신발공장의 유틸리티 시설 중 가장 중요하며, 핵심적인 요소인 전력 네트워크의 구성에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 변전실에서부터 각 공장의 전기 판넬에 이르기까지 전기 네트워크의 구조와 특성 그리고 한국의 상황과는 어떻게 다른지를 살펴보겠습니다.
이번 글의 경우는 공무팀의 관리자나 전기담당자, 에너지 관리담당자, 유틸리티 관리 등과 관련된 분들에게 참조할 만한 내용입니다. 이 업무와 관련이 멀다면, 이해가 어려울 수도 있습니다.
강전(強電)과 약전(弱電)의 개념
신발공장 뿐만 아니라, 보편적인 공장의 공무에서 다루는 전기에 대한 분류에 대해서 먼저 이해를 해야 합니다. 공장에서는 강전 혹은 약전이라는 개념의 용어를 많이 사용하는데, 신발공장의 경우는 공무팀에서 이 두가지를 모두 다루고 있습니다.
강전(強電)은 공장에 공급되는 에너지 개념에서 이해해야하며, 우리가 통상적으로 말하고 있는 전력망 혹은 전기를 말하고 있습니다. 통상적으로 교류(AC)전류 기준으로 저압 110V 이상인 경우로 보면 됩니다.
약전(弱電)은 설비나 통신망에 주로 적용되는 신호의 개념을 의미합니다. 공장의 설비에 주로 사용되는 PLC 혹은 통신신호를 말합니다. 10V 이하에서 사용전류가 5A를 넘지 않는 회로의 구성에 적용됩니다.
- 강전 = 전기
- 약전 = 신호
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| 신발공장에서의 강전(強電) |
신발공장의 전력구성
신발공장의 전력망은 어떻게 구성이 되는 걸까요? 우선 공장에 인입되는 전기를 먼저 살펴보겠습니다. 한국에서 보통 공장인입 전압은 특고 22.9KV 로 공급되는 편입니다. 엄청난 전력을 필요로 하는 기간산업의 경우는 154KV 이상을 사용하는 곳도 있겠으나, 보편적으로는 22.9KV 가 많습니다.
해외에서 신발공장의 경우는 이와는 좀 다른데 중국, 베트남, 인도네시아 등의 국가에 대해서 살펴보자면 다음과 같습니다. 물론, 공장의 규모나 지역의 특성에 따라서 다소 차이가 있을 수 있으나 일반적인 경우는 아래와 같습니다.
- 중국 : 35KV
- 베트남 : 22KV
- 인도네시아 : 30KV
베트남
공장 인입 전압종류
베트남의 경우는 EVN(베트남전력국)에서 전력을 공급하는데, 지역변전소를 거쳐서 산업전반에 공급되는 전력은 다음과 같습니다.(EVN 사이트 참조)
- 6KV
- 10KV
- 22KV
- 35KV
- 110KV
신발공장의 풀옵션 개념에서 본다면,
가공(3P)공정, 합포공정, 재단공정, 재봉 및 재봉준비공정, 준비공정, 제조공정 등이 포함된 경우가 많으며, 이 정도 규모는 보통 22KV 정도의 수전 전력을 가져가면 충분히 운용하는데 어려움이 없습니다.
재봉공장만 단독으로 있는 경우는 6KV 이하로도 충분하기도 하며, 재봉기의 경우는 저전력 설비이기 때문에 ACB반 만으로도 공장수전을 구성하는 곳도 있습니다.
베트남 전력품질
베트남의 전력품질은 한국과는 비교하기가 어렵습니다. 한국과 같은 엄격한 기준의 전력품질을 요구하는 법령이나 기준이 아직은 마련되지 않았기 때문입니다. 전기안전에 대한 기준역시 동일한 수준에 머물고 있습니다.
