EN
왜 수처리장은 변압기에 부담을 주는가
지난해 우리가 견적을 제출했던 한 수처리장의 폭기 블로어는 9개월 동안 정상적으로 작동하다가, 이후 매일 오후에 같은 차단기를 트립시키기 시작했다. 문제는 블로어 자체가 아니었고, 인버터도 아니었다. 수처리장용 변압기 이 변압기는 현장에서 실시간으로 가동 중이던 부하(펌프 및 블로어 총 1,250 kVA)를 기준으로 주문되었으며, 인버터가 변압기로 되돌려주는 고조파 전류에 대한 여유 용량도 고려되지 않았고, 동일 버스에 연결된 3대의 250 hp 모터가 동시에 재시작될 경우를 대비한 여유 용량도 전혀 반영되지 않았다.
수처리 및 폐수 처리 시설은 전 세계에서 변압기를 설치하기에 가장 관용이 적은 장소 중 하나이다. 부하는 주기적으로 변화하며, 유도 모터로 구동되며, 그 절반은 가변 주파수 인버터(VFD) 뒤에 위치한다. 또한 공기는 습하고, 염소 또는 황화수소로 오염되어 있다. 이 세 가지 요소 중 하나라도 잘못 설계되면, 불필요한 차단기 트립, 과열된 권선, 또는 2년 차 검사에서 탈락하는 부식된 외함과 같은 고장으로 나타난다.
KVA 용량을 결정하는 부하 특성
의무 구동의 세 가지 특성이 사양을 결정하며, 이 특성들은 서로 다른 방향으로 작용한다.
- 부하 프로파일은 이중 모드이다. 처리장은 안정된 공정 부하를 지속적으로 가동하는 공장이 아니다. 처리장은 야간에 기저 부하를 운전한 후, 낮 동안 피크 부하 상태에 머물다가 강우 시 발생하는 유입량 증가(유입량 2배) 이후 펌프를 재가동한다. 연평균 부하를 기준으로 선정된 변압기는 연중 상당 기간 동안 평균 이상의 부하를 견뎌야 한다.
- 거의 모든 것이 모터이다. 펌프, 블로어, 믹서, 슬러지 스크레이퍼, 바스크린 등이다. 모터는 시동 시 잠금 로터 전류를 인출하며, 이때 변압기는 이에 수반되는 전압 강하를 경험한다 — 이는 처리장에서 소프트 스타트, 컨택터 흔들림 또는 PLC 재부팅으로 나타난다.
- 부하의 절반이 비선형이다. 통기 블로어, 1차 펌프 및 화학 약품 투입 장치는 모두 드라이브로 구동된다. 정속 운전을 위해 설계된 처리장이 VFD 제어로 전환될 경우 — 이는 우리가 견적하는 업그레이드 작업의 대부분에 해당한다 — 변압기 용량은 그대로 유지되지만 고조파 전류는 증가한다.
설비실에 염소, 습기, 황화수소를 추가하면 일반용 변압기는 더 이상 자명한 해결책이 되지 않는다. 다음은 우리가 수처리 또는 폐수처리 프로젝트에 kVA 값을 부여하기 전에 점검하는 항목들이다. 이는 장치가 실외용이든 MCC 실 내 건식 단위이든 관계없이 적용된다. 패드 장착형 변압기 실외용 장치이든 MCC 실 내 건식 장치이든 상관없다.
펌프 시동용 용량 산정: 6~7배 규칙
모터 시동이 연속 부하보다 훨씬 자주 kVA 용량을 결정한다. 권선형 유도 모터는 로터가 고정된 상태에서 정격 부하 전류의 약 6~7배에 달하는 전류를 흡입한다. , 그리고 그 전류와 발전소의 전압 사이에 존재하는 유일한 요소는 변압기 임피던스와 상위 계통입니다. 발전소는 이로 인한 영향을 직접 경험합니다: 조명이 어두워지고, 드라이브가 저전압으로 인해 트립되며, 재시작 순서가 차단됩니다.
북미 지역에서 일반적으로 적용되는 실무 규칙은 최대 용량 모터를 시동할 때 발생하는 전압 강하가 다음 수치를 초과하지 않도록 설계하는 것입니다. 10~15퍼센트 모터 단자에서의 전압 강하 수치입니다. 이 수치는 단일 표준 요구사항이라기보다는 컨설턴트 및 유틸리티 가이드라인 전반에 걸쳐 반복되는 설계 관행이며, RFQ 요청 시 저희가 요청하는 값이기도 합니다. 모터 일정표 — 마력, 코드 문자, NEMA 설계 문자, 시동 방식 — 을 제공해 주시면, 전압 강하 한계에 따라 변압기 임피던스가 결정되며, 카탈로그 페이지에서 선택하는 방식이 아닙니다.
