부등률, 수용률, 부하률, 합성전력과 변압기 용량 의미

전기를 공급하는 전력회사의 목적은 합리적인 운영을 통해서 비용을 최소화하고, 이용을 최대화하는 것을 돕는 것이 목적중에 하나라고 생각이 듭니다. 따라서 적절하게 설비를 보유하고(투자비 경감), 적절한 시점에 정비를 하고, 적절한 시점에 교체하고, 적절하게 설비를 투자하는 방법이 있다면 투자대비 얻는 이득이(Benefict/Cost) 굉장히 좋을 겁니다. 그렇지만 전력산업에 각종 통계기법등이 포함되어도 쉽지 않는 일 입니다.  오늘 포스팅하려는 주제가 변압기 용량과 투자비와 관련된 이야기입니다.  한전에서 변압기 용량을 산정하거나 아니면 공장 또는 아파트에서도 변압기 용량을 산정하거나 할 때 반드시 고려할 요소가 변압기를 어느 정도 크기로 결정을 해야하는 것을 결정해야는데, 이것이 중요한 이유는 변압기를 선택하면 이에 따른 케이블 사이즈, 차단기 사이즈등 모든 것이 결정되는데, 추후 설비가 증설되는 지 여부도 선택사항에 포함되어야 겠죠. 

■ 부하의 분류

  아래 그림에서 보시는 것 처럼, 전기 사용량은 일반 가정집 소비자, 상업용 소비자, 산업소비자등의 성격에 따라 일일 전기 사용량이 시간대마다 다르다는 것을 아실 수 있습니다. 일반 가정집은 아침부터 약간씩 전기사용량이 늘어나면서 저녁퇴근 시간후에 본격적으로 전기를 사용하는 패턴을 보이며, 상업용 소비자는 9시 근처에 출근을 해서 저녁 7시 근처에 전기 사용량이 급감하는 패턴을, 산업용은 조금 일찍 6시부터 전기 사용량이 늘어서 밤 늦게까지 일정한 패턴을 보이고 있습니다. 한국은 이 전기 패턴과 조금 다르긴 한데 유사한 면이 있긴 합니다. 이 아래 그림에서 보시면 항상 어느정도 일정한 양의 전기가 사용되는 부분이 있고, 몇시간만 올라가는 경우도 있다는 겁니다. 마찬가지로 여기서 중요한 것은 다수의 소비자가 있는 아파트, 한전 주상변압기 한대에 연결되어 있는 여러 소비자들의 전기 사용 패턴이 있다는 것을 아는 것이 중요합니다. 

1. 부등율(Diversity Factor)

이 부등율의 의미는 소비자의 최대부하가 항상 동시에 발생하지 않는다는 사실을 이해하는 것이 핵심 내용입니다. 즉 Diversity의 사전적 의미는 다양성인데, 전기가 사용되어지는 시간차이가 있는 다양성이 있는지를 나타내주는 지표입니다. 즉 심야전력이 싸다고 생각한 A공장은 밤에 일을 하고, 집중력이 필요하다고 생각하는 B기업은 낮에 일을 할 수도 있습니다. 

