1 아몰퍼스 변압기 업체의 반론을 듣는다
2 고효율 변압기 시장 판도를 바꾼다

유가상승에 따른 에너지 절감노력 및 지구환경보존을 위한 CO2감축에 대한 관심이 날로  높아지는 가운데 배전계통에서 가장 큰 비중을 차지하는 변압기의 손실을 줄이는 방법이 꾸준히 연구되고 있다. 하지만 지금까지 국내에서는 고효율변압기로 아몰퍼스 메탈을 사용한 변압기만 사용하도록 법적 한계가 있어 그 적용사례가 미미했던 것이 사실이다.

이러한 한계를 개선하기 위해 규소강판을 사용한 고효율변압기 적용이 가능토록 적용규격을 개선함으로서 향후 급속한 고효율변압기 사용 확대를 통한 에너지 절감 및 CO2발생량 감소가 기대된다.

고효율변압기 인증 기술기준이 개정된 이유는 먼저 그 기준이 배타적, 독점적이고 아몰퍼스 변압기의 기술적 한계에 따른 적용상의 어려움이 나타났고 선진 기술력의 고효율변압기 규격이 아직 반영되지 않고 있는 점 등을 꼽을 수 있다.

아몰퍼스 메탈은 약 30년 전 미국 Allied Signal사에서 개발됐다. 그 이후 Allied Signal사는 G.E사와 공동으로 아몰퍼스변압기를 개발해 왔다. 초기에는 기술적 적용이 용이하고 손실절감효과가 크게 기대되는 부하율이 낮은 주상용 변압기를 대상으로 개발됐고, 점진적으로 기술이 향상돼 타 용도의 배전용/전력용 변압기로 서서히 적용이 확대됐다.

그런 후 국내의 에너지절약 시책에 따라 일부 업체에서 고효율변압기로 아몰퍼스변압기를 채택해 적용해 왔으나 아몰퍼스변압기가 갖고 있는 여러 가지 한계점으로 인해 고유가 환경 및 정부 및 한전의 적극적 지원책에도 불구하고 고효율변압기의 보급이 미흡한 실정이라고 한 대기업 마케팅 관계자는 말한다.

 

고효율 규정, 배타적이고 독점적 기술기준

고효율변압기 인증 기술기준이 개정된 주요한 이유를 짚어 보고 그 대안을 제시코자 한다. 최근 유가의 고공행진 및 CO2발생 규제강화로 인해 고효율변압기를 적용하기에 최적인 외부환경임에도 불구하고 국내시장에서 고효율변압기의 적용이 미진한 이유는 국내의 고효율 규정이 배타적이고 독점적 기술기준이라는 점이다.

개정 전 고효율변압기 규정은 아몰퍼스메탈을 사용해야만 설계가 가능하도록 극히 낮은 무부하손실(철손)을 지정함으로써 규소강판을 사용한 고효율변압기의 사용을 원천적으로 차단해 왔다.

두 번째 이유로는 적용용량의 한계를 들 수 있다. 고효율변압기규정 제정 시 아몰퍼스변압기로 제작이 가능한 최대용량으로 한정함으로써 적용범위를 제한했다는 것이다.

세 번째 이유는 선진사의 고효율변압기 규격을 충분히 고려하지 않은 점에 기인한다. 선진업체의 경우 아몰퍼스변압기의 우수한 무부하 손실특성을 익히 인식하고 있었음에도 불구하고 아몰퍼스변압기의 단점과 규소강판변압기의 장점을 고려, 가장 최적의 고효율 변압기 관련규격을 각국의 현실에 맞도록 제정해 운영하고 있다.

세계적으로 가장 높은 효율(한국제외)로 제정된 일본 Top Runner제도의 몰드변압기 규격의 경우 40% 또는 50%로 부하율에서의 총손실(철손+부하손)을 규정하고 있다.

이에 한 가지 주목할 점은 적용부하율은 물론 총손실 값이다. 일본의 Top Runner규격에서는 현실적인 측면을 충분히 반영한 수치로 기존변압기 와 비교해 초기투자비 대비 회수기간이 최적이 되도록 총손실값을 규정함으로써 아몰퍼스변압기 및 규소강판변압기 모두 고효율 변압기로 사용돼 보급이 확대되도록 배려한 점이 한국의 개정된 고효율 규정과 비교된다.

