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2023년 11월 15일 (수) 12:06 판
전기시설(電氣施設)은 전력을 생산·유통·소비하는 데 필요한 설비를 통틀어 이르는 말이다. 전기설비(電氣設備)라고도 한다.
개요
전기시설(전기설비)은 건축물의 부대설비로서 건물 안에 전등, 전화, 전원 등을 장치하는 설비의 총칭이다. 단 약전 설비, 통신 설비 등은 분리하여 별칭한다. 또한, 주택에서 전기와 관련된 설비를 말한다. 조명설비, 텔레비전 공시청설비, 피뢰침설비, 배선설비, 자가발전설비 등이 있다. 전등 같은 조명설비는 주택에서 중요한 설비의 하나인데 근래에는 형광등의 발달로 이상적인 조명을 얻고 있다. 아파트단지의 가로등은 백열등과 수은등이 많이 쓰인다. 조명은 집 안의 분위기를 좌우하므로 이의 선택이나 설비의 양부는 주생활에 큰 영향을 준다. 배선설비는 전등용과 동력용 배선이 있으며, 단독주택 등은 전등용이고, 공동주택은 동력선이 들어간다. 자가발전설비는 공동주택에서 단전에 대비해 설치하고 있다.[1][2]
상세
전기설비란 일반적으로 설계와 건설로 이루어지는 전기 사용 시설(electric facilities)을 통칭하는 말이다. 이는 다시 조명설비, 전열설비, 전동력설비, 송·배전설비 및 발전설비와 같이 그 사용설비의 성격에 따라 구분할 수 있다. 조명설비는 여러 가지 전등을 이용하여 어둠을 밝히거나, 공연장의 무대 등에서는 여러 가지 분위기를 연출할 수도 있다.
- 전열설비 : 전력을 이용하여 가열하는 것으로 주로 저항 가열을 이용하는 니크롬선 가열 방법, 교류의 주파수를 이용하는 고주파 가열 등이 주류를 이루며, 발열체에서 발생하는 열을 이용하여 직접 또는 간접식으로 가열하는 것을 말한다.
- 전동력설비 : 전동기를 사용하여 여러 가지 시설을 가동시키는 것으로, 선풍기, 냉장고의 가스 압축기, 펌프 모터, 에스컬레이터 모터 및 기타 산업용 전동기로 사용되며, 우리나라의 경우 전체 전력의 약 70%가 전동기의 소요 전력으로 사용되고 있으므로 전동력 설비의 중요성을 알 수 있다.
- 송·배전설비 : 발전소에서 일반 소비자가 밀집해 있는 사용 장소까지 전기를 보내고(송전) 분배하는(배전) 것을 말한다. 이러한 송·배전은 전기의 기술적 요인 중 저항 손실이 발생하는데 이 과정의 손실이 너무 크다. 이에 대한 대책으로 전압을 높게 하여 손실을 줄이는 것이 한 방편이므로 비교적 고전압1)으로 문제를 해결하고 있다.
- 발전설비 : 수력발전소, 화력발전소 및 원자력발전소가 대표적인 발전설비이며, 최근 지구 환경보전의 필요성으로 풍력발전 및 태양광발전 등 신재생에너지원을 이용한 발전시설이 확장세를 나타내고 있다.
이와 같이 전기설비란 모든 전기 사용 기계 및 재료들을 사용하기 쉽고 안전하게 계통을 완성하는 것이며, 그 분류의 견해도 다양하다. 이는 그만큼 전기가 에너지로써 현대 인류에 많은 기여를 해왔고 앞으로도 다양하고 끝없는 발전을 할 학문 분야라는 것을 의미한다. 이러한 전기설비는 법률적(전기사업법)으로는 일반용 전기설비, 자가용 전기설비 및 사업용 전기설비의 세 가지로 구분하고 있다. ① 일반용 전기설비는 낮은 전압(600V 이하) 작은 전력(75KW 이하)을 가정용 등과 같이 한정된 곳에서 사용하는 것이다. ② 자가용 전기설비는 일반용 전기설비를 초과하는 것으로 일정한 법률적 규제의 대상이 된다. ③ 사업용 전기설비란 전기사업자(전력을 판매하는 사업자)가 전기 사업에 사용할 목적으로 시설하는 설비를 말한다.
