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반도체 공장 전력 이슈 2가지, 비용 많이 드는 분전반과 가동중단 시키는 지락 사고를 잡아라!

2021.04.05. 13:56:14
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올해 대한민국 수출액은 전년도 동기보다 약 17% 증가했고, 전체 수출 비율 중 주력 제품인 반도체는 27.5%를 기록하며 상승세를 이어가고 있다. 현대 사회에서 큰 변혁을 불러오고 있는 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 핵심 부품으로 손꼽히고 있는 반도체는 수출 증가와 함께 우리나라의 큰 재원으로 자리잡으며 중요도를 높이고 있다. 코로나19 사태로 인해 반도체 시장 또한 주춤할 것으로 예상되기도 했지만, 재택 및 원격 근무를 통해 PC, 데이터센터 서버 등에서 수요를 충족시키며 자리를 지켰다. 시대의 흐름이 빠른 만큼 함께 급변하고 있는 반도체 시장이기에 그 속을 들여다보고 필요한 기술과 솔루션을 적재적소에 배치해야 할 필요성이 강조되고 있다.

 


이슈1. 제각기 다른 분전반으로 인한 유지보수 비용 증가
반도체를 생산하는 반도체 공장에서 현재 주목받고 있는 대두점은 바로 ‘분전반 표준화’다. 흔히 ‘두꺼비집’이라고 부르기도 하는 ‘분전반’은 외부 전력을 끌어와 전력을 나누어 주는 역할로, 전력을 나누어 주는 분전반이 없다면 모든 콘센트와 스위치는 외부 전선에 직접 연결해야 해 복잡 해진다. 이런 상황에서 누전이나 과전류 발생 시 연결된 전선을 일일이 확인해야 하기 때문에 번거로운 가운데, 공장 건물 내에는 수많은 기기와 모터 등을 위한 수백 개 이상의 분전반이 설치되어 있다. 더 큰 문제는 이 수백 개에서 천 개에 이르는 분전반이 모두 형태와 구조가 다르고, 각기 다른 제작사에서 생산되어 공장의 유지 보수 작업에 시간, 비용이 많이 들 뿐만 아니라, 기준이 없어 공급되는 과정까지 큰 어려움을 겪는다는 점이다.

이슈2. 지락 사고로 인한 장비 가동 중단
반도체 공장 내에서 발생할 수 있는 또다른 문제점으로는 ‘지락 검출’ 기능이 있다. 먼저 설정 범위보다 지나친 전류가 흐르거나, 부하가 없는 상태가 지속되는 과전류와 부족전류 현상은 모터의 과열로 이어질 수 있고, 전류가 흐르지 않는 상태에서 모터가 계속 가동되기 때문에 베어링의 마모 및 손상을 야기할 수 있다. 이 때 전류가 비정상적으로 노출되어 지상으로 흐르게 되는 ‘지락 사고’가 발생할 수 있으며, 지락을 포함한 결상, 역상, 전류 불평형 등 다양한 종류와 전력 이상이 는 등의 사고는 이상 징후를 다른 제품이나 장비에 전파할 수 있는 우려가 크기 때문에 집중적으로 관리해야 한다.

슈나이더 일렉트릭은 반도체 생산라인에서 화두로 떠오르고 있는 이 ‘분전반 표준화’와 ‘지락 검출 기능’을 위한 각각의 솔루션을 제공한다. 슈나이더 일렉트릭은 스마트 팩토리 및 인더스트리 4.0 시대 트렌드에 부합하는 디지털 통신 기능을 탑재한 전력 제품에 주력을 가하고 있으며, 그 중 고압 및 저압배전반, 분전반, MCC반을 포함해서 판넬 내부의 모든 전력 디바이스 장치와 관리 소프트웨어를 제공 및 기술을 지원할 수 있는 ‘Smart MCC(Motor Control Center)’와, 전류 계통과 관련하여 과전류나 결상, 지락 등의 이상 발생 시 문제가 다른 제품 및 장비에 또다른 영향을 미치는 것을 방지하는 ‘EOCR: Electronic Over Current Relay(스마트 모터 보호 계전기)’를 선보이고 있다.

▲ 반도체 공장의 중요도가 높아지고 있는 만큼 공장 내 문제점 해결 솔루션에 이목이 집중되고 있다. (자료제공:슈나이더 일렉트릭)


Smart MCC란?


