에너지 공급망 위협 요소를 차단해야 하는 이유는 에너지가 공급되지 않음으로써 발생하는 경제적 손해, 대형사고 위험성, 인명사고 직결, 기업 이미지 손상이 문제되기 때문이다. 그런데 에너지 공급망을 위협하는 가장 큰 요소는 바로 낙뢰이다.
지속 가능한 전원 공급을 위한 낙뢰보호 솔루션으로는 어떤 것이 있는지 바이드뮬러 안상현 과장이 발표한 강연 내용을 정리했다.
▲ 바이드뮬러코리아 안상현 과장
에너지 공급을 위협하는 요소는 다음과 같다. 첫째는 낙뢰로, 자연적인 부분으로 조절 불가능하다. 둘째는 정전으로, 국가적으로 보호받아야 하는 부분이다. 셋째는 전압전력 불균형으로, 조절하기에 미묘한 부분이다.
낙뢰보호 솔루션
우선, 에너지 공급망 위협 요소를 차단해야 하는 이유는 다음과 같다. 예를 들어 석유화학플랜트, 자동차 자동화 공장, 반도체 공장 장비 등에 에너지가 공급이 되지 않을 시 여러 손해가 발생한다. 1차적으로는 제품 서비스(생산비용적) 측면에서, 2차적으로는 이러한 문제가 지속되면 유지보수 측면에서, 또는 부품이 망가지거나 더 큰 사고로 발생 시 기업이미지 손상까지의 문제가 된다.
한편, 미국의 한 공장에서 2012년에 낙뢰로 인한 화재사고로 큰 피해가 있었다. 일반적으로 피뢰침을 설치하더라도 내부 유입이 가능하다. 직접 유입의 경우가 5% 이하이지만, 피해 규모는 거대하다. 대부분의 감전사고는 간접 유입의 경우이다. 자장에 의해 통신 두절, 송전장비를 통한 감전, 바닥을 통한 감전 경우가 있다. 실제 낙뢰 파형은 10μs에 90%가 올라가고 350μs에 50%로 감소돼 등고선 같은 모양이다. 이것이 1000μs 동안에 유지되면 강력한 힘을 갖는다.
그렇다고 차단기가 낙뢰에 대한 솔루션으로 이용될 수는 없다. 차단기가 작동하기 위해서는 최소의 과전압이 ms 단위로 유지돼야 하는데, 낙뢰는 그보다 빠르게 지나가고 끝나기 때문이다. 퓨즈 또한 아무리 빨리 끊어진다 하더라도 10ms로 낙뢰보다 훨씬 느리기 때문에 낙뢰에 대한 솔루션이 될 수 없다.
솔루션으로는 세 가지, Spark Gap, MOV(Metal oxide Varistor), Suppressor Diode가 있다. 이들은 반응속도가 빠르고, 방전용량을 작게는 베타 이상으로 확보할 수 있기 때문에 낙뢰에 대한 솔루션으로써 적합하다. 또한, 오픈 회로로 평소에는 동작하지 않다가 강력한 전압이 있게 되면 몸체를 통해 방전하기 때문에 이러한 반응속도가 가능하다.
실험에서 1만3천 볼트까지 만들어보았다. 위 솔루션 세 가지를 설치하고 파형 감지를 해보았더니, 첫 번째(Spark Gap)에서 대부분이 방전됐다. 또한, 반응속도가 빠름을 알 수 있었다. 그리고 남은 전압을 2차적으로 Varistor가 차단했다. 마지막으로 Suppressor Diode를 통해 30V 정도로 마무리되는 것을 볼 수 있었다.
또한, SPD(서지보호기)는 소자들을 용량에 따라 조합하고 캡슐을 씌워서 문제가 생겼을 때 차단 및 알람이 가능한 장치로 만든 것이다. 전환용으로는 타입 1, 2, 3로 나뉘는데, 타입 1은 용량이 가장 크고 설치 위치가 메인전원 패널 쪽이다. 타입 2는 용량이 조금 적고 보조 패널에 위치한다. 타입 3은 최종 수비 역할을 한다. 이것을 사용하기 위해 선택할 때 Uc, In, Imax를 확인해야 한다. Uc는 최대 연속 전압이다. In은 정격 방전 전류값이다. Imax는 최대 방전 전류값이다. 이와 함께 보완적으로, 서지 카운팅기를 설치하면 서지보호기의 작동 여부를 간접적으로 확인할 수 있다.
