2012년 기준, 국내 변압기 관련해서는 총 240여 개의 기업이 추산되었으며, 그 중 현대중공업, 효성, 일진전기, 케이피일렉트릭, 영화산업전기 등이 주요 기업으로 평가됐다.
산업구조는 대기업이 60%, 중소기업이 40%를 점유하고 있으며, 국내 고용인원은 약 1,200명으로 집계되었다. 또한 국내 시장규모는 약 1,500,000백만 원으로 추정되고 있다.
한편, 국내 기업들의 경쟁력 수준은 선진국에 비해 기술력은 약 90% 수준이며, 가격은 30% 가량 저렴한 것으로 나타났다.

글 이명규 기자(press6@engnews.co.kr)

1. 변압기의 개요

(1) 변압기의 정의

변압기는 전자유도작용에 의해 한 편의 권선에 공급한 교류 전기를 다른 편의 권선에 동일 주파수의 교류 전기의 전압으로 변환시켜 주는 역할을 한다.

(2) 변압기의 원리

가정이나 공장에 공급되는 전원은 교류이다. 전력은 크게 전압과 전류의 곱으로 나타낸다. 그러므로 같은 전력을 전송할 때, 전압을 크게 하면 전류는 적어진다. 전력을 공급하는 선로에는 저항이 있어서 I²R에 해당하는 손실이 발생하게 되며, 상대적으로 전류가 적은 전력을 전송하게 되면 전기에너지의 손실을 줄일 수 있게 된다.
교류를 사용하면 변압기를 이용해 전압을 쉽게 변화시킬 수 있으므로 전력의 전송효율이 높아지게 된다.

- 전자 유도 작용
변압기의 기본 원리는 패러데이의 전자유도법칙(Faraday's law of electromagnetic induction)과 렌츠의 법칙(Lenz's law)으로 설명될 수 있다.
전자 유도 작용에 의해 유도 기전력이 발생하며, 이때 발생된 유도 기전력의 방향은 렌츠의 법칙에 의해 결정된다.

(3) 변압기의 종류와 구조

1) 변압기의 종류

변압기의 종류에는 냉각방식, 내부구조, 상(Phase) 수, 권선의 수, 절연, 용도에 따라 여러 가지가 있다.
건식 변압기는 유입식 변압기와 달리 공기에 의해 냉각하는 공랭식이다. 유입식 변압기보다 안전성이 좋아 병원, 호텔, 극장, 학교 등의 실내에 설치한다.
몰드 변압기는 저압과 고압 권선을 진공 상태에서 주형으로 만든다. 절연 재료로는 에폭시 수지 등을 사용한다. 또한 내구성과 난연성이 우수하고 유입식과 건식의 장점을 갖는다.
패드 변압기는 지하로 절연 케이블에 의해 전기를 공급하는 주택 지역, 상가, 병원, 공장 지대에 주로 설치된다. 안전성이 뛰어나며 기후의 영향을 적게 받는다는 특성이 있다.

2) 변압기의 구조
변압기의 구조는 전력의 크기와 상 수에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 전압이 높으면 절연을 충분히 고려해야 한다. 그리고 전류가 높으면 권선의 지름이 큰 것을 사용해야 한다. 또한 단상과 3상의 여부에 따라 변압기의 구조도 달라지게 된다.
변압기의 구조는 자기 회로를 구성하는 철심, 전기 회로를 구성하는 권선, 절연을 위한 부싱과 절연유, 본체를 이루는 외함(탱크)과 커버 등으로 이뤄져있다.

(4) 변압기의 이용

1) 정격
변압기가 정상 상태에서 연속적으로 사용된다는 가정 하에서 주파수, 전압, 전류, 역률, 용량 등의 조건을 변압기 정격(Transformer Rating)이라 한다.
한국산업규격(KS)에서는 여러 가지 변압기에 대한 규격을 제시하고 있다.

