송전용량 결정 요소

왜 배우는가: 송전용량은 선로 길이와 조건에 따라 어떤 한계가 먼저 도달하는지가 달라지므로, 계통 계획과 선로 설계의 출발점이 된다. 기술사 시험에서는 거리별 지배 요소와 개략 계산법을 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제138회 3교시 3번, 제115회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

송전용량은 송전선로가 안전하게 전달할 수 있는 최대 전력이며, 열적 한계·전압강하 한계·안정도 한계 중 가장 먼저 도달하는 값으로 정해진다.

• 송전용량
• 열적 한계
• 전압강하 한계
• 정상상태 안정도 한계
• 선로 길이
• 서지임피던스 부하(SIL)
• 송전 전압

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 송전선로가 한 번에 실어 나를 수 있는 전기의 양이다. 물이 흐르는 관의 굵기와 수압 차가 흐름의 상한을 정하듯, 전선의 발열 한계와 양 끝의 전압 차가 송전용량의 상한을 정한다.

정식으로는 선로의 전압, 전류, 역률, 송수전단 전압의 위상차에 의해 정해지는 전달 전력의 최댓값을 송전용량이라 한다. 선로가 짧은지 긴지에 따라 상한을 정하는 요인이 달라진다.

열적 한계는 도체에 흐르는 전류에 의한 줄열(I²R)로 도체 온도가 허용 온도를 넘지 않도록 정한 조건이다. 전류가 허용 전류를 넘으면 도체가 늘어져 이도가 커지고 지표와의 이격거리가 줄어든다. 이때 전달 전력은 다음과 같다.

$P = \sqrt{3}\,V I \cos\theta$

여기서 P는 전달 전력(W), V는 선간 전압(V), I는 허용 전류(A), \cos\theta는 역률이다.

전압강하 한계는 수전단 전압이 허용 변동 범위를 벗어나지 않도록 정한 조건이다. 선로의 저항과 리액턴스에 의해 전압이 떨어지므로, 전달 전력이 커질수록 수전단 전압이 낮아진다.

정상상태 안정도 한계는 송전단과 수전단 전압의 위상차 \delta가 커져도 동기기가 동기를 잃지 않는 조건이다. 두 전압의 위상차가 90°에 이르면 전달 전력이 최대가 되고, 그 이상에서는 전력이 줄어 동기가 깨진다.

$P = \frac{E_s E_r}{X}\sin\delta, \qquad P_{max} = \frac{E_s E_r}{X}\quad(\delta = 90^\circ)$

여기서 E_s, E_r은 송수전단 상전압(V), X는 선로 직렬 리액턴스(Ω), \delta는 위상차다. 선로 리액턴스가 클수록 최대 전달 전력이 작아진다.

이 세 한계는 선로 길이에 따라 지배 순서가 바뀐다. 짧은 선로는 열적 한계가, 중간 길이 선로는 전압강하 한계가, 긴 선로는 안정도 한계가 먼저 걸린다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 수요가 늘고 발전 설비가 수요지에서 멀리 떨어져 입지하면서 장거리 대용량 송전이 필요해졌다. 같은 전력을 보내려면 전압을 높여 전류를 낮추는 것이 손실과 전압강하를 줄이는 기본 방법이다. 이 때문에 송전 전압이 단계적으로 높아졌고, 초고압 선로에서는 송전용량을 키우는 것이 설계의 핵심 목표가 되었다.

선로의 전기적 특성도 송전용량 결정에 영향을 준다. 일반 3상 송전선로는 전선 간 거리와 지상 높이가 달라 각 상의 인덕턴스와 정전용량이 서로 다르고, 송전단에 대칭 전압을 걸어도 수전단 전압이 비대칭이 된다. 이를 막기 위해 장거리 선로는 일정한 거리마다 연가를 시행하여 선로 정수를 평형시킨다. 연가가 없으면 불평형에 의한 손실과 전압 편차가 송전용량 계산의 가정을 깨뜨린다.

경부하 시간대에는 선로의 충전 용량성 전류로 수전단 전압이 송전단보다 높아지는 페란티 현상이 나타난다. 이는 전압강하 한계의 반대편 문제로, 분로리액터 같은 전압 억제 설비가 필요해지는 이유다. 송전용량을 계획할 때는 최대 부하 조건뿐 아니라 경부하 조건의 전압 상승도 함께 검토해야 한다.

