12. Electrical & Telecom Eng.
전기와 통신 설계
이 글은 브런치북 "화공플랜트 EPC 엔지니어링"을 아마존에 출간하기 위하여 AI 도움을 받아 영문으로 번역한 내용입니다. 보완한 원문을 한글 서적으로도 출간하기 위해 영어 번역본 아래에 함께 올립니다.
Electrical engineering is the discipline that ensures power is available wherever it is needed. If piping creates pathways for fluids, electrical design provides the lifeblood of the plant—delivering power so equipment can operate and the facility can function. It also lights the plant at night, a vital service that goes largely unnoticed until it is absent.
Power in a plant is supplied from the utility grid or on-site generators, delivered to substations, transformed to appropriate voltages, and distributed to motors, equipment, and other loads across the site. From large motors and prime movers (turbines, engines) to switchgear, motor control centers (MCC), and the smallest control devices, anywhere electricity flows in a plant, electrical design plays a central role.
From a construction perspective, much of a plant comes down to installing structures and equipment, then connecting them with piping and cables. While piping connects equipment to transport fluids, electrical design connects equipment to deliver power and control. In practice, it is most accurate to describe electrical engineering as supplying power through cables.
Cables span the facility like a dense web yet remain less visible than piping. As with residential wiring concealed within walls, plant cables are typically routed underground or mounted on cable trays, so the network is extensive without being prominent. Aside from major equipment housed in substations, cables are often the only visible element of the electrical scope, which can create the impression that “electrical equals cables.” In reality, the discipline encompasses much more: power generation and distribution, protection and coordination, grounding and lightning protection, lighting, controls, and automation.
Electrical systems are typically divided into medium-voltage (MV) and low-voltage (LV) levels, with transformers stepping voltage up or down to match distribution needs and equipment ratings. Protection relies on circuit breakers, relays, current transformers (CT), and voltage transformers (VT). Control systems employ MCCs, variable frequency drives (VFD), and programmable logic controllers (PLC) to operate equipment safely and efficiently. In hazardous areas where flammable gases or vapors may be present, explosion-proof (Ex) equipment is required and safety regulations must be strictly followed. Critical systems often incorporate backup power—diesel generators or uninterruptible power supplies (UPS)—to maintain continuity of operation.
Despite the breadth of work—from detailed controls to large power systems—much of electrical design remains out of sight. As a result, it can appear less prominent than mechanical or piping work in daily operations, even though it is indispensable.
With this context established, we will now examine the tasks of electrical design step by step.
**The rest of this chapter is omitted for the final publication.**
전기설계(Electrical Engineering)는 한마디로 전기를 다루는 일을 합니다.
각종 장비나 기기에 전기를 공급하여 일을 할 수 있도록 해 주는, 한 마디로 심장에 활력을 넣어주는 일이라면 비유가 적절한지 모르겠습니다. 물론 플랜트의 밤을 밝혀 주는 소중한 일도 전기의 업무입니다.
전기는 발전기(Generator)에서 전기실(Substation)로 공급되어 이후 변압기(Transformer)를 거쳐 현장에 설치된 모터 등 각종 전동장비로 공급되는데, 이렇게 발전기를 포함한 대형 장비부터 건물 내 아주 작은 전기 스위치까지 플랜트 내에 전기가 흐르는 곳이라면 어김없이 전기 엔지니어의 손길을 피할 수 없습니다.
앞서 배관설계에서 잠시 언급한 것처럼, 시공 입장에서 볼 때 ‘구조물에 장비를 설치하고 그사이에 배관과 전선을 설치하는 것이 전부’라 할 정도로 전선(Cable)의 물량이 많습니다. 배관이 Pipe를 통해 설비와 설비를 연결하여 유체를 흐르게 한다면, 전기는 Cable로 연결하여 전기가 흐르게 하는 것이 다르다고 할 수 있습니다. 아니 Cable을 통해 전력을 공급하는 것이 적절한 표현이겠습니다.
전기 Cable이 현장 곳곳을 거미줄처럼 촘촘하게 설치되어 있지만, 생각보다 눈에 띄지는 않습니다. 마치 가정집에 수많은 등과 전기 스위치가 있지만, Cable은 전부 벽 안에 설치되어 있어 밖에서는 볼 수 없는 것처럼 플랜트의 전기 Cable도 대부분 지하에 혹은 Cable을 감싸는 Tray와 함께 설치되기 때문입니다.