순시 해석 결과가 실제로 건설될 발전소와 일치하는지를 판단하는 데는 두 가지 실용적인 사항이 있습니다.
- 시동 방식의 변경이 해답을 바꿉니다. 300마력 블로어의 직접 시동은 소규모 공장에서 표준 5.75% 임피던스 변압기를 사용할 수 없게 만들 수 있다. 소프트스타터 또는 전류 제한 기능이 있는 드라이브를 사용하면 동일한 변압기로도 시동이 가능해진다. 시동 방식은 모터 일정표에만 기재하는 것이 아니라 변압기 데이터시트에도 반드시 명시되어야 한다.
- 발전기는 계산에 포함된다. 예비 발전기가 유틸리티 전원 상실 시 공장을 운전하는 경우, 유효 전원 임피던스가 급격히 증가하므로 유틸리티 전원에서는 문제없이 시동되는 블로어가 발전기를 정지시킬 수 있다. 정전 시에도 전체 처리 공정을 계속 가동해야 하는 공장은 두 기기 모두 동일한 시동 조건을 기준으로 용량을 선정해야 한다.
공장 설계가 중간 단계에 있고 모터 일정표가 아직 수정 중이라면, 현재 마력 목록과 최악의 동시 시동 조합을 우리에게 보내 주십시오. 당사 엔지니어가 이에 부합하는 두세 가지 kVA 규격에 대해 전압 강하 검토 결과를 제공하여, 변압기 주문 시 과도 상태 분석과 동일한 가정을 적용할 수 있도록 지원합니다.
VFD 부하 및 VFD 고조파: 여분의 열이 발생하는 원인
6펄스 드라이브는 정현파가 아닌 짧은 펄스 형태로 전류를 인입하며, 이 전류에는 변압기가 설계된 용량으로는 대처할 수 없는 고조파 성분이 포함된다. 이러한 고조파로 인해 발생하는 손실은 대체되는 기본파 전류와 비례하지 않는다. 고조파 성분에서 발생하는 누설 자속은 권선, 코어 클램프, 탱크 벽면 및 중성선을 가열하며, 정격 용량의 80%까지 부하가 걸린 변압기에서는 먼저 상부 오일 온도 상승으로 나타나고, 이후 열적 트립으로 이어진다.
이 문제를 해결하기 위한 사양 지정 방법은 세 가지가 있으며, 그 효과는 동일하지 않다.
- 표준 단위를 강제 감용(derate)한다. 무차별적인 방법: 드라이브 부하에 대해 15~25퍼센트 용량을 과대 선정하고, 공전 손실 증가를 공장 수명 동안 감수한다. 이 방식은 작동하며, 종종 초기 비용 측면에서 가장 저렴하다.
- 고조파 대응 등급의 단위를 사양한다. K 등급 또는 드라이브 용도 설계는 여분의 와전류 손실과 누설 손실을 견딜 수 있도록 제작된 코어와 권선을 사용하며, 단상 부하가 존재할 경우 3차 고조파를 위한 중성선 크기를 확보한다. 하중 기준을 서면으로 요청하라. 명시된 K-팩터 및 부하 프로파일 없이 제시된 K 등급은 설계가 아니라 단순한 라벨일 뿐이다.
- 고조파는 상류에서 해결하라. 선 전 reactors, 수동 필터 또는 능동 필터는 변압기로 도달하는 고조파를 전반적으로 감소시킨다. 공용 연계 지점에서 왜곡을 보고해야 하는 공장의 경우 이들이 적절한 해결책이다. IEEE Std 519-2022이 유틸리티에서 적용하는 기준이며, 북미 지역 대부분의 유틸리티가 실제로 적용하는 실용적 목표는 69 kV 이하 시스템에 대해 이 표준이 정한 전압 총 왜곡률 5% 한계치이다.
어느 경로를 선택하든, 왜곡 수치는 사양서에 반드시 포함되어야 한다. A VFD 고조파 iEEE 519를 준수하라는 조항만 기재되어 있을 경우, 변압기 공급업체는 추가 구리 재료를 구매해야 할지, 아니면 필터를 구매해야 할지 판단하기 어려워진다.
부식성 공기: 황화수소(H2S), 염소 및 차폐함 선택
하수 처리장의 장비실은 적대적인 환경이며, 그 위험성은 쉽게 과소평가되기 쉽다. 입구 건물, 습식 우물, 소화조 구역에는 냄새조차 감지되지 않을 정도의 농도로도 구리, 은 및 제어 배선의 납땜을 공격하는 황화수소(H2S)가 존재한다. 염소 소독 및 차아염소산나트륨 저장실은 또 다른 부식 경로를 추가한다. 여기에 거의 포화 상태의 습도까지 더해지면, 문제는 코팅의 손상이 아니라 2~3년 내에 발생하는 접점의 고장이다.
