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ECO-Design 154kV 저손실 변압기 개발
한전·LS산전 등 제작사 협업, 세계 최고 수준 기술 경쟁력 확보
2019년 07월 22일 (월) 09:38:08 한국전력신문 webmaster@epnews.co.kr

2017년 발효된 파리 협정에 따라 세계 200여 국가는 이산화탄소 등 온실가스의 배출 감축 목표를 정하고 이행 중으로 우리나라 역시 2020년 배출예상량의 37%를 감축해야 한다. 송변전 분야 또한 고효율 전력기기의 적용을 통해 이산화탄소 배출을 저감하는 방안이 요구되고 있다. 특히 변압기에서 발생하는 손실을 줄여 에너지 손실비용은 물론 이산화탄소 배출을 저감하는 것이 국내 전력산업의 경영효율 제고뿐 아니라 지구온난화를 완화하는데 많은 기여를 할 수 있다.

◆EU 2014년 에코 디자인 지침 발표

EU는 2014년 변압기의 친환경 설계 지침인 에코 디자인(Eco Design) 지침을 발표하고 2015년 7월부터 지침에서 정한 Tier I 기준을 만족하는 변압기만 수입할 수 있도록 하는 규제를 시행 중이다. 또한 2021년 7월부터는 Tier II의 상향된 설계 기준을 적용할 예정이다. 이런 EU의 친환경 정책은 국제전기기술위원회(IEC) 규격에 반영되어 고효율 변압기 개발은 온실가스 감축이라는 대의명분에서 변압기 업계의 생존이 달린 현실의 문제가 되었다.
국내 송배전 손실율은 2016년 세계 최고 수준인 3.59%로 매우 낮은 수준이다. 전체 손실률 중 154 kV 변압기의 손실이 차지하는 비중은 약 0.32%p로 매우 낮은 수준임에도 불구하고 변압기의 변전 용량이 커 손실비용만으로 연 2,000억원에 달한다.
효성중공업, 현대일렉트릭앤에너지시스템, 일진전기, LS산전 등 국내 변압기 제작사는 변압기 효율보다는 가격 경쟁력 확보에 우선하여 재료 비용이 크게 증가하는 고효율 변압기는 점진적으로 추진하고 있는 실정이다. 
LS산전이 2015년 EU의 Tier I을 만족하는 변압기를 개발하였으나 Tier II 수준의 변압기는 개발에 착수하지 않았으며, 타 제작사는 LS산전의 고효율 변압기 개발 이후에도 저손실 변압기를 개발하지 않아 자칫 국내 산업계가 국제 경쟁력을 잃어버릴 수 있는 상황이다.
한전은 2001년부터 변압기 손실이 작을수록 입찰에 유리한 ‘효율평가 구매제도(Total Owning Cost)’를 도입하여 시행 중이지만, 손실평가의 반영 비중이 낮아 변압기 제작사의 고효율 변압기 개발을 촉진하기에 부족했다.

◆한전 송변전건설처, 저손실 전력용 변압기 필요성 인식

이에 따라 한전 송변전건설처는 세계 최고 수준의 변압기와 동등하거나 그 이상의 성능을 가진 전력용 변압기의 필요성을 인식하고 2016년 ‘기술집약형 World Best 변전기기개발’ 계획을 발표했다.
동시에 한전은 제작사 공청회 등을 통해 저손실 변압기의 필요성에 대한 공감대를 형성하는 한편 한전 전력연구원과 국내 변압기 제작사 모두가 참여하는 공동연구를 제안, 2017년 개발에 착수했다.

◆한전 전력연구원과 제작사, 손실 23% 저감 변압기 개발 완료

개발에 착수한 한전과 변압기 제작사는 현재 사용 중인 변압기보다 약 23%정도 손실을 저감하는 Tier I급 변압기를 2018년 개발하여 2019년부터 도입하고 있다.
저손실 변압기에는 자구미세화 강판, 연속 전위 권선, Step-lap 적층 방식 등 변압기의 손실을 줄이기 위한 다양한 설계 기술들이 적용된다. 참고로 자구미세화 강판은 철심에서 발생하는 손실을 줄이기 위해 자화방향의 90°방향으로 철심 표면에 스크래치를 내어 자구를 작게 만들어 준 철심재료다. 연속전위권선(CTC)은 변압기 병렬권선에서 발생하는 순환전류를 줄이기 위해서 전선의 위치를 바꾸어 주는 것을 전위라하며 이를 권선 작업중 수행하면 많은 작업이 필요해 변압기 권선용 전선을 만들 때 연속적으로 미리 전위를 시켜서 만드는 전선이다.
또한, 고효율 변압기 규격 및 개발 방향 제시, 전자계해석을 통한 손실저감 기술 검증, 광섬유 센서를 이용한 부분과열 직접 측정, 현장적용 시 제약사항 검토, 성능 검증, 효율평가 구매제도의 실효성 제고를 위한 개선방안 도출, 운전 기준 제시 등을 수행했다.