발전소와 인접하던지, 수도와 가까운 큰 도시들의 공단의 경우는 그나마 전력의 품질이 나은 편이지만, 시골이나 국경지대와 같이 아주 먼 지역에 있는 공단은 전력품질이 들쑥날쑥한 편입니다. 전압 헌팅이라고도 표현을 하는데, 요구되는 전압이 380V라고 한다면, 이 범위가 440V~320V 수준까지 흔들리는 등의 전압강하가 심한 경우가 발생합니다.
3상의 경우, P=1.732*V*I*CosQ 라는 식에 대입해 본다면, 전압강하의 변동성으로 인해 전류의 흐름이 오르락 내르락 하게 되는 것입니다. 이로 인해 다음과 같은 결과를 야기할 수도 있습니다.
- 전압이 높아지면 고전압으로 인한 부품 파열
- 전압이 낮아지면 과전류로 인한 부품 소손
그래서, 안정적인 전압을 공급받는 것이 설비의 성능을 보장해주고, 인체 감전사고 등으로 부터 보호를 해주는 부분이 되기 때문에 중요한 것입니다.
인도네시아
공장 인입 전압종류
인도네시아의 공장은 PLN(Perusahaan Listrik Negara) 이라는 전력공기업에서 전력을 공급받고 있습니다. 그리고, 공급되는 전력은 다음과 같이 구성됩니다.
- 6KV
- 20KV
- 33KV
- 66KV
- 110KV
보통 6KV, 20KV의 전압의 경우는 중대형 공장이나 산업시설에 공급되는 전압입니다. 신발공장은 대개 33KV정도의 전압을 수전받는데, 이는 대형 공장에 제공되는 전압의 범위이며, 베트남과 같이 풀옵션의 신발공장을 운영하는데는 충분하다고 볼 수 있습니다.
인도네시아 전력품질
인도네시아의 경우는 전압품질이 베트남 보다는 더 열악하다고 볼 수 있습니다. 물론, 공장의 위치나 공무 경험치에 따라 다를 수 있지만, 제가 경험한 바에 따라 주관적으로 판단한다면, 베트남보다는 전력품질이 더 좋지 않다라고 말할 수 있습니다.
공장이 셋업되던 초기에는 전압의 변동성(헌팅) 때문에 심야의 경우에는 전압이 극도로 떨어지는 경우가 있는데, 이로 인해 부품소손이 종종 발생하곤 했습니다.
이를 극복할 수 있는 방법은, PLN에서 전력의 품질을 높이는게 중요할 것입니다만, 현실적으로는 어렵고, 공장 변전실에 IVR 변압기를 설치하는 것이 좀더 나은 방법일 것입니다. 이 역시 비용적으로는 쉽지않은 투자가 될 수 있습니다.
가장 현실적인 방법은 전압의 품질에 민감한 설비에 대해서 AVR과 UPS 와 같은 부수장치를 설치하는 것이라 봅니다. 이는 각 공장의 리더십 의사결정에 따라 적용하는 안이 다양하게 나올 수 있습니다. 공무담당자는 이러한 비용적, 기회적 내용들을 잘 정리하여 어떤 결정안이 공장 운영에 유리한지를 보고하는 것이 필요합니다.
중국 공장도 나름대로 그 나라만의 특색을 가지고 있습니다만, 이번 글에서는 제외하도록 하겠습니다. 신발공장이 초기에 진출하여 전력시스템과 네트워크, 품질 등 모든 면에서 이해가 안되는 구성이 되었던 것을 보았기에 이 부분은 다루지 않을 것입니다.
신발공장의 전력시스템과 네트워크 구성
직렬방식의 전력 네트워크 구성
대부분의 신발공장들은 직렬방식의 전력네트워크 구성을 가져가고 있습니다. 이러한 시스템이 공장의 각 설비를 운용하기에도 용이하고, 사고가 발생할 경우에도 공장전체를 Shut Down하지 않고, 즉각적인 대응과 조치가 가능하기 때문입니다.
이러한 방식의 특징은 다음과 같은 것들이 있습니다.
- 변압기 등 고장발생 시 독립적 작업이 가능함
- 설비 부하에 대한 대응에 유연성이 있음.
- 전기안전적인 측면에서 관리가 나은 편임.
