발전기 단독운전

왜 배우는가: 대용량 케이블 계통에 연계된 발전기가 계통과 분리되어 단독운전하면 케이블 충전전류에 의해 전압이 급상승하고 발전기 운전 조건이 크게 흔들린다. 이 현상은 발송배전기술사 시험에서 전압 문제와 운전 대책을 묻는 형태로 반복 출제되므로 개념의 정의와 원리를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제138회 2교시 1번, 제113회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

발전기 단독운전은 계통 차단 후 발전기가 부하와만 연결되어 계통 전압·주파수를 스스로 유지하며 운전하는 상태이다.

핵심 키워드

• 단독운전
• 케이블 충전전류
• 페란티 효과
• 자기여자
• 무효전력 과잉
• 전압 상승
• 발전기 과여자
• 계통 분리 보호

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 발전소가 전력망에서 떨어져 나와 혼자서 집 전기를 공급하는 것과 같다. 연계된 계통이 사라지면 발전기는 자신이 맡은 부하만 보고 전압과 주파수를 맞춰야 한다. 이때 부하가 작으면 발전기의 출력과 부하 사이에 큰 차이가 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 발전기 단독운전(Islanded Operation)은 계통 사고나 차단기 개방으로 발전기가 전력계통에서 분리된 뒤 발전기와 그 부하로 구성된 독립 계통에서 전압과 주파수를 유지하며 운전하는 상태를 말한다. 전력계통에서는 이 상태를 허용하지 않는 것이 원칙이다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 케이블 충전전류: 케이블의 선간 정전용량 때문에 전압보다 위상이 앞서 흐르는 진상 전류다. 케이블은 단위길이당 정전용량이 커서 충전전류가 크게 발생한다.
• 페란티 효과: 부하가 매우 작거나 무부하일 때 진상 충전전류가 선로 리액턴스에 걸려 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 현상이다.
• 자기여자: 진상 무효전류가 발전기 자체의 전기자 반작용을 계자 강화 방향으로 작용시켜 전압이 계속 올라가는 현상이다. 단락비가 작은 발전기에서 쉽게 나타난다.
• 무효전력 과잉: 진상 충전 무효전력이 부하 소비량을 넘어 발전기에 흡수되지 않고 남는 상태다.

3. 등장 배경과 필요성

대용량 발전소가 도심 지중 케이블 계통에 연계되는 경우가 늘면서 이 문제가 현실 문제가 되었다. 케이블은 가공선보다 절연층이 얇고 금속 피복과 함께 긴 동축 콘덴서 구조를 이루므로 정전용량이 크다.

연계 발전기는 평소 계통 전압을 받쳐 주지만, 계통이 분리되면 그 역할이 사라진다. 이때 케이블의 충전 무효전력이 발전기 단자에 그대로 남아 전압을 끌어올린다. 발전소 측에서는 발전기 과전압, 계자 과열, 고정자 과열을 함께 걱정해야 한다.

단독운전 상태에서는 발전기 전압과 주파수를 제어할 근거가 발전기 자신의 조속기와 여자장치뿐이다. 이 때문에 계통 분리 시점에 단독운전을 빠르게 검출하고 발전기를 신속히 정지하거나 부하를 조정하는 보호 설계가 필요해졌다. 시험에서 이 개념을 묻는 이유는 계통 전압 문제와 발전기 운전 문제가 같은 원인에서 나오기 때문이다.

4. 구성요소·원리·절차

발전기 단독운전은 발전기가 계통과 분리된 상태에서 자기 부하만 공급하는 운전이다. 대용량 케이블 계통에 연계된 화력발전소가 케이블에 접속된 채 분리되면, 케이블의 대지정전용량이 발전기에 진상 무효전류를 공급하여 발전기 단자전압을 크게 올린다. 이때 발전기는 자기 부하와 케이블 충전용량을 함께 떠안는다.