서지보호기에는 전원용과 신호용이 있다. 필드에 라인이 길게 늘어져 있는 경우에 신호용을 사용한다. 요즘에는 I&C 장비뿐만 아니라 BUS 시스템에도 설치하는 추세이다. 더불어 컨트롤 모듈을 적용하면 수명과 단선에 관한 모니터링 피드백을 곧바로 받을 수 있다.
정전 보상 방안
다음으로는 정전 보상방안이다. 내부적인 정전 보상 방안으로 UPS 적용이다. 그런데 일반적인 AC UPS에서는 두 번의 변환 과정이 있기 때문에 효율 문제가 있다. 따라서 DC UPS에 의해 중요한 부하만 선택적으로 관리하기도 한다. 특히 UPS의 역할은 배터리의 전력을 관리하고, 방전중인지 회로가 끊어졌는지 등을 측정하는 중계기이다. 또한, 배터리의 온도에 따라 전력량을 조절하여 충전상태를 유지하고, UPS 내부에는 배터리의 방전 시간을 타이머로 세팅하는 기능도 있다.
그리고 UPS는 최적의 용량을 잘 설정해야 하는데 가이드라인을 참고하면 된다. 가장 큰 건 17시간이다. 참고로 병렬로 추가 연결해 방전시간을 더 늘릴 수도 있다. 또한, 온도 조건에 따라 배터리 수명이 달라지는데, 일반 동작온도는 0~40℃이지만 10~35℃도 있고, 특히 10℃ 이하에서는 배터리 용량이 금세 닳는다.
UPS 적용 산업으로는 공작기계, 컨베이어 시스템 등의 분야에서 적용되는데, 자동차 분야에서는 버퍼를 설치해 순간적인 전력을 DC 전환으로 정전 보상하기도 한다. 특별히 주목할 분야는 발전소에서의 사용이다.
전압변동 보상 방안
마지막으로 전압변동 보상 방안이다. 전압변동이란 갑작스러운 전압 저하(sag), 갑작스러운 전압 상승(swell), 일시적인 끊김(interruption) 등을 말한다. sag는 대형, 다상 모터의 초기 동작 시 발생하는 편이고, swells는 대형부하의 off 동작 시, interruption은 퓨즈나 회로차단기를 보수 작업할 때 등에 발생할 수 있다. 이러한 전압 불균형이 반복되면 장비의 손상이나 데이터 손실과 같은 피해를 입게 된다.
과전압 발생에 대한 가장 일반적인 방안으로 퓨즈를 사용한다. 여기에 LED를 설치하면 퓨즈 소모를 육안으로 확인할 수 있다. 또 한 가지는 전압모니터링II를 장착한다. High Voltage와 Under Voltage 값을 설정해두어 문제 발생 시 디지털알람을 주고, 이는 통신으로 변환되어 PH로 전달되도록 한다. 제품 자체가 CT 역할을 하여 전압뿐 아니라 전류 등도 확인 가능하다. 모터의 문제를 억제하기보다는 보는 데에 초점을 맞춘 솔루션이다.
그러면 전류를 꾸준하게 관리하기 위해서는 어떻게 해야하는가? 여기에는 스위칭 버전 파워서플라이가 필요하다. 예를 들어, 일정해 보이는 전압도 확대해 보면 물결파형과 같은 ‘리플전압’이 있다. 리플전압이 낮을수록 제품을 오래 사용할 수 있다. 따라서 이 리플전압을 관리해야하는 것이다.
또한, 부하의 초기 기동전류가 전압을 많이 소모하여 변동을 일으키므로 SMPS를 보완하여 일정한 전압 공급을 해준다. 그리고 SMPS 옆단에 설치된 제품들은 일렉트릭 퓨즈인데, 일렉트릭 퓨즈를 적용하면 문제가 생겼을 때 스위치만 교환하기 때문에 PH를 통해 리셋할 수 있고, 또한 알람신호를 PH로 보내기 때문에 원거리 보조가 가능하다.
추경미 기자 (ckm@hellot.net)