- 정격 변압
변압기의 운전과 성능 특성을 나타낼 때의 기준 전압으로서 무부하 운전시에 발생되는 전압(명판에 기재된 1차 및 2차 전압의 실효값)을 말한다.

- 정격 용량
명판에 기재된 전력(피상 전력)이다. 정격 전압, 정격 주파수, 정격 역률에서 지정된 온도 상승 한도를 넘지 않고 출력 단자 사이에서 얻어지는 값(kVA, MVA)을 말한다.

- 정격 전류
정격 용량과 정격 전압에서 산출되는 선로 전류의 실효값을 말한다. 예를 들면 정격 2차 전류를 정격 용량을 거쳐 정격 2차 전압으로 나눠 구하면 된다.

2) 명판
전기 기기에는 사용자가 이용하는데 필요한 정보를 명판에 기입해 보기 쉬운 곳에 부착한다. 일반적으로 변압기의 명판에는 명칭, 제조자명, 제조번호, 제조연월, 정격 용량, 정격 주파수, 상 수, 정격 전압, 정격 전류, 절연 종류, 온도 상승 한도, 총 중량 등 기타 필요한 사항들을 기재한다.

3) 변압기의 결선법
3상 변압기는 1대의 변압기로 3상 전압을 변압하는데 사용된다.
단상 변압기 3대를 사용해 3상 전압을 변압할 때는 적절한 결선을 해야 한다. 결선 방식으로는 Y-Y, △-△, Y-△, △-Y 등이 있다. 또한 단상 변압기 2대를 이용한 3상 전압의 변압 방식으로는 V-V 결선이 있다.

(5) 특수 변압기

특정한 목적에 사용하기 위해 설계된 변압기를 특수 변압기라 하며, 이들의 원리, 구조, 특성, 용도는 다음과 같다.

1) 단권 변압기

일반 변압기와는 달리 철심에 1차, 2차 권선을 직렬로 감아 공통 권선을 가지도록 설계된 변압기를 단권 변압기(Autotransformer)라고 한다.
단권 변압기의 원리는 전력용 변압기와 비슷하고 변압비도 같다. 보통 변압비의 크기가 적을수록 효율이 좋기 때문에 선로 전압을 10% 정도 올리는 승압기로 주로 사용되며, 전동기를 기동할 때 공급 전압을 낮춰 기동 전류를 제한하는 기동 보상기로도 쓰인다. 특히, 전압을 연속적으로 변화시키는 소용량의 슬라이닥스(Slidacs)로 가장 많이 적용되고 있다.

2) 누설 변압기

변압기 자기 회로의 일부에 공극(Air Gap)을 두고 자속을 누설시켜 부하가 변해도 일정한 전류를 유지시키는 변압기를 누설 변압기(High-impedance Transformer)라 한다.
누설 변압기는 부하 전류가 증가하면 누설 자속이 증가해 2차측 유도 기전력이 감소한다. 따라서 2차 전압이 급격히 감소해 부하 전류를 일정하게 유지시키는 수하 특성을 가진다.
이 변압기는 네온용 변압기, 방전용 변압기, 아크 용접기 등에 사용된다.

3) 계기용 변성기

교류 회로의 측정 계기나 계전기에 고전압이나 대전류를 직접 연결하는 것은 사용자의 안전 및 측정 계기에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 고전압이나 대전류로부러 계기를 격리시킬 필요가 있는데, 이 때 사용하는 것이 계기용 변성기(Instrument Tranformer)이다.
계기용 변성기에는 계기용 변압기, 변류기, 계기용 변압 변류기가 있다.

