전력공급 계통 및 손실

전력공급 계통 및 손실

한국전기연구원김 학 만

• 전력계통 : 전기를 생산하고 수용가에게 공급하는 일련의 설비와 시스템

제 1 장 전력공급 계통

• 송전 : 대전력 , 고전압 , 장거리의 일괄수송 • 배전 : 소전력 , 저전압 , 단거리 수송

• 수력발전


열과정이 없어 효율이 좋음 부하 변동에 신속 대응 가능 조정지식 , 저수지식으로 건설하여 사용

• 화력발전


우리나라에서 가장 많이 사용되는 발전 방식

• 원자력발전

기저 부하 담당

• 열병합발전


하나의 에너지원으로부터 열과 전력을 동시에 발생시켜 용도별로 적절히 공급하여 에너지 이용 효율의 극대화를 추구하는 시스템

장점 : 종합 효율이 높음 (87%)

• 열병합발전 효과


에너지 이용효율 향상에 의한 대규모 에너지 절감 (20~30%) 연료사용량 감소 및 공해방지시설의 집중관리에 의한 환경개선 산업 : 양질의 저렴한 에너지 공급으로 기업 경쟁력 강화 주거 : 24 시간 연속난방으로 쾌적한 주거환경 조성 송전손실 감소 및 발전소 부지난 완화에 기여 등등

• 신재생에너지


화석에너지 고갈 문제 유가의 불안정 기후변화협약의 규제 대응 재생 에너지 : 태양열 , 태양광발전 , 바이오매스 , 풍력 , 소수력 ,

지열 , 해양 에너지 , 폐기물에너지 (8 개 분야 ) 신에너지 : 연료전지 , 석탄액화가스화 , 수소에너지 (3 개 분야 )

• 태양광 발전


• 태양광 발전의 장 , 단점


장점 에너지원이 청정 , 무제한 필요한 장소에서 필요량 발전가능 유지보수가 용이 , 무인화 가능 ( 단독형의 경우는 주기적인 베터리

교체 ) 장수명 (20 년 이상 )

단점 전력생산량이 지역별 일사량에 의존 에너지밀도 낮아 큰 설치면적 필요 설치장소가 한정적 , 시스템 비용이 고가 초기투자비와 발전단가 높음

• 송전선로의 전기방식


직류송전 , 교류송전 우리나라의 대부분 교류송전 제주 - 해남간 해저 직류송전 (HVDC : High Voltage Direct Current)

• 직류 송전 방식


교류계통 – 교류 / 직류 변환 장치 – 직류 송전선 – 직류 / 교류 변환장치 – 교류계통으로 구성

[ 그림 7] 직류 송전 계통의 구성

• 교류 송전 방식


발전기에서 발전한 교류전력을 변압기로 승압 , 강압하여 적당한 전압으로 변환하여 사용하는 방식

3 상 3 선식 : 송전계통 일반적으로 이용 , 배전에서도 고압선 및 동력용 전압선에 이용 ( 송전 한가락당 송전 용량 가장 큼 )

3 상 4 선식 : 선간전압과 상전압의 이용으로 배전에서 많이 이용

• 각종 전기 방식에 의한 전송 전력


전기방식 송전전력(P)

전선 한 가닥당의 송전전력

비 고송전전력 (P1)

직류 2 선식을 100[%]

로한 백분율 (p)

직류 2 선식 VI VI/2 100

교류방식

단상 2선식 VIcosφ VIcosφ/2 100

중성선은 외선과 같은 굵기

단상 3선식 VIcosφ VIcosφ/3 66.6

2 상 4선식 2VIcosφ VIcosφ/2 100

2 상 3선식 2VIcosφ

VIcosφ/3

94

3 상 3선식 VIcosφ

VIcosφ/3115

3 상 4선식 VIcosφ

VIcosφ/487

4 상 4선식 2VIcosφ VIcosφ/2 100 Y 결선 또는 Δ 결선

대칭 n 상n 선식 Icosφ VIcosφ/2 100

n 은 짝수 , Y 결선 또는 Δ결선

• 교류 송배전 계통의 일례


• 직 , 교류 송전 방식의 비교


교류 송전 방식의 장점 전압의 승악 및 강압이 편리 교류방식으로 회전자계 발생이 용이 교류방식의 일관된 운용으로 편리하며 합리적인 사용이 가능

직류 송전 방식의 장점 송전효율을 극대화 송전 안정도 향상 직류에 의한 계통 연계는 단락 용량이 증대하지 않아 교류 계통의 차단

용량이 줄어듬 절연계급이 감소 비동기 연계가 가능하므로 주파수가 다른 계통간의 연계가 가능

• 직 , 교류 송전 방식의 비교


직류 송전 방식의 단점 전력차단이 곤란 고가의 변환설비 및 조상설비가 필요하며 운전실적이 없어 기술인력 확보가

곤란 변환기에서 고조파가 발생하여 필터 및 차폐장치의 설치가 필요

• 전력공급 전압 ( 전기공급약관 )


제 22 조 ( 공급방법 ) 한전은 1 전기 사용계약에 1 공급 방식 , 1 공급 전압 , 1 인입 및 1

계량으로 전기를 공급한다 . 다만 , 부득이한 경우에는 인입 또는 계량방법으로 달리할 수 있다 .

