순시전압강하

왜 배우는가: 순시전압강하는 반도체·PLC·인버터 등 전압 변동에 민감한 부하가 늘면서 설비 정지와 경제적 손실을 일으키는 대표적 전력품질 문제다. 기술사 시험에서는 정의, 원인, 대책, 개선기기를 묻는 형태로 3교시와 4교시에 반복해 출제되므로 개념을 정확히 잡아 두어야 한다.

출제 이력: 제119회 3교시 1번, 제111회 3교시 1번, 제102회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

순시전압강하는 전원 측 사고나 대용량 부하 투입으로 전압 실효값이 정격의 10~90%로 0.5사이클에서 1분 사이 순간 낮아졌다가 회복되는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 순시전압강하(Voltage Sag)
• 실효값(RMS 값)
• 전압 강하 깊이(Magnitude)
• 지속시간(Duration)
• 계통 고장(Fault)
• 전압보상설비(DVR)
• 무정전 전원장치(UPS)
• 민감 부하

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전기가 잠깐 낮아졌다가 다시 정상으로 돌아오는 현상이다. 정전과 달리 전압이 완전히 0이 되지 않고 일부만 떨어진다. 공장 설비가 순간에 멈추는 이유가 바로 이 짧은 전압 저하다.

정식 정의는 IEEE 1159 기준이다. 전압의 RMS 값이 정격 전압에서 벗어나 0.5사이클을 넘고 1분 이하인 변동을 말하며, 순간(instantaneous), 순시(momentary), 일시(temporary) 구분 중 순간전압강하는 보통 0.5사이클에서 3초 정도의 짧은 구간을 가리킨다. 국내 실무에서는 NEN-EN 50160 과 같은 외국 규격 정의를 참고하기도 한다.

핵심 용어는 다음과 같이 쓴다.

전압 강하 깊이는 강하 중 전압 실효값의 최소값과 기준 전압의 차이를 뜻한다. 정격 전압 대비 비율(p.u.)로 표현한다. 민감 부하 단에서 0.9 p.u. 이하로 떨어지는 횟수를 연평균 발생 횟수로 추산하는 것이 일반적이다.

지속시간은 전압이 기준 이하에 머무는 시간이다. 사고 제거 시간, 즉 보호계전기와 차단기의 동작 시간에 따라 정해진다.

전압 크기와 지속 시간의 범위가 정의의 핵심 기준이다. 이 범위를 벗어나면 순간전압강하가 아니라 정전 또는 과전압 등 다른 현상으로 분류된다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 현장은 반도체 공정, 로봇, 인버터 구동 설비처럼 전압 변동에 민감한 부하를 많이 쓴다. 이런 부하는 전압이 짧게 떨어져도 제어 회로가 리셋되거나 접촉기가 탈락하여 공정 전체가 멈춘다. 단일 이벤트로도 여러 공정이 동시에 중단되므로 손실 규모가 크다.

순간전압강하의 주된 원인은 계통 사고다. 송전선이나 배전선의 지락 또는 단락 고장이 발생하면 보호 계전기가 동작할 때까지 사고 지점과 가까운 모선 전압이 크게 떨어진다. 뇌격이나 낙하물에 의한 지락 사고도 여기에 해당한다. 계통 사고를 완전히 막을 수 없으므로 사고 자체를 줄이는 대책과 함께 수용가 측 보상 설비를 갖추는 것이 필요해졌다.

대책은 크게 두 방향으로 나뉜다. 공급 계통 측에서는 사고 예방, 계통 구성 변경, 분산전원 설치를 한다. 부하 측에서는 UPS, 동기조상기, 전압보상장치 같은 보상 설비를 설치한다. 어떤 대책을 어느 지점에 적용해야 효과가 큰지 평가하는 것이 먼저 필요하다. 그래서 강하 발생 경향을 예측하는 순간전압강하 평가 기법이 함께 중요해졌다.

