변압기 용량산정

왜 배우는가: 변압기 용량은 설계 단계에서 수용률·부등률·부하율로 합성 최대 수용전력을 구해 정하며, 이 계산은 건축전기설비 설계와 수변전설비 계획에서 반복적으로 요구되는 기본 능력이다. 시험에서도 개념 정의와 용량산정 절차를 함께 묻는 문제로 자주 출제된다.

출제 이력: 제137회 1교시 2번, 제118회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장(변압기 용량산정은 설비용량에 수용률·부등률을 적용해 구한 합성 최대 수용전력을 기준으로 변압기 정격용량을 정하는 절차임).

핵심 키워드

• 수용률: 설비용량 합계에 대한 최대수용전력의 비
• 부등률: 개별 최대수요전력 합계에 대한 합성 최대수요전력의 비
• 부하율: 평균수요전력에 대한 최대수요전력의 비
• 합성 최대 수용전력: 부등률을 적용해 구한 변압기 용량 산정의 기준값
• 설비 용량: 부하 기기의 정격용량 합계
• 변압기 정격용량: 합성 최대 수용전력 이상으로 선정하는 용량
• 직강압방식: 수전전압을 사용전압으로 한 번에 낮추는 변전 방식
• 전기용접기 부하: 사용률을 적용해 용량을 환산하는 특수 부하

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 건물에 전기 기기를 모두 켜 놓아도 실제로 동시에 최대로 쓰이는 전력은 설비용량 합계보다 작다. 이 차이를 수치로 나타내고 변압기 크기를 정하는 데 쓰는 것이 수용률과 부등률이다.

수용률(Demand Factor)은 부하설비의 설비용량 합계에 대한 최대수용전력의 비를 백분율로 나타낸 값이다. 수용가 한 곳 안에서 기기들이 동시에 전부 가동되지 않는다는 사실을 반영한다. 수용률이 100%보다 작은 이유는 기기별 최대 사용 시점이 다르고 가동률이 낮기 때문이다.

부등률(Diversity Factor)은 각 부하의 최대수요전력 합계에 대한 합성 최대수요전력의 비이다. 1보다 크거나 같으며, 값이 클수록 부하의 최대 발생 시각이 서로 어긋나 있음을 뜻한다. 수용가 상호간, 배전 변압기 상호간, 급전선 상호간, 변전소 상호간에서 각 최대 부하가 같은 시각에 일어나지 않기 때문에 부등률이 생긴다.

부하율(Load Factor)은 일정 기간 동안 부하 변동의 정도를 나타내는 지표이다. 기간 중 평균 수요전력과 최대 수요전력의 비를 백분율로 나타낸다. 부하율이 높으면 설비가 효율적으로 쓰이고, 낮으면 짧은 피크 때문에 설비가 장기간 유휴 상태로 남는다.

세 지표는 서로 관계를 가진다. 부등률과 수용률을 알면 합성 최대 수용전력을 구할 수 있고, 부하율도 같은 관계식으로 역산할 수 있다. 따라서 정보가 일부 부족해도 나머지 두 값으로 다른 값을 구할 수 있다. 설계에서는 합성 최대 수용전력을 먼저 구하는 것이 가장 중요하다. 변압기 용량은 이 값 이상이어야 안전하게 운전된다.

핵심 관계식은 다음과 같다.

$합성\ 최대\ 수용전력 = \frac{\sum(설비용량 \times 수용률)}{부등률}$

여기서 설비용량은 kVA, 수용률과 부등률은 무차원 비이다. 부하율은 $부하율 = \frac{평균\ 전력}{최대\ 전력} \times 100\%$ 로 정의한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 전력 설비는 기기 용량을 모두 더해 변압기를 선정했다. 그러면 변압기가 과대 설계되어 설치비와 무부하손실이 커졌다. 건물 부하가 다양해지면서 실제 최대 수요를 합리적으로 추정할 기준이 필요해졌다.

이에 따라 수용률과 부등률을 도입했다. 수용률은 한 부하군 내부의 동시 사용 정도를, 부등률은 여러 부하군 사이의 최대 발생 시각 차이를 반영한다. 두 값으로 설비용량을 실제 수요에 가깝게 줄여 변압기를 합리적으로 선정할 수 있게 되었다.

건축물 전력설비에서는 용도별 부하 특성이 다르므로 수용률을 건축물 종류와 부하 종류별로 적용한다. 소방부하와 비상부하는 법규상 수용률 기준이 따로 정해져 있어 일반 부하와 구분해 계산해야 한다. 이 기준이 정비되면서 설계자가 임의로 수용률을 낮게 잡아 용량이 모호하게 산정되는 일을 막을 수 있게 되었다.