전기설비의 또 다른 분류는 사용처에 따른 것으로 ① 주택, 아파트 등 주거용 건물, 백화점 등 상업용 건물 및 일반 업무용 빌딩 등에 시설하는 것을 건축전기설비, ② 석유화학 제품 등 특수한 산업품목의 생산 공장에 시설하는 것은 플랜트전기설비이다. 수력발전소, 화력발전소 및 원자력발전소의 시설은 발전 플랜트전기설비로 구분하고 있다. 이러한 전기설비는 학문적 또는 실무 기술적으로 그 업무 영역을 전기설비 엔지니어링(engineering)의 전문적 수행 범위별로 살펴보면, 기본설계(기획, 기초설계), 상세설계(계산, 공사 도면 작성, 구매 사양서, 품질 절차서, 현장 관리문서 등), 건설 관리(construction management)등의 업무 영역으로 나누어진다.
일반적으로 전기설비라 하면 전기의 사용 장소에 설치하는 설비 자체를 떠올리게 되는데, 이는 전기 기기의 제조 산업 영역과 중복되기 때문에 전기 계통의 완성을 전제로 한 학문 및 실무 분야를 전기설비라 보는 것이 타당하며, 관련 법령 및 기술 분야의 취급 또한 그렇다. 그렇기 때문에 전기설비란 전기 시설을 사용자가 사용할 수 있도록 설계 및 건설로 전기계통의 완성이 이루어지는 것을 전제로 구분하는 것을 의미하므로 전기설비는 기능 및 계통적으로 완벽한 완성이 이루어져야 한다. 앞에서 열거한 것과 같이 전기설비란 전기 관련 부품 및 재료들을 이용하여 사용하기 위하여 안전하고 완벽하고 전기 사용 계통을 완성하여야 하므로 학문적으로는 폭 넓은 이론적 지식을 필요로 함과 동시에 기술적으로는 다양하고 수많은 사례의 연습과 훈련이 필요하다.
전기설비는 이론으로 배우는 학문 중에 약간은 어려운 점이 있다고 본다. 이것은 다분히 수학적 이해를 필요로 하는 경우도 있고, 논리적 사고를 엮어서 분석해야 하는 부분도 있기 때문이다. 학창시절 잘 배워둔 전기설비 학문은 세월이 흘러도 그 기술 수준 및 패턴(유행)이 변하는 것이 아니므로 나이가 들어도 현업에서 사용할 수 있는 기술력을 계속하여 유지할 수 있는 특징이 있다. 이것은 기초이론부터 꾸준한 기본학습이 쌓여서 형성된다. 또한 짧은 시간에 이룰 수 있는 학문도 아니기 때문에 젊어서 전기설비 기술을 연마한다면 나이를 먹거나, 세상이 변해도 기술은 여전히 최신 기술과 함께 사용할 수 있다.[3]
역사와 발전단계
전기설비의 역사는 곧 전기공학(電氣工學, electrical engineering)의 역사와 같다고 말할 수 있다. BC 600년 그리스의 탈레스(Thales)가 보석 호박을 문질러 정전기를 발견하여 호박(electron)의 이름에서 전기(electricity)가 유래되었으며, 1752년 미국의 벤자민 플랭클린(Benjamin Franklin)이 연날리기로 번개가 전기임을 확인한 후 피뢰침이 발명되었고, 1800년 이탈리아의 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)가 볼타전지를 발명하였다.
1826년 독일의 조지 사이먼 옴(Georg Simon Ohm)이 "전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다."는 옴의 법칙(Ohm's law)을 발표하였다. 1879년 미국의 토머스 앨바 에디슨(Thomas Alva Edison)은 백열전구를 발명하여 현재까지 사용하는 전기설비 품목에 남아 있다. 1882년 뉴욕시에 에디슨은 자신의 백열전구를 사용하기 위한 최초의 직류 발전기를 설치하여 '중앙발전소'라 불렸다. 1882년 크로아티아 출신 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)는 교류전동기의 발명을 고안하였고, 1884년에는 미국으로 이민을 간 후 1891년 교류발전기를 개발하여 상업화하였다.
이와 같이 수많은 과학자들의 노력으로 현재의 전기설비의 주를 이루는 것은 테슬라가 발명한 교류시스템이라고 할 수 있다. 에디슨은 직류시스템을 유용하다고 주장했고 반면에 테슬라의 기술을 확보한 미국의 웨스팅하우스(Westinghouse)는 교류시스템이 유용하다고 주장하였는데 이것이 바로 유명한 전류전쟁(war of currents)이다. 오늘날의 전기설비는 물론 직류시스템과 교류시스템을 모두 다 잘 사용한다고 할 수 있다. 다만, 그 사용량에 대하여는 직류시스템은 자동차의 전원 등 이동식 축전지(storage battery) 시스템이나 일부 제어용 전원 및 비상용 전원과 전력 보관 및 변환용으로 사용할 뿐 큰 전력의 사용에는 적합하지 못하여 현재 거의 모든 전기설비는 교류설비이다.