전기 관련 설비는 전기실 내에 설치되는 대형 장비 일부를 제외하면 밖에서 눈에 보이는 것은 Cable 뿐입니다. 그렇다 보니 ‘전기’ 하면 ‘Cable’이 가장 먼저 연상되기는 하지만 실제로는 훨씬 많은 업무를 합니다. 아쉬운 것은, 전기 설계가 사소한 것부터 큰 것까지 아주 많은 일을 함에도 대부분 눈에 보이는 일이 아니다 보니 현업에서 기계나 배관설계에 비해 홀대받는다는 인상을 지울 수 없습니다.
이제 전기설계에서 수행하는 업무를 단계별로 하나씩 살펴보겠습니다.
ENGINEERING
전기설계에서 수행하는 업무를 크게 보면, 계산(Calculation/Analysis), 동력(Power System), 조명(Lighting System) 그리고 통신장비 (Telecommunication System)의 설계업무와 함께 Transformer, Switch Gear 그리고 Telecommunication 등 주요 장비의 구매업무입니다.
배관설계의 계산이 주로 물리적인 힘을 다루는 계산이라면, 전기설계는 눈에 보이지 않는 전력(Power)을 다루기 때문에 계산의 의미가 약간 다르게 느껴질 수 있습니다. 여기서는 어떤 계산을 하는지 정도만 간략히 알아보겠습니다. 계산의 종류를 보면 어떤 일을 하는지 대략이나마 알 수 있을 것입니다. 아울러, 이해를 위해 업무별로 구분하였지만 서로 연관된 것이 많으므로 아래 구분은 큰 의미는 없으며, 일부 다르게 구분할 수도 있음을 참조하시기 바랍니다.
참고로, 현업에서는 영어로 된 용어를 사용하다 보니 우리말 용어나 설명이 오히려 어색한 경우가 많은데, 전기나 계장 분야가 특히 그렇습니다. 그래도 이해를 돕기 위해 가급적 우리말로 정리해 보려고 노력했지만 항상 아쉬움이 남는 부분입니다.
1) Power System(동력 시스템)
전기설계에서 가장 기본으로 수행하는 전력계통 해석이며 아래의 계산을 수행합니다.
해석을 위해 사용하는 소프트웨어로는 IPSA, DAPPER, CYME, ETAP 등이 있는데 대체로 ETAB(Electrical Transient Analysis Program)을 많이 사용합니다.
(1) Shot Circuit Current Calculation(단락 전류 계산)
전기 계산 중 가장 중요하고 기준이 되는 것으로, 계통 내 사고 발생 시 단락 전류를 계산하여, 각 전기 장비의 단락 용량을 결정
(2) Load Flow Calculation(전력조류 및 전압 강화 계산)
전력계통의 정상 운전 시 전력 조류 계산 및 각 Bus별 전압 강하 계산
(3) Motor Starting Calculation (대용량 전동기 기동 계산)
Large Motor 기동 시 계통에 미치는 영향을 해석.
(4) Transient Stability Study (계통 안정도 해석)
전력공급이 중단되었거나 또는 병렬 운전을 위해 발전기를 기동 했을 경우 등 계통의 변화 발생 시 안정도 해석
(5) Harmonic Study (고조파 해석)
계통 내 변압기, 회전기 등의 자기 포화현상과 정류기와 같은 AC-DC 변환장치 등에서 전기기기의 과열, 유도 장해 및 소손을 끼칠 수 있는 고조파(Harmonic)가 발생하는데 이 고조파가 계통에 미치는 영향 해석
2) Calculation (or Study)
아래는 전력 계통 해석과 별도로 수행하는 계산입니다. 제목만 봐도 대략 어떤 내용인지 알 수 있습니다.