자구미세화 방식을 채택하고 있는 업체의 입장에서 본다면 아몰퍼스변압기의 아몰퍼스 메탈 전량 수입에 따른 가격경쟁력의 열세와 대용량 기기제작의 한계, 규소강판 변압기 대비 소음치 상승 및 제조공정의 어려움, 수리작업 곤란과 아몰퍼스 코아의 재사용이 불가능하다는 점을 문제로 지적할 수 있다.

아몰퍼스 메탈 변압기는 방향성규소강판 변압기 대비 우수한 무부하손실 특성을 보이고 있으며 지속적 기술향상에도 불구하고 향후 해결해야 할 여러 가지 문제점을 가지고 있다.

우선적으로 사용자 입장에서 가장 부담스럽게 받아들일 수 있는 것이 변압기 구입가격일 것이다. 아몰퍼스변압기 재료비의 60%이상을 차지하는 아몰퍼스 코아의 경우 그 원재료인 아몰퍼스 메탈에 대해 아직 향후 국산화 계획이 없는 것으로 알려져 있다. 전량 외국에서 독점적으로 수입되고 있으며 코아 제작 또한 국내 1개회사에서 독점적으로 제공되고 있는 실정이다.

이러한 이유로 지금까지 고효율변압기를 사용해야 하는 사용자는 선택의 여지가 없이 아몰퍼스메탈 변압기를 구입하기도 했다.

아몰퍼스변압기의 두 번째 문제점은 대용량변압기 제작의 한계다. 아몰퍼스 메탈의 제조 및 조립작업상 한계로 인해 대용량변압기의 제작이 곤란할 뿐만 아니라 원재료의 얇고 불균일한 두께로 인한 소음문제는 앞으로 풀어나가야 할 숙제다.

주상변압기의 경우 3층 건물 높이에 설치되는데 주거지역에 인접되게 설치되는 경우 그 소음의 정도가 상당히 높다.

한편 변압기는 수명이 20년 이상 요구되고 있으며 사용기간 동안 간혹 수리를 해야 할 경우 코아를 해체작업 시 아몰퍼스 코아의 부스러지기 쉬운 성질로 인해 작업이 까다로우며, 변압기수명 종료 후 코아의 재사용이 불가능한 단점이 있다.

고효율변압기 적용부하율 결정시 고려사항은 역율에 의한 부하율 보정치 반영 (+12~19%)과 미래지향적 부하율 개선분 반영이다.

고효율변압기관련 이슈중 적용 부하율에 관련해 일반인은 물론 전문가들도 이해가 부족한 실정이다. 고객이 고효율변압기 구입 시 고려해야 하는 항목 중 하나인 적용부하율은 한국전기안전공사에서 조사된 부하율DATA의 진위여부는 차치하더라도 변압기적용 시 고려하는 부하율은 단순히 조사된 평균 부하율을 그대로 적용하는 것이 아니라는 것이다.

이점은 일본의 TOP RUNNER제도를 살펴보면 쉽게 알 수가 있다. 일본의 TOP RUNNER제도에서 적용부하율(500KVA이하는 40%, 500KVA초과는 50%)을 결정할 때 조사된 부하율  만을 적용한 것이 아니라 여기에 역율에 의한 부하율 보정치(12~19%) 및 미래지향적 부하율 개선분을 추가로 반영해 결정하고 있다.

최적의 재질사용으로 최적화 설계

고효율변압기를 제작하는 방법은 다양하며 크게 3가지로 구분할 수 있다. 손실이 적은 코아를 사용하는 방법, 손실이 적은 도체를 사용하는 방법, 그리고 최적화 설계방법이 있다.

가장 바람직한 고효율 변압기는 신뢰성은 물론 고객의 요구조건을 만족하면서 최적의 재질사용 및 최적화 설계를 통해 고객에게 초기투자 회수기간을 가장 짧게 제공할 수 있는 변압기라 할 수 있다.