그 이유는 첫째, 전압을 쉽게 변환하여 사용할 수 있다는 점, 둘째 대용량 발전기 및 변압기의 제작 및 운전이 용이한 점, 셋째 전동기를 쉽게 제작할 수 있게 하는 회전자계(rotating field)를 쉽게 얻을 수 있는 점 등이 있다고 할 수 있다. 하지만, 이러한 전동기를 포함한 변압기 등 주요 전기설비의 기기들은 이미 100여 년 이전에 개발한 기술이며, 현재에도 별 기술의 진전이 없이 그대로 사용하는 것이 대부분이다. 이는 예전의 과학자들이 워낙 완벽한 발명품을 내놓았다고 볼 수도 있지만 한편으로는 발전의 여지가 남아있다고 볼 수 있다. 이러한 전기 기기의 발달은 전기설비의 상황과도 같으므로 다른 응용학문의 발전 속도와 다양성과는 확연히 비교가 된다. 요즘 여러 가지 측정 및 시험 기술이 발달하였고, 정보의 분석 능력이 향상되었으므로, 지금도 여전히 실제 생활에 필수적이지만 고전적 기술이 되어버린 전기공학의 제2의 도약의 시대를 기대한다.[3]
연구·운영 및 응용분야
전기설비의 주요 요소는 기초 과학(科學, science) 기술을 바탕으로 한 기기나 제품이 주를 이루므로 이들의 연구 및 개발의 영역은 기초 과학의 개발을 의미한다.
연구 및 운영 영역
- 기초 학문 분야로서의 연구
학문으로서의 전기설비의 특징은 전기 공급 및 사용 용도에 맞는 계통을 완성하는 각각의 재료 및 기기들이 많은 부분이 추가적으로 혁신해야 하는 점을 극복하지 못해 그 디자인이나 성능 개발의 한계에 이르고 있다. 1800년대에 확립된 전기공학의 대부분의 이론과 개발 제품들은 기초 과학 이론 및 현상을 발견함으로써 확립한 것으로 개발 당시 그에 적합한 제작 수준이었다는 것을 인정함으로써 개발의 여지가 없다고 주장하는 과학자들도 많다. 이러한 발상은 전기공학의 대부분의 학문 분야는 자연과학(自然科學, natural science)으로써의 자연현상(自然現象) 이론이나 법칙을 현재 이미 한계점에 이를 만큼 완전히 정복하여 정점에 와 있다고 보고 있다. 그래서 현재 전기설비에 관한한 주요 개발 실적은 약 100여 년 간 정지 상태이다.
대표적인 응용 기기로서의 전자부품은 초기의 진공관에서 트랜지스터를 거쳐 집적회로 등으로 바뀜에 따라 텔레비전은 브라운관에서 LED형으로 바뀐 지 오래고, 전화기, 라디오, 녹음기, 사진기 및 오락기 등은 하나의 핸드폰에 압축되어있다. 이러한 것은 시대의 발달과 더불어 응용학문의 변화 속도를 대변하는 것이며, 그에 따른 기술의 개발 다양성과 개발된 제품과 그와 관련된 기술의 영속성을 의미하는 수명이 얼마나 되는지는 말로 표현할 수 없을 정도이다.
반면, 대표적인 전기 기기인 변압기, 발전기 및 전동기 등은 개발 초기의 원론적 형태를 지금도 그대로 유지하고 있을 뿐만 아니라 전기설비의 설계(계산, 도면작성, 구매, 시공관리, 시험, 운전관리)와 관련한 제반 업무 과정은 전기공학의 기초 이론에 바탕을 두어야 하는 부분이 상당부분 존재함으로 인해 이들을 취급하는 업무도 역시 폭넓은 변화가 있기를 기대하기 힘들다. 이는 전기설비의 학문적 특성은 초기 학습은 어렵고 그 깊이가 깊으며, 산업적 생산 과정은 그 혁신의 성과를 얻기가 쉽지 않음을 말하는 것이지만, 한번 터득한 학문적 영속성이 길고 연구의 가치가 크며, 연구 및 개발된 생산품의 사회적 생존 수명은 매우 길다는 것을 뜻한다.