(1) 주 발전기(Main Generator) 용량 계산
각종 장비에 전원을 공급하기 위해 상시 운전되는 주 발전기의 용량 산정
(2) 비상 발전기(Emergency Generator) 용량 계산
주 전원에 문제가 생기는 등 비상시 전원을 공급하기 위한 비상 발전기의 용량 산정
(3) 변압기(Transformer) 용량 계산
(4) Cable Sizing 계산
(5) 접지(Earthing) 저항 계산
(6) 조도 계산
플랜트 내 조명 설비에 대한 조도 계산으로 조명등의 종류 및 수량 결정
(7) 전기 방식(Cathodic) 계산
기초 강관 파일 및 지하 배관의 부식 방지를 위한 전기방식용 Anode의 수량, 정류기 등의 정격을 산정하기 위한 계산
(8) Battery Charger 용량 계산
DC 계통의 축전지 및 충전기 용량을 선정하기 위한 계산
(9) UPS 용량 계산
무정전 전원장치 계통의 적정 용량 선정을 위한 계산
(10) Electric Heat Tracing 계산
동절기 옥외 노출 배관의 동결방지용 Heating Cable의 정격 산정을 위한 계산
3) Drawing (도면)
전기설계에서 작성하는 가장 기본적이고 중요한 도면이라면 단연 Electrical Key One Line Diagram과 One(Single) Line Diagram입니다.
(1) Electrical Key One Line Diagram
플랜트 내의 전력 공급 계통을 한눈에 볼 수 있는 기본 Scheme 도면으로, Incoming Source(Power Source)로부터 Load까지의 전력 공급 계통을 중요 전력설비(Generator, Transformer, Switchgear, MCC, Distribution Panel, UPS, DC System 등과 중요 접지방식)를 중심으로 표시한 도면입니다. 이 도면은 전기설계의 Basic 사항으로 해당 Technical Specification, Process Scheme, Design Criteria, 각종 Code & Regulation 등 기본 Scheme이 잘 반영되어야만 안정적이고 양질의 전력을 공급할 수 있기에 전기설계에서 가장 기초적이며 중요한 도면입니다.
(2) One(Single) Line Diagram
Electrical Key One Line Diagram을 기본으로 각 주요 전력 장비의 용량, Type 그리고 Control 방식 등 전력 계통에 필요한 정보를 상세하게 표현한 도면으로, Electrical Key One Line Diagram과 함께 전기설계에서 가장 중요한 도면입니다.
(3) Others
이와 더불어 각종 장비의 설치 위치를 나타내는 Equipment Arrangement Drawing, 전력의 흐름을 Cable과 함께 나타낸 Power Plan 그리고 각종 조명기기(Lighting)의 위치와 설치 방법을 나타낸 Lighting Plan 등이 있습니다.
이외에도 Electrical Schematic Diagram, Hazardous Area Classification, Electrical Block Diagram, Installation Detail, Interconnection Diagram 그리고 Wiring Diagram 등 용도에 따라 작성한 도면이 있으나 도면의 제목만 봐도 대략 용도를 알 수 있으므로 자세한 설명은 생략하겠습니다.
4) 3D Modeling
전기설계도 3D를 이용해서 도면을 작성하지만 배관에 비하면 3D Model의 활용이 떨어지는 것이 사실입니다. Cable은 특성상 배관과 달리 모든 정보를 입력하기에 어려움이 많아 정확한 정보를 입력하기 어려운 한계가 있기 때문입니다. 그렇다 보니 3D에는 Cable Tray를 입력하여 배관 등 각종 장비와 간섭이 생기는 것을 확인하는 정도로만 사용하고 실제 설치도면은 따로 작성하기도 합니다.
어느 정도까지 3D Model에 Data를 입력하는가에 대해서는 회사마다 적용 기준이 다릅니다.
예를 들면, Cable을 보호하기 위해 반드시 Tray를 설치합니다. Cable이 가는 길에 Tray를 설치하고 Cable을 그 안에 포설하여 Cable을 보호하는 용도입니다. 현업에서 사용하는 용어로, Ladder Tray와 Punch Tray가 있습니다. Ladder Tray가 Main 도로라면 Punch Tray는 지선도로라 할 수 있는데, 이 지선도로에 해당하는 Tray가 현장 상황에 따라 수 없이 변경되기 때문에 3D에 입력하기에 적절하지 않다 보니 이에 대해 생각이 많이 다른 것입니다. 이 역시 회사마다 정책이 있으나 어느 것이 옳은지는 확실치 않습니다.
5) Tie-in
앞서 배관에서 설명한 것처럼, 만일 기존 설비(Brown Field)가 있는 플랜트라면 또 하나 중요한 업무가 있는데 바로 Tie-in 업무입니다.
주로 기존의 전기실(Substation)에서 새로 설치하는 전기실에 전력을 공급하기 위한 Cable을 연결하는 지점을 Tie-in Point라고 하는데, 이는 반드시 프로젝트 초기부터 위치를 받아서 설계에 반영해야 하며, 이를 위해 반드시 배관과 마찬가지로 Tie-in List를 작성하고 관리하여야 합니다.
