게 차단할 수 있도록 여유를 둔 선택으로, “과소 설계로 인한 사고 위험”을 방지하는 대표적 예라 할 수 있다.
여기에 더해, 서지 흡수기(SA)는 VCB 동작이나 계통 변동에 의해 발생하는 순간 과도 전압을 흡수함으로써 변압기 2차 측의 민감한 기기를 보호한다. 최근의 전력 설비는 정밀 전자장치와 ICT 기반의 제어 시스템과 결합하여 있기 때문에, 순간적인 서지에도 큰 피해를 볼 수 있다. 따라서 SA의 설치는 단순한 보조 장치가 아니라 현대 전력 설비에서 필수적인 보호 체계의 일부라고 볼 수 있다.
종합해 보면, 수변전 설비의 기기 선정은 단순히 교과서적인 계산이나 규격 암기에 그치는 것이 아니라, 현장 조건·전력 계통 특성·안전성·경제성을 모두 고려해야 하는 복합적인 작업이다. 22.9kV, 2000kV A사는 조건에서 LBS/ASS/AISS, 피뢰기, Power Fuse, VCT(MOF), VCB, SA, COS 등을 선정하는 과정은 향후 유사한 설비 설계의 기준과 지침이 될 수 있으며, 이는 전기설비 기술자가 반드시 숙지해야 할 실무 능력이다.
나아가, 수변전 설비의 기기 선정은 현재뿐만 아니라 미래의 전력 환경 변화까지 고려해야 한다. 전력 수요의 증대, 신재생 에너지의 확대, 전기차 충전 인프라 도입, 에너지저장장치(ESS)와의 연계 등 새로운 부하가 등장함에 따라, 기기 선정의 원칙 또한 유연하게 변화할 필요가 있다. 따라서 오늘날의 기기 선정은 단순히 “안전한 설비 구축”에 그치지 않고, 스마트 그리드 및 지능형 전력망으로 발전하는 과정의 기반이 된다고 할 수 있다.
결론적으로, 수변전 설비의 기기 선정은 안정적이고 신뢰성 있는 전력 공급을 위한 핵심 설계 과정이며, 이를 정확하게 수행하는 것은 전력 설비 기술자의 전문성과 직결된다. 본 사례에서 다룬 기기 선정의 예시는 특정 상황에 국한된 것이지만, 이를 통해 우리는 설계의 원리를 이해하고 다양한 현장에 응용할 수 있는 실질적인 능력을 기를 수 있다. 즉, 기기 선정은 단순한 숫자 계산을 넘어, 전력 설비 전체의 안전과 경제성을 책임지는 전력기술의 본질적인 가치라고 할 수 있을 것이다.