배전선로 전압강하·전압변동률

왜 배우는가: 배전선로는 수용가에 가장 가까운 설비라 전압 변동이 그대로 기기 성능에 영향을 준다. 전압강하와 전압변동률은 선로 설계, 전압 조정기 용량 결정, 배전용 변압기 위치 선정의 기준이 되므로 기술사 시험에서 용어와 계산을 함께 묻는 단골 문항이다.

출제 이력: 제131회 4교시 6번, 제129회 1교시 5번, 제122회 4교시 5번, 제120회 1교시 1번, 제90회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 배전선로 전압강하는 송전단 전압과 수전단 전압의 차이이고, 전압변동률은 무부하와 전부하 때 수전단 전압 차이를 백분율로 나타낸 값이다.

핵심 키워드

• 전압강하: 선로 임피던스를 전류가 흐를 때 생기는 전압 차이
• 전압강하율: 수전단 전압 기준으로 나타낸 전압강하의 백분율
• 전압변동률: 부하 변화에 따른 수전단 전압 변화율
• 수전단 전압: 수용가 쪽 선로 끝단에서의 전압
• 역률: 부하 전류의 위상차에 따른 유효 성분 비율
• 리액턴스: 선로의 인덕턴스와 정전용량에 의한 교류 저항 성분
• 전압 조정기: 탭 변경으로 선로 전압을 보상하는 장치

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전기는 전선을 지나면서 전압이 조금씩 떨어진다. 이 떨어진 크기가 전압강하다. 부하가 커질수록 전류가 커지므로 전압강하도 커진다. 같은 부하라도 선로가 길수록 전압강하가 커진다.

정식 정의는 다음과 같다. 전압강하는 송전단 전압 V_S와 수전단 전압 V_R의 차이이다. 전압강하율은 이 차이를 수전단 전압으로 나눈 백분율이다. 전압변동률은 무부하 때 수전단 전압 V_R0과 전부하 때 수전단 전압 V_Rn의 차이를 전부하 수전단 전압으로 나눈 백분율이다. 두 값은 기준이 다르므로 답안에서 구분해 써야 한다.

$e = V_S − V_R$

$ε = (V_S − V_R)/V_R × 100[%]$

$δ = (V_R0 − V_Rn)/V_Rn × 100[%]$

직류 2선식 선로는 왕복 두 가닥을 흐르므로 전압강하는 $e = 2IR$ (I: 전류[A], R: 전선 1가닥 저항[Ω])이다. 이때 선로 손실은 $P_l = 2I²R$ 이다.

교류 단상 2선식은 역률을 고려해 $e ≈ 2I(R cosθ + X sinθ)$ (X: 전선 1가닥 리액턴스[Ω], cosθ: 부하 역률)로 근사한다. 역률이 나빠지면 무효 성분 항이 커져 전압강하가 증가한다. 이것이 배전선로에서 역률 개선이 전압 안정에 효과가 있는 이유다.

전압변동은 부하가 가벼울 때와 무거울 때의 수전단 전압 차이로 보는 것이 실무 관례다. 공급 전압은 표준전압을 기준으로 허용 범위를 정하며, 국내 저압 공급 기준은 표준전압의 ±6% 이내로 본다.

위 그림은 대략의 모양이다. 거리가 길어지고 부하가 무거울수록 수전단 전압이 낮아진다.

3. 등장 배경과 필요성

전기는 발전소에서 만들어져 초고압 송전, 변전소 강압, 배전선로를 거쳐 수용가에 도달한다. 배전선로는 22.9kV 고압 배전선과 220V·380V 저압 배전으로 이어지며, 수용가에 가까운 말단 구간이다. 말단으로 갈수록 선로 길이가 짧아지지만 부하가 분산되어 전류 분포가 복잡해진다.

전압강하가 문제가 되는 이유는 기기 성능에 있다. 전압이 낮으면 조명 밝기가 떨어지고, 전동기는 토크가 줄어 과열될 수 있다. 전압이 높으면 기기 절연과 수명에 부담이 된다. 그래서 전기 공급자는 수용가 단자 전압이 허용 범위 안에 들도록 선로를 설계해야 한다.

배전선로 설계는 전류 용량과 전압강하를 함께 본다. 간선인 급전선은 주로 전류 용량으로 설계하고, 전압강하는 변전소의 전압 조정 설비로 보상할 수 있다. 반면 수용가에 직접 전력을 공급하는 배전선은 전압강하를 기준으로 설계하며, 선로 굵기와 길이가 허용 범위 안에 들도록 정한다.