여러 가지 난제를 안고 있는 아몰퍼스 고효율변압기 보다 규소강판 고효율변압기에 더 많은 기대를 하는 것도 이러한 관점이다.

약 120년 전에 개발된 규소강판의 경우 최근에는 손실을 줄이기 위해 박물화 및 자구미세처리를 통한 손실저감에 초점을 맞추고 있다.

자구미세화 코아란 방향성 규소강판의 자구(Magnetic Domain)를 물리적인 방법으로 미세화시켜 철손(Core Loss)을 개선한 제품(약 5~10% 개선)이며. 자구미세화 방법으로는 Laser처리, Geared Roll에 의한 압입, 화학적 Etching등이 사용되고 있다.

규소강판을 사용한 고효율변압기의 경우 아몰퍼스변압기 대비 많은 장점을 갖고 있다. 규소강판을 사용한 고효율변압기의 경우 제작용량의 한계가 없으며 50dB이하의 저소음변압기 제작이 가능하다.

또한 코아 소재의 국내생산으로 인해 저렴한 가격에 제작이 가능해 아몰퍼스변압기 대비 초기추가투자비용을 조기에 회수할 수 있는 장점을 갖고 있을 뿐 아니라 규소강판의 경우 수리작업이 용이하고 변압기의 수명이 다해 폐기할 때 재사용이 가능하다.

 

중·대형 변압기 시장, 규소강판 사용 크게 늘어날 듯

향후 국내의 고효율변압기 시장은 소용량(500KVA이하), 저부하(20~30%)의 경우 아몰퍼스변압기의 우수한 무부하손실 특성으로 인해 사용이 꾸준히 증가할 것으로 보이나 중·대용량 및 40%이상의 부하에서는 규소강판을 사용한 고효율 변압기적용이 급속히 증가될 것으로 예상된다.

최근의 고효율 변압기 공급실적을 볼 때 정부 및 한전의 지원제도로 공급된 아몰퍼스 변압기 못지않게 규소강판을 사용한 ‘저손실 고효율 변압기’가 이미 2005년부터 시장에 공급되고 있다는 사실은 규소강판 고효율변압기의 우수성을  입증하는 증거라 할 수 있다.

이러한 측면에서 정부나 한전의 지원제도를 강화하는 방법보다는 어떻게 적용규정을 보완하는 것이 고효율변압기 보급·확대에 더 기여할 것인가를 생각해 봐야 한다고 규소강판을 사용하는 업체측은 말하고 있다.

현실을 고려하지 않은 무리한 고효율변압기 규정보다는 선진사의 고효율변압기 규격을 충분히 분석하고 현실을 고려한 고효율변압기 규정이 고효율변압기 보급·확대에 더욱 기여할 것이라고 강조한다.

 

규소강판 생산업체서 말하는 아몰퍼스 코아

전통적으로 변압기는 전기강판을 변압기의 코아의 자성물질로 사용하고 있다. 지난 20년간 이른바 자성을 가진 아몰퍼스 금속(유리질 금속 glassy metal 이라고 불림)이 제안돼 변압기 코아 금속으로서 사용여부를 검토해 왔다. 그러한 물질의 장점은 전기강판 코아보다 비부하손실이 적다는 점이다. 

변압기 코아로서  아몰퍼스 금속을 사용하는 것은 비부하손실이 매우 낮아질 뿐 아니라 일부 물질적 특성의 제약이 있는데, 아몰퍼스 금속의 주요 제약은 다음과 같다.

첫째, 아몰퍼스 금속 코아가 변압기에 사용될 때(비교 숫자는 2.0 과 1.5임) 전기강판보다 더 낮은 포화 자성흐름 밀집도(a lower saturation magnetic flux density)를 가진다. 코아에서 가능한 피크 흐름 밀집도(The peak flux density achievable)는 가장 중요한 변압기 코아 설계 요소로 이는 코아물질이 효용성을 갖도록 하는 높은 수치의 흐름 밀집도 값(high a value of flux density) 때문이다.