- 전기설비 설계의 기초
전기설비란 전기사용 시설의 설계 및 건설을 의미한다고 했다. 그리고 전기설비의 설계에는 기획, 계산, 계획, 도면과 사양서 및 절차서 작성, 구매업무, 시공관리업무 및 검사와 운전관리 업무까지 포함된다. 한마디로 말하면 전기와 관련된 건설에 관한 모든 서비스 업무를 전기설비 설계라 말할 수 있다. 이러한 다양하고 방대한 업무 및 연구영역도 그 기초는 단 하나의 옴(Ohm)의 법칙에 그 대안이 있다고 한다면 놀랄만한 일이다. 하지만 이것은 사실이다. 진기설비에 관한 모든 계산, 도면 및 사양서 등은 공학적 이해와 물리 법칙에 따른 계산과정을 통한 분석에 의존해야 한다.
이 분석에 필요한 것이 바로 전압, 전류, 저항(임피던스(impedance))의 상호 관계를 결정짓는 옴(Ohm)의 법칙이며, 여러 가지 조건에 맞는 적용 기법을 터득하는 것이 전기설비 설계의 기초라고 할 수 있다. 전기는 그 큰 위험성에 비하여 표면적으로 상태를 가늠하기 어려워서 위험에 처하는 경우가 많기 때문에 두렵게 인식되는 경우가 있지만, 이것은 가보지 않은 길에 대한 막연한 두려움과 같다고 볼 수 있다. 전기설비에 관한 예기치 못한 사고나 위험은 일어날 수 없으며, 다만 그 위험성을 애초에 무시하였거나 등한시 한 경우 위험을 초래할 수 있다. 다시 말하면 전기설비는 기초 학문으로써 계산 능력을 연구·배양하고, 실무적 안정성을 확보하기 위한 정확한 계산과 설계 기법을 확보한다면 무난하며 안전하다.
- 전기설비 설계의 공학적 접근 방법
전기설비 설계의 목적은 정확한 건설과 이후의 편리하고 안전한 시설의 사용을 전제로 한 것이므로, 이들 최종 목표의 중요성을 항상 인식하는 태도가 중요하다고 볼 수 있다. 즉, 원만한 현장 시공이 안 되는 설계라든지 완성 후 사용상 문제나 위험성을 내포하고 있다면 완전한 설계라고 볼 수 없기 때문이다. 특히 전기설비는 다른 작업(토목, 건축, 기계, 소방, 통신 등)들과 거의 모두 밀접한 작업 연관성을 갖기 때문에 이들과 기술적인 연관 사항을 사전에 잘 조율해야 하는 것을 항상 염두에 두고 적절한 공정관리 기법의 개발 등 연관 업무의 관리 기법을 터득해야 할 필요가 있다.
특히 전기설비는 사람이 접근하는 장소라면 어디든지 필요로 하는 경우가 많으며, 또한 불안정한 설계나 시공 사항이 있다면 반드시 위험성을 내포하고 있다는 것이 전기설비 설계자의 부담이라고 볼 수 있다. 그러나 여러 요소에 위험성 및 필요성이 강조된다는 것은 그만큼 모든 이가 위험함에도 꼭 필요성을 느끼는 것이 중요하므로 연관된 건설 부분과 기술적 협의를 잘 하기 위한 사전 업무 분석과 기술적 분석 및 논리적 업무처리 방안을 습득할 필요가 있다.
- 전기설비 설계의 실무적 관리 방안
전기설비 설계의 실무적 관리 방안은 전기설비 설계 분야 별 실무 수행 방법을 말하며, 이들 분야는 접지설계, 수·변전설계, 동력설계, 조명설계, 소방설계, 통신설계, 전열설계 및 기타 부식방지 등 기타설비로 볼 수 있으며, 이들 관리 방안은 다음과 같다. 접지설계는 구역의 토질조사를 통한 대지 고유저항 자료를 먼저 확보하여 대지 접촉 저항을 구하고, 필요한 접지 계통을 구비한다. 수·변전설계는 전력계통의 공급안정성을 계산하여 계통도(schematic diagram)를 완성한 후, 건설 과정의 예상되는 문제점을 해결하는 순서로 설계한다.
동력설계는 계통의 주요 전선로와 주요 전력 소비처를 건설 여건에 맞도록 관련 타(토목, 건축, 기계 등) 부문과 상호 협의하여 결정한다. 조명설계는 먼저 사용자의 의도를 파악하는 것이 첫째이며, 그 후 에너지 및 환경적 여향을 분석하고 계산서를 승인받은 후 상세 설계한다. 소방설계 및 통신설계는 구분된 업무 영역일 경우 주관 사용자 및 설계자의 의도를 파악하고 기술적 내용을 확인 한 다음 설계해야 한다. 전열설계는 특히 지구의 북반구 등 겨울철 동파 지역일 경우 동파 방지 시설을 필수적으로 해야 하며, 역시 관련 부문과 협의 후 설계하며 기타 지하에 철재 시설물이 있거나 수면 아래에 부식이 가능한 시설물이 있을 경우는 부식방지설계를 수행하도록 한다.