2. 변압기 산업의 현황과 전망

(1) 국내 산업 현황과 전망

최근 국내외 전력수요 증가 및 신재생에너지 설비 보급 활성화, 수출비중이 국내 생산의 약 41%을 차지하며 전년대비 전력기기의 생산 1.9%(42조), 수출 15.4%(160억불), 수입 11.3%(145억불) 증가가 점쳐지고 있다.
세계 및 한국경제 성장률 소폭 상승, SOC사업의 낮은 성장률, 건설 및 조선 경기 침체 지속, 대수요처인 전력 및 발전사의 경영적자로 인한 투자 불확실 등에도 불구하고, 중동지역으로의 꾸준한 수출증가세, 인도, 브라질 등 신흥국의 경제 발전에 따라 사회 간접자본 확충 및 전력설비 투자 확대 예상 등으로 수출이 전망된다.
이에 따라 업계에서는 계속되는 국내 경기 부진에 따른 소비 심리 위축 및 투자 감소, 한전 국제입찰 시행에 따른 불안 등에도 불구하고, 풍력 발전 등의 신재생에너지 시장이 빠르게 성장하고 있으며, 고효율 전동기와 같은 에너지 절감 제품에 대한 수요 증가, 중동 및 신흥국 지역으로의 수출증가세 지속으로 전년대비 1.9% 증가한 42조원의 생산이 예상되고 있다.
한편, 전 세계 발전수요는 노후설비 교체수요를 바탕으로 연 2~3%수준의 완만한 성장세를 이어가고 있으며, 특히 중동, 아프리카, 신흥국 지역을 중심으로 수요가 크게 증가해 전년대비 15.4% 증가한 160억불 수출이 전망된다.
주요 수출지역은 중국, 미국, 사우디, 베트남으로 전체 수출 비중의 50%대가 점쳐지며, 주요 수출품목으로는 전선, 변압기, 차단기, 발전기 등 주요품목의 꾸준한 증가세가 예상된다.
물론, 값싸고 기준에도 부합한 중국산 저가 부품의 사용선호도가 증가하고 있긴 하나, 수출산업화를 위한 꾸준한 노력으로 1,480백만불의 무역 흑자를 업계에서는 기대하고 있는 것으로 나타났다.

(2) 해외 산업 현황과 전망

국제기후변화협약 이행에 따른 해외 기술트렌드는 환경, IT 융합, 고효율, 초고압부문의 R&D에 많은 투자를 하고 있다.
특히, 변압기의 경우에는 50dB까지 저감할 수 있는 저소음변압기와 식물성절연유 전력용변압기, 전자식변성기 및 광 CT/PT 상용화를 위한 변성기의 기술개발이 이뤄지고 있는 것으로 나타났다.
일본, 프랑스, 독일 등 메이저 기업들은 인수?합병을 통한 대규모?다국적 기업으로 변모하고 있고, 국제규격기구를 창설해 활동을 강화하며, 선진국 간 상호인정 및 M&A 등을 통한 해외시장 선점 전략을 구사하고 있다.
또한 기술개발은 자국에서, 생산은 현지에서의 기술개발 분리정책으로 기술유출 사전 방지와 친환경 전력기기와 정보통신기술(IT)의 융합을 통한 새로운 시장 출현에 대응하기 위해 ABB(스위스), 지멘스(독일), 아레바(프랑스) 등 100년 이상의 기술력을 가진 유럽 기업들이 막대한 R&D 예산을 투입중이다.
세계 전력 기자재시장의 40% 이상을 ABB, 슈나이더, 지멘스, 아레바, 미쓰비시, 히다치가 점유하고 있고, 나머지는 도시바, GE, 쿠퍼 등이 차지하고 있으며, 이들 기업을 보유하고 있는 스위스, 독일, 프랑스 등이 전력기자재 기술을 선도하고 있는 것으로 파악된다.
세계 각국에서는 2030년까지 11조불을 투자할 것으로 전망되며, 이중 아세안 및 남미, 인도 등 개발도상국은 57% 이상을 전기산업과 연관된 인프라분야에 투자될 것으로 예상된다.
세계 전기산업 시장에서 연평균 5.0% 이상의 성장세가 꺾이는 원인은 전반적인 세계경제 둔화에 따른 것으로 분석된다.
다만, BRICs(브라질, 러시아, 인도, 중국), 아세안 국가 등 신흥국 및 일본이 전년대비 또는 소폭의 경제 성장률로 인해 3.7% 내외로 증가한 전기산업 시장이 형성될 것으로 전망되나, 전반적으로 유로존 국가들의 부도 우려로 글로벌 금융시장불안이 지속되면서 설비투자위축 및 경기침체우려 확산으로 전기산업도 성장률이 둔화될 것으로 판단된다.

