교류 저압배전방식

왜 배우는가: 교류 저압배전방식은 건축물 내부 전원 공급의 기본 구조를 결정한다. 전등·콘센트 회로와 동력 회로를 어떤 상·선 수로 나눌지에 따라 전선 굵기, 전력손실, 불평형이 달라진다. 기술사 시험에서는 방식별 선전류·저항·단면적·중량을 비교하는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제133회 3교시 4번, 제128회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

교류 저압배전방식은 교류 저압 배전선로의 상(相) 수와 선(線) 수, 중성선 인출 여부로 구분한 배전 방식이다.

방식이 다르면 같은 부하에 공급하는 전압, 전류, 전선 개수가 달라진다. 따라서 방식 비교는 상 수와 선 수의 조합을 먼저 정하는 데서 출발한다.

• 단상 2선식: 전선 2가닥으로 단상 교류를 공급하는 방식
• 단상 3선식: 전선 3가닥으로 두 가지 전압을 얻는 방식
• 3상 3선식: 전선 3가닥으로 세 상을 공급하는 방식
• 3상 4선식: 3상 3선에 중성선을 더한 방식
• 중성선: 단상 부하와 불평형 전류를 처리하는 선
• 전력손실: 선로 저항에서 전류 제곱에 비례하여 생기는 손실

2. 개념 풀이

교류 저압배전방식은 건물 안까지 들어오는 저압 배전선의 구성 방식이다. 쉽게 말하면 전기를 몇 가닥의 전선으로 보내고, 그중 어느 선을 전등에 쓰고 어느 선을 동력에 쓰는지를 정하는 일이다.

정식으로는 상 수, 선 수, 중성선 유무, 부하의 전압 조합을 기준으로 분류한 저압(교류 1,000V 이하) 배전 방식의 총칭이다. 고압 수전설비에서 변압기로 강압된 전압을 수용가 내부로 나누어 공급하는 구조를 다룬다.

핵심 용어는 다음과 같다. 상(相)은 전압 위상이 다른 교류 파형의 한 묶음이다. 선간전압은 두 전선 사이의 전압이고, 상전압은 한 상과 중성점 또는 중성선 사이의 전압이다. 불평형 전류는 세 상의 부하가 달라 중성선으로 흐르는 전류다.

단상 2선식은 전선 2가닥으로 한 종류의 전압을 얻는다. 전등용 저압 배전에 가장 많이 쓰이며, 전압은 110/220V로 표기된다. 구조가 간단하지만 큰 부하를 넣으면 전류가 커지고 전선 손실도 커진다.

단상 3선식은 주상변압기 저압 측 두 권선을 직렬로 하고 중간점에서 중성선을 끌어낸다. 양 끝선과 중성선 사이에는 선간전압의 1/2 전압이 나와 전등 부하에 쓰고, 두 끝선 사이 전압은 전열·에어컨 같은 큰 부하에 쓴다. 부하가 두 군으로 나뉘어 균형을 이루면 중성선에는 두 군의 차이만큼만 전류가 흐른다.

3상 방식은 세 상의 전압이 120도씩 위상차를 가진다. 3상 3선식은 중성선이 없고 세 선만으로 전력을 보낸다. 대칭 부하에서는 중성선 전류가 0이 되므로 전동기 같은 대형 동력 부하에 적합하다.

3상 4선식은 중성선을 추가하여 선간전압과 상전압을 동시에 얻는다. 단상 부하가 많은 사무실이나 상가에서 조명과 콘센트를 상전압으로 공급할 때 쓴다. 세 상의 부하가 불균형하면 중성선 전류가 커지므로 상별 부하를 고르게 나누는 설계가 필요하다.

단상 3선식에서 중성선 전류는 두 부하군의 불평형분뿐이므로 전선 굵기를 줄일 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 전력 공급은 직류 방식이었다. 직류는 전압을 변압기로 바꿀 수 없어서 고전압 송전이 어려웠고, 전압을 올리지 못하면 전선 저항에 의한 손실이 커졌다. 교류는 변압기로 전압을 쉽게 올리고 내릴 수 있어 이 문제를 해결했다. 이후 교류 배전이 전 세계의 표준이 되었다.