- 전기설비 설계의 표준화 및 전산화 연구
전기설비 설계의 표준화 및 전산화 연구는 복잡 다양한 전기설비 건설 조건의 특성상 자칫 설계자의 의도와 다르게 현장에서 임의로 건설될 수가 있으며, 이것은 모든 설계에서 가장 주의해야 할 사항이다. 설계의 표준화 필요성은 일관된 표준화 상세도(detail chart)를 사용함으로써 설계도면 작성을 간단하면서도 신속하게 할 수 있다. 또한 현장 건설 시 설계자의 의도를 항상 표준화된 상세도에 의한 시공으로 설계자와 시공자 서로의 의사소통이 확실하게 전달될 수 있기 때문이다. 또한 이러한 표준화된 상세도를 도면으로 작성할 경우 건설관리에 필요한 주요 소모 자재의 수량 집계와 관리를 신속하고도 정확히 할 수 있을 뿐만 아니라, 복잡한 수량집계의 과정을 손쉽게 처리할 수 있고 작업 시 나타날 수 있는 실수를 줄일 수 있으며, 건설 중 변경 내용의 추적에도 용이한 점이 있다.
따라서 이러한 설계의 표준화를 어떻게 하는 것이 가장 쉽고 안전하며 경제적인 건설이 될지를 연구하고 경험하며 분석하여야 한다. 표준화에서 가장 우선해야 할 첫째 사항은 각종 심벌(symbol)의 정리와 자재의 고유 식별 방법의 선정이다. 둘째 사항은 표준화해야 할 작업 종류를 선정한다. 셋째는 대상을 가장 간단하게, 알기 쉽게, 건설이 쉽게 그리고 경제적으로 되도록 표준화 상세도를 작성한다. 넷째는 자재 목록의 집계 방법을 수립한다. 물론, 이러한 표준화 상세도의 작성이라든지 이를 이용한 전산화 집계 프로그램의 연구 및 개발은 현장의 많은 경험과 시행착오를 필요로 한다. 하지만 근간의 많은 현장관리 참고 자료를 활용한다면 보다 쉽게 접근할 수 있는 길을 찾을 수 있다.
전기설비 설계의 응용 분야
전기설비 설계는 전기산업의 모든 부문을 서로 연결하여 하나의 계통으로 한 완성품이다. 현대 사회에서 전기설비를 떠난 생활은 거의 불가능하다. 지하에 묻혀있는 거대한 가스배관도 예민한 전기설비의 보호 아래에서만 안전하게 배관이 부식되지 않도록 유지할 수 있다는 것을 아는 사람은 아마도 그리 많지 않을 것이다.
따라서 전기설비 설계의 과정을 거친다면 이들 전기산업뿐만 아니고 관련된 다른 영역의 부분도 이해할 수 있고 필요 연구 부분이 자연적으로 윤곽이 잡히리라 보며, 이를 위한 학습 과정은 각 학교의 전기공학 계열군의 과정에 꼭 필요하다고 본다. 이러한 예로서는 먼저 전기를 공급하는 전선로로써의 케이블(cable)은 그 용도와 성능이 다양하다. 이들은 도체의 특성, 절연체의 성능, 난연성 및 내열성의 특성, 기타 유연한 설치 취급의 필요성 등 현재의 재질의 특성에서부터 앞으로 개발 및 연구가 있어야 할 분야의 전망까지 전기설계를 해본 설계사(engineer)는 누구나 쉽게 그 과제를 파악할 수 있다. 따라서 케이블의 개발욕구를 충분히 느낄 수 있다는 점이다.
필요는 발명을 낳는다고 했다. 이러한 응용 분야의 개척은 이 뿐만이 아니어서, 전기설비 설계를 하는 설계사는 웬만한 전기 기기의 종류는 물론이고 각 기기의 장점이나 단점, 고유의 특성은 물론이고 앞으로 보완해야 할 필요성을 상당부분 자연스럽게 터득하는 경우가 많기 때문에 다양한 발전을 위한 연구의욕이 매우 크다고 불 수 있다. 또한 위와 같이 각 기자재의 성향 파악을 잘 할 수 있기 때문에 이와 관련한 제조부문의 응용이나, 제품의 기술성을 강조하는 영업 부분으로의 적용을 쉽게 할 수 있는 점 등 자기개발 및 사업성 극대화에 적극 활용할 수 있는 부분도 있다.[3]
동영상
각주
참고자료
같이 보기