제 23 조 ( 전기공급방식 , 공급전압 )① 고객이 새로 전기를 사용하거나 계약전력을 증가시킬 경우의 공급방식 및

공급전압은 1 전기사용장소내의 계약전력 합계를 기준으로 다음 표에 따라 결정하되 , 특별한 사정이 있는 경우에는 달리 적용할 수 있다 . 다만 , 고객이 희망할 경우에는 아래의 기준보다 상위전압으로 공급할 수 있다 .

• 전력공급 전압 ( 전기공급약관 ) - 계속


② 1 전기사용장소가 2 이상의 전기사용계약단위로 구분되고 각각의 계약전력이 100kW 미만으로서 그 계약전력의 합계가 150kW 미만일 경우에는 저압으로 공급할 수 있다 . 다만 , 아파트의 경우에는 고객과 한전이 협의하여 결정한다 .

계약전력 공급방식 및 공급전압

100kW 미만 교류 단상 220V 또는 교류 삼상 380V 중 한전이 적당하다고 결정한 한가지 공급방식 및 공급전압

100kW 이상10,000kW 이하 교류 삼상 22,900V

10,000kW 초과300,000kW 이하 교류 삼상 154,000V

300,000kW 초과 교류 삼상 345,000V 이상

• 정전대책 – 발전기 병렬 운전


병렬운전 필요성과 장점 공급의 신뢰성 향상 발전기 및 부속 설비의 정기 예방점검 등 필요에 따라 설비 점검과

정비 가능 시간대 또는 계절별 수용가의 부하에 맞추어 운전대수를 조합하여

경제적이고 효율적인 운전 가능 가능한 지역 부하에 근접한 발전량을 가까운 발전기에서 공급하도록

하여 장거리 송전에 따른 손실을 줄이고 안정성을 향상



병렬운전 조건 상황 : 발전기 2 가 병렬로 운전하고자 하는 상황 조건을 갖추지 않은 상태에서 차단기를 닫는다면 양쪽에 큰 충격 발생



다음 운전조건을 만족시켜야 함 발전기의 단자전압이 같을 것 상회전 방향이 같을 것 병입 위상이 일치할 것 주파수가 같을 것

• 정전대책 – 무정전시스템 (UPS)


UPS : Uninterruptible Power Supply

전원 공급 구성 입력정상 : 전원입력 (AC) -> AC/DC(컨버터동작 ) -> 배터리 충전과

동시에 인버터에 DC 공급 -> DC/AC( 인버터동작 ) -> 출력공급 정전시 : 배터리에서 인버터로 DC 공급 -> DC/AC( 인버터동작 ) -> 출력공급

적용 교류전원을 무정전으로 사용하고자 하는 경우 : 순간정전 대비 입력전원의 장해로 직접적인 전원사용이 어려운 경우 : 전원불안정 교류입력이 없는 곳이나 상태에서 사용하고자 하는 경우 : 이동



UPS 의 종류 On-line 방식 Off-line 방식



On-line 방식 정상적인 교류입력전원을 공급받아 내장된 배터리 충전 및 인버터 상시

동작시켜 비상시 무순단으로 전력을 공급하는 방식 주로 대형 UPS 에 적용 : 대형 전산실 , 공장자동화의 양질 전원공급 등 주로 이 방식 사용

장점• 안정적 전원 공급• 양질 전원 공급• 일정 출력전압공급 (AVR기능 )• 입력 서지 , 노이즈 차단• 출력단락 , 과부하 등에 대한

보호회로 내장

단점• 회로구성 복잡 , 기술력 요구• 효율이 Off-line 보다 떨어짐

( 전력소모 많음 )• 외형 , 중량이 커짐• 고가



Off-line 방식 정전시 또는 입력전원이 허용치보다 낮을 경우에 작동 주로 소용량에 사용되는 방식

장점• 효율이 높음 ( 전력소모 적음 )• 회로구성 간단 , 내구성 높음• On-line 에 비해 저가• 소형화가 가능• 상용 입력시에는 전자파 (노이즈 포함 ) 발생이 적음

단점• 정전 시에는 순간적인 전원의 끊어짐 발생 ( 일반적 PC 문제없음 )