전력 손실은 전류의 제곱에 비례한다. 식으로는 P=I²R이다. 여기서 P는 손실 전력(W), I는 선 전류(A), R은 선로 저항(Ω)이다. 같은 전력을 보낼 때 전압을 두 배로 올리면 전류는 절반이 되고 손실은 1/4이 된다. 이 관계가 저압 배전에서도 방식 선택의 기준이 된다.

단상과 3상을 비교하면 3상이 유리하다. 같은 굵기의 전선을 쓸 때 3상 전선량은 단상의 1.15배가 되지만 선로 손실은 단상에 비해 줄어든다. 동일 손실을 기준으로 하면 3상은 전선 소요량이 단상의 3/4가 된다. 3상 교류에서는 회전자계가 쉽게 만들어져 전동기 운전에도 유리하다.

저압 배전방식이 필요한 이유는 수용가마다 부하 특성이 다르기 때문이다. 조명과 콘센트는 단상 부하이고, 펌프·팬·엘리베이터는 3상 부하다. 한 가지 방식만으로는 모든 부하를 경제적으로 공급할 수 없으므로 단상과 3상을 함께 쓰는 체계가 필요하다. 또한 건물이 커질수록 전선 길이가 늘어나 전압강하와 손실이 커지므로, 상 수와 선 수를 적절히 선택해야 한다.

이 절에서 다룬 개념은 이후 전선 단면적과 전압강하 계산의 기초가 된다. 방식별 세부 계산은 관련 절에서 이어진다.

4. 구성요소·원리·절차

교류 저압배전방식은 변압기 2차측에서 나오는 선로 수와 중성선 유무, 그리고 부하 접속 방식에 따라 나뉜다. 답안에서는 단상 2선식, 단상 3선식, 3상 3선식, 3상 4선식을 구성요소로 열거하고, 각 방식이 어떤 전압과 어떤 전선을 쓰는지 먼저 밝힌다.

중성선은 정상 운전에서 부하 불평형분의 전류만 흐르는 것이 원칙이다. 다만 3상 4선식의 조명·단상 부하가 많으면 중성선 전류가 커질 수 있다. 접지선은 정상 운전에서 전류가 거의 흐르지 않는다는 점에서 중성선과 구별된다.

원리는 다음과 같다. 단상 2선식은 한 상과 중성점(또는 다른 상) 사이 한 전압만 쓴다. 단상 3선식은 변압기 2차 권선을 직렬로 두고 중간점에서 중성선을 뽑아, 한 권선에 해당하는 전압을 전등용으로, 전체 전압을 동력용으로 쓴다. 3상 방식은 세 상의 위상이 120도씩 차이 나므로 전력이 시간에 따라 거의 일정하게 전달된다.

단상 3선식의 전압 관계는 다음과 같다.

$V_{\text{선간}} = 2V_{\text{상}}$

여기서 V_{\text{선간}}은 두 외선 사이 전압(V), V_{\text{상}}은 외선과 중성선 사이 전압(V)이다. 예를 들어 V_{\text{상}}=110V이면 V_{\text{선간}}=220V가 된다.

3상 방식의 선간전압과 상전압 관계는 다음과 같다.

$V_{\text{선간}} = \sqrt{3}\,V_{\text{상}}$

여기서 \sqrt{3}은 두 상전압의 벡터 차이에서 나오는 계수다. 상전압 220V인 3상 4선식에서 선간전압은 220 \times 1.732 \approx 381V이다.

절차는 다음 순서로 답안에 쓴다.

• 수용가 부하 용량과 종류(전등·동력)를 파악한다.
• 단상 부하와 3상 부하를 분류하고 상별 부하를 균등하게 배분한다.
• 전압 종류(110/220V, 220/380V 등)를 정하고 방식을 선택한다.
• 배전 변압기 2차 결선과 중성선 인출 여부를 정한다.
• 전선 단면적, 차단기, 접지 방식을 검토한다.

도식은 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

교류 저압배전 방식의 전압 종류와 설치 기준은 「전기사업법」에 따른 전기설비기술기준과 한국전기설비규정(KEC)에서 정한다. 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 적용되며 옛 판단기준은 대체되었다. 저압 공급 전압은 단상 2선식과 3상 4선식에서 다음 값을 기준으로 쓴다.