1. 서 론

20세기 초에 서울 일부 구간에 최초로 지중배전계통이 도입된 이후 도시경관 문제 해결 및 높은 신뢰도로 인해 현재 신규 설치 배전계통은 지중배전계통이 가공배전계통을 앞지른 상황이다. 현재 국내 지중배전계통은 대부분 분기선 연계방식으로 되어 있으나, 이는 고장 발생시 타 계통으로 절체를 위해서 많은 시간이 소요되기에 신뢰도를 높이기 위하여 주예비 방식, Campact 스테이션 방식, Spot Network 방식 등의 고신뢰성 배전계통이 도입되고 있다^(1-3). 특히 최근 국내에서는 지중배전계통의 신뢰도 개선 및 기존 분기선연계방식의 운영의 복잡성 탈피하고자 고압 간선연계방식을 도입하고 있다. 고압 간선연계방식은 다회로개폐기 한 개의 단자에 한 개의 대용량 변압기를 연결한 방식으로써 다시 저압측을 가지식으로 구성하거나 루프방식으로 구성할 수 있다. 이 방식은 변압기 및 부하에 고장 발생시 분기선 연계방식에 비하여 적은 구간만 정전을 경험하게 된다. 현재 분기선 연계방식으로 되어 있는 지중계통을 간선연계방식으로 변환하기 위해서 모든 변압기를 교체할 수는 없기 때문에 기존의 변압기를 활용하여 구성해야만 한다. 기존의 변압기를 활용하기 위해서는 현재 사용 중인 변압기의 이용률을 고려할 필요가 있으며, 특히 저압계통이 루프방식인 경우에는 변압기별 이용률 50[%]이하로 유지해야만 타 변압기에 고장이 발생할 경우 연계가 가능하다. 본 논문에서는 우선 현재 변압기의 이용률 및 연도별 부하증가 데이터를 고려하였으며, 현재 설치되어 있는 변압기를 이용하여 간선연계방식을 구성할 경우에 대하여 연도별 변압기 이용률을 분석을 통하여 변압기 용량 증설의 필요성을 제시하였다.

2. 지중배전계통 방식

현재 국내에서 가장 많이 사용하고 있는 지중배전 방식은 분기선 연계방식이다^(4-6). 그림 1은 분기선 연계방식을 보여준다. 분기선 연계방식은 설치 및 관리가 편리한 이점이 있으나 직렬로 연결된 변압기나 변압기 사이의 연결선로에서 고장이 발생하게 되면 복구인력이 파견되어 회로를 수동으로 분리하기 전까지는 다회로 개폐기에 연결된 모든 변압기가 공급이 중단되어 신뢰도를 급격하게 낮추는 단점이 있는 계통방식이다.

Fig. 1. Configuration type of transformer connected to branch line

그림 2는 최근 국내에 적용하고 있는 저압이 서로 연계되어 있지 않은 고압 간선 연계방식이다.

Fig. 2. Configuration type of transformer connected to main line with open LV network

이 방식은 다회로 개폐기 1개의 단자에 한 대의 변압기가 연결되어 신뢰성이 높은 장점이 있다. 그러나 변압기에 고장이 발생하게 되면, 그 이하는 모두 정전이 되는 단점이 있다. 만약 간선 연계방식에 저압 루프 방식을 적용하게 되면 이와 같은 단점을 해결할 수 있으나, 변압기의 상시 이용률을 50% 이하로 유지하여야 하는 제약이 발생하게 된다. 그림 3은 고압 간선 연계방식에 저압 루프방식을 적용한 구성방식을 나타낸다.

Fig. 3. Configuration type of transformer connected to main line with Looped LV network

3. 변압기 이용률 분석 방법

기존의 분기선 연계방식에서 간선 연계방식으로 구성방식을 변경하고자 할 경우 구간 부하를 축소하거나 변압기 용량을 증가시켜야 한다. 여기서는 변압기 이용률 데이터를 이용하고 시뮬레이션 하여 변압기 용량을 분석한다.

4. 부하증가를 고려한 변압기 이용률 분석

4.1 변압기 이용률 데이터 분석

그림 4는 300[kVA] 변압기에 대하여 13개로 지역을 구분한 후 변압기 이용률 데이터를 이용하여 평균과 표준편차를 산출 한 후, 각 지역별 이용률에 따른 확률밀도 함수를 나타낸다.

Fig. 4. Probability density function of utilization rate of 300 [kVA] transformers according to the region

그림에서 E지역을 제외한 나머지 지역의 평균 이용률은 30～40[%]를 나타내고 있으며, E지역의 평균 이용률이 40[%]이상으로 가장 높을 것을 알 수 있다.