■ 부등률 계산 예제

아래 그림과 같은 부하 패턴을 가진 공장에서 부등률은 ? [풀이] ○ 각 부하의 최대 전력 수요합   → A부하의 최대전력은 30kW   → B부하의 최대전력은 20kW입니다.   → 각 부하가 최대 전력일 때의 합은 즉 부등률의 분모인 각 부하의 최대 전력 수요합은 30+20=50kW입니다. ○ 합성 최대전력       아래계산으로 부터 합성최대전력은 40kW입니다.    → 0 - 8시   : 10(A부하)+20(B부하)=30kW     → 8-16시   :  30*10=40kW   → 16-24시  :  20+15=35kW ○ 부등률 = 50kW/40kW=1.25 예제에서 보면 부등률이 1.25인데, 그럼 이게 무엇을 의미하는 걸까요? 부등률이 1보다 크다는 것은 수용가 상호간, 배전선 상호간 전기사용시간이 다양성이 있다는 뜻이며, 부등률을 문자 그대로 풀면 부하간에 전기를 사용하는 시간이 같지 않다는 뜻이 되는 거고요. 어떤 곳은 낮에 어떤 곳은 밤에 또는 새벽에, 밤늦게 사용한다는 뜻이며, 이러한 수용가들이 동시에 사용할 가능성이 아주 낮다는 가능성을 의미합니다. 다른 표현으로 A, B 수용가 앞에 설치할 변압기는 40kW면 충분하기 때문에 설비투자비가 감소하는데, 그래서 한전은 심야전력 전기요금을 약간 싸게 해서(다양성을 키우기 위해, 부등률을 높이기 위해) 최대한 설비를 늘리지 않는 쪽으로 설비를 운영하여 불필요한 투자를 줄이는 겁니다.

 

2. 수용률(Demand Factor)

수용률은 최대 수용 전력/부하설비 합계로  정의되는데요, 한 공장에서 전기 부하설비가 동시에 사용되는 일이 없기 때문에, 이 공장에서 부하설비 용량의 합계와 이 부하들이 사용되는 경우 최대전력과는 일치하지 않는 정도입니다. 이 수용률의 목적은 어느정도 설비의 여유도가 있는지를 알고자 하는 목적입니다. 이를 적용하는 예를 들면 피더(feeder)의 도체가 100을 공급할 수 있다고 해서, 간선에서 100%을 공급하면 안된다는 이야기입니다. 

수용률은 부등률과 다르게 높을수록 좋은 것은 아니고요, 적절하게 범위를 유지해야 하는 것이 중요합니다. 변압기 용량이나 기타 설비용량에 들어가는 돈을 아낀다고 수용률을 1에 근접하는 것은 위험한 일입니다. IEEEE Std 141에는 수용률이 1보다 적게 하거나 또는 0.8-1 범위를 할 것을 권고 하고 있습니다. 또한 미국 NEC(National Electrical Code) Code에서도 1이하로 사용하도록 권고하고 있습니다.

 

3. 부하율(Load Factor)

 

 

부하율은 같은 의미이지만 두가지 관점으로 접근하는 것이 맞는 것 같고요. - 먼저 발전소 입장에서 보면 평균수요전력이 낮은 경우(부하율이 작은 경우) 효율이 낮은 범위에서 발전소를 운영하거나, 발전소를 기동정지를 자주 해야하는 상황이 되는 거고요. 아래 그림은 일일부하를 나타내주는 그래프인데, 발전소의 에너지 효율을 최대로 높히려면 파도치는 부위(피크부하)가 없이 직선으로 가는 것이 가장 좋은데, 이때는 최대수요전력과 평균수요전력이 같아지는 때입니다. - 소비자측에서 보면, 우리가 보통 아는 것은 여름/겨울 피크부하에 전기를 조금 덜 사용하는 것이 발전설비를 증가시키지 않아 국가적인 낭비를 막는 것이고(모든 소비자, 상업 또는 산업의 경우 피크 수요를 낮추는 것) 결과적으로 전기 요금을 줄이는 첫 번째 단계가 될 것입니다. - 정리를 하면 평균수요전력은 일일평균을 기준으로 했을 때, 24시간 동안 사용한 전력량의 평균이고, , 최대수요전력은 피크부하일 때 최대로 사용하는 전력으로 생각하시면 됩니다.

 

■ 부하율 예제 

 여기 문제가 제가 만든 것은 아니고, 같이 자가격리하시는 분이 기술사 공부를 열공하고 있는데, 이 부분을 하고 있어서 조금 도움을 주면서 문제가 옆분 풀고 있는 문제를 슬쩍했습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

■ 부하율 예제