위험의 대부분은 세 가지 사양 결정에 달려 있다.
- 차폐함 등급 하수 처리 환경의 공정 구역에서는 일반 야외 배전 변압기가 사용하는 NEMA 3R 등급보다 더 높은, 부식 저항성(단순한 방수성만이 아님)을 갖춘 NEMA 4X 등급 외함이 지방 정부 전기 설계 가이드라인에서 요구되는 최소 사양이다. 즉, 스테인리스강 또는 적절히 코팅된 외함, 실링된 도어, 부식 저항성 하드웨어를 사용해야 하며, 도장된 철판 상자로는 부적합하다.
- 코팅 시스템 해안 지역 및 화학 물질 노출 조건은 일반적으로 페인트 색상이 아니라 ISO 12944 부식 분류 기준에 따라 명시되며, 고부식성·해양용 서비스의 기준은 C5-M 등급이다. 이 등급에 맞춰 제작할 경우, 코팅 두께에 대한 염수 분무 시험 결과가 문서화되며, 마감 일정은 공장 기본 설정이 아니라 주문서의 일부로 명시된다.
- 액체 보존 및 접근성 유침식 변압기의 경우, 유류 보존 시스템과 탱크 밀봉 상태가 5년 이상 경과 후 습기가 침투하는지 여부를 결정하며, 채취 밸브 설치 위치는 정비 팀이 케이스를 열지 않고도 시료를 채취할 수 있는지를 좌우한다. 밸브 위치를 반드시 확인하라. 만약 ‘문 뒤쪽 내부’라고 대답한다면, 그 시료는 결코 채취되지 않을 것이라고 예상해야 한다.
야외 설치 방식은 공간 문제는 해결하지만 부식 문제는 해결하지 못한다. 패드 장착형 변압기 리프트 스테이션에 설치된 패드마운티드(Pad-mounted) 장치는 자신이 공급하는 펌프와 동일한 염소 처리된 고습도 공기 속에 노출되므로, 외함 마감재와 개스킷 품질이 설치 위치보다 훨씬 중요하다.
중복성 및 예비 전원: 구성 방식 관련 질문
처리장은 일반적으로 계통 정전 시에도 처리 작업을 지속해야 하며, 이 요구사항은 발전기만큼 변압기 배치 방식에도 직접 적용된다.
일반적인 구성은 정상적으로 열려 있는 계통 연결 장치를 갖춘 주-계통-주 이중단 구성이다. 즉, 두 대의 변압기와 두 개의 차단반, 하나의 계통 차단기가 있다. 각 변압기는 공장 부하의 절반을 담당하며, 계통 연결 장치는 한쪽 변압기가 정지되었을 경우 다른 변압기가 필수 부하를 담당할 수 있도록 한다. 단점은 임피던스다. 병렬 운전 또는 계통 연결 상태에서의 운전은 임피던스와 탭 위치가 일치해야 하며, 그렇지 않으면 단선도에 가정된 대로 부하를 분담하지 못한다. 따라서 쌍으로 견적을 내기 전에 임피던스 범위를 요청하는 것이다.
단일 변압기가 공장을 공급하는 경우, 대기 사례는 일반적으로 다음과 같다: 서비스 입구에 발전기, 전환 스위치, 그리고 자동 재시작이 허용되는 부하를 결정하는 절차. 블로어와 드라이브가 문제이다. 긴 램프 타임을 갖는 대형 드라이브는 직접 온라인 재시작보다 발전기에 덜 부담을 주며, 유틸리티 사례용으로 저 임피던스로 지정된 변압기는 발전기 사례를 악화시킬 수 있다. 두 사례 모두 동일한 모터 일정표에 대해 검토되어야 한다.