병렬방식의 전력 네트워크 구성
병렬방식의 전력네트워크 구성은 예전에 중국공장에서 설치한 경우를 보았고, 인도네시아의 아주 외진 지역의 공장에 셋업된 케이스를 본적이 있습니다. 이 방식은 전력사정이 좋지 않던 시기에 발전기를 활용하여 전력을 공급하는 시스템으로 구성했었습니다.
전력회사로 부터 전압이 불안정하거나 전력공급이 불가한 경우(정전이 발생한 경우), 여러 대의 디젤 발전기를 가동하여 발전된 전력을 ACB 반으로 송전하는 방식입니다. 이러한 방식의 경우 아래와 같은 단점들이 발생하기에 공장에 적용하는 것은 추천하지 않습니다.
- 설비고장시 개별 ACB반 Off가 어려움
- 설비 점검시 감전과 같은 전기안전관리 측면에서 불리함
- 부하에 따른 발전기 운용 및 관리가 어려움으로 낭비가 발생함
신발공장의 강전 시스템하에서 계통
전력시스템에서는 송전, 수전, 배전, 분전의 개념을 나름 이해하고 있어야 합니다. 그 개념을 간략히 요약하면 아래와 같습니다.
- 송전 : 전력국(송전소)에서 공장으로 전력을 보내는 것
- 수전 : 송전된 전력을 공장 인입으로 받는 것
- 배전 : 변압기를 거쳐서 각 전기판넬(ACB반)으로 배분하는 것
- 분전 : 배분받은 전기를 분리해서 낮은 단위로 설비에 공급하는 것
신발공장의 전력시스템 계통 구성
해외의 여러공장들을 다녀보면, 공장의 년수에 따라서 전력시스템과 계통은 각양각색입니다. 초기 공장을 셋업시에 캐파의 성장에 대한 고려가 없다보니, 덕지덕지 증설한 경우도 있고, 과부하로 인한 변전실 소손발생후 신규로 셋업을 한 경우도 있고, 처음부터 체계적으로 셋업이 된 경우도 있습니다.
그 중에서도 최근에 셋업이 된 공장의 사례를 본다면 계통은 다음과 같이 구성됩니다. 이 구성에서 PF나 MOF와 같은 계통도 포함은 되어야 합니다. 계통 구성에 따라 VCB반 전단 혹은 후단에 위치할 수 있습니다.
주요기기: LBS-VCB-변압기-ACB-MCCB
- LBS(Load Break Switch) : 부하개폐기
- VCB(Vaccum Circuit Breaker) : 진공차단기
- TR(Transfomer) : 변압기
- ACB(Air Circuit Breaker) : 기중차단기
- MCCB(Molded Case Circuit Breaker) : 배선용차단기
이러한 계통에 대한 이해는 사실 공무팀의 전기전문가 영역에서 이해할 수 있는 부분이라 더 자세한 계기 혹은 계통장치들에 대한 부분은 생략하도록 하겠습니다.
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| 수배전 계통도 |
변압기 구성
변압기의 수명은 관리만 제대로 된다면 15년 혹은 20년 이상은 충분히 사용할 수 있습니다. 해외공무의 전기담당자라면 변압기에 대해서는 아래의 두가지만 잘 관리한다면 딱히 정전과 같은 사고의 위험이 발생할 일이 없습니다.
- 절연유 관리
- 부하관리
첫째, 절연유 관리가 중요한 이유는 산화로 인한 변압 효율 저하와 변압기 소손 같은 사고의 원인이 될 수 있기 때문입니다. 변압기 내부에는 1차측 철심과 2차측 철심이 있고, 그 주변을 코일이 감싸고 있습니다. 이 변압기의 내부의 절연을 유지하기 위해 기름으로 채우게 되는데 이것이 절연유가 되겠습니다.
장기적으로는 내부에서 발생하는 열로 인해서 혹은 다른 요인들로 인해서 절연유의 산화가 발생하게 됩니다. 이러한 증상 때문에 효율저하, 내부소손이 발생하게 되는 것입니다.