• 출력 전압 조정 기능 없음• 입력전원과 동기가 되지 않아

정밀급 부하에 부적합



UPS 용량 계산 - 소용량 750kVA : 17인치 이하 모니터 + 펜티엄 본체 1kVA : 21 인치 이하 모니터 (2 대 ) + 펜티엄 본체 (2 대 ) 3kVA : 5~10 user 용 서버 본체 및 모니터 5kVA : 중소기업의 서버용 모니터 + 본체 , 소규모 전산실 서버용



UPS 용량 계산 - 간단한 계산방법 (컴퓨터 전용부하 ) 팬티엄 및 팬티엄급 서버 : 250W 모니터 : 15인치 기준 100W 잉크젯 프린터 : 50W 레이저 프린터 : 1kW 예 ) 펜티엄 서버 및 컴퓨터 10 대 , 프린터 4 대 부하에 대한 UPS

용량 1) (10*350W) + (4*50W) = 3700W 2) 3700W/0.8 ( 부하측 역률 : 일반적인 수치 ) 3) 4.625kVA *1.3( 여유율 ) 4) UPS 용량 : 7.5 kVA



중 , 대용량 UPS 용량계산 총부하 (PC 등 후면에 기록된 Watt 의 총합 ) 0.8 ( 부하측 역률 : 일반적인 수치 ) = 총사용량 ( 단위 : VA) 사용 가능한 UPS 용량 (VA) = 총사용량 * A

A : 부하에 대한 예비율 및 사용내구성 환산 수치 - 전산시스템에 사용하는 경우 : 1.5 - 공장자동화의 MAIN 전원에 사용하는 경우 : 1.6 - 비상시 비상용 전등부하에 사용하는 경우 : 1.3 - 기타 무인 장비의 부하에 사용하는 경우 : 1.5

상기 수치는 절대적인 수치가 아니므로 사용자에 따라 +0.1~0.3 을 추가하는 경우도 있음



일반적인 UPS 용량 0.5, 0.75, 1, 2, 3, 5, 7.5, 10, 15, 20, 30, 50, 100, 150, 200, 300, 5

00 kVA

• 송배전손실

제 2 장 전력공급 손실

전력계통에서의 송배전손실 : 송전거리 , 송전 용량에 영향을 주는 전원의 입지 및 구성비 , 전압에 관계하는 수용구성과 송배전 전압 , 역률에 관계하는 부하상태와 부하율 , 배전방식 등에 따라 좌우

전력손실의 경감은 동시에 전압강하 , 따라서 전압 변동의 경감과 직결 -> 적당한 대책 , 경제적 검토

전력손실 : 송배전 선로의 옴손 , 변압기의 동손과 철손으로 크게 나누어지며 , 또한 조상기기의 손실 , 케이블의 유전체손 , 송전선의 누설전류손 및 코로나손 등이 있음

• 옴손


옴 손 ( 전력손 ) Pc = NI2R [W] 여기서 , R : 전선 1 가닥당의 저항 [Ω] I : 부하 전류 [A] N : 전선의 가닥수 (2 선식 N=2, 3 선식 N=3)

시간 T[H] 내의 전력 손실량 Wc[Wh] Wc = NI2RT [Wh]

시간에 따라 전류가 변동할 경우 전력 손실량 We = R(I21t1 + I22t2 + ….. + I2xtx) 여기서 N=1 로 가정

최대 전류를 Im라 하고 총시간 T, 손실계수를 H Wc = RI2mTH [Wh]

• 변압기 손실


철손 , 동손으로 나누어짐

철손 : 부하의 유무에 관계없이 전압만 인가되고 있으면 발생하는 손실로 무부하 손실이라 함 .

동손 : 부하전류에 의한 권선의 I2R 손으로서 부하가 변동하면 전류의 제곱에 비례해서 증감하게 되며 , 보통 부하손이라고 함

변압기는 회전부분이 없어 기계적 손실 없어 일반 회전기에 비해서 효율이 좋은 편으로 보통 5kVA 정도의 소형의 것이라도 효율을 96% 정도이며 , 10,000 kAV 이상의 대형이 되면 99% 이상

• 변압기 효율 (1)


실측효율 : 입력 , 출력의 실측 값으로부터 계산

규약효율 : 일정한 규약에 따라 결정한 손실 값



전일효율 : 부하가 변동할 경우 효율을 종합적으로 판단할 때 사용

여기서, Pd : 1일 중의 출력 전력량[kWh] Pi : 변압기의 철손 [kW] Pcd : 변압기의 동손(1일 중의 손실 전력량) [kWh]