모든 건물과 산업 현장에서 전기 에너지를 가장 많이 소비하는 디바이스 중 하나인 ‘모터’의 사용은 필수이며, 이러한 모터에 전기에너지를 분배하여 공급하고 모터를 원활하게 동작 시키기 위해 집약적으로 설치한 판넬을 MCC판넬이라고 한다. 슈나이더 일렉트릭은 ‘분전반 표준화’를 위한 솔루션으로 ‘Smart MCC(Motor Control Center)’를 제공하며, 이 ‘Smart MCC(Motor Control Center)’ 내에는 ‘iPMCC(intelligent Power & Motor Control Centre)’라는 큰 시스템 하에 ‘iPCC’와 ‘iMCC’로 나뉘어져 있다. ‘iPCC’는 IoT화된 전기 디바이스와 이를 구성하는 통신 네트워크를 포함하여 인증 받은 판넬로, 에너지 품질 확인 및 지능적인 전력 분배 시스템 구성을 위한 판넬을 의미하며, ‘iMCC’는 모든 스마트 MCC 유닛의 상태 및 모터 상태를 감시하여 모터 제어 및 부하 관리에 편리함과 안정성을 인증 받은 모터 관리 판넬을 의미한다.

 

일반적인 MCC반의 단선도에서 메인 전원은 ACB 차단기의 2차측에서 분기되어 각 MCC 유닛 별로 전원이 공급된다. 하나의 MCC 유닛을 살펴보면 MCCB, MC, EOCR 별로 구성되고, 각 디바이스는 모터의 정격과 각 부하의 기동 특성에 따라 선정 및 구성된다. 이 때 슈나이더 일렉트릭에서는 다양한 제품으로 MCC반의 유닛을 구성할 수 있는데, 디바이스의 종류에 따라 기능과 가격은 달라지지만 무엇보다 디바이스가 제공하는 데이터의 수준도 달라지며, 스마트 MCC의 기능적 수준도 각 MCC 유닛 내의 디바이스 장치로부터 어떤 데이터를 받을 수 있느냐에 따라 또 달라진다.

즉 ‘Smart MCC’는 전류, 전압, 전력, 역률과 같은 단순 데이터가 아니라 메인 ACB부터 시작해 MCC반으로 공급되는 전기 에너지의 품질, 부하 가동에 따른 모터의 상태, 제어 상태와 과거 트립 이력, MCC 판넬의 유지 보수를 위한 정보, 각 디바이스는 자신의 수명 관리 데이터가 제공되어야 한다. 또한 MCC반 구성에서 MCCB, MC, EOCR과 같은 디바이스 외에 기동 정지를 위한 외부 릴레이 회로가 필요하며, 이러한 외부 릴레이 구성에 따라 모터의 기동 방식이 달라진다.

▲ ‘Smart MCC(Motor Control Centre)’은 다양한 디바이스 구성을 통해 ‘분전반 표준화’를 위한 솔루션을 제공한다. (자료제공:슈나이더 일렉트릭)


현재 사용하고 있는 방식은 원격 제어를 위해 외부 릴레이 회로의 온/오프 스위치를 별도의 릴레이 접점으로 접속하여 PLC 등의 디바이스로 제어하는 경우가 많았다. 하지만 이제는 IoT화된 EOCR의 전력 입출력 단자나 EOCR의 전력 통신 포트를 이용하여 모니터링 및 제어를 직접 하거나, 정역 릴레이 회로나 Y-D와 같은 릴레이 회로를 프로그램으로 내장할 수 있는 로직 타입 EOCR로 진화하고 있으며, 장비 콘트롤러의 경우 MC와 EOCR 일체형으로 모터의 기동과 관련된 외부 릴레이 회로 없이 통신을 이용하여 직접 제어 및 모니터링이 가능한 형태의 디바이스 적용이 추세다.

 

디바이스와 외부 회로를 하나의 유닛에 설치한 후 그룹화하면 MCC 반으로 구성할 수 있는데, 기존 MCC 반에서 요구되는 데이터는 모터의 구동과 관련된 제어 명령, 모터의 상태, 전류 및 전력 데이터 정도였으며, 릴레이 회로나 MC의 상태를 인식하여 모터의 상태를 간접적으로 확인하고 4~20mA를 통해 전류나 전력을 확인했다. 이 구성은 유닛이 많을수록 관련 케이블이 많아져 유지 보수의 관점에서 단점으로 확인되고, 시스템 변경 시 PLC 및 DCS의 관리 비용이 초과되는 등 근본적으로 시스템이 복잡 해진다. 기존 방식으로 구성하면 각 디바이스의 정보를 가져올 때 더 많은 케이블이 필요하고 PLC는 고급화되어야 하며, 고용량의 메모리가 필요하다.

