EN
입찰서는 토목 공사에 관한 이십 페이지 분량의 문서와 전기 공사 범위에 관한 한 줄의 문장—6.6 kV 부두 전원 공급 및 설치—으로 도착했다. 우리는 해당 항만의 전기 엔지니어에게 방문하는 선박단이 사용하는 주파수를 물었다. 잠시 침묵이 흐른 후, 그 대답은 ‘일반적으로 통용되는 주파수’였다. 이 하나의 미해결 질문이 바로 ‘ 연안 전원 변압기 ’의 등급을 결정하며, 해당 계류장에 정적 주파수 변환 장치가 아예 필요할지 여부와, 크루즈선이 도착했을 때 실제로 연결이 가능한지 여부도 이 질문에 달려 있다.
콜드 아이러닝(cold ironing)은 이제 시범 프로젝트의 일환에서 점차 증가하는 수의 항만에서 허가 조건으로 자리 잡았다. 그런데 전기 설비 관련 부분은 보통 맨 나중에 작성되고, 가장 적게 검토되는 항목이다. 본 안내서는 계류장에서 작동해야 하는 ‘ 연안 전원 변압기 콜드 아이러닝 시스템
’이 견뎌야 할 부하 조건, 사양서에 명시되어야 할 핵심 값들, 그리고 15년간의 염분이 많은 공기 속에서도 장치가 계속 가동될지를 좌우하는 고조파 및 부식 관련 세부 사항들을 다룬다.
부두에 정박한 선박은 보조 엔진을 정지시키고 부두에서 전력을 공급받는다. 호텔 부하, 냉장 컨테이너(리퍼), 펌프, 자가 하역선의 크레인, 그리고 크루즈선의 전체 난방·환기·공조(HVAC) 및 주방 부하까지 모두 포함된다. 최대 수요는 매우 크며, 한 번에 급격히 증가한다. 대형 크루즈선 부두는 일반적으로 6.6 kV에서 약 7.2 MVA를 기준으로 설계되며, 이는 2차 측 전류로 약 630 A에 해당한다. 반면 냉장 컨테이너 랙이 설치된 컨테이너 부두는 1.5~3 MVA 수준이다.
이 임무는 배전용 변압기에서는 결코 경험하지 못하는 방식으로 반복적이다. 매 선박 접속 시 변압기가 가동되고, 선박 자체의 변압기도 동시에 작동하므로, 착자 전류가 하루에 여러 차례 발생한다. 때로는 부두 박스와 선박 사이에 200~400 m 길이의 케이블이 연결되기도 한다. 여기에 걸프 지역 항구의 외기 온도 45 °C, 상대 습도 90%, 그리고 20~30년 설계 수명을 고려하면, 사양서 상에서는 여유 있어 보이던 열 여유량이 실질적으로는 매우 제한적으로 느껴지게 된다.
전압, 주파수 및 컨버터 선택
고전압 부두 전력 공급 규격은 다음에서 표준화되어 있다. IEC/IEEE 80005-1 그리고 해당 표준의 2021년 개정판은 주로 선박-부두 인터페이스에서 위상 회전(phase rotation) 문제가 실제 운영 중에 발생했기 때문에 제정되었다. 변압기 구매자에게 실용적인 핵심 요지는 더 좁게 정리된다: 부두는 선박이 기대하는 전압과 주파수를 반드시 공급해야 하며, 변압기는 그 공급 체인의 한 구성 요소일 뿐이다.
세 가지 배치 방식이 대부분의 입찰을 커버하며, 각각 서로 다른 세 가지 변압기 사양을 요구한다.
| 부두 배치 방식 | 변압기 운전 조건 | 사양에서 달라지는 항목 |
| 60Hz 전력망, 60Hz 선 fleet | 강하 전압만 처리(예: 33kV → 6.6kV) | 일반 배전 장치에 가장 가까움: 표준 임피던스, ONAN 또는 ONAF 냉각 방식, 해양 환경용 C5-M 도장 |
| 50Hz 전력망, 60Hz 선 fleet | 정지형 주파수 변환기(static frequency converter)에 전력을 공급하거나, 해당 변환기 출력단에 연결됨 | 고조파가 풍부한 전류, 컨버터 출력의 직류 오프셋, 높은 와전류 손실 및 누설 손실, 컨버터 측에 설치된 팬 및 펌프 보조 장치 |
| 50Hz 계통, 50Hz 함대(페리, 롤온롤오페리) | 강압 전용, 예: 11kV에서 6.6kV로 강압 | 전압 비율 및 탭 범위는 미래 함대가 아니라 실제 함대에 맞춰 설계됨 |
주파수가 일치하는 경우, a 연안 전원 변압기 는 특수한 부식 사양을 갖춘 일반적인 배전 또는 전력 변압기이다. 주파수가 일치하지 않을 경우, 변압기는 컨버터 하류에 위치하며 그 파형을 그대로 따르게 된다. 이 두 번째 경우가 대부분의 공학적 위험 요소가 집중되는 지점이며, 표준 손실 평가가 조용히 부정확해지는 지점이기도 하다.