보통 절연유 교체주기는 5년 정도이기는 하나, 악조건이면 더 짧을 수가 있고, 관리가 잘 된다면 더 길게 가져갈 수도 있습니다. 전기안전검사 등을 실시할 때, 절연유 상태를 점검하여 사전예방활동을 가져가는 것이 좋습니다.
둘째, 부하관리가 중요합니다. 전기안전공사 측과 전기안전진단을 수행한 적이 있는데, 적정한 부하율을 얼마나 가져가는 것이 좋은가를 물어본 적이 있습니다. 변압기 용량대비 80% 이하의 부하율을 권장하더군요.
물론, 최대수요전력 시간대를 파악하고, 수용률을 분석하여 정확한 부하율을 산출하면 더 좋을 것입니다만, 평균적인 전력사용량을 감안하여 적용해도 무방하다고 봅니다. 한국에서는 대부분의 경우 부하율 80% 이하에서 변압기를 운용하는 편입니다.
그러나, 해외공장의 경우는 참 애매한 경우가 많습니다. 공장의 상황에 따라 갑작스레 설비가 증설된다던지, 생산라인이 증설된다던지, 혹은 고전력 설비가 들어온다던지 하면, 전기공사가 그 타이밍을 따라가지 못하는 경우가 발생합니다.
신발 모델에 따라서, 한 시즌이 지나고 다면 더 이상 오더가 없어서 그 모델을 생산하게 되지 않는 경우도 발생합니다. 이 때문에 유틸리티 투자를 하기가 애매한 상황이 발생하기도 합니다. 그러다 보니, 어떤 경우는 변압기의 부하율이 95% 이상을 넘기도 하고, 피크치가 100%를 상회하는 가슴 쫄깃한 상황이 벌어질 때도 있습니다.
이런 경우에 해당되는 상황을 맞이한다면, 최소한 변압기에 콘서베이터 정도는 추가 설치하는 것을 권장합니다. 호흡기라고도 하는데, 이것을 설치하면 변압기 내부의 절연유가 끓어서 열화되는 것을 방지하는데 많은 도움이 되기 때문입니다.
변압기 용량의 표준화
신발공장에서 여러종류의 변압기를 적용해 보았지만, 경험상 딱 2000KVA 정도가 좋다고 봅니다. 물론, 관리하는 방식이나 담당자의 개인적인 차이가 있을 수 있습니다. 4000KVA 용량은 변압기 사이즈도 크고, 계통을 구성하고 관리하기가 까다롭습니다. 하부에 걸린 공정이 많아지다보니 유지보수나 사고시 유연성이 많이 떨어집니다.
1500KVA 혹은 1000KVA 이하의 변압기들은 플랜트 단위로 부하를 연결하기에는 용량이 부족해지는 애매한 상황이 발생하기도 합니다. 그래서, 저는 2000KVA 정도의 변압기 용량을 선호하는 편입니다.
예를 들어, VCB반을 10개정도 운용하고, 여기에 각각 변압기를 2000KVA 10대 정도를 운용한다면 전력 계통도 표준화하여 구성할 수 있고, 변전실도 다소 쾌적하게 운용할 수 있습니다. 여기에다가 스페어 변압기 한대만 가지고 있어도 사고 발생시 즉각적인 대응이 가능하게 됩니다.
신발 공장은 보통 한 국가에 여러개의 분공장들을 운용하는 경우가 있는데, 스페어 변압기 한 대만 보유하고 있다면, 어느 공장에서 과부하 혹은 다른 요인에 의한 사고가 발생해도 즉각적인 수급과 대체가 가능하다는 장점이 생기게 됩니다. 변압기도 주문제작 제품이라 사고 발생 후, 아무리 빨리 발주를 넣어도 1개월내에 조달이 쉽지 않습니다.
보험격으로 변압기 한 대를 스페어로 보유하게 되면, 2~3일 내에 공장 정상화를 시킬 수 있게 됩니다. 1개월 동안 공장이 셧다운 됨으로 인한 손실에 비하면, 말그대로 껌값인 셈이 됩니다.