하지만 ‘Smart MCC’에서는 안전이 인증된 판넬로 전력선과 통신선이 구분되는 구조의 모듈식 유닛을 통해 판넬 내의 디바이스가 IoT화 되고 스마트화 되면서 더욱 신뢰성 있는 고급 데이터를 대량으로 획득할 수 있다는 것이 장점으로, 통신 디바이스가 네트워크에 직접 연결되어 같은 네트워크망 안에서는 어디에서나 디바이스의 접근이 가능해진다. 예를 들어 IoT EOCR은 내부메모리에서의 출력상태와 MC의 접점상태, 모터를 통해 흐르는 실시간 전류데이터를 종합판단해서 모터의 기동 및 상태를 알 수 있으며, 다양한 폴트의 종류 중 반복되는 폴트를 확인하여 부하 및 전기시스템의 조정 및 추가 사고에 대한 대응이 가능하다.

 

추가적으로 스마트 MCC 반에는 전력분석용 툴인 PME나 전기관리용 툴인 PSO를 적용할 수 있고, 고압계전기, 온도관리 시스템과 역률 및 고조파 개선 시스템을 추가로 설치하여 MCC 반의 차단기나 EOCR에서는 모니터링할 수 없는 Sag, Swell과 같은 전력 품질 데이터를 모니터링할 수 있다. 역률과 고조파를 보상하여 전기 사고를 예방하고 분석하여 궁극적으로는 전기 디바이스와 설비 수명을 연장시키고 에너지 관리까지도 가능해진다. 전기 사고는 모터는 부하의 영향이 커서 원인을 제거하지 않거나 단순 교체시에는 사고가 재발할 수 있는데, 이 때 PME 분석 시스템은 어느 부하에서 어떤 전기 품질 이벤트인지 확인 가능하고 사고 위치 타임라인을 통해 정확한 시간별 사고 순서와 사고 위치, 측정 미터의 위치를 기준으로 사고가 일어난 방향을 확인할 수 있다.

 

결론적으로 스마트 MCC 시스템은 판넬 구조에서부터 사고 시 관리자의 안전을 제공하고 전력과 통신선이 분리되는 구조여야 한다. 또한 판넬 내부의 온도 관리와 아크 보호가 필요하며, IOT 디바이스는 통신포트를 내장하여 직접 네트워크에 연결되어 많은 양의 데이터가 다수의 상위 시스템으로 전송할 수 있도록 구성하는 것이 좋다. 또한 기본적으로 시스템에서 보여지는 데이터는 IOT 디바이스에서 검출 및 생성되며, 관리 소프트웨어는 이러한 데이터를 관리자가 확인 및 분석하기 편리한 이미지나 그래프로 표시하고 최종 결정에 도움이 될 수 있게 데이터를 관리해야 한다.

 
▲ 'Smart MCC'는 PME 분석시스템과 타임라인, 트렌드 등을 자세하게 제공해 '분전반'을 편리하게 관리할 수 있도록 돕는다. (자료제공:슈나이더 일렉트릭)


스마트 모터 보호 계전기, EOCR


전류 계통과 관련하여 과전류, 결상, 지락 등의 이상(異像)이 발생하였을 때 그 문제가 다른 제품 혹은 장비에 전파되는 것을 방지하는 역할을 담당하는 것이 바로 보호 계전기다. 예상치 못한 문제에 사전에 대비해 발생한 문제를 빠르게 인지하고, 이상이 발생한 부분을 차단 혹은 경보를 제공하는 것이 주요 기능으로, 슈나이더 일렉트릭은 ‘스마트 모터 보호 계전기(EOCR: Electronic Over Current Relay)‘를 통해 반도체 생산라인 내 지락 검출과 관련된 문제점을 해결할 수 있도록 지원한다. 슈나이더 일렉트릭이 선보이는 ‘EOCR PFZ’를 비롯한 EOCR 라인업은 스마트 팩토리를 포함한 각종 산업 플랜트에서 사용되고 있는 핵심 부품으로, 지난 2019년에는 수주 및 생산량 1,000만 개를 돌파하기도 했다.

