전압강하 허용기준

왜 배우는가: 전압강하가 허용기준을 넘으면 조명 밝기 저하, 전동기 기동 불량, 전열기 출력 저하가 생겨 설비 성능과 안전에 영향을 준다. 수전 방식과 부하 종류별로 기준이 달라 시험에서 저압 수전과 고압 이상 수전의 값을 구분해 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제130회 1교시 11번, 제128회 1교시 6번, 제100회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 전압강하 허용기준은 수용가 설비의 인입구에서 부하점까지 허용되는 전압강하의 상한을 수전 방식과 부하 종류별로 정한 기준이다.

핵심 키워드

• 전압강하: 전류가 전선과 기기를 지나며 생기는 전압의 차이
• 인입구: 수용가 설비가 전원과 연결되는 지점
• 부하점: 기기의 전원 단자처럼 실제 전압을 받는 지점
• 저압 수전: 저압 전로로 전기를 받는 방식
• 고압 이상 수전: 고압 또는 특고압으로 받아 변압기로 낮춰 쓰는 방식
• 조명 부하: 전압 변동에 민감한 부하
• 한국전기설비규정(KEC): 2021-01-01부터 적용되는 전기설비 설계 기준

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전기는 전선을 따라 흐르면서 조금씩 힘을 잃는다. 전선이 길거나 전류가 크면 전압이 그만큼 더 떨어진다. 부하가 받는 전압이 지나치게 낮아지면 기기가 제 성능을 내지 못하므로, 떨어져도 되는 한계를 정해 둔 것이 허용기준이다.

정식으로는 전압강하를 전원측 전압과 부하측 전압의 차이로 정의하며, 정격 전압에 대한 백분율로 나타낸다.

$\varepsilon = \frac{V_s - V_r}{V_r} \times 100\,[\%]$

V_s는 전원측 전압[V], V_r은 부하측 전압[V], \varepsilon은 전압강하율[%]이다. 기준값은 보통 이 백분율로 표시한다.

전압강하가 생기는 원리는 전선의 저항과 리액턴스다. 전류가 흐르면 저항에 의한 강하와 리액턴스에 의한 강하가 함께 나타난다. 3상 회로의 선간 전압강하는 다음과 같이 계산한다.

$e = \sqrt{3}\,I\,(R\cos\theta + X\sin\theta)$

e는 선간 전압강하[V], I는 부하전류[A], R은 전선 1선의 저항[Ω], X는 리액턴스[Ω], \cos\theta는 역률이다. 단상 2선식은 \sqrt{3} 대신 2를 곱한다. 식에서 보듯 전압강하는 전류와 선로 길이에 비례하고, 전선 단면적을 키우면 줄어든다.

전압은 부하점에서 측정하는 것이 원칙이다. 인입구에서 부하점까지의 구간이 허용기준의 적용 범위이며, 인입구 바깥 공급 선로의 강하는 전기사업자의 공급 조건으로 따로 다룬다. 이 구분을 답안에서 명확히 써야 감점을 피한다.

기준은 부하 종류를 둘로 나눈다. 조명 부하는 전압이 낮으면 광속이 줄고 램프 수명이 짧아지므로 기준이 가장 엄격하다. 전동기, 전열기, 콘센트 등 나머지 부하는 기타 부하로 묶는다.

수전 방식에 따라서도 기준이 갈린다. 저압으로 받으면 인입 후 설비 전체가 저압 선로이지만, 고압 이상으로 받으면 수용가 변압기 2차측부터 설비가 이어진다. 강하가 생기는 구간의 구성이 달라 허용값도 저압 수전과 다르게 정해진다.

3. 등장 배경과 필요성

전원측 전압은 전기사업자가 공급 전압 허용편차 안에서 유지한다. 그러나 이 전압은 수용가 인입구에서의 값이다. 인입구를 지난 뒤 간선과 분기회로에서 전압이 다시 떨어지므로, 말단 기기의 전압은 공급 전압보다 낮아진다. 강하가 누적되면 기기가 정격 전압에 크게 못 미친다.

