전압·무효전력 제어

왜 배우는가: 전압과 무효전력은 송전용량, 계통 안정도, 기기 수명과 직결되어 전력계통 운용의 기본 제약이다. 전압 붕괴 사고가 대규모 정전으로 이어지는 만큼 기술사 시험에서 1교시 용어부터 2~4교시 논술까지 여러 차례 반복해 출제된다.

출제 이력: 제133회 1교시 12번, 제128회 2교시 6번, 제119회 2교시 3번, 제113회 2교시 1번, 제93회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전압·무효전력 제어는 조상설비와 발전기 여자, 변압기 탭을 조정하여 계통 전압을 적정 범위로 유지하고 무효전력의 흐름을 최적화하는 운용 기능이다.

• 전압 제어: 모선 전압을 허용 범위 안에 유지하는 조작
• 무효전력 보상: 조상설비로 부족분을 공급하거나 과잉분을 흡수하는 것
• 조상설비: 무효전력을 공급하거나 흡수하는 설비의 총칭
• 전압안정도: 부하 증가나 외란 후 전압이 붕괴하지 않고 유지되는 능력
• 약한 계통: 무효전력 변화에 전압 변화가 큰 계통
• 단락비: 계통 강도를 나타내며 강한 계통일수록 높음

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전압은 전기가 흐르는 압력이고, 무효전력은 실제 일을 하지 않으면서 전압과 전류 사이를 왔다 갔다 하는 전력이다. 이 무효전력이 부족하면 전압이 떨어지고, 너무 많으면 전압이 올라간다. 전압과 무효전력을 목표 범위에 맞추는 일이 전압·무효전력 제어다.

정식으로는 계통의 전압을 기준값 근처로 유지하기 위해 발전기 내부 유기전압, 변압기 탭 위치, 조상설비의 투입량을 조작하는 제어를 말한다. 전력계통의 무효전력 제어 목적은 세 가지로 정리된다. 첫째는 전력계통의 안정도를 유지하여 신뢰도를 확보하는 것이고, 둘째는 적정전압을 유지하여 전력품질을 확보하는 것이며, 셋째는 무효전력을 효율적으로 이용하여 경제성을 확보하는 것이다.

무효전력 보상은 계통에 설치된 설비가 무효전력을 공급하거나 흡수하여 전압을 조정하는 행위다. 무효전력이 과다하게 공급되면 전압이 상승하고 기기 열화와 절연 열화가 일어난다. 무효전력이 부족하면 전압이 하강하고 송전용량과 안정도가 떨어진다.

약한 계통은 무효전력 조건이 바뀔 때 모선 전압이 크게 변하는 계통이다. 반대로 변화가 작은 계통은 강한 계통이라 하며, 강도는 단락비로 나타내고 단락비가 높을수록 강한 계통이다.

전압제어와 주파수제어는 성질이 다르다. 주파수는 계통 어디에서 측정해도 같은 값을 갖는 전계통적 특성이 있어 유효전력은 주파수 하나만 보고 제어하면 된다. 반면 전압은 측정 위치마다 값이 달라 국지적이므로, 무효전력 제어는 설비가 산재한 상태에서 협조제어를 해야 목적을 달성할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통이 커지면서 발전소와 부하가 멀어졌고, 장거리 송전선에서 무효전력 손실과 전압강하가 커졌다. 과거에는 몇 개의 발전소와 가까운 부하로 구성된 계통이라 전압 제어 범위가 좁았다. 계통이 확대되자 전압 제어 범위도 넓어졌고 개별 설비의 단순 조작으로는 대응이 어려워졌다.

커비와 허스트는 전압 제어가 필요한 이유로 세 가지를 들었다. 첫째, 전력망 설비와 소비자 기기는 좁은 전압 범위에서 설계되어 범위를 벗어나면 고장의 원인이 된다. 둘째, 무효전력은 발전기와 송전선에 열을 발생시켜 열적 제한으로 유효전력의 생산과 흐름을 제한할 수 있다. 셋째, 송전선에 무효전력을 주입하면 손실이 생기므로 원동기 출력을 더 올려야 한다.

무효전력 제어가 부실하면 여러 문제가 생긴다. 계통 전압이 낮으면 수용가 기기와 발전기의 안정적 운전이 저해되고, 전압안정도와 정태안정도가 떨어진다. 송전용량이 줄고 송전선의 유효 전력손실이 증가하며, 발전기 출력도 저하된다. 전압이 너무 높으면 전력기기의 절연물이 열화하여 수명이 줄고, 변압기 자기회로가 포화되어 고조파가 늘어난다.