사양서에 포함할 항목
납품된 장치가 설계 의도와 일치하는지 여부를 결정하는 사양 항목:
| 규격 항목 | 명시할 내용 | 질문할 사항 |
| 모터 일정표 | 잠금 로터 kVA, 코드 문자, NEMA 설계 문자, 시동 방식 | 전압 강하 한계를 명시 요청하라: 북미 관행에서는 10–15%가 실무 기준이다 |
| 동시 시동 | 공장이 실제로 운전할 최악의 조합 | 우천 시 재시작 상황 — 블로어 세 대와 슬러지 펌프 한 대를 동시에 가동하는 경우는, 펌프를 하나씩 차례로 가동할 때와는 다른 변압기를 필요로 한다 |
| 드라이브 부하 | 총 VFD 마력 및 필터 또는 리액터 공급 여부 | 공용 결합 지점에서의 왜곡 목표치를 명시하십시오. 귀하의 전력 회사가 참조하는 기준은 IEEE Std 519-2022입니다 |
| 임피던스 대역 | 과도 해석 결과에서 산출된 퍼센트 임피던스 및 허용 오차 | 시작 조건에 필요하며, 양단식 배치의 경우 부하 분담에도 필요함 |
| 외함 및 마감 처리 | 공정 구역에는 NEMA 4X; 부식 등급은 ISO 12944 기준 | 페인트 색상 설명 대신 카테고리명을 명시하십시오(C5-M: 고부식성 해양 등급) |
| 대기 구성 | 메인-타이-메인, 발전기 백업, 또는 단일단식 | 발전기 케이스는 유틸리티 케이스와 다른 임피던스 요구 사항을 설정함 |
| 테스트 범위 | 모든 장치에 대한 정기 시험; 설계에 대한 형식 시험; 건식 변압기의 부분 방전 시험 | 어떤 시험 표준을 사용하는지, 그리고 인증 기관의 현장 입회 시험이 포함되는지 확인함 |
시험 관련 내용은 명확히 구분하여 설명할 가치가 있음. 정기 시험은 모든 장치에서 실시하며, 제작 방식에 따른 시험 규격을 따름: IEEE C57.12.90 북미 지역의 유체 침투식 장치의 경우 IEC 60076-1 iEC 프로젝트의 경우 일반 요구 사항을 따르며, 건식 설계는 IEC 60076-11 를 따름. 형식 시험 — 온도 상승, 임펄스 및 단락 내성 시험 — 은 설계에 속하며, 공급되는 장치와 추적 가능해야 함. 공장에서 드라이브 전환을 진행 중이라면, 고조파 손실 검토를 서면으로 요청해야 함. 이 계산 결과에 따라 장치가 저온 작동 또는 고온 작동 여부가 결정되기 때문임.
수자원 및 폐수 처리 프로젝트를 위한 당사의 제작 방식
라이언 일렉트릭은 2007년부터 장쑤성에 위치한 12만 제곱미터 규모의 공장에서 변압기를 제조해 왔으며, 180세트 이상의 생산 및 시험 장비와 37건의 특허를 보유하고 있다. 2023년부터 이튼의 공식 합작 파트너로 운영되고 있다. 제품은 목적지 시장의 요구에 따라 UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS, CE 인증을 획득하여 출하되며, 특히 현장 검사관이 전원을 인가하기 전에 명판을 확인하는 지방 정부 공사에서는 이러한 인증이 매우 중요하다. 프로젝트가 인증 목록에 등재된 경우, 시험은 내부 승인 대신 인증 기관이 직접 입회 감독한다 — 예를 들어 UL 솔루션즈 북아메리카 지역 인증 목록을 위한 경우.
수자원 관련 프로젝트에서의 엔지니어링 차이는 견적 요청 전에 우리가 먼저 문의하는 사항이다. 모터 일정표(코드 문자 포함), 시동 방식, 동시 시동 상황, 드라이브 마력, 필터 공급 여부, 공정 구역용 케이스 분류, 부식 등급, 예비 구성 방식 등이다. 이러한 정보가 모두 함께 제출될 때 비로소 패드 장착형 변압기 또는 건식 유닛으로, 이 유닛은 전체 연결 마력 수치가 아닌 발전소의 운전 조건에 따라 크기가 결정된다.
모터 일정표, 현장 노출 조건 및 발전소 또는 양수장의 외함 요구 사항을 보내주시면, 당사 엔지니어가 시동 조건과 고조파 부하에 대한 용량 검토 결과를 제공해 드립니다. 코팅 시스템과 시험 범위는 항목별로 명시됩니다. 기술 응답은 48시간 이내에 제공됩니다.
저자 소개: 이 안내서는 2007년에 설립된 변압기 제조업체인 장쑤 라이언 일렉트릭 주식유한공사(Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.)의 엔지니어링 및 수출 팀이 작성했습니다. 당사는 2023년부터 이턴(Eaton)의 공식 합작 파트너이며, 유틸리티, 산업, 데이터센터 및 인프라 프로젝트용 건식, 유침식, 패드마운티드 및 컴팩트 변전소 제품을 공급합니다. 이 팀은 규격 검토에서 공장 시험까지 도시 및 산업용 수자원 프로젝트를 전반적으로 지원합니다.