배전손실

왜 배우는가: 배전손실은 송배전 설비 운영비와 전기요금 구조를 좌우하며, 기술적 손실과 비기술적 손실을 구분하고 저감 방안을 설명하는 문제가 여러 회차에 걸쳐 반복해 출제되었다. 손실의 원인을 전기 원리로 설명할 수 있어야 답안이 완성된다.

출제 이력: 제121회 4교시 4번, 제93회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

배전손실은 배전용 변전소에서 수용지점까지 전력이 공급되는 동안 설비에서 소비되거나 계량되지 않고 사라지는 전력으로, 기술적 손실과 비기술적 손실로 나뉜다.

• 배전손실
• 기술적 손실(Technical Loss)
• 비기술적 손실(Non-Technical Loss)
• 저항손(I²R 손실)
• 부하율·손실계수
• 무효전력 보상

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전기를 보내는 도중에 새어 나가는 전기다. 선로와 변압기에서 열로 바뀌어 사라지는 것이 한 종류이고, 누가 훔치거나 계량기가 틀려서 요금으로 잡히지 않는 것이 다른 종류다.

정식 정의는 다음과 같다. 배전손실은 배전용 변전소의 송출 전력량과 수용가 계량 전력량의 차이로, 전기적 특성에 따른 기술적 손실과 계량·요금 관리상의 비기술적 손실의 합이다.

기술적 손실은 도체의 저항에 전류가 흘러 생기는 줄열(I²R)과 변압기의 철손·동손, 코로나 방전 등 설비 자체의 물리적 특성에서 발생한다. 전류가 흐르면 손실이 커지므로 부하전류의 제곱에 비례하는 가변 손실과 부하와 무관하게 일정한 고정 손실로 나뉜다. 철손은 변압기 철심의 히스테리시스와 와전류로 인해 부하와 무관하게 발생하는 고정 손실이고, 동손은 권선 저항에 흐르는 전류의 제곱에 비례하는 가변 손실이다.

비기술적 손실은 전력 도난, 계량기 조작과 우회 결선, 고장 계량기, 미계량 공급, 검침·요금 계산 오류에서 발생한다. 계량되지 않은 전력이므로 설비 손실이 아니라 수익 손실이다. 일부 국가에서는 전체 배전 전력의 최대 40%에 이르는 것으로 보고되어 있다.

무효전력은 리액턴스 성분 때문에 선로를 오가지만 실제 일을 하지 않는 전력이다. 무효전력이 흐르면 같은 유효전력을 보내는 데도 전류가 커져 선로 손실이 증가한다. 그래서 역률을 개선하면 손실이 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 발전, 송전, 배전, 수용의 순서로 연결되며 배전 부문은 수용가와 직접 닿아 있어 손실 규모가 가장 크게 나타나는 구간이다. 배전선로는 전압이 낮고 선로가 길며 분기가 많아 전류가 집중되기 쉽다. 같은 전력을 보내더라도 전압이 낮을수록 전류가 커지므로 손실이 커진다.

손실이 늘어나면 발전 설비를 더 많이 가동해야 하고 연료비와 설비 투자가 함께 늘어난다. 따라서 배전손실 관리는 전력 공급 원가와 설비 여유를 결정하는 핵심 과제가 되었다. 최근에는 분산전원이 늘면서 배전선로의 전류 방향과 크기가 바뀌어 손실 분포가 달라지는 문제도 생기고 있다.

비기술적 손실은 설비를 바꾸지 않고 계량과 요금 체계를 정비해야 줄어든다. 그래서 기술적 손실과 다른 관리 수단이 필요하고, 두 가지를 나누어 보는 관점이 필요해졌다.

도식 생략

역률 개선 시 손실은 역률의 제곱에 반비례

4. 구성요소·원리·절차

배전손실은 기술적 손실(Technical Loss)과 비기술적 손실(Non-Technical Loss)로 나뉜다. 두 손실은 발생 원인과 줄이는 방법이 다르므로 구성요소를 따로 정리해야 답안에서 감점을 피할 수 있다.

기술적 손실은 전류가 설비의 저항을 통과하면서 생기는 줄열이 핵심이다. 가장 기본이 되는 식은 다음과 같다.

$P_{loss} = I^{2}R$

여기서 P_{loss}는 손실 전력[W], I는 선로 전류[A], R은 선로 저항[Ω]이다. 전류가 제곱으로 들어가므로 부하 전류를 줄이는 것이 손실 저감의 가장 효과적인 수단이다.