6) Telecommunication System
플랜트에는 다양한 통신 장비가 있는데, 예를 들어, 외부 및 내부 유무선 통화나 인터넷 등 통신 시스템(Radio System, Telephone System, PAGA System 등), 현장 감시를 위한 CCTV, 비상시 사용하는 사이렌, 그리고 항공기나 선박 운항 시 충돌을 방지하기 위한 Navigation Aid 등이 해당합니다.
이러한 통신장비 또한 전기설계에서 수행합니다. 실제로는 통신을 담당하는 엔지니어가 따로 있으나 규모가 작다 보니 따로 조직을 구성하지 않고 전기설계 팀에 포함되어 운영하는 것이 일반적입니다.
7) 방폭 설계 (Explosion Protection)
전기 설비는 사람에게 매우 위험한 것은 물론, 고장이 나면 다른 장비에 전기를 공급하지 못해 운전을 멈춰야 하는 등 미치는 영향이 매우 큽니다. 따라서 모든 전기 설비는 사람이나 이물질이 쉽게 접촉하지 못하도록 안전하게 설계되어야 합니다. 특히 전기는 대기 중에 누설된 Gas 등 위험 원을 만나면 폭발을 일으킬 수 있기 때문에 더욱 국내외의 까다로운 규정을 적용아 방폭 설계를 적용하는데, 예를 들면 국제 규정의 하나인 IEC 기준에 따라 플랜트를 위험 정도에 따라 Zone(0, 1 or 2)으로 나누고 각각 정해진 설계 기준에 따르게 되어 있습니다.
대표적인 국제 기준은, IEC, API, NEFA, IEEE, NEC, NEMA 등이 있으며, 국내 기준으로는 전기통신 사업법, 한국전력공사 설계기준, 한국 전기공업 협동조합 표준규격 등이 있습니다.
위험지역에 설치되는 전기 장비도 모두 이 규정을 적용받아 제작되어야 하는데, 방폭 규정을 적용한 장비는 ‘ex’ 마크가 표시되어 있어 쉽게 구별할 수 있습니다. ‘ex’ 마크는 유럽인증의 하나인 ATEX(ATmospheres EXplosibles)에서 발행하는 Certification입니다.
예전에는 장비 비용을 아끼기 위해 사용 등급별 방폭 기준에 맞추어 적용하였지만, 최근 들어서는 플랜트 내에서 가장 높은 등급의 방폭 기준을 일괄 적용하는 것이 일반적이라고 합니다. 예전에는 장비에 방폭이 적용되면 많이 비쌌지만 요즘은 예전과 달리 가격에 차이가 많지 않으며 안전성도 확보할 수 있기 때문입니다.
PROCUREMENT ENGINEERING
전기설계에서 구매하는 자재는, Transformer, Switch Gear, UPS 등 전기 장비와 Telecommunication 용 통신 장비가 주요 장비의 구매업무입니다. 장비만 보면 비교적 간단하지만 세부적으로 들어가면 Cable과 Support 등은 그 안에서도 종류와 수량이 많아 업무가 매우 까다롭습니다.
아울러, 대형 Transformer 등 몇 가지 장비를 제외하면 배관과 마찬가지로 대부분 원자재를 사서 가공을 해야 하는 자재들입니다. 그렇다 보니 가공 여유분이 많이 포함되어 있어 손실이 많이 나기도 하는데, 대표적인 것이 Cable입니다.
Cable은 연결해서 사용하지 못하도록 요구합니다. 따라서 Cable을드럼으로 구매해도 현장 길이에 맞추어 잘라서 사용하다 보면 나머지는 사용하지 못하는 경우가 많아 손실이 큽니다. 그리고 Cable 설치를 위한 Support는 Cable이 지나는 길이나 장비에 따라 다양한 모양으로 제작되어야 하며, 길이와 사이즈가 다양한 데다 수량도 많습니다. 하지만 조금만 다르면 설치가 불가능하기 때문에 여간 신경 쓰이는 것이 아닙니다. 이 때문에 예전에는 현장에서 맞춤 제작을 한 적도 있지만, 효율성 때문에 미리 외부에서 제작하여 현장으로 투입하고 있는데, 실제 현장에서 보면 이 Support가 맞지 않아 다시 제작하는 경우가 허다합니다. 그래서 아직도 현장 맞춤 제작하는 회사도 있습니다. 참고로 Cable을 다루는 계장도 같은 문제를 안고 있습니다.
