전압안정도

왜 배우는가: 전압이 무너지면 대규모 정전으로 이어지므로 전력계통의 계획과 운영에서 가장 먼저 확인하는 안정도다. 시험에서는 P-V곡선과 Q-V곡선 해석, 대책 설명 형태로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제139회 2교시 6번, 제130회 3교시 6번, 제129회 2교시 3번, 제120회 4교시 4번, 제117회 3교시 5번, 제108회 1교시 4번, 제104회 1교시 7번, 제93회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 전압안정도는 전력계통이 부하 증가나 외란 이후에도 모선 전압을 허용 범위 안에서 유지하거나 회복할 수 있는 능력이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전압안정도
• 전압붕괴
• 무효전력 여유
• P-V곡선
• Q-V곡선
• I-V곡선
• 코끝점
• 전압안정도 여유

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전압안정도는 부하를 더 걸어도 전압이 무너지지 않고 버티는 힘이다. 전압은 무효전력의 공급과 전달이 균형을 이룰 때 유지된다. 부하가 늘면 선로의 무효전력 손실이 커지고 모선 전압이 내려간다. 전압이 내려가면 일정전력 부하의 전류가 늘어 무효전력 소비도 다시 커진다. 이 악순환이 한계를 넘으면 전압이 급격히 떨어지는 전압붕괴가 일어난다.

정식으로는 계통이 부하 증가 또는 외란 후에도 모든 모선에서 안정된 정상상태 운전점을 유지하는 능력을 말한다. 유효전력 변화에 따른 전압 응답은 P-V곡선으로, 무효전력 주입에 따른 전압 응답은 Q-V곡선으로 해석한다.

원리는 2모선 등가회로로 설명한다. 무손실 선로 리액턴스 X, 전압원 E, 부하모선 전압 V, 전압각 차 δ로 두면 부하 측 전력은 다음과 같다.

$P=\frac{EV}{X}\sin\delta,\quad Q=\frac{EV\cos\delta-V^2}{X}$

δ를 소거하면 (PX)^2+(QX+V^2)^2=(EV)^2 이 된다. 이를 V²에 대해 풀면 고전압 해와 저전압 해가 나온다. 두 해가 만나는 점이 코끝점이다. 코끝점을 지나면 정상상태 해가 없어 코끝점 이후 정상상태 해 소멸 로 전압붕괴가 일어난다.

운전점과 코끝점 사이의 간격이 전압안정도 여유다. 이 간격이 작을수록 운전점은 붕괴 한계에 가깝다. I-V곡선에서는 부하 전류와 수전단 전압의 관계를 본다. 전원·선로 특성과 부하 특성이 접하는 지점이 한계이며, 정전력 부하는 전압 저하 시 전류를 늘려 여유를 줄인다. Q-V곡선에서는 무효전력 주입량에 따른 전압 변화를 보고, 곡선의 기울기가 완만해지는 지점에서 보상 필요량을 판단한다.

전압안정도는 유효전력이 아니라 무효전력 여유로 판단한다.

3. 등장 배경과 필요성

전압안정도 문제가 중요해진 첫 배경은 송전망 구조의 변화다. 대용량 발전소가 수요지에서 멀리 떨어져 건설되면서 장거리 송전선의 리액턴스가 커졌다. 리액턴스가 커지면 전달 과정의 무효전력 손실이 늘고 수전단 전압은 낮아진다.

둘째는 부하 특성이다. 전압이 떨어져도 소비전력을 유지하려는 정전력형 부하가 많아지면, 전압 저하가 전류 증가로 이어지고 그 전류가 다시 무효전력 손실을 키운다. 이 과정은 부하가 늘수록 빠르게 진행된다.

셋째는 사고 시 연쇄 과정이다. 대형 사고가 나면 무효전력 소비가 급증하고 발전기는 무효전력 출력이 제한된다. 보호계전기는 송전선, 발전기, 부하를 차례로 탈락시킨다. 이때 모선 전압이 회복되지 못하면 전압붕괴로 진행한다.