기기별로 전압 저하의 영향은 다르다. 전동기의 토크는 전압의 제곱에 비례하므로 전압이 낮으면 기동이 어렵고 과열 위험이 커진다. 전열기의 출력도 전압의 제곱에 비례한다. 조명은 밝기와 수명이 전압에 민감하다. 이런 이유로 부하 종류에 따라 허용값을 나눈다.

설계자는 강하를 제한하기 위해 전선 굵기, 간선 길이, 배전 방식, 분전반 위치를 조정한다. 허용기준은 이 설계를 판단하는 상한이다. 계산한 강하가 기준을 넘으면 전선을 굵게 바꾸거나 분전반을 부하 가까이 옮기는 방법을 쓴다.

KEC 기준은 저압 수전과 고압 이상 수전으로 나눠 정한다. 저압 수전 설비의 조명 부하와 기타 부하는 관련 기준이 정한 허용값 이하로 한다. 고압 이상 수전 설비의 조명 부하와 기타 부하도 관련 기준이 정한 허용값 이하로 한다. 세부 값은 5절에서 표로 정리한다.

허용기준은 인입구에서 부하점까지의 구간 강하를 제한해 기기 단자전압을 유지하기 위한 설계 상한이다.

시험에서는 수전 방식별 기준값, 측정 위치, 부하 종류별 구분을 함께 묻는 경우가 많다. 세 요소를 한 문장씩 나눠 쓰면 답안의 골격이 잡힌다. 기준을 외우는 것보다 기준이 왜 부하와 수전 방식에 따라 달라지는지 설명할 수 있어야 응용 문제에서 흔들리지 않는다.

4. 구성요소·원리·절차

전압강하 허용기준은 인입구에서 부하점까지 전선과 기기의 임피던스에 전류가 흘러 생기는 전압 감소를 일정 범위 안에 묶는 기준이다. 수용가 설비의 전압강하는 인입구와 부하점을 기준으로 나누어 본다. 구성 요소는 다음과 같다.

원리는 옴의 법칙과 같다. 단상 2선식과 3상 3선식의 전압강하는 다음 식으로 구한다.

$e = \sqrt{3} \times I \times (R\cos\theta + X\sin\theta) \times L \quad (3\text{상})$

$e = 2 \times I \times (R\cos\theta + X\sin\theta) \times L \quad (단상\ 2선식)$

여기서 e는 전압강하[V], I는 부하전류[A], R·X는 전선의 단위 길이당 저항·리액턴스[Ω/m], \cos\theta는 역률, L은 전선 길이[m]이다. 전압강하율은 \delta = \dfrac{e}{V} \times 100[%]로 구하며, V는 전선로의 공칭 전압[V]이다.

전압강하 계산 절차는 다음과 같다.

• 부하 설비용량과 수용률을 적용하여 부하전류를 구한다.
• 전선의 종류·단면적에 따른 R, X를 구한다.
• 간선과 분기회로의 전압강하를 각각 계산한다.
• 인입구에서 부하점까지 합산하여 총 전압강하율을 구한다.
• 합산 값을 허용 기준과 비교하고, 초과하면 전선 굵기나 회로 길이를 조정한다.

전압강하는 전선 단면적을 키우면 줄고 회로 길이를 늘이면 커진다. 이 관계가 설계 조정의 기본 원리다.

5. 관련 법령·기준·표준

전압강하 허용기준은 한국전기설비규정(KEC)의 수용가 설비 규정에서 정한다. 기준 이름과 값은 다음과 같다. 조문 번호는 확실한 것만 적는다.

위 표의 값은 KEC 수용가 설비 규정의 허용 전압강하 기준이며, 단위는 전압 기준 백분율[%]이다. 저압과 고압 이상의 기준이 다른 이유는 수전 전압이 높을수록 수용가 내부 회로가 길어지는 것을 감안하기 때문이다.

법적 근거는 「전기사업법」과 한국전기설비규정(KEC)이며, 한국전기설비규정은 2021-01-01부터 적용된다. 구 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체되었다.