최근에는 계통 포화가 송전용량 문제를 현실화하고 있다. 2026년 보도에 따르면 정부는 호남권 재생에너지 접속 제한을 완화하면서 신규 송전선로가 완공되는 2034년까지 ESS 설치 등 비증설 대안을 우선 활용하기로 했다. 송전선로의 용량이 발전 접속과 직결되므로, 송전용량 산정은 계통 운영 정책과 함께 이해해야 한다.

이처럼 송전용량은 열, 전압, 안정도라는 세 물리적 한계를 선로 길이별로 판단하는 문제이며, 이후 절에서 거리별 결정 요소와 개략 계산법으로 이어진다.

4. 구성요소·원리·절차

송전용량은 선로 길이에 따라 지배하는 한계가 달라진다. 단거리 선로는 열적 한계(Thermal Limit)가, 중거리 선로는 전압강하 한계(Voltage Drop Limit)가, 장거리 교류 선로는 정상상태 안정도 한계(Steady-State Stability Limit)가 송전용량을 정한다. 세 한계 중 가장 작은 값이 그 선로의 실제 송전용량이 된다.

송전용량은 열적 한계, 전압강하 한계, 안정도 한계 중 가장 작은 값으로 정해진다.

송전선로의 전력 흐름은 두 전압 사이의 위상차에 따라 정해진다. 송전단 전압을 E_s, 수전단 전압을 E_r, 선로 리액턴스를 X, 위상각을 \delta 라 하면 1회선 전달전력은 다음과 같다.

$P=\frac{E_s E_r}{X}\sin\delta$

여기서 P는 전달전력(MW), E_s·E_r은 상전압 또는 선간전압의 크기(kV), X는 선로 리액턴스(Ω), \delta는 두 단 전압의 위상각(°)이다. 이 식에서 \delta=90°일 때 \sin\delta=1로 최대가 되며, 이 최댓값이 정상상태 안정도 한계다. 실제 선로는 안정도 여유를 둔 위상각 범위에서 운전하는 것이 일반적이다.

교류 선로의 열적 한계는 전류의 제곱에 비례하는 줄열로 결정된다. 3상 선로의 전력은 다음과 같다.

$P=\sqrt{3}\,V\,I\cos\theta$

여기서 V는 선간전압(kV), I는 선로 전류(A), \cos\theta는 역률이다. 도체 온도가 허용 한계를 넘으면 도체가 늘어나 이도가 커지고 지상고가 낮아지므로, 허용 전류가 곧 열적 한계가 된다.

전압강하 한계는 수전단 전압이 허용 범위를 벗어나지 않도록 전력을 제한한다. 단거리 선로의 전압강하는 다음 근사식으로 본다.

$e \approx \frac{P R + Q X}{V_r}$

여기서 e는 전압강하(kV), P·Q는 수전단 유효·무효전력(MW, Mvar), R·X는 선로 저항·리액턴스(Ω), V_r은 수전단 전압(kV)이다. 전압강하율이 허용치를 넘지 않도록 전력과 선로 길이를 제한한다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 선로 길이와 전압 階급으로 적용 한계를 가른다(단거리는 열적, 중거리는 전압강하, 장거리 교류는 안정도).
• 도체 종류와 허용 온도로 열적 한계 전류를 구한다.
• 전압강하율 허용치로 전압강하 한계 전력을 구한다.
• 정상상태 안정도 식으로 최대 전달전력을 구한다.
• 세 값 중 최솟값을 송전용량으로 정하고, 여유율을 둔다.

5. 관련 법령·기준·표준

송전용량 산정에 직접 쓰는 기준은 전기설비 기술기준과 한국전기설비규정(KEC)이다. 2021-01-01부터 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'을 대신해 한국전기설비규정(KEC)을 적용한다. 전선의 허용 온도와 이격거리는 법령·설계기준으로 정하고, 전압강하는 KEC 의 기준 전압강하율을 따른다.

위 표의 안정도 한계는 리액턴스만 고려한 이론값이다. 실제 선로는 저항 때문에 열적 한계에 먼저 도달한다.