표에서 보듯 고정 손실은 전압과 설비 특성으로 정해지고, 가변 손실은 부하 전류에 따라 달라진다. 가변 손실은 과부하 상태에서 급증하므로 피크 부하 관리가 필요하다.

비기술적 손실은 설비가 아니라 전력량 관리 과정에서 생긴다. 계량기 조작이나 우회 결선, 잘못된 검침과 과금·미과금 오류가 여기에 속한다. 기술적 손실과 달리 공학적 계산으로 정확히 구하기 어렵고, 현장 조사와 계량 체계 개선으로 줄인다.

손실 저감 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 손실 측정: 변전소 송출량과 고객 검침량의 차이로 총 손실률을 구한다.
• 기술적·비기술적 손실 분리: 설비 모델 계산값과 실측 손실의 차이로 비기술적 손실을 추정한다.
• 원인별 대책 선정: 선로 개선, 역률 개선, 전압 조정, 계량 체계 개선 중에서 고른다.
• 효과 검증: 개선 전후의 손실률을 같은 기간으로 비교한다.

역률 개선은 무효전류를 줄여 선로 전류를 낮추므로 가변 손실을 줄인다. 선로 전류가 역률 \cos\theta에 반비례한다는 점에서 역률 개선의 손실 저감 효과가 설명된다.

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

여기서 P는 유효전력[W], V는 선간전압[V], \cos\theta는 역률이다. 동일한 유효전력에서 역률이 낮아지면 전류가 커지고, 손실은 그 제곱에 비례해 커진다.

계산 예를 하나 든다(가상의 예). 선로 저항 R = 2\,\Omega, 유효전력 P = 3{,}000\,\text{kW}, 선간전압 V = 22.9\,\text{kV}일 때 역률이 0.8에서 0.9로 오르면 전류는 I_{0.8} = \dfrac{3\times10^{6}}{\sqrt{3}\times22900\times0.8} \approx 94.5\,\text{A}, I_{0.9} \approx 84.0\,\text{A}가 된다. 손실은 3I^{2}R로 구하며 각각 약 53.6kW, 42.4kW가 된다. 역률이 0.8에서 0.9로 오르면 손실이 약 21% 줄어드는 결과로, 상식 범위의 값이다.

5. 관련 법령·기준·표준

배전손실과 관련된 직접 기준은 손실 한도를 정한 규정보다 손실을 줄이는 설비 기준과 역률 기준이 많다. 법령 조문 번호는 확실한 것만 적는다.

역률 기준은 한국전력 전기공급약관에서 정하며, 역률 할증과 감액 제도가 운영된다. 전기설비 기준은 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 적용된다. 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체되었다.

관리 측면에서는 「전기사업법」의 계량 관련 규정과 전기 도난 처벌 규정이 비기술적 손실 대책의 근거가 된다. 조문 번호는 이 절에서 쓰지 않는다.

개정 연혁은 다음과 같이 정리된다. 2021-01-01 KEC 시행으로 설비 기준 체계가 바뀌었다. 역률 관련 요금 제도는 전기공급약관을 따르므로 약관 변경에 따라 기준이 달라질 수 있다.

외국 기준과의 비교는 이름과 개념 차이만 쓴다. 비기술적 손실은 일부 국가에서 전체 배전량의 상당 부분을 차지한다는 보고가 있으므로, 국가별 수치는 답안에 쓰지 않는다.

관련 기준 적용 순서는 다음과 같다.

• 역률 요금 기준으로 고객 측 역률을 먼저 맞춘다.
• 설비 기준(KEC)에 따라 선로 용량과 전압 편차를 확인한다.
• 계량 관리 기준으로 비기술적 손실 원인을 점검한다.

6. 유형과 비교

배전손실은 발생 원인에 따라 기술적 손실(Technical Loss)과 비기술적 손실(Non-Technical Loss)로 나뉜다. 기술적 손실은 도체 저항에 의한 손실과 철손·코로나 손실 같은 고정 손실로 다시 구분된다. 비기술적 손실은 전력도난, 계량 오류, 미계량 공급이 주된 원인이다.

위 표는 두 손실의 원리가 근본적으로 다름을 보여준다. 기술적 손실은 설비 특성으로 설명되므로 계산과 설계로 줄일 수 있다. 비기술적 손실은 사람의 행위가 개입하므로 계량 체계와 관리 제도로 줄여야 한다.

기술적 손실은 다시 부하 의존 여부로 나눈다. 가변 손실은 선로 전류 제곱에 비례하는 I²R 손실이다. 고정 손실은 부하와 무관한 변압기 철손과 코로나 손실이다.