◆손실 40% 저감 변압기, 2020년까지 개발 완료

저손실 변압기의 개발에 따라 한전은 2019년 변압기 손실 등 에너지 비용 가치를 재산정하는 등 효율평가 구매제도를 개선했다. 특히 무부하 손실 평가방식을 강화하여 철손저감 기술 개발의 동기를 부여하고 에너지 손실비용 절감 및 소음 저감 효과 등 변전설비 운영 관점에서의 긍정적인 효과를 기대할 수 있게 됐다.
또한 변압기의 효율적인 유지보수와 교체를 돕기 위해 경제성 평가 및 정비 검토 프로그램 등을 동시에 개발했다. 이 프로그램을 통해 효율평가 구매제도를 위한 변압기의 효율, 피크효율지수(PEI) 등을 산정할 수 있으며, 특히 변압기 정비 데이터를 활용한 변압기 맞춤형 정비 계획을 제시할 수 있다.

한전과 제작사는 공동개발을 통해 축적된 기술과 추가적인 연구개발을 통해 손실을 40%이상 저감하는 Tier II급 154 kV 변압기를 2020년까지 개발하고 안정성과 신뢰성 검증을 거쳐 실계통에 적용할 것이다.

Tier II급 154 kV 변압기는 대당 연 3천 7백만원의 에너지 손실비용을 절감할 수 있다. 특히 국내에서 운영 중인 2,400대를 전량 교체하는 경우 연 884억원의 손실비용은 물론 42.8만톤의 이산화탄소 배출을 줄일 것으로 기대된다.

◆한전 전력硏, 미래 新성장동력 R&D 수행

한전 전력연구원은 지난 1961년 개원한 한전의 기업부설연구소로 국내 산업·경제발전을 위한 안정적 전력공급 기술을 개발하고 전력산업의 지속가능한 성장을 위한 미래 新성장동력 연구개발(R&D)을 수행하고 있다. 전력연구원은 융합신기술, 발전, 송변전, 배전 분야에서 에너지저장장치, 전기차 충전인프라, 청정 화력발전, 초고압직류송전(HVDC), 이산화탄소 재활용 등을 연구 개발 중이며 발전소 및 변전소 등 각종 전력설비의 예방진단, 고장복구 등 기술적 난제를 해결하는 기술지원을 수행 중이다.
전력연구원은 2018년 세계 최초로 실증에 들어간 8.5 kW 염전 태양광, 10 kW 규모의 도로 태양광 설치 등 탈화석연료 시대에 대비한 친환경 에너지 기술을 확보하였으며, 세계 최대 규모인 1 MW 이산화탄소 분리막 설비를 당진화력본부에 준공하여 실증에 들어가는 등 온실가스와 미세먼지 감축을 위한 청정 발전기술을 개발하였다.
또한 세계 최초로 전력 소프트웨어 공용플랫폼을 개발하여 전사에 확대 적용하는 등 에너지신산업 확산을 위한 디지털 플랫폼 기술을 개발하여 구축하였다. 전력연구원은 누구보다 앞서 전력산업과 미래 사회를 창출하는 큰 흐름을 만들기 위한 노력을 다하고 있다. 에너지 전환과 이를 위한 디지털 변환 연구개발은 물론 전력산업이 한걸음 더 나아가기 위한 협력적 기술개발의 기반을 공고히 해 나갈 것이다. 전력연구원이 전력 에너지 산업의 ‘에너지 전환’과 ‘디지털 변환’을 위한 전력기술 개발을 선도하여 미래 사회를 만들 것이다.

LS산전, ‘ECO 저손실 변압기’

LS산전의 ‘ECO 저손실 변압기’의 개발배경은 변압기 전력손실에 따른 연간 손실비용 절감 Needs 반영과 국내 변압기 업체에 대한 기술경쟁력 향상 Needs 반영에 따라 개발하게 됐다. 
LS산전의 ‘ECO 저손실 변압기’는 자구미세화전기강판을 적용하여 변압기 손실을 최소화했으며 ’15년도에 ECO-1단계의 PEI(Peak efficiency index)를 만족하는 한전 표준 변압기 개발을 완료했다. 참고로 타사는 ’18년도에 등록을 완료했다. 앞서 언급한 ECO변압기란, EU(유럽연합)에서는 변압기가 일정수준 이상의 효율을 갖도록 하기 위해 본 법령을 제정하였으며 법령 발효일(‘14년 6월 20일)이후에 EU 국가에서 구매하는 모든 변압기에 적용하도록 했다.
‘ECO 저손실 변압기’는 LS산전의 해석 프로그램을 통한 전자계 해석, 유동 해석, 단락기계력 해석 등을 통해 권선 및 철심구조 최적화, 외함 및 구조물 최적화로 제품 체적 및 손실을 감소시켰다. ’20년도에 완성될 예정인 ECO-2단계는 ’12년도에 한전용으로 초도 개발된 제품 대비 총손실을 약 48%를 저감시킬 예정이다.
한편 ECO-2단계에는 저손실·고효율 변압기에 모니터링 기술인 광섬유 온도센서·부분방전진단 센서 등을 적용한 변압기를 개발하고 있다.

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