전기설계 역시 Vendor Data가 매우 중요합니다.
물론 전기 장비 자체에 대한 수량은 기계 설계에 비하면 비중은 적지만 Vendor Data를 받아서 설계에 반영해야 하기 때문입니다. Vendor Data 관련 내용은 앞서 기계설계에서 설명했으므로 참조하시면 되겠습니다. 다만, Generator나 Compressor처럼 기계에서 구매하는 장비라 할지라도 전기가 사용되는 장비는 모두 전기설계에서 검토해야 합니다. 기계 엔지니어가 전기와 관련된 내용을 모두 알 수 없기 때문인데, 이로 인해 기계 엔지니어와 협업이 매우 중요합니다.
이외에 전기 자재의 구매 업무도 앞서 설명한 기계 장비 구매업무와 크게 다르지 않기에 설명은 생략합니다.
CONSTRUCTION & COMMISSIONING ENGINEERING
전기설계 역시 주요 장비가 있어 시공이나 시운전과 밀접한 관계가 있습니다. 주요 시공업무로는 장비의 입고관리, Equipment Sheet 도면, 입고 장비의 문제 등 대부분 기계에서 수행하는 업무와 비슷하다고 보셔도 무방합니다.
전기 역시 배관과 마찬가지로 시공 팀의 제한된 인력으로는 수많은 자재를 관리하기 어렵기 때문에 많은 부분을 설계 엔지니어에게 의존하는 경우가 많아 전기 엔지니어를 피곤(?)하게 하기도 합니다. 또한 시공 중에 분실하거나 파손되는 자재도 많아 재발주해야 하는 경우도 어렵지 않게 볼 수 있습니다. 이 역시 바로 눈앞에서 줄줄 새는 돈으로, 너무 아까운 부분입니다.
특히 심각한 것은 Cable이 손상되거나 심지어 절단되는 경우입니다. 현장에 구조물 등 날카로운 부위가 많다 보니 자칫 방심하면 Cable이 손상되기 쉬우므로 항상 조심해야 합니다.
하지만 절단의 경우는 약간 다릅니다. 전기 Cable은 굵기 때문에 쉽게 절단되는 것은 아닙니다. 이 경우는 대체로 작업자가 나쁜 마음을 먹은 경우인데, 특히 관리자에게 불만이 있을 때 이런 일을 저지르는 것을 본 적이 몇 번 있습니다. 어떤 이유든 Cable이 손상되면 다시 설치해야 하는 경우가 발생하기 때문에 주의해야 합니다.
전기는 기계나 배관이 어느 정도 설치가 된 이후에 시공을 시작하기 때문에 엔지니어가 조금 늦게 현장으로 파견을 나가고 역시 배관보다 조금 더 늦게 철수하는 것이 일반적이어서, 전기 엔지니어가 철수하고 나면 시공은 거의 마무리 단계에 접어들었다고 봐도 무리 없습니다.
현장에서 보면, 무수히 많은 일을 하면서도 기계나 배관에 비해 보이지 않는 일을 하다 보니 수고하는 것에 비해 제대로 대접을 받지 못한다는 생각에 안쓰러운 마음입니다.
지금까지 전기와 통신 설계에서 하는 일을 살펴보았습니다.
전기 설계에서 하는 일이 많다 보니 간단하게 살펴봐도 제법 분량이 많습니다. 다만, 통신 설계에 대해서는 너무 간단하게만 살펴본 것 같아 조금 아쉽습니다. 하지만 비전문가로서 이 정도까지만 소개하고 보다 깊은 내용은 역시 전문가의 영역으로 남기도록 하겠습니다.
서두에 언급한 것처럼, 전기설계 업무의 상당 부분은 눈에 보이지 않는 일이다 보니 전기 전공자 이외에 기계나 배관 등 다른 분야의 전공자들은 내용을 알기 어렵습니다. 저 또한 기계 전공자로서 전기설계의 업무를 모두 이해하지는 못하며, 단지 어떤 업무를 하는지 개요 정도만 알 뿐입니다. 하지만 처음 입문하는 분들은 이 정도의 기본 지식만 알아도 충분하리라 생각합니다.
대한민국 플랜트 산업의 부흥을 꿈꾸는 자, oksk
