송전방식

왜 배우는가: 송전방식은 장거리 대용량 송전에서 교류와 직류 중 무엇을 택할지를 가르는 기본 판단이어서 실무 설계와 계통 계획에서 매번 검토된다. 교류 송전의 한계와 직류 송전의 장점이 함께 비교 문항으로 반복 출제되므로 원리와 판단 기준을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제125회 3교시 5번, 제96회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

송전방식은 전력을 발전소에서 수용가까지 보내는 방식으로, 교류(AC) 송전과 직류(DC) 송전으로 나뉘며 손실·거리·계통 연계 조건에 따라 선택한다.

• 교류송전(AC Transmission)
• 직류송전(HVDC)
• 전력 손실(I²R)
• 변환소(Converter Station)
• 무효전력·충전전류
• 