이 EOCR 제품군 중에서도 작년에 신형으로 다시 태어난 ‘EOCR PFZ’는 전고조파왜율(Total Harmonics Distortion) 계측 및 보호 기능을 통해 실시간으로 분석이 가능하며, 모터 보호를 위한 부하전류 설정 범위를 100A까지 확대했다. 제16차까지 고조파(THD) 분석 기능과 디지털 로우 패스 필터(Low Pass Filter) 설정 기능을 통해 고조파, 고주파에 의한 용량성 누설전류 및 지락 보호 기능의 오작동 방지도 가능하다. 지락 사고 발생 시에는 사고 원인 분석을 위해 EOCR에 기록된 파형과 사고발생일자 및 시간을 전용 소프트웨어에 기록해 정보를 저장하고 분석할 수 있다.

또한 기존에 피크 전압 측정 방식에서 벗어나, True-RMS 측정을 통해 오차율을 1% 로 향상해 정확한 전류를 측정할 수 있다. 산업현장에서 누설전류로 인한 감전, 화재 및 기기 보호를 위해 보다 민감한 환경에서 작동을 보장하며, 최소 검출 전류를 30mA로 설정이 가능하고 누설전류 검출 시 30mSec 이내에 동작된다. 여기에 영상 변류기(ZCT)를 내장하고 있어 설치 시 공간, 시간과 배선작업을 개선했고, LED 디스플레이를 통해 운전, 정지, 통신상태를 점검하거나 RTC(Real Time Clock)를 내장해 사고이력 시간 등을 확인할 수 있다.

▲ 슈나이더 일렉트릭은 ‘EOCR PFZ‘를 통해 반도체 생산라인 내 지락 검출과 관련된 문제점을 해결할 수 있도록 지원한다. (자료제공:슈나이더 일렉트릭)


‘EOCR PFZ’의 장점은 작동, 보호, 기록의 세 측면에서 살펴볼 수 있다. 우선 작동과 관련해, 기존 제품 라인에서 모터를 보호하기 위한 부하 전류의 설정 범위가 0.5~60A이었던 것에 반해, 신형인 ‘EOCR PFZ’의 경우 적용 범위를 0.5~100A까지 확대한 'Wide range'의 제품이다. 보호 측면에서는 연결된 모터의 시간 별 전원의 온도를 실시간 그래프로 기록하고, 모터의 전원 부분에 단락 현상이 발생하였을 때 적시에 그를 차단하여 보호할 수 있는 기능을 수행한다. ‘EOCR PFZ’는 기존 제품에 적용되던 전류 파형의 고점만 측정하던 피크(Peak) 전압 측정 방식이 아닌 제곱과 루트를 사용해 전류 파형의 평균 값을 지속적으로 측정하는 True-RMS 측정 방식이 도입되었다.

‘EOCR PFZ’에 발전된 측정 방식을 도입함으로써 True-RMS 측정 값은 평균 측정값(6.35Amp/%/℃)에 비해 약 두 배 가량 낮은 3.76 Amp/%/℃의 수치를 보여준다. True-RMS 측정 방식은 오차의 범위와 오차율을 좁혀 정확하게 전류를 측정할 수 있도록 돕기 때문에 전류가 누설되어 감전 혹은 화재가 발생할 수 있는 민감한 환경에서도 안정적으로 작동한다. 뿐만 아니라 ‘영상 변류기(ZCT, Zero Current Transformer)’를 내장하고 있어 ‘영상 변류기’를 통해 3상 모터에서 전류 불평형이 발생하였을 때 이를 감지하여 사전 경보를 제공하는 중요한 기능을 수행할 수 있으며, 설치 과정에 소요되는 시간과 배선 작업도 개선할 수 있다.

마지막으로 보호를 위해 필수적인 기록의 측면에서는 제품 내에 내장된 실시간 시계로서 사고 이력 시간을 기록하는(Fault Time Stamping) 기능을 수행하는 RTC(Real Time Clock)와 LED 디스플레이가 설치되어 있다. 이와 더불어 ‘EOCR PFZ’는 기존 주파수의 정수 배만큼 많은 전기량을 가진 고조파에서 발생하는 파형의 왜곡이 얼마나 심한지를 나타내는 지표인 ‘전고조파왜율(Total Harmonics Distortion)’을 실시간으로 계측 및 분석하여 정보를 제공하는 기능을 제공한다. 이 때 ‘EOCR PFZ’는 고조파뿐만이 아닌 고주파에 의한 누설전류 및 지락까지 보호할 수 있는 역할을 수행하며, ‘Digital Low Pass Filter’ 기능을 켜면 고조파 전류 혹은 노이즈 성분이 제거된 순수한 누설전류만을 측정할 수 있기 때문에 문제가 발생 시 신속하게 장비의 오작동을 방지할 수 있다.