3. 마무리

지구 온난화 방지를 위한 기후변화협약인 교도의정서가 2005년 발효됨에 따라 국제적으로 환경관련규제가 강화될 것으로 전망되어 친환경기기의 개발 및 대체에너지 수요가 증대되고, 고효율 Compact화 개발 수요가 증가되고 있으며, 국가 간 및 남북 간 계통연계 및 전기공급 안정도 향상을 위한 신 송전기술인 FACTS, HVDC 등의 적용에 따라 새로운 전기기기 시장의 창출이 예상된다.
또한 전기기기 시장 현황은 국가간 지역간 FTA 체결이 확산됨에 따라 장기적으로 수출입의 자유화가 예상되며 국내 전기기기산업은 기술선진국의 핵심기술이전 회피와 기술개발 후발국인 중국 대만 인도 등의 저가 공세의 악재로 점점 국제 경쟁력이 약화 될것으로 전망되어 가격 및 품질경쟁력의 확보가 절실한 실정이다.
따라서 전기기기산업의 수출산업화와 미래 성장산업으로 육성하기 위해 전기기기의 미래 기술수요를 예측하고 체계적인 연구개발 계획을 수립하고 미래 핵심기술을 선점하는 것은 당면한 최대 과제로 판단된다.

에너지 법령 질의회시

과전류 계전기 탭 조정에 관하여

[질의] : 비접지 방식에서의 지락계전기

22.9[kV]/220[V] 2,100[kVA] 중성점 비접지 방식의 설비로서 MAIN VCB에 보호 계전기로 OCR 및 OVGR과 OCGR이 연동합니다. 일반적으로는 비접지 계통에서는 OCGR이 아니라 SGR을 설치하는 것으로 알고 있는데 설비상 문제가 없나 알고 싶습니다. 

[회시]

귀하께서 말하는 22.9[kV] 비접지 방식이라 함은 수전변압기 1차 측이 △결선으로 생각되나, 22.9[kV] 한전의 공급자 측은 중성선 접지방식이므로 질의한 메인 VCB에 과전류 및 지락보호방식으로 OCR과 OCGR, 저전압 및 과전압에 대하여는 UVR과 OVR을 설치하여 보호계전방식으로 적용하고 있습니다. OVGR은 비접지 계통에 대한 보호방식으로서 일반적으로 SGR과 병행하여 지락사고 보호에 적용되고 있습니다.

[질의] : 과전류 계전기 탭 조정 방법

동력설비와 냉동기설비의 OCR 계전기 380[V]에 맞는 전류를 조정하기 위한 OCR 계전기 탭 조정 방법을 알려 주세요.

[회시]

질문하신 과전류 계전기의 정정 탭 값 계산은 보호하고자 하는 부하설비의 정격전류를 산출한 후 CT비를 곱한 값에 약 1.05~1.5배를 선정하면 무리가 없을 것으로 판단됩니다.

다만 모터부하일 경우 기동전류에 의한 트립을 방지하기 위하여 정정 레버(트립시간레버)가 Long Type의 모터전용 과전류 계전기를 사용하는 것이 바람직합니다.

계전기의 탭 값 변경방법은 계전기의 제조사별로 차이가 있으므로 제품 설명서를 꼼꼼히 참고하시기 바랍니다.

[질의] : 보호 계전기

보호 계전기 판넬 안에 전선이 단자대에 접속이 되어 있었습니다. 그런데 어느 날 가보니 차단기는 안 내려갔는데 전선의 피복이 열화가 되어 있더군요. 어째서 그런 건가요? 메인 차단기가 있고, 분기별로도 차단기가 설치되어 있습니다. 보통 이런 경우도 발생하나요?

