전력선 유도장해

왜 배우는가: 전력선과 통신선이 병행하는 구간에서 정전유도와 전자유도로 통신 회선에 잡음과 전압이 생기는 문제는 송배전 설계에서 가장 흔히 다뤄지는 장해다. 지락고장 시 전자유도가 크게 커지기 때문에 사고 조건까지 고려한 설계가 필요하고, 그래서 시험에서 반복 출제된다. 개념과 원리를 먼저 잡아야 경감대책 설명이 자연스럽게 이어진다.

출제 이력: 제132회 2교시 6번, 제120회 2교시 3번, 제114회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 전력선 유도장해는 전력선과 통신선이 근접할 때 전력선의 전압·전류 변화가 통신선에 정전유도 또는 전자유도 전압을 발생시켜 통신 회선에 잡음·전압을 일으키는 현상이다. 전력선이 통신선에 전압과 전류를 유도시키는 장해

• 유도장해
• 정전유도
• 전자유도
• 기유도 전류(3I0)
• 상호정전용량(Cm)
• 상호인덕턴스(M)
• 차폐선

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전력선 옆에 놓인 통신선이 전력선의 영향을 받아 원치 않는 전압을 갖게 되는 것이다. 전력선에 흐르는 전압이 공간의 전기장을 만들면 통신선에 전하가 유도되고, 전력선에 흐르는 전류가 자기장을 만들면 통신선에 유도 기전력이 생긴다. 두 경우를 나누어 보면 원인과 대책이 분명해진다.

정식 정의로 정리하면, 정전유도는 중성인 도체 근처에 대전체가 있을 때 도체 표면에 대전체와 다른 전하가 나타나 도체가 대전되는 현상이다. 전력선과 통신선 사이에서는 전력선 전압에 의해 통신선에 정전유도전압이 나타나는 장해를 말한다. 정전유도에서는 두 도체 사이의 정전용량 관계가 핵심이다.

전자유도는 전력선에 흐르는 전류가 만드는 자기장이 통신선과 쇄교하여 통신선에 기전력을 만드는 현상이다. 평상시 3상 평형이면 영상분 전류가 없어 유도 장해가 거의 없고, 지락고장 때 흐르는 기유도 전류(3I0)가 주된 원인이 된다. 전자유도는 상호인덕턴스 크기와 병행 길이, 전류 크기에 의해 좌우된다.

전자유도 전압은 개략적으로 E_m = -j\omega M \cdot 3I_0 \cdot l 로 나타낸다. 여기서 \omega는 각주파수(rad/s), M은 상호인덕턴스(H/km), 3I_0는 영상전류(A), l은 병행 길이(km)다. 정전유도 전압은 통신선 대지정전용량 C_s와 상호정전용량 C_m으로 전력선 대지전압 E가 분압되어 E_s = \frac{C_m}{C_s + C_m} E 로 나타난다. 두 식은 원리를 보이기 위한 것이며 실제 계산은 선로 상수와 병행 구간의 조건으로 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 대용량 전력을 고전압으로 송전하면서 주변에 강한 전기장과 자기장을 만든다. 통신선은 대부분 전력선과 같은 노선을 따라 설치되므로 두 설비가 가까이 놓이는 것이 일반적이었다. 이 때문에 전력 설비의 증설과 고전압화에 따라 유도장해가 커지는 문제가 드러났다.

또 배전과 송전의 차이도 배경이다. 고장 시 영상전류가 커지면 전자유도가 급격히 증가하므로, 사고 조건에서도 통신 설비를 보호해야 한다. 통신 회선에 사람이 접촉할 경우 안전 문제도 생기므로, 장해 억제는 설비 보호와 인명 안전을 함께 지키는 일이다.