케이블은 긴 동축 콘덴서와 같아서 정전용량이 길이에 비례한다. 부하가 작은 경우 케이블의 진상 충전전류가 부하 지상 전류보다 커져 발전기 출력은 진상이 된다. 이 상태에서 발전기 전압은 페란티 효과와 같이 상승한다. 전압 상승 크기는 선로 길이의 제곱과 주파수의 제곱에 비례한다는 것이 알려져 있어, 케이블 계통에서는 짧은 길이에서도 현저하다.

발전기 단독운전의 원리는 다음과 같다.

• 케이블 충전용량이 발전기에 진상 무효전력을 공급한다.
• 부하가 충전용량보다 작으면 발전기는 진상 운전 상태가 된다.
• 진상 전류의 전기자 반작용은 계자를 강하게 하여 전압을 더 올린다(자기여자 경향).
• 여자 제어가 따라가지 못하면 단자전압은 정격의 허용 범위를 벗어난다.
• 주파수는 조속기 제어가 없으면 부하 변동에 따라 정격에서 벗어난다.

절차는 다음 순서로 정리한다.

• 계통 분리(차단기 개방)로 발전기가 케이블과 함께 고립된다.
• 케이블 충전전류가 발전기에 진상 무효전력을 공급한다.
• 부하가 작으면 진상 전류가 커져 단자전압이 상승한다.
• 여자장치가 전압을 낮추지 못하면 과전압 상태가 지속된다.
• 조속기가 회전수를 제어하지 못하면 주파수가 정격에서 벗어난다.
• 보호계전기가 과전압·주파수 이상을 검출하여 발전기를 트립시킨다.

발전기 단독운전 시 과전압은 다음 식으로 개략 판단한다.

$\Delta V \approx I_c \cdot X_L$

여기서 I_c는 케이블 충전전류(A), X_L은 발전기 동기리액턴스 등 직렬 리액턴스(Ω)다. 진상 충전전류가 발전기 여자 흡수 능력을 넘으면 전압이 상승한다.

5. 관련 법령·기준·표준

발전기 단독운전과 전압·주파수 관리는 전기설비 기술기준과 계통연계 기준이 함께 적용된다. 한국에서는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 전기설비 기준으로 적용된다. 계통 연계 시 발전기의 전압·주파수 허용 범위와 분리 조건은 한국전력의 계통연계 기술기준을 따른다.

외국 기준과의 비교는 개념 차이만 정리한다. 단독운전 방지 요건은 계통 분리 후 발전기를 빠르게 차단하는 것이 핵심이다. 구체적 차단 시간과 보호 설정값은 계통 조건에 따라 다르므로 연계 기준서의 값으로 정한다.

단독운전 시 핵심 문제는 케이블 충전전류에 의한 진상 전류와 그에 따른 과전압이다.

6. 유형과 비교

발전기 단독운전은 계통에서 분리된 발전기가 부하만으로 전압과 주파수를 유지하는 상태를 말한다. 연계 형태에 따라 발전기 단독운전의 위험 양상이 달라지므로 유형을 나누어 비교한다. 특히 대용량 케이블 계통에 연결된 경우에는 케이블의 충전용량이 부하 역할을 하여 자기여자와 과전압을 일으키기 쉽다.

위 표에서 케이블 연계는 선로 정전용량이 커서 같은 길이에서도 전압 상승이 가장 크다. 따라서 대용량 케이블 계통의 단독운전은 과전압 억제와 발전기 자기여자 방지가 핵심 대책이 된다.

다음은 발전기 보호방식의 유형을 비교한다. 단독운전 검출 방식은 능동식과 수동식으로 나뉘며, 각각 검출 속도와 불감지대가 다르다.

수동식은 단독운전 여부를 가장 간단히 판별하지만 부하와 발전량이 정확히 맞으면 검출되지 않는 불감지대가 생긴다. 대용량 케이블 계통에서는 이 불감지대를 줄이기 위해 능동식이나 전송 신호식을 함께 쓰는 방안을 검토한다.