[회시]

차단기는 안 내려갔는데 전선의 피복이 열화 된 것은 전선과 단자대 접속부위에서 전기적 접속이 견고하지 못하여 접촉불량을 일으켜 피복이 열화 되었거나 메인 및 분기별로 설치된 차단기의 정격전류, 부하전류, 전선의 허용전류 등의 보호협조관계가 적절한지 검토가 이루어져야 하겠습니다.

[질의] : 과전류 계전기 탭 조정에 관하여

고압 3,300[V]에 OCR(과전류 계전기) 탭 조정에 관해 문의드립니다. CT비는 600/5[A]이고 부하전류는 240[A] 흐르고 있습니다. 현재 OCR 탭은 3[A]에 되어 있습니다. 탭 전류를 구하는 공식과 지금 설정된 탭 값이 맞는지 알려주세요. 그리고 관련책자에 보면 ‘탭 전류=부하전류×여유율×CT비’라고 되어 있는데 일반적으로 여유율[%]을 얼마나 주는지요?

[회시]

우선 계전기 탭은 정격전류를 계산하면, ‘정격전류[I]={P/(√3×V)}’, ‘탭 전류=정격전류×CT비×여유율(k)’, 상기 질문 상의 부하전류가 정격전류라고 할 때 ‘탭 전류=240×5/600×1.5=3’으로 현재 탭 3은 적절하다고 볼 수 있습니다. [변압기 1차 한시 Setting 시 여유율[k]은 125~150[%] 정도에 적용]

[질의] : OCR, UVR, 지락 계전기

OCR, UVR, 지락 계전기에 대해서 자세히 알고 싶습니다.

[회시]

1. OCR(과전류 계전기): 전력계통에 단락 또는 과부하전류 발생 시 계전기가 동작하여 차단기를 동작시킴.

2. UVR(저전압 계전기): 저전압이 발생할 경우 계전기의 정정치 이하가 되면 감지하여 차단기가 동작하도록 하는 계전기

3. GR(지락 계전기): 일반적으로 GR은 중성점 비접지 전로에, OCGR은 중성점 접지식 전로에 사용하는 지락 계전기를 지칭합니다. GR은 ZCT와 조합해 사용하며 OCGR은 일반적으로 CT 3개를 Y 결선한 잔류회로를 이용합니다.

[질의] : 유입식 변압기 및 차단기

40년 된 빌딩입니다. 유입변압기를 사용하며 그동안 한 번도 변압기는 교체한 적이 없고 10년 전에 OT만 교체하였다고 합니다. 유입변압기 교체주기가 어떻게 되며 OT만 교체하여도 사용 가능한지 궁금합니다.

그리고 전압은 3상4선식으로 220[V], 110[V]를 사용합니다. 그런데 분전반 내 분기회로 차단기는 전부 MCCB만 붙어 있고 눈을 씻고 찾아봐도 ELB는 보이지 않습니다. 건물주에게 ELB로 바꾸자고 해도 들은 체 만 체하는데 어떻게 하면 좋을까요? 

[회시]

먼저 유입식 변압기의 교체주기에 대한 법적강제조항은 없습니다. 그러나 변압기를 장기간 사용할 경우 경년열화하여 정전사고 및 효율이 떨어져 유지관리 하는데 어려움이 많을 것으로 생각됩니다.

일반적인 변압기의 사용연한은 15년(협회지 2007년 4월호 참고)이나 관리 정도에 따라 20년 이상 사용할 수 있다는 것이 전문가들의 의견입니다. OT를 교체하셨다 함은 OT로 인한 사고만 예방한 것이며 OT 또한 매년 꾸준히 관리하셔야 합니다.

누전차단기 설치는 내선규정(1,475절)이나 기술기준의 판단기준(41조)에 60[V] 초과하는 금속제외함을 가지는 기계기구에 전기를 공급하는 전로에 설치하게 되어 있습니다.

대부분 설비가 이에 해당하므로 건물주를 설득하여 교체하는 것이 바람직하다고 생각됩니다.