그림 5는 500[kVA] 변압기에 대하여 마찬가지로 13개로 지역을 구분한 후 변압기 이용률 데이터를 이용하여 평균과 표준편차를 산출 한 후, 각 지역별 이용률에 따른 확률밀도 함수를 나타낸다.

Fig. 5. Probability density function of utilization rate of 500 [kVA] transformers according to the region

300[kVA]변압기와는 달리 전체적으로 고른 분포를 보이지는 않고 있으며, K지역 외에도 E 및 L지역의 평균이용률이 높은 것을 알 수 있다. 그러나 L지역은 그래프가 좁아 표준편차가 작기 때문에 많은 변압기들이 평균 이용률에 가깝게 있으며 이용률이 높은 변압기가 많지 않은 것으로 분석할 수 있다.

4.2 상정사고시 변압기 이용률 분석

표 1의 4가지 사례들에 대하여 고장이 발생하지 않은 변압기의 이용률이 100[%] 또는 120[%]를 초과하는 비율을 몬테카를로 시뮬레이션을 통하여 분석하였다.

그림 6, 7, 8, 9는 각각 사례 1, 2, 3, 4에 대하여 100[%] 및 120[%] 초과 이용률 변압기의 비율 및 최대 이용률을 나타낸다.

Fig. 6. Ratio of transformers having 100[%] or 120[%] of utilization factors and maximum utilization ratio for case 1

Fig. 7. Ratio of transformers having 100[%] or 120[%] of utilization factors and maximum utilization ratio for case 2

Fig. 8. Ratio of transformers having 100[%] or 120[%] of utilization factors and maximum utilization ratio for case 3

Fig. 9. Ratio of transformers having 100[%] or 120[%] of utilization factors and maximum utilization ratio for case 4

그래프에서 가장 심각한 경우는 사례 4의 경우로써, 500[kVA] 변압기 고장으로 300[kVA] 변압기가 나머지 부하를 부담해야 하기 때문에 다른 사례에 비하여 이용률이 100[%] 및 120[%]를 초과하는 비율 및 변압기 1대의 최대 이용률 모두 가장 높게 나타났다.

4.3 부하증가를 고려한 변압기 이용률 분석

본 절에서는 앞 절에서 분석한 이용률에 더하여 부하증가를 고려하였다. 즉, 시간(년)이 지남에 따라 증가하는 부하율을 고려하여 각 변압기가 부담해야 할 이용률을 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다. 그림 10, 11, 12, 13은 각각 사례 1, 2, 3, 4에 대하여 부하증가를 고려한 연도별 이용률 100[%]초과 변압기의 비율을 나타낸다.

Fig. 10. Ratio of transformers having 100[%] or more of utilization factors according to year for case 1

Fig. 11. Ratio of transformers having 100[%] or more of utilization factors according to year for case 2

Fig. 12. Ratio of transformers having 100[%] or more of utilization factors according to year for case 3

Fig. 13. Ratio of transformers having 100[%] or more of utilization factors according to year for case 4

특정 지역별로 시간이 지남에 따라 이용률이 100[%]가 넘는 변압기의 비율곡선이 급격하게 상승하는 것을 알 수 있다. 이들 변압기에 대해서는 만약 1대 고장시 단시간은 과부하로 운전이 가능하지만 장기적으로 용량 증가를 위해서 교체가 필요한 변압기로 판단된다.

5. 결 론

본 논문에서는 기존의 분기선 연계방식에서 간선 연계 방식으로 시스템을 변경할 경우, 기존의 변압기를 활용할 시 발생 가능한 변압기 이용률 증가분을 분석하였다. 변압기 이용 지역을 13개의 지역으로 구분하고, 변압기 용량을 300[kVA], 500[kVA] 두 가지로 구분하였다. 두 가지 용량의 변압기가 조합된 4가지의 사례에 대하여 1대의 변압기에서 고장이 발생할 경우에 나머지 한 대의 변압기의 이용률에 어떠한 변화가 있는지를 시뮬레이션을 이용하여 분석하였고, 여기에 부하증가까지 고려하여 향후 이용률 증가 현황을 분석하였다.

분석결과 간선연계방식을 구성할 경우 특정 지역의 경우 빠르게 이용률이 50[%]를 증가하는 현상이 발생하였으며, 나머지 지역들도 점차적으로 이용률이 50[%]가 넘는 것으로 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 부하증가에 발맞추어 기존 저용량의 변압기를 대용량 변압기로 빠르게 교체해야 할 것으로 판단되며, 이러한 결과를 바탕으로 연도별 변압기 교체 예산 및 지역별 변압기 교체 계획 등을 추가로 분석해야 할 것이다.