배전계통 손실경감

왜 배우는가: 배전선로에서 발생하는 전력손실은 송전 손실보다 비중이 커서, 발전원가와 설비 투자 결정에 직접 영향을 준다. 배전계통 손실경감 대책은 설계, 운용, 설비 개선을 아우르는 종합 주제라 기술사 시험에서 교시를 달리해 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제130회 3교시 5번, 제125회 1교시 9번, 제119회 3교시 5번, 제101회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

배전손실은 배전용 변전소에서 수용가까지 배전계통에서 전기에너지가 열 등으로 소비되어 공급되지 못하고 사라지는 전력량이며, 기술적 손실과 비기술적 손실로 나뉜다.

핵심 키워드

• 배전손실
• 기술적 손실
• 비기술적 손실
• 부하율
• 손실계수
• 역률개선
• 배전전압 승압
• 분산전원 연계

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 배전선로에서 보낸 전기 중 일부가 중간에 새거나 타서 없어지는 것이다. 이 중 선로와 기기의 저항, 철심의 자기 특성처럼 물리적 원인으로 생기는 손실을 기술적 손실이라 한다. 전력량계 오차, 계량 누락, 전기 도용처럼 사람과 관리에서 생기는 손실을 비기술적 손실이라 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 배전손실은 배전선로와 변압기, 개폐기 등 배전설비에서 전력이 전달되는 과정에 발생하는 전력량이다. 기술적 손실은 설비의 전기저항과 자기 특성에 따라 필연적으로 생기는 손실이다. 비기술적 손실은 계량, 요금 청구, 불법 사용 등 운영 과정에서 공급 전력이 대가로 회수되지 않는 손실이다.

기술적 손실의 주된 원인은 선로 전류의 제곱에 비례하는 동손(I²R)이다. 변압기에서는 권선의 동손과 철심의 철손(히스테리시스손, 와전류손)이 함께 생긴다. 선로에서 발생하는 전력손실은 다음 식으로 근사한다.

$P_{loss} = 3I^2R \times 10^{-3}\ \text{[kW]}$

여기서 I는 선로 전류[A], R은 선로 1상 저항[Ω]이다. 전류가 두 배가 되면 손실은 네 배가 된다. 이 때문에 부하 전류를 줄이는 대책이 손실경감에 가장 효과적이다.

비기술적 손실은 기술적 손실과 성격이 다르다. 검침 오류, 계량기 조작, 무단 결선, 계량되지 않은 공급이 포함된다. 일부 국가에서는 전체 배전 전력의 큰 비중을 차지하는 것으로 보고된다. 따라서 손실경감은 설비 개선과 운영 관리를 함께 다뤄야 한다.

부하율과 손실계수는 손실을 평가하는 핵심 지표다. 부하율은 평균 수요 전력을 최대 수요 전력으로 나눈 값이다. 손실계수는 부하 곡선 기준에서 실제 손실과 최대 부하 시 손실의 비로 정의된다. 부하율이 낮을수록 최대 부하 시 손실이 상대적으로 커지므로 손실계수는 부하율보다 작지 않게 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

배전계통은 송전계통보다 전압이 낮고 전류가 크다. 같은 전력을 보내더라도 전류가 크므로 동손이 커진다. 또 배전선로는 도시와 농촌 곳곳에 분산되어 있어 선로 길이와 변압기 수가 많다. 이 조건이 배전 단계 손실이 전체 손실의 큰 부분을 차지하는 이유다.

전력 수요는 지속적으로 늘고, 부하는 특정 시간대에 집중된다. 여름과 겨울의 최대 부하 시간대에는 선로 전류가 커져 손실이 급증한다. 설비를 무작정 증설하면 투자비가 커지므로, 기존 설비를 효율적으로 운용하여 손실을 줄이는 것이 경제적이다.

역률도 중요한 배경이다. 유도성 부하가 많으면 무효전력이 흘러 선로 전류가 늘어난다. 이 때문에 역률을 개선하면 같은 유효전력에서 전류가 줄고, 변압기와 배전선의 손실이 함께 감소한다. 역률할증제도와 같은 요금 제도도 이 원리에 따라 수용가의 역률 개선을 유도한다.