4. 구성요소·원리·절차

순시전압강하는 전원측 사고나 대형 부하의 기동으로 발생하는 현상이며, 이를 줄이거나 견디기 위해서는 발생 경로와 대응 설비의 구성요소를 함께 알아야 한다. 건축전기설비에서는 수전설비, 간선, 부하 설비가 하나의 계통으로 묶여 있으므로 아래 구성도로 전체 흐름을 파악한다.

순시전압강하 발생 경로는 고장점, 보호기기 동작, 전압 회복의 세 단계로 나뉜다. 고장점에서 생긴 단락전류가 계통 임피던스를 통과하면서 공급 전압이 떨어지고, 보호기기가 고장을 제거할 때까지 그 저하가 유지된다.

순시전압강하의 크기는 고장점과 수용점 사이의 거리, 고장 임피던스, 변압기 결선에 따라 달라진다. 이 점은 원인 분석과 대책 위치 선정의 근거가 된다.

위 표의 구성요소 중 차단기와 퓨즈는 고장을 제거하는 시간을 정하므로 강하 지속시간에 직접 영향을 준다. 배전선로 임피던스는 고장점과 수용점 사이의 거리와 함께 강하의 크기를 정한다.

원리는 다음과 같다. 전압강하량은 대략 고장 시 흐르는 전류와 전원에서 고장점까지의 임피던스 곱으로 나타난다. 고장 전류가 클수록, 임피던스가 클수록 수용점 전압이 많이 떨어진다.

$\Delta V \approx I_{f}\cdot Z_{s}$

여기서 I_f는 고장 전류(A), Z_s는 고장점까지의 계통 임피던스(Ω)이다. 이 식은 강하 크기의 경향을 보이는 근사식이며, 정확한 값은 계통 해석으로 구한다.

순시전압강하의 발생과 회복 절차는 다음과 같다.

• 고장 또는 대형 부하 기동으로 계통 전압이 급격히 떨어진다.
• 보호계전기가 고장을 감지하고 차단기를 개방한다.
• 고장 구간이 분리되면 전압이 회복된다.
• 재폐로기기가 동작하면 일시적 전압 저하가 한 번 더 발생할 수 있다.

이 흐름은 아래 도식으로 정리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국제 기준에서는 순시전압강하를 전압이 명목 전압의 10~90%로 떨어져 0.5사이클에서 1분 사이 지속되는 현상으로 본다. 이 정의는 IEEE 1159에 근거한다.

명목 전압의 10~90% 범위로 떨어지고 0.5사이클~1분 동안 지속되면 순시전압강하로 분류한다. 1분 이상 지속되면 장시간 전압 변동 또는 정전으로 구분한다.

위 표의 강하 깊이와 지속시간은 판정 기준이므로 측정과 시험에서 함께 확인한다. 민감 부하 판정값은 누적 테이블과 밀도 테이블을 만드는 데 쓰인다.

국내에서는 전기설비 기준이 한국전기설비규정(KEC)으로 정비되어 있으며, 건축 수용가의 수전설비는 이 체계를 따른다. 순시전압강하 자체의 허용 한도는 설계 기준으로 정하기보다 민감 부하의 내성 곡선(ITIC 곡선 등)으로 평가하는 것이 일반적이다.

민감 부하의 내성 곡선은 강하 깊이와 지속시간의 조합으로 허용 범위를 나타낸다. 컴퓨터류 장비는 짧고 깊은 강하를 견디는 능력이 낮으므로, 이 곡선이 대책 용량을 정하는 근거가 된다.

개정 연혁으로는 전기설비 기준 체계가 2021년 1월 1일부터 한국전기설비규정으로 바뀌었다는 점을 알아 둔다.

6. 유형과 비교

순시전압강하는 발생 원인과 전압 감소 크기, 지속 시간에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 전력품질 현상 중 전압 변동 계열에 속하며, 인접한 현상과 구분해야 답안의 정확도가 올라간다. 아래 표는 전압 변동 현상을 정의와 지속 시간 기준으로 비교한 것이다.