손실전력량은 부하와 관계없이 일정한 철손 전력량과 부하의 제곱에 비례하는 동손 전력량이 있음

철손을 Wi[kW], 전부하 동손을 Wc[kW], 변압기의 정격 용량을 P(kW=kVA ( 역률이 1.0 일 경우 )) 라고 하면 1 일 (24 시간 ) 의 손실 전력량은

동손 전력량

주의 : 동손을 계산할 때 변압기의 정격용량은 [kVA] 로 표현해야 함 , 가령 역률 0.8 의 부하 8[kW] 는 8/0.8=10[kVA], 따라서 변압기 용량 10[kVA] 가 이때의 100% 부하로 됨

• 송전계통의 손실 경감


설비의 형성 측면

고전압 채용 ( 송전전압 승압 ) : 고전압으로 전류 감소 , 송전선의 저항손 감소

송전선의 신설 , 회선의 증가 , 전선의 굵기 증가 : 전력손실경감과 공급능력 확충 효과 , 경제성 고려

부하중심지에서의 고전압 도입 : 154, 345kV 급의 고전압계통으로 소요전력을 부하중심지까지 직접 전송하여 송전손실감소 효과

조상설비의 적정배치 : 전력용 콘덴스 , 분로 리액터 등의 조상설비 등 설치로 무효전력의 배분을 통한 전력손실 경감

• 송전계통의 손실 경감


계통의 운용 측면

전력 손실 경감을 위한 계통 구성 : 루프화 , 단 , 단락용량 증대에 주의 고전압 운용 : 변압기 탭 등으로 전압 높게 운용하여 전류 감소시켜 손실저감 송전선의 무효전력의 관리 : 무효전력 흐름 0 이 되도록 조상설비로 조정 변압기 운전대수의 감소 : 변압기 동 손은 부하전류의 제곱에 비례하여 증가하고 그

외에 냉각장치의 손실도 있음 . 일반적으로 복수의 변압기로 병렬 운전하는 변전소 많으므로 변전소 부하 감소 시 운전대수를 감소하여 손실 경감

• 배전계통의 손실 경감


설비의 형성 측면

배전선로의 신설 혹은 전선굵기의 대형화 : 변전소를 신설하여 배전선을 신설 , 분할 , 긍장의 단축을 행한다 . 회선수를 증가하거나 전선을 굵게 하여 선로저항을 감소시켜 전력손실 감소

배전 전압의 승압 : 부하전류의 감소는 제곱의 크기로 손실 감소 역률 개선용 콘덴서의 설치 : 배전설비는 부하를 포함하여 유도성을 지고

있기 때문에 콘덴서를 설치하여 무효전력 감소시켜 손실전력 경감 저손실 주상용 변압기의 채용 : 변압기 철심에 아몰퍼스 재료를 채용한

변압기 채택 (철손이 종래형에 비해 ¼ 정도 ) 그 외의 경감 방법 : 전류의 평균화 , 주상변압기 위치 적정화 , 네트워크

방식 등의 채용에 의한 손실경감

• 배전계통의 손실 경감


계통의 운용 측면

배전자동화에 의한 손실저감 : 컴퓨터를 이용한 배전 손실의 계산을 수행하여 손실이 적은 계통 구성으로 변경하여 운용

역율 개선용 콘덴서의 적절한 운용 : 배전용 변전소나 수용가의 역율 개선용 콘덴서를 적절하게 조정하여 배전선의 무효전력을 감소시킴

• 수용가 계통의 손실 경감


가장 큰 손실 : 전동기에서 발생하는 손실

전동기의 손실 : 전기자계에 의한 손실과 기계적인 손실 ]

전기자계 손실 철손 : 히스테리시스손과 Eddy Current 손실로 주파수와 재질에 의해서 결정 동손 : i2R에 해당되는 손실로 효율향상이 쉽지 않음

기계적인 손실 기계마찰과 관계되는 손실

전기자계 손실 최소화 방법 철손의 경우는 철심을 얇게 하고 좋은 재료를 사용하여 주파수와 자속밀도에 관련된

손실을 줄이는 것이 가능함 동손의 경우 코일의 감는 수를 늘여서 저항을 줄이는 방법이 가능하나 동손을 줄이기 쉽지 않음

• 수용가 계통의 손실 경감


손실 최소화를 위한 현실적인 대안 동손 , 철손을 줄인 고효율 전동기의 사용은 효율이 85% 인 일반적인

전동기보다 효율이 3~4% 향상된 고효율 전동기의 사용이 손실측면에서 유리( 비용이 고가 )

최적 운전점 운전을 통한 효율 향상이 바람직함 . 최적 운전점 운전은 정격 운전을 의미하며 , 적용대상에 따라 정격 운전이 가능한 용량의 전동기 사용이 바람직함

전력공급 계통 및 손실

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