고조파가 변압기에 미치는 영향
선박 정류기 전단부가 원인이다. 6파형 배열은 특성적인 5차 및 7차 고조파를 발생시키며, 12파형 배열은 주요 고조파 차수를 11차 및 13차로 밀어낸다. 이러한 전류는 변압기를 통과하며, 권선 와전류 손실은 고조파 차수의 제곱에 비례하여 증가하므로, 11차 및 13차 고조파는 기저파 대비 단위 암페어당 훨씬 더 큰 발열을 유발한다.
사양서에는 두 가지 수치가 포함되어야 한다. 첫 번째는 고조파 손실 허용치로, K-팩터 형태이거나 정격 전류에서 장치가 온도 상승 한계를 초과하지 않고 견뎌야 하는 고조파 스펙트럼으로 명시된다. 두 번째는 공통 결합 지점에서의 전압 왜곡 한계로, IEEE 519 고조파 한계 는 1 kV에서 69 kV 사이의 시스템에 대해 총 고조파 왜곡을 5%로 규정한다. 6.6 kV 부두 전원은 이 범주에 명확히 포함된다.
여기서는 대부분의 항구 사양서에서 놓치는 부분입니다. 고장 전류를 제어하기 위해 변압기 임피던스를 높이면 동일한 고조파 전류에 대해 전압 왜곡도 증가합니다. 왜냐하면 왜곡의 더 큰 부분이 변압기 자체 양단에 나타나기 때문입니다. 따라서 임피던스, 컨버터 펄스 수, 필터 설계는 반드시 함께 고려되어야 합니다. 부두 입주 문의서에 8% 임피던스와 12펄스 컨버터, 그리고 필터가 전혀 없는 조합이 제시되면, 견적을 내기 전에 이 조합을 즉시 경고 표시합니다.
염분, 습도 및 부두 환경
부두는 염무(염분 안개), 조석 습도, 디젤 배기가스, 그리고 터미널 건물 근처에서의 호스 세척 등 비정상적으로 공격적인 대기 조건을 갖춘 해안 지역입니다. 실외 계류 시설 설치 시, 도장 시스템은 ISO 12944 기준 C5-M 등급으로 명시해야 하며, 노출된 체결 부품은 316 스테인리스강을 사용하고, 앵커 포인트에서 녹이 관통하지 않는 탱크 받침대를 채택해야 합니다. 일반적으로 용융 아연 도금된 베이스 프레임이 사용되며, 우리는 도금 두께를 색상명이 아니라 마이크로미터 단위로 요청합니다.
외함 및 냉각 방식은 설치 위치에 따라 결정된다. 오일 잠금식 변압기는 계류장 옆 실외 패드에 적합하며, 캐스트 레진 건식 변압기는 화재 부하 및 케이블 배선 조건상 액체가 없는 단위를 선호하는 실내 터미널 건물에 적합하다. 두 경우 모두 최소 IP54 등급을 지정하고, 저압 캐비닛에 결로 방지 히터를 장착하며, 제품 카탈로그의 기본값인 40°C가 아닌 현장 주변 온도에서 여전히 유효한 온도 상승 등급을 선택해야 한다.
비용 측면에서 나중에 대응하기 어려운 사항 중 하나는 팬 고장이다. 팬 작동 시 정격 부하를 처리할 수 있도록 설계된 ONAF 방식 변압기의 경우, 8월에 팬 모터가 고장나면 전체 계류장 부하 용량의 25~30%가 감소한다. 따라서 항구의 모니터링 시스템에 연결되는 팬 그룹 경보를 지정하거나, 실제 지속 부하에 맞춰 ONAN 정격 용량을 선정하고 강제 냉각 단계를 호텔 피크 부하를 위한 여유 용량으로 간주해야 한다.
어떤 것을 넣을 것인가 연안 전원 변압기 사양
아래 표는 부두 견적서를 적절히 산정하기 전에 반드시 확보해야 하는 최소한의 데이터 세트이다. 누락된 항목은 가정치로 처리되며, 이러한 가정치는 이후 변경 명령서로 이어진다. 해당 항목이 IEC/IEEE 80005-1 표준에도 명시되어 있는 경우, 해당 표준 조항 번호를 항목 옆에 별도로 기재하여 공급업체와 부두 검사관이 동일한 요구사항을 참조하도록 해야 한다.