ACB 분전반
변압기 이후의 계통에서는 600V이하의 저압으로 변압이 되어 부하단으로 전력이 공급되게 됩니다. 즉, 이 계통에서부터는 실무자들에게는 좀 더 친숙한 환경이라 할 수 있겠습니다.
2000KVA 변압기 기준으로 ACB반은 두개 혹은 세 개 판넬로 구성할 수 있습니다. 혹은 특성에 따라 더 많은 판넬을 세팅하기도 합니다. 그리고, ACB 이후로는 부스바(Busbar)형태로 MCCB까지 전원이 공급되게 됩니다. ACB와 MCCB는 동일한 판넬에 구성하는 것이 일반적입니다.
그러면, ACB반은 어떤 제품을 사용하는 것이 좋을까요?
사실 이 역시도 리더십 의사결정에 따르는 편입니다. 그러나, 공장 전기담당자는 현재의 투자비용과 장기적인 유지보수, 안정성 등을 고려하여 최적의 제품을 적용하도록 고민해야 합니다.
경험상 한국의 전기제품을 생산하는 브랜드에서 구매를 하는 것이 더 나았다고 생각합니다. LS산전이나 비츠로, 슈나이더와 같은 주요 브랜드에서 제작하는 전기판넬이 될 수 있습니다. 꼭 그러한 브랜드가 아니더라도, 중소 전기판넬 제작업체에서 만드는 전기판넬의 구성도 체계적이고, 품질도 괜찮은 편입니다.
ACB나 MCCB등과 같은 차단기 종류는 LS산전 제품을 요즘은 많이 사용하는 추세이기도 합니다. 대기업 계통이 AS나 영업적 차원에서 지원과 대응이 빠른 편입니다. 대신에 제품의 가격은 더 비싼 편입니다.
그러면 베트남이나 인도네시아 현지에서 제작하는 제품은 좋지 않은가?라는 질문이 있을 수 있습니다. 이는 말그대로 case by case 입니다. 좋은 품질의 제품도 있을 것이나, 한국에서 제작한 제품과 비교한다면 아무래도 미흡한 부분이 없을 수 없습니다. 특히, 전기는 안전과 관련된 부분이 있으니, 이런 부분들을 잘 감안해야 합니다.
전력모니터링 시스템
몇년 전 부터 스마트 팩토리라는 단어의 등장과 4차산업혁명이라는 트렌드가 발생하면서 대두되기 시작한 것이 전력모니터링 시스템입니다. 전력모니터링 시스템은 변전실의 상황과 공장내 부하의 상태를 한눈에 살펴볼 수 있기 때문에 상당히 유익한 시스템임에 틀림없습니다.
가장 큰 장점은 다음 두가지에 함축되어 있습니다.
- 실시간 전력상태 파악 및 분석 가능
- 데이터의 정확성과 신속한 의사결정 가능
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| 전력모니터링 시스템 |
실시간 전력상태 파악과 분석
공장에서 새로운 설비가 셋업이 되었다던지, 어떤 상황으로 인해 부하가 갑자기 증가했을 때, 이를 즉각적으로 파악하고 문제의 여부를 판단하기는 쉽지 않습니다. 다행히 전기담당자가 공장의 부하상태를 훤히 꿰뚫고 있다면야 문제가 없을 것입니다.
그러나, 베트남 혹은 인도네시아 등과 같은 나라에서 근무하는 전기실 담당자들의 엔지니어링적 수준은 그런 기대치에 미치지 못하는 것을 많이 보았습니다. 전기판넬의 계전기나 검침기를 보고서 전력사용량 기록은 하는데, 그 값이 제대로 된 값인지 CT비를 적용한 사용량(KWh)이 정확한지를 판단하지 못합니다.
