수변전설비 계획·수전방식

왜 배우는가: 수변전설비는 건축물과 산업설비의 전기 공급 신뢰도와 안전을 좌우하는 기반 설비다. 수전전압과 수전방식은 설비 규모, 비용, 보호 방식을 함께 결정하므로 계획 단계의 핵심 설계 문제로 시험에 반복 출제된다.

출제 이력: 제131회 2교시 5번, 제126회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수변전설비는 외부 전력계통에서 받은 전기를 변압·개폐·보호하여 부하에 안정적으로 공급하는 설비다.

핵심 키워드

• 수변전설비
• 수전방식
• 수전전압
• 수전점
• 변압기
• 부하설비
• 역률 관리
• 예비전원

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 수변전설비는 전력회사에서 받은 높은 전압을 건물 안에서 쓸 수 있는 전압으로 바꾸고, 필요한 곳으로 나눠 보내며, 사고가 나면 떼어내는 설비다.

정식 정의로는 수전설비와 변전설비를 합친 말이다. 수전설비는 전력회사 계통과 수용가가 만나는 수전점에서 전기를 받아들이는 설비다. 차단장치와 보호계전장치가 여기에 포함된다. 변전설비는 전압을 바꾸는 변압기와 그 주변 설비다.

수전설비와 변전설비는 함께 계획한다. 수전전압과 수전방식이 정해지면 변압기 용량, 차단기 정격, 배전반 구성이 차례로 정해지기 때문이다.

수전방식은 전력회사 공급선로를 어떤 구성으로 받을지를 뜻한다. 단회선 수전, 루프 수전, 이회선 수전 등으로 나뉘며 신뢰도와 설비 비용이 서로 다르다. 계획자는 부하의 중요도에 따라 방식을 고른다.

수전전압은 수용가가 전력회사에서 받는 전압이다. 수용 규모에 따라 저압, 고압, 특고압으로 나뉜다. 일반적으로 고압은 교류 1kV를 넘고 7kV 이하, 특고압은 7kV를 넘는 전압을 말한다. 국내 사업장에서는 특고압 수전으로 22.9kV-Y 계통을 많이 쓴다.

부하설비는 수변전설비에서 전기를 공급받는 조명, 동력, 전열, 공조 설비 등을 말한다. 계획에서는 이 부하의 종류와 크기를 먼저 분류해야 변압기와 차단기의 용량이 정해진다. 부하를 중요도에 따라 나누면 예비전원이 필요한 범위도 함께 정해진다.

3. 등장 배경과 필요성

건물과 산업시설의 전력 수요는 전산기기, 공조 설비, 전동기 부하의 증가로 커졌다. 부하가 커질수록 한 곳에 몰리는 전류가 늘고, 사고 한 번이 넓은 범위의 정전으로 이어진다. 그래서 수변전설비는 처음부터 신뢰도와 안전을 고려해 계획해야 한다.

에너지 측면의 필요성도 있다. 에너지관리기준은 수전단측 역률을 95 % 이상으로 관리하도록 정한다. 같은 기준은 전기사용설비의 역률을 90 % 이상으로 목표 설정하고, 진상콘덴서 설치 등으로 역률을 향상시키도록 한다. 역률이 낮으면 같은 유효전력에 대해 전류가 늘어 배전손실과 전압강하가 커진다. 따라서 역률 관리는 설비 계획 단계에 포함되어야 한다.

전력 평준화 측면에서는 최대수요전력 제어장치 설치를 검토하도록 한다. 변압기는 부분 부하 효율을 고려해 가동대수와 부하 배분을 정하도록 관리표준이 있다. 이런 관리 요구는 설비 구성이 정해진 뒤에 추가하기 어려우므로 계획 단계에서 반영한다.

수전전압의 결정 원리도 법령에 나타난다. 철도건설규칙은 전철변전소 수전선로의 전압을 수전용량, 수전거리, 연계된 전력계통을 고려해 정하도록 한다. 즉 수전전압은 설비 규모와 계통 조건을 함께 보고 정하는 값이다.

정리하면 수변전설비 계획은 전력 공급 신뢰도, 전기 안전, 에너지 효율의 세 가지 요구를 함께 만족시키는 과정이다. 이 세 요구가 계획 고려사항과 수전방식 선정으로 이어진다.

4. 구성요소·원리·절차

수변전설비는 외부 전력계통에서 받은 고압 전력을 수용가 내부의 사용 전압으로 바꾸어 부하에 나누어 공급하는 설비다. 구성요소는 수전 인입부터 변압기 2차 측 배전까지 전력이 흐르는 순서로 배열된다. 각 구성요소는 전압 변환, 차단·개폐, 보호, 역률 보상, 계측 중 하나 이상의 역할을 맡는다.

수변전설비의 기본 원리는 전력을 전압 계층별로 나누어 흘려보내는 것이다. 수전 전력은 차단기와 단로기를 거쳐 변압기에서 저압으로 낮아진다. 저압측은 배분전반에서 분기되어 간선과 분기회로로 부하에 도달한다.

수변전설비의 설계 핵심은 부하 용량에 맞는 변압기 용량과 사고 시 차단 범위를 함께 정하는 것이다.

수용률과 부하율은 변압기 용량 산정의 기초가 된다. 수용률은 최대수요전력을 설비용량 합계로 나눈 값이다. 변압기 용량은 설비용량에 수용률을 곱해 구한 부하에 여유율을 더해 정한다.

$\text{변압기 용량}\,[\text{kVA}] = \frac{\text{설비용량}\,[\text{kW}] \times \text{수용률}}{\text{역률}} \times (1+\text{여유율})$

• 설비용량: 부하에 연결된 기기 정격의 합(kW)
• 수용률: 최대수요전력 / 설비용량 (무차원)
• 역률: 유효전력 / 피상전력 (무차원)
• 여유율: 장래 부하 증설을 고려한 여유분 (무차원)

계산 예: 설비용량 800kW, 수용률 0.6, 역률 0.9, 여유율 0.2이면 변압기 용량은 800×0.6÷0.9×1.2 = 640kVA다. 표준 변압기 용량 중 640kVA 이상의 값을 선정한다. 결과 640kVA는 설비 규모에 비추어 상식적인 범위다.

수변전설비 설계 절차는 다음과 같다.

• 부하 조사와 설비용량 집계
• 수용률·부하율 적용으로 최대수요전력 산정
• 수전전압과 수전방식 결정
• 변압기 용량과 대수 결정 (N+1 이중화 등 신뢰도 기준 반영)
• 차단기·보호계전기 정격과 보호협조 검토
• 역률 개선용 콘덴서 용량과 자동역률제어장치 계획
• 모선 구성과 배치, 환기·방재 조건 검토

5. 관련 법령·기준·표준

수변전설비의 계획·운영 기준은 에너지 관리 측면에서 「에너지이용 합리화법」에 근거한 에너지관리기준이 대표적이다. 이 기준은 수변전 및 배전설비 관리표준을 제8절에서 정한다. 전기설비의 안전 기준은 한국전기설비규정(KEC)이 적용된다. 현행 KEC는 2021-01-01부터 시행됐다.

수변전설비 관련 기준값은 다음과 같다.