변압기 용량 산정

왜 배우는가: 변압기 용량은 설비 설계의 출발점이라 용량을 과소 산정하면 과부하와 정전 사고로 이어지고, 과대 산정하면 설비비와 손실이 늘어난다. 그래서 공동주택 정전사고 예방과 변압기 용량 검토는 여러 회차에 걸쳐 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제131회 2교시 6번, 제122회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변압기 용량 산정은 부하설비의 최대 수요전력과 수용률·부등률·부하율을 고려해 변압기 정격용량을 정하는 설계 작업이다.

• 최대 수요전력
• 수용률
• 부등률
• 부하율
• 합성 최대 수요전력
• 여유율
• 역률

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 건물에 달린 모든 전기기기를 동시에 최대로 켰을 때 필요한 전력을 미리 계산해 변압기 크기를 정하는 일이다. 모든 부하가 동시에 최대로 쓰이지는 않으므로 실제 필요량은 이론상 합계보다 작다.

정식 정의는 다음과 같다. 변압기 용량 산정은 설비 부하의 설비용량에 수용률을 곱해 최대 수요전력을 구하고, 부등률로 여러 부하군의 최대치가 시간적으로 어긋나는 효과를 반영해 합성 최대 수요전력을 구한 뒤, 여기에 역률과 장래 증설 여유를 반영해 변압기 용량을 선정하는 절차다.

수용률은 설비용량 합계에 대한 최대 수용전력의 비율이다. 설비 전체가 동시에 최대 부하로 운전되지 않으므로 1보다 작은 값을 쓴다. 부등률은 개별 최대 수요전력의 합에 대한 합성 최대 수요전력의 비율이다. 수용가 상호간이나 배전 변압기 상호간의 최대 부하가 같은 시각에 일어나지 않기 때문에 1 이상의 값을 가진다. 부하율은 일정 기간의 평균 수요전력을 최대 수요전력으로 나눈 값으로, 부하 변동의 정도를 나타낸다.

세 값은 서로 관계가 있다. 부등률과 부하율을 알면 수용률을 역으로 구할 수 있다. 따라서 자료가 부족해도 이 관계를 이용해 설비 용량을 선정할 수 있다. 변압기는 합성 최대 수용 전력보다 용량이 크거나 같아야 안전하게 동작하므로, 이 계산이 용량 산정의 기준이 된다.

여유율은 장래 부하 증가와 기동 전류에 대비해 용량에 더하는 여유분이다. 역률은 피상전력과 유효전력의 관계를 나타내며, 변압기 용량(kVA)을 계산할 때 유효전력(kW)을 역률로 나눠 피상전력으로 환산한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 설비가 늘어나면서 설비용량 합계를 그대로 변압기 용량으로 쓰면 과투자가 생긴다. 반대로 부하 증가를 고려하지 않으면 과부하로 변압기가 과열되고 정전이 발생한다. 이 두 문제를 동시에 피하기 위해 수용률과 부등률을 도입해 현실적인 최대 수요를 계산하게 되었다.

공동주택에서는 세대 수가 많고 세대별 사용 패턴이 다양해 부하 특성이 복잡하다. 여러 세대가 같은 시각에 최대로 사용하지 않는다는 점이 부등률의 근거가 된다. 그러나 이 가정이 틀리면 특정 시간대에 변압기가 과부하되어 정전 사고로 이어질 수 있다. 따라서 용량 산정 시 부하 특성과 장래 증설을 함께 검토하는 것이 필요하다.

한편 공동주택가격 산정 기준은 공동주택 가격을 다루는 기준이며 변압기 용량 기준이 아니므로, 이 절의 전기설비 판단에는 사용하지 않는다.

4. 구성요소·원리·절차

변압기 용량 산정은 부하설비의 합성 최대 수용전력을 구한 뒤, 이를 감당할 변압기 정격용량을 정하는 절차다. 부하 종류별 수용률·부등률·부하율을 적용해 설비 용량을 도출하고, 여유율과 증설계획을 더해 최종 용량을 결정한다.

수용률, 부등률, 부하율은 서로 관계가 있어 둘을 알면 나머지를 역산할 수 있다. 이 관계를 이용해 목표 수용률이나 부하율을 갖는 설비 용량을 선정한다. 변압기는 합성 최대 수용전력보다 정격용량이 크거나 같아야 안전하게 동작한다.

핵심 원리는 다음과 같다. 개별 부하의 최대치가 같은 시각에 발생하지 않으므로 합성 최대전력은 설비용량 합보다 작아진다. 이 차이를 부등률로 표현한다. 최대수요전력은 수용률로 구한다.

합성 최대수요전력 ≥ 변압기 용량

절차는 다음과 같다.

• 부하 목록과 설비용량을 집계하고 부하 종류(전열·동력·조명·소방 등)별로 분류한다.
• 부하 종류별 수용률을 적용해 각 부하의 최대수요전력을 구한다.
• 부등률로 합성 최대수요전력을 구한다.
• 부하율과 손실계수를 검토해 평균 수요와 손실 전력을 확인한다.
• 장래 증설과 여유율을 반영해 표준 변압기 용량을 선정한다.
• 선정 용량의 부하율이 효율 구간에 드는지 확인한다.

계산 관계식은 다음과 같다.

$\text{합성 최대수요전력} = \frac{\sum(\text{설비용량}_i \times \text{수용률}_i)}{\text{부등률}}\ \text{[kW]}$

$\text{부하율} = \frac{\text{평균수요전력}}{\text{최대수요전력}} \times 100\ \text{[%]}$

여기서 설비용량_i 는 부하 i 의 정격 용량(kW), 수용률_i 는 부하 i 의 실제 최대 사용 비율(무차원), 부등률은 개별 최대수요 합에 대한 합성 최대수요의 비(1 이상)다.

5. 관련 법령·기준·표준

변압기 용량 산정의 직접 근거는 「공동주택가격 조사·산정 기준」이 아니라 전기설비 설계기준과 건축전기설비 설계기준이다. 이 기준은 공동주택가격 산정 절차를 정한 것이므로, 설계 근거로 인용하지 않는다. 다만 공동주택 관련 제도에서 임대주택 가격 산정에 쓰는 산식은 전세금과 임대료의 관계를 다룬다.

수용률 관련 근거는 다음과 같다. 소방부하 수용률은 100%로 적용하며, 비상부하는 100% 또는 건축전기설비 설계기준 수용률의 최댓값 이상으로 적용한다. 소방 및 일반부하 겸용 발전기는 화재 시를 고려해 수용률 1.0을 적용한다.

개정 연혁은 다음과 같다. 건축전기설비설계기준은 2016-06-30에 KDS 31 60 20 계열로 변경됐다. 비상용 예비발전설비 설계기준은 2021년에 개정됐다. 이 개정으로 소방부하의 수용률 임의 적용이 배제됐다.

승강기 수용률은 대수가 많을수록 낮아진다. 따라서 승강기가 많은 공동주택에서는 수용률을 낮게 적용할 수 있지만, 소방부하는 낮출 수 없다.

관련 법령과 기준 이름은 다음과 같이 정리한다. 설계 실무에서는 현행 전기설비 설계기준과 건축전기설비 설계기준을 기준으로 삼는다. 옛 명칭은 참고용으로만 쓴다.