전력모니터링 시스템은 화면상에서 변압기의 부하상태와 부하율, 하부 계통에서의 부하율, 전압상태, 역률상태 등과 같은 정보를 바로 보여주기 때문에 관리적인 측면에서는 상당히 유용합니다. 이를 통해서 부하가 많은 전기판넬은 부하가 적은 판넬로 부하분산을 하여 효율적인 전력분배와 이를 통한 전력손실을 절감하고, 과부하로 인한 사고를 예방할 수 있습니다.
데이터의 정확성과 신속한 의사결정
앞서 언급했듯이 현지 전기담당자가 모든 전기판넬의 사용량을 기록하는 시간대비 실시간으로 상황을 볼 수 있고, 수기록에 의한 데이터 오류보다는 상당히 정확한 값을 취득할 수 있습니다. 그것도 여러가지 요소들에 대한 값을 가져올 수 있습니다.
데이터베이스에 이러한 값들을 저장함으로 장기적으로 전력사용량, 전압의 상태, 전류의 품질, 역률, 피크치에 대한 기록, 야간에 발생한 이슈등과 같은 것들을 상시 모니터링할 수 있습니다.
그리고, 이러한 신뢰성이 높은 데이터에 기반하여 빠른 판단과 의사결정을 내릴 수가 있게 됩니다. 혹자는 전력모니터링 시스템을 운용하면, 에너지가 절감된다는 잘못된 인식을 하는 경우가 있는데, 꼭 그렇지는 않습니다. 사용량을 각 담당 부서에 공지하여 에너지를 절감하도록 유도하는 정책에 더 유효하다고 볼 수 있습니다.
전력모니터링 시스템을 도입하지 못하는 이유
이러한 장점에도 불구하고 전력모니터링 시스템을 도입하지 못하는 이유는 무엇일까요? 다음과 같은 요인들 때문이라고 생각합니다.
- 투자비용이 비싸고, Benefit이 모호하다
- 전문적으로 관리하고 운용할 수 있는 인력이 없다
다른 요인들도 있겠지만, 위 두가지 사유가 가장 큰 비중을 차지한다고 생각이 되어집니다. 전력모니터링 시스템을 셋업하는데 전문업체로부터 견적을 받아보면 의외로 많은 비용이 필요하다는 것을 알게 됩니다.
통신이 가능한 계전기, 통신망 구축, PLC 혹은 인터페이스 설치, 서버구축, 전용 PC 구입 등과 같은 하드웨어적인 비용과 공장 환경에 커스터마이징된 소프트웨어(모니터링 시스템) 개발입니다.
이러한 비용에 대한 투자대비 눈으로 보이는 Benefit은 정량적으로 산출하는 것이 쉽지 않습니다. 전력모니터링 시스템이 없었어도 대형 전기화재같은 안전사고가 발생하지 않았다면, 도대체 뭐가 좋은가?라는 질문에 딱 맞는 답을 하기가 쉽지 않습니다.
이어서, 이러한 시스템이 공장에 셋업이 되었다 하더라도, 전문적인 전기지식을 가지고 이를 운용하고, 생산라인의 레이아웃이 변경되거나 추가적인 설비가 설치되었을 때, 적절하게 대응하고 관리할 인원을 확보하기가 쉽지 않습니다.
앞서 언급했듯이 현지인 전기담당자의 수준조차 기대만큼 따라와 주지 못하기에 이러한 좋은 시스템이 있다고 해도 결국 관리가 제대로 되지 못함으로 인해 애물단지로 전락하게 되는 것입니다.
마무리 지으며
이번 글에서는 신발 공장의 전력계통을 어떻게 구성하는 것이 좋을까에 대한 개략적인 내용을 다루어 보았습니다. 공무팀 혹은 에너지팀과 같이 좀 전문적 분야에 연계된 내용이기는 하나 신발공장에 있어서는 유틸리티라는 주제와 관련된 정보가 없기 때문에 간단하게 다루어 봤습니다. 실무와 관련이 있으신 분들에게는 도움이 되길 바랍니다.
추후, 이와 연관되는 '전기안전관리'라는 주제로 글을 다루어 볼 예정입니다.
