2023.02.22 변압기 제조공정
[SK증권 나민식] 전력기기 : 그리드 한방에 끝내기(변압 사이클은 이제 시작)

1. 철심 조립(Core) 


철심은 1 차 코일에서 발생한 전류를 2 차 코일까지 전달한다. 전류를 전달하는 과정에서 생기는 전력손실이 낮아질수록 변압기 에너지 효율은 높아진다. 변압기 철심에서 발생하는 전자기력 손실을 철손(core loss), W/kg 단위로 측정한다. 


변압기 내부 전력손실을 최소화 하기 위해 변압기 철심은 전기강판(Electrical Steel)을 사용한다. 일반적인 강철이 아닌 규소를 첨가한 특수강철이다. 철에 1~5% 비율로 규소를 첨가하면 다양한 전자기적 특징을 이끌어내서 전기가 필요한 제품의 에너지효율을 높일 수 있다. 변압기, 모터 등 다양한 전기장치에서 사용되기 때문에 전기강판이라 부른다.


전기강판은 결정 배열에 따라서 방향성, 무방향성 전기강판으로 나뉜다. 압연 방향을 따라서 결정이 일정한 방향으로 정렬되면 방향성 전기강판, 결정이 무작위로 형성되면 무방향성 전기강판이라 한다. 방향성 전기강판은 이름 그대로 특정 방향에서만 자기 특성을 보유한 반면, 무방향성 전기강판은 모든 방향으로 자기를 띈다.


변압기처럼 움직이지 않는 기기를 정지기(static machine), 반대로 모터처럼 움직이면 회전기(rotary machine)이라 한다. 변압기는 전자기가 정해진 방향으로 움직여야 해서 방향성 전기강판을 사용한다. 반대로 모터는 회전 방향과 무관하게 다양한 방향으로 전자기를 띄어야 해서 무방향성 전기강판을 사용한다.


방향성 전기강판은 한국, 미국, 중국, 일본, 프랑스, 독일, 인도 폴란드, 체코, 러시아,브라질에서 생산이 가능하다. 하지만 미국 에너지부(DOE)가 제시하는 기준에 만족하는 제품을 생산할 수 있는 국가는 한국, 일본, 독일 3 개 국가로 한정된다. 한국에서는 포스코가 전기강판을 생산한다.


전기강판은 고부가가치 제품으로 소수의 철강사에서 생산하며 수요처 역시 변압기,모터 등으로 시장이 한정되어 사용된다. 전기강판 거래는 1:1 계약으로 체결되어 공식적으로 발표되는 전기강판 가격은 따로 없는 상황이다.



2. 권선 조립(Winding)


변압기 권선을 원통형 디스크 모양에 맞춰서 코어를 감는 작업을 권선 조립이라고 한다. 변압기에 사용하는 권선은 구리 전선에 절연지로 피복한 특수한 권선을 사용한다. 절연을 해야 하나의 구리 덩어리가 아닌 여러 겹의 전선으로 전류가 흐른다. 그리고 절연 및 냉각을 위해서 전선 사이에 일정한 간격으로 절연지(press board)를 둔다. 이 과정을 수작업으로 한다. 전선을 모두 감은 뒤에는 코일에 일정한 열을 가하고 압력을 줘서 작업을 마무리한다.


변압기 생산비용은 원재료인 전기강판, 구리 가격에 의해 결정된다. 전체 무게를 나누면 전기강판 40%, 강철 19%, 절연유 19%, 구리 16%, 절연지 1% 순서로 구성되어 있다. 그리고 데이터에 따라서 차이가 발생하지만 전체 생산비용에서 전기강판은 30%, 구리는 25~40%를 차지한다.


3. 코어 조립(Core Assembly)


코어 조립공정에서 세부적인 과정은 다음과 같다. (1) 수직으로 세워진 철심에 권선을 조립한다. (2) 변압기에 남아있는 수분을 증발시킨다. 약 15 시간동안 고온에서 건조 과정을 거친다. (3) 수분을 증발시킨 이후에 외함에 코어 조립체를 넣는다. 외함은 변압기 부품을 보호하는 역할로서, 전기강판이 아닌 일반 강철을 사용한다. (4)절연유를 주입하고 다양한 성능시험을 거치면 변압기 생산이 마무리된다.


4. 운송(Transport)


변압기는 그 자체가 거대한 철, 구리 덩어리다. 운송이 까다로울 수 밖에 없다. 변압기 운송을 위해서는 육상은 트럭과 철도운송, 해상은 벌크선을 활용한다. 철도운송이라 하더라도 일반적인 열차를 사용하진 않는다. 열차가 지탱할 수 있는 하중은 100 톤인 반면 대형 변압기는 400 톤 이상까지 무게가 나가기 때문이다. 하중을 견디기 위해서 특수한 열차(Schnabel railcar)를 사용한다. 운송비는 변압기 생산비용의 20~30%를 차지한다.

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