아몰퍼스 코아의 낮은 흐름 밀집도에서 보통 변압기의 총 코아 흐름 수준(level of total core flux)을 이루기 위해서는 아몰퍼스 코아가 횡단면으로 더 커져야 했다. 이 문제는 전기강판에 비해 아몰퍼스 강판의 낮은 코아 패킹 밀집도(poorer core packing density)를 더욱 악화시킨다.

보다 큰 횡단면 코아는 저항 증가와 더불어 감긴 컨덕터의 폭이 더 길어져야 하고 휘어 감는 구리의 손실(부하손실)의 증가는 코아 손실(비부하손실)의 감소를 가져온다. 

둘째, 아몰퍼스를 만드는데는 용해된 금속을 극단적으로 빨리 냉각을 해야 하는 등 특별한 공정이 필요하기 때문에 아몰퍼스는 얇고 가느다란 형태로 생산될 수밖에 없다. 전형적인 아몰퍼스 전기 금속은 100mm 폭과  0.02mm 두께로 가느다란 형태로 생산된다. 이 물질은 비교적 깨지기 쉽고 잘 잘라지지 않는다.

이와 같이 아몰퍼스는 기본적 구조형태가 변압기 코아로 제조하기에 최적의 물질이 아니다.

아몰퍼스는 단지 연속 Strip의 나선형 층으로 감긴 코아를 만드는데 이용된다. 그와 같은 코아는 단상 변압기 코어(single phase transformer core)에 적합한 반면 각상 마다 하나씩 코아가 필요한 3상 변압기(three phase transformer core)를 만드는데 사용하기에는 어려운 문제가 있다.

이것이 북미와 호주, 유럽 등과의 중요한 차이다. 북미(일본 포함)에서는 주요 변압기가 단상(single-phase units)이다. 그러나 호주와 유럽은 주요 변압기가 3상이다(three-phase units) 그래서 호주에서는 아몰퍼스 코아를 사용할 가능성이 더 적다 .

3상 코아를 만들기 위해서는 박판을 쌓아야 한다 아몰퍼스 금속의 층으로부터 쌓는 박판 변압기를 만드는데 일부 성공적인 시도가 있었지만 그것은 매우 어렵고 제조비용도 많이 소요된다.

셋째, 아몰퍼스 금속 코아는 변압기 설치 전에 조건과 감긴 후 조건이 다르다. 이 물질이 생산될 때 보통 자성상태는 변압기에 사용되기에 충분히 개발되지 못했다. 아몰퍼스 금속은 그 금속의 큐리에 온도(Curie temperature 자성 물질이 비자성물질로 되는 온도) 이상의 온도에서 열을 가해야만 한다.

그 이후 조건부 DC 자성 장(magnetic field)에서 몇 시간 천천히 냉각시켜야 한다. 이로써 아몰퍼스 물질의 자성을 만들어 내야 하는데 이와 같은 과정은 변압기 제조비용을 증가시킨다.

넷째로 아몰퍼스 금속은 전기강판 변압기 코아(약 1000K)보다 더 낮은(약 400K) 큐리에 온도를 가진다. 큐리에 온도에서 자성물질이 비자성물질이 되고 큐리에 온도와 절대 0 사이에는 자성화의 감소가 발생한다. 이는 자성을 사용하는데 있어서 아몰퍼스 금속의 작업온도는 약 150°C가 상한치인데 비해 전기강판은 상한치가 650°C다. 보통상태에서는 코아 온도가 150°C에 도달하지 못하지만 그 온도까지 도달하게 되는지에 대해서는 장담할 수 없다.

강판 제조업체의 한 관계자는 “이런 이유로 아몰퍼스 금속은 호주에서 표준 변압기에 범용적으로 사용되기는 어려울 것이다. 아몰포스 금속은 제한된(25kVA까지) 단상변압기나  SWER 변압기(single wire earth return transformer)를 포함한 특정한 시장에 적합하고 비교적 단순한 디자인 변압기에는 아몰포스가 약간 경제적으로 제조될 수 있고 아몰포스의 낮은 비부하손실이 조금 도움이 될 것”이라고 말했다.