직류·교류 송전방식

왜 배우는가: 직류송전과 교류송전의 방식 차이는 HVDC 확대와 초고압 장거리 송전 설계의 출발점이다. 기술사 시험에서는 비교표와 선로충전 장해처럼 두 방식을 함께 묻는 문항이 반복해서 나온다.

출제 이력: 제135회 3교시 6번, 제114회 3교시 4번, 제98회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

직류송전(HVDC, High Voltage Direct Current)은 교류를 정류기로 직류로 바꾸어 송전하고 수전단에서 인버터로 다시 교류로 바꾸는 송전 방식이다. 교류송전(HVAC, High Voltage Alternating Current)은 교류 전압 그대로 송전하는 방식이다. 직류송전은 정류·인버터 변환설비를 통해 직류로 송전하는 방식이다

• 직류송전(HVDC)
• 교류송전(HVAC)
• 정류기·인버터(컨버터)
• 선로충전전류
• 무효전력
• 송전 손실
• 브레이크이븐 거리

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 교류는 전압과 전류가 주기적으로 방향을 바꾸는 전기이고 직류는 방향이 일정한 전기다. 송전에서는 교류가 변압기로 전압을 쉽게 올리고 내릴 수 있어 오랫동안 표준이었다. 직류는 변압기로 전압을 바꿀 수 없으므로, 송전 양단에 전력변환 설비를 두는 방식으로 송전한다.

정식 정의는 다음과 같다. 직류송전은 송전단의 정류기(rectifier)가 교류를 직류로 바꾸고, 선로는 직류로 전력을 전송하며, 수전단의 인버터(inverter)가 다시 교류로 바꾸는 방식이다. 교류송전은 3상 교류 전압을 그대로 선로에 실어 보내는 방식이다.

직류송전의 핵심 특징은 다음과 같다. 선로에 무효전력이 흐르지 않으므로 선로 용량을 전력 전송에 온전히 쓸 수 있다. 직류에서는 표피효과와 선로 용량성 충전전류가 없다. 대신 변환소(컨버터 스테이션) 비용과 변환 손실이 추가된다.

교류송전의 핵심 특징은 변압기로 전압 변환이 쉽고, 차단기·계통 연계가 기존 체계와 맞는다는 점이다. 반면 장거리 선로에서는 선로 리액턴스와 정전용량 때문에 송전 능력과 전압 안정도에 제약이 생긴다.

두 방식의 주요 용어는 다음과 같다.

• 정류(Rectification): 교류를 직류로 바꾸는 과정이다.
• 인버전(Inversion): 직류를 교류로 바꾸는 과정이다.
• 선로충전전류: 선로 정전용량 때문에 무부하에서도 흐르는 진상 전류이다.
• 브레이크이븐 거리: 직류 송전 총비용이 교류 송전 총비용과 같아지는 거리이다.

3. 등장 배경과 필요성

교류송전이 오랫동안 주류였던 이유는 변압기로 전압을 자유롭게 바꿀 수 있기 때문이다. 송전 전압을 높이면 전류가 줄어 손실이 줄어든다. 그러나 송전 거리가 길어지면 선로 리액턴스와 정전용량이 커져 송전 능력이 떨어지고 전압 제어가 어려워진다.

직류송전이 주목받은 배경은 다음과 같다. 첫째, 장거리 대용량 송전에서 선로 손실과 선로 비용을 줄일 필요가 있었다. 둘째, 교류 계통 간을 주파수가 달라도 연계해야 하는 경우가 생겼다. 셋째, 해저케이블처럼 정전용량이 큰 케이블 구간에서 교류 충전전류 문제가 심각해졌다.

해저 구간의 브레이크이븐 거리는 육상 구간보다 짧은 것으로 보고된다. 즉 거리가 길수록, 그리고 해저 구간일수록 직류가 경제적으로 유리해진다.

또한 직류는 주파수가 다른 두 교류 계통을 직접 연결하는 후방연계(Back-to-Back) 설비에 쓸 수 있다. 교류 계통끼리는 주파수가 다르면 직접 연계할 수 없다는 점이 직류의 중요한 존재 이유다.

최근에는 재생에너지의 대규모 연계와 대도시 전력망 증강 수요가 늘면서 전압형 HVDC 도입이 국내외에서 확대되는 추세다.

4. 구성요소·원리·절차

직류송전(HVDC)은 교류를 직류로 바꾸는 변환설비, 직류 선로, 직류를 다시 교류로 바꾸는 변환설비로 구성된다. 교류송전(HVAC)은 변압기·송전선·차단기로 구성되며 전압 변환이 변압기로 이루어진다. 두 방식의 차이는 변환설비의 유무에서 나온다.

교류 측 변압기로 전압을 맞춘 뒤 컨버터가 교류를 직류로 바꾸어 선로에 공급한다. 수전단 컨버터는 직류를 다시 교류로 바꾼다. 전류의 방향과 크기는 컨버터 제어가 정한다.

직류 선로에는 정상상태에서 무효전력과 선로 충전전류가 흐르지 않는다. 그래서 장거리 송전에서 선로 리액턴스로 인한 전압·전력 제한이 없다. 반면 컨버터는 고조파를 만들므로 교류측에 필터를 둔다.

직류송전의 변환 방식은 전류형(LCC, 사이리스터 등 전류형 컨버터)과 전압형(VSC, 자기소호형 소자 사용)으로 나뉜다. 전류형은 교류 계통 전압을 이용해 전류를 전환하므로 교류 계통이 약하면 전환 실패가 생긴다.

절차(직류송전 전력 전달 순서)

• 송전단 변압기가 발전 전압을 송전 전압으로 승압한다.
• 송전단 컨버터가 교류를 직류로 정류한다.
• 직류 선로가 전력을 수전 지점까지 전달한다.
• 수전단 컨버터가 직류를 교류로 역변환한다.
• 수전단 변압기가 배전 계통 전압으로 강압한다.

5. 관련 법령·기준·표준

직류송전과 교류송전의 설계는 전기설비 기준과 국제 규격을 따른다. 국내에서 송전선로 설계의 기본이 되는 기준은 한국전기설비규정(KEC)이다. 2021-01-01 부터 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다.

직류송전에서 확인할 기준은 다음과 같다. 전압 등급 구분과 송전 방식의 적용 범위를 정할 때 기준값으로 쓴다.

교류 송전에서 송전 거리에 따른 경제성은 교류가 짧은 거리에서 유리하다. 긴 거리에서는 직류가 유리하다. 손익분기 거리는 사업마다 달라진다. 최근에는 LCC HVDC 비용이 낮아져 손익분기 거리가 짧아지는 추세다.

국제 기준으로 직류송전 설비는 IEC 계열 기술 규격을 따르는 것이 일반적이다. 설비별 세부 규격은 제조사와 발주처 사양에 따라 정해진다.

직류송전의 법적 근거는 「전기사업법」과 전력망 계획에 따른 송전설비 설치 절차다.

6. 유형과 비교

직류송전은 전력 변환 방식과 직류 전압의 극성 구성에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 가장 많이 쓰이는 비교 기준은 변환기의 종류(선로 전환형 컨버터(LCC)와 전압형 컨버터(VSC))와 직류선로의 극성 수(단극·양극 방식)다.

전류형은 직류 전류를 일정하게 유지하며 점호각으로 전력을 조절한다. 전압형은 직류 전압을 일정하게 유지하며 전류 방향을 소자로 제어한다. 이 차이가 무효전력 처리와 계통 연계 능력의 차이로 이어진다.