또한 ‘EOCR PFZ’는 내장된 온도와 습도 센서를 통해 모터주변의 진동과 유량을 측정할 수 있으며, 모터의 가동 횟수를 기록하는 시각적인 카운터와 사고 전류의 파형을 기록하는 전용 소프트웨어를 포함하고 있어 지락 사고가 발생하였을 시 미리 기록된 파형과 사고 발생 시간을 전용 소프트웨어의 기록에서 확인하고 분석할 수 있다. 내장된 LED 디스플레이는 ‘EOCR PFZ’의 각종 기록을 고객이 확인할 수 있도록 하며, 정상적으로 가동이 되고 있는 상태(Power)와 이상이 발생한 상태(Fault)를 각각 초록색과 주황색으로 표시한다. 따라서 고객은 이 디스플레이를 통해 모터 혹은 장비의 운전 및 정지, 그리고 통신 상태를 한눈에 쉽게 확인할 수 있다.

▲ ‘EOCR PFZ’는 반도체 생산라인에서 지락 사고 문제를 가시적으로 보여주고, 사용 편의성을 제공한다. (자료제공:슈나이더 일렉트릭)


‘EOCR PFZ’에는 사물인터넷 기술을 적용할 수 있도록 돕는 실시간 이더넷 통신 기능 지원과 함께 모터 부하의 데이터 수집과 및 활용이 가능한 원격감시 모니터링 소프트웨어 ‘EOCR-MS'가 함께 제공된다. 이번 EOCR 신제품은 기존의 단점을 한층 보완하고, 장점은 더욱 강화한 안정적이고 신뢰도가 높은 제품으로, 슈나이더 일렉트릭은 반도체 공장과 인더스트리 4.0 및 스마트팩토리 환경에 대응해 제품연구 개발을 진행하고 있으며 디지털 EOCR 제품을 꾸준히 글로벌 시장으로 확대 수출할 예정이다.

산업용 사물인터넷(IIoT)이 보편화되고 산업의 디지털화 추세가 가속화 됨에 따라 스마트 팩토리 및 인더스트리 4.0 시대의 트렌드에 부합한 디지털 통신 기능을 탑재한 전력 제품이 주목 받고 있다. 반도체 공장 뿐만 아니라 4차 산업 혁명에 최적화된 슈나이더 일렉트릭의 EOCR 제품 라인업과 ‘Smart MCC’는 지속적인 연구 협력 중이며, 슈나이더 일렉트릭 본사는 현재 국내 EOCR 연구개발센터와 지속적인 개발 및 협업 관계를 갖추고 있다. 슈나이더 일렉트릭 전자식 모터 보호 계전기는 모터 보호를 위한 디지털 전환 시대의 핵심 제품으로, 사물인터넷(IoT) 기술을 적용할 수 있도록 실시간 통신을 지원하고, 온도·습도 센서 및 아날로그 출력이 내장되어 고객의 다양한 요구 환경에 대한 적용 및 상태 감시가 가능하다.

슈나이더 일렉트릭의 스마트 모터 보호 계전기를 도입하는 기업들은 장비 및 설비의 동작 전류를 실시간으로 확인할 수 있고 보호 계전기와 디지털 계기를 일원화하여 사용할 수 있으며, 반도체 공장을 비롯한 스마트 팩토리 등에서 제공되는 모든 AC 및 DC 모터, 모든 3상 회로의 계통 전압을 보호할 수 있어 유지 및 보수 과정의 편리성도 함께 보장되고 있다. 또한 슈나이더 일렉트릭 제품군은 석유 화학, 전자, 반도체, 시멘트와 같은 제조업 뿐만 아니라 가스와 상하수도, 항만을 비롯한 사회 인프라, 사무용 빌딩 및 학교와 병원 등 주거 시설 등 다양한 산업군에 골고루 사용되고 있어 모든 종류의 기계를 안전하게 보호할 수 있도록 지원한다.



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