| 사양 | 일반적인 부두 요구사항 | 왜 중요한가 |
| 정격 전력 | 크루즈 부두당 7.2 MVA; 컨테이너 부두당 1.5~3 MVA | 부두 박스에서 케이블까지 전체 열 설계 및 케이블 규격을 결정함 |
| 전압 비율 | 1차 전압: 33 kV 또는 11 kV; 2차 전압: 6.6 kV 또는 11 kV | 항구 계통이 아니라 선박 스위치보드와 일치해야 함 |
| 주파수 | 60 Hz 선박 편대에는 60 Hz, 50 Hz 선박 편대에는 50 Hz 적용; 주파수 차이가 있는 경우 변환기 사용 | 변환기 도입 여부 및 그 고조파 스펙트럼이 설계에 반영되는지를 결정함 |
| 임피던스 | 일반적으로 6~8%; 단락 용량과 조율됨 | 지나치게 낮으면 선박 스위치보드에 과도한 단락 전류가 유입되고, 지나치게 높으면 전압 왜곡이 증가함 |
| 고조파 부하 조건 | 명시된 스펙트럼 또는 K-팩터, PCC에서 전압 총 고조파 왜곡률(THDv) 5% | 표준 손실 시험으로는 드러나지 않는 권선 과열 지점을 방지함 |
| 냉각 | ONAN 방식에 ONAF 단계 추가, 팬 경보를 포트 SCADA로 연결 | 팬 고장 시에도 계류 구역을 계속 가동 상태로 유지 |
| 부식 | ISO 12944 기준 C5-M 도장, 316 스테인리스 고정 부품, IP54 등급 | 15년간의 염분 함유 공기 노출이 진정한 수용성 시험임 |
| 테스트 | 정기 시험, 온도 상승 시험, 캐스트 레진 절연체의 부분 방전(PD) 측정 | 항구가 차후 입찰 시 비교 기준으로 삼을 수 있는 자료 제공 |
라이언이 계류 구역 문의에 접근하는 방식
우리는 12만 제곱미터 규모의 공장에서 액체 침투식 및 캐스트 레진 변압기를 생산하며, 180세트 이상의 제작 및 시험 장비와 37건의 특허를 보유하고 있습니다. 2023년부터 이튼(Eaton)과의 합작 벤처 파트너로서 운영되고 있습니다. 이러한 사실보다 더 중요한 것은 엔지니어링 대화이지만, 이는 계류 구역 문의가 임피던스에 관해 논의해 본 전문가들에게 직접 전달됨을 의미합니다.
혼합 함대의 경우 유용한 옵션은 오프서킷 링크 선택 기능을 갖춘 이중 보조 전압 방식으로, 하나의 설계로 6.6 kV 및 11 kV 선박을 모두 지원할 수 있어 현장에 두 번째 예비 장치를 비치할 필요가 없다. 오프서킷 탭 링크는 도면과 달리 변동되는 계통 전압을 커버하는 데 가장 경제적인 방법이기도 하다. 모든 장치는 출하 전에 측정된 값으로 기록된 정기 시험 결과, 정격 전류에서 수행된 온도 상승 시험 결과, 그리고 포장 전에 촬영된 명판 사진과 함께 출고되며, 이는 항구 검사관이 도착 직후 가장 먼저 확인하는 정보이기 때문이다.
고전압 육상 연결 인터페이스는 대부분의 논쟁이 발생하는 지점이며, 일반적으로 서로 한 번도 만나지 않는 세 당사자—항구의 전기 컨설턴트, 선박의 기술 관리자, 그리고 변압기 공급업체—사이에서 논쟁이 벌어진다. 우리는 선박의 단일선도를 조기에 요청한다. 선박에 탑재된 12펄스 정류기는 우리 코일의 고조파 부하를 변화시킨다. 또한, 6.6 kV 배전반과 60 Hz 발전기를 갖춘 선박은 변환 장치 없이는 50 Hz 계류장으로부터 전력을 공급받을 수 없으며, 변압기 정격이 서류상 얼마나 여유 있어 보이든 상관없다.
현재 계류장 사양서를 작성 중이라면, 함대 구성, 계류장의 그리드 전압 및 주파수, 그리고 계류함 박스에서의 고장 전류 수준을 우리에게 보내주기 바란다. 이 세 가지 입력값은 입찰서의 어느 페이지보다도 훨씬 더 많은 요소를 결정하며, 보통 이 세 가지 자료가 가장 늦게 도착한다. 연안 전원 변압기 당사 엔지니어는 서면으로 정격 용량, 임피던스 권고치, 그리고 고조파 허용치를 제시할 것이며, 이를 통해 전기 설비 패키지를 토목 공사 착공 전에 검토할 수 있다.
저자에 대한 이 기사는 라이언 일렉트릭(장쑤 라이언 일렉트릭 유한공사)의 엔지니어링 팀에서 작성했습니다. 라이언 일렉트릭은 2007년에 설립된 변압기 제조업체이며, 2023년부터 이턴(Eaton)과의 합작 파트너십을 맺고 있습니다. 해당 팀은 항구, 데이터 센터, 공공 유틸리티 및 산업 프로젝트용 유침식, 캐스트 레진 및 패드 마운트 변압기를 설계하며, 입찰 전 사양 검토를 통해 고객을 지원합니다. 부두 관련 문의는 [email protected]로 연락하시기 바랍니다.