요약하면 유도장해는 평상시 잡음 문제와 사고 시 위험 문제가 함께 있어, 설계 단계에서 병행 구간과 이격거리, 중성점 접지 방식을 함께 정해야 하는 이유가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

전자유도와 정전유도는 전력선과 통신선이 근접할 때 두 가지 다른 결합 경로로 생긴다. 전자유도는 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)를 통해 전력선의 전류가 통신선에 유도기전력을 만든다. 정전유도는 상호 정전용량(Mutual Capacitance)을 통해 전력선의 전압이 통신선에 분압되어 나타난다. 두 현상의 구성요소를 표로 나누어 보면 원인과 결합 경로가 분명해진다.

표 해설: 전자유도는 전류 크기와 병행 길이에 비례하므로 전류를 줄이는 것이 근본 대책이다. 정전유도는 전압에 의해 결정되므로 통신선 차폐 접지가 가장 직접적인 대책이다.

원리는 다음과 같다. 전력선에 1선 지락이 생기면 영상분 전류 3I0가 대지로 흐른다. 이 전류가 병행 구간의 통신선에 유도전압을 만든다. 평상시 3상 평형이면 3I0가 0이므로 전자유도 장해는 거의 없다. 정전유도는 전력선 전압 E가 통신선의 대지 정전용량 Cs와 상호 정전용량 Cm에 의해 분압되어 통신선에 나타난다.

• 전자유도는 지락 시 영상분 전류(3I0)가 원인이고, 정전유도는 전력선 대지전압이 원인이다.

정전유도 전압의 계산 원리는 다음 분압식으로 설명한다.

$E_s = \frac{C_m}{C_m + C_s} \, E$

여기서 E_s는 통신선의 정전 유도전압(V), E는 전력선의 대지전압(V), C_m은 전력선과 통신선 사이 상호 정전용량(F), C_s는 통신선의 대지 정전용량(F)이다. 통신선이 차폐 접지되지 않은 경우에 성립한다.

전자유도 전압은 다음 식으로 나타낸다.

$E_m = -j\omega M l \, 3I_0$

여기서 E_m은 통신선 유도전압(V), \omega는 각속도(rad/s), M은 단위 길이당 상호 인덕턴스(H/m), l은 병행 길이(m), 3I_0은 영상분 전류 3배(A)이다.

절차는 다음과 같이 진행된다.

• 병행 구간 길이 l과 이격거리를 확인한다.
• 평상시와 지락 시 영상분 전류 3I0를 계산한다.
• 상호 인덕턴스 M과 상호 정전용량 Cm을 구한다.
• 위 식으로 전자유도와 정전유도 전압을 각각 산정한다.
• 허용값과 비교하여 저감대책(차폐선, 케이블화, 전류 제한)을 선택한다.

5. 관련 법령·기준·표준

전력선 유도장해는 전기설비 관련 기준과 통신 측 허용 기준에서 다룬다. 현행 기준 체계는 전기 설비는 한국전기설비규정(KEC), 전기 설비 기술기준은 전기사업법 체계에 따른다. 유도장해 관련 세부 허용값은 아래 표에 정리한다.

표 해설: 차폐선과 케이블화는 정량적 저감 효과가 있는 대책이다. 중성점과 고조파 억제는 발생원 자체를 줄이는 대책이다.

관련 기준의 요점은 다음과 같다. 전력선 측 기준은 전기설비 기술기준과 한국전기설비규정(KEC)의 접지와 중성점 조건을 따른다. 통신선 측 허용 기준은 통신 설비 관련 법령과 전기통신설비 기준에서 정한다. 본 절에서는 수치를 확인된 저감 효과로 한정한다.

• 차폐선은 가공지선을 주로 사용하며 전력선과 통신선 사이에 평행하게 설치한다.
• 케이블 적용은 중성점 접지 선로에서 효과가 크다.
• 이격거리와 병행 길이 단축은 기본 대책이다.

6. 유형과 비교

전력선 유도장해는 유도 원리에 따라 정전유도장해와 전자유도장해로 나뉜다. 두 장해는 원인, 발생 조건, 대책이 서로 다르므로 구분해 답해야 한다.