또한 변압기 용량을 적정하게 잡으면 부하율이 높아져 전력 사용의 효율이 좋아지고, 저손실 변압기 사용과 대수제어 같은 에너지절약 방안과도 연결된다. 직강압방式은 중소형 건축물에서 변압기 수와 배전 손실을 줄이는 방법으로 쓰인다. 이런 이유로 변압기 용량산정은 전력설비 계획의 출발점이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

변압기 용량산정은 부하 설비용량에서 출발해 수용률·부등률을 곱해 합성 최대 수용전력을 구하고, 여기에 여유율을 반영해 정격용량을 고르는 절차다. 구성요소는 부하 종류별 설비용량, 수용률, 부등률, 부하율, 그리고 변압기 정격용량이다. 각 요소가 서로 어떻게 연결되는지 아래 구성도로 먼저 보는 것이 좋다.

수용률은 설비용량 합계에 대한 최대 수요전력의 비다. 부등률은 개별 최대수요전력의 합에 대한 합성 최대수요전력의 비로, 1보다 크다. 부하율은 기간 중 평균 수요전력을 최대 수요전력으로 나눈 값이다. 세 값은 서로 관계가 있어, 두 값을 알면 나머지를 역으로 구할 수 있다.

변압기 용량은 합성 최대 수용전력 이상으로 선정한다. 합성 최대 수용전력은 각 부하군의 설비용량에 수용률을 곱해 합한 뒤 부등률로 나눈 값이다.

변압기 용량산정의 절차는 다음과 같다.

• 부하 종류별(전등, 동력, 콘센트, 용접기 등) 설비용량을 집계한다.
• 부하 종류별 수용률을 곱해 부하별 최대 수요전력을 구한다.
• 부하별 최대 수요전력을 합하고 부등률로 나눠 합성 최대 수용전력을 구한다.
• 증설 계획과 여유율을 반영해 변압기 용량을 정한다.
• 표준 용량 중 합성 최대 수용전력 이상인 가장 작은 정격을 선택한다.

계산식은 다음과 같다.

$P_{합성} = \frac{\sum_{i}(P_i \times f_i)}{\text{부등률}}$

P_i는 부하군 i의 설비용량(kVA), f_i는 부하군 i의 수용률(무차원)이다. 부등률은 1 이상의 무차원 값이다. 이 값을 변압기 정격용량 산정의 기준으로 쓴다.

직강압방식에서는 수전전압을 한 번에 저압으로 낮추므로, 변압기 용량산정 시 고압 변압기 한 대와 저압 분기 회로를 함께 고려한다. 주변압기 용량은 전체 합성 최대 수용전력으로 정하고, 전등·동력 변압기는 부하군별 합성 값으로 나눠 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

건축물 변압기 용량산정의 수용률 기준은 「건축전기설비설계기준」이 기준이 된다. 이 기준은 건축물의 종류와 부하 종류별 수용률을 제시한다. 소방부하의 수용률은 100%, 비상부하의 수용률은 100% 또는 「건축전기설비설계기준」(구 국토해양부 공고 명칭, 건축전기설비기술기준이 아님)에 제시된 수용률 중 최댓값 이상으로 적용한다.

승강용 엘리베이터의 기준 수용률은 사용빈도가 큰 경우 대수에 따라 다르게 적용한다. 대수가 늘수록 수용률이 낮아지므로, 대수별 값을 그대로 적용해야 한다.

위 표의 수용률은 건축물 종류별 최댓값과 함께 검토한다. 각 값은 설계 대상 건물의 종류와 부하 구성에 맞춰 선택한다. 개정 연혁으로는 건축전기설비설계기준이 개정되어 체계가 바뀌었고, 이전의 국토해양부 공고 기준 명칭이 함께 쓰인다.

직강압방식(수전전압을 직접 사용전압으로 강압)은 중소형 건축물에서 쓰는 방식이다. 대형건축물에는 적용하지 않을 수 있다. 저손실형 변압기(몰드변압기, 아몰퍼스변압기)를 쓰는 것이 기준의 권장 사항이다.

6. 유형과 비교

변압기 용량 산정에 쓰는 기준은 용량 산정의 대상(주변압기, 전등·동력, 특수 부하)에 따라 다르다. 같은 최대 수요라도 수용률을 적용하는지, 부등률을 적용하는지, 부하율로 평균 부하를 가늠하는지에 따라 결과가 달라진다. 아래 표는 세 계수의 정의와 변압기 용량 산정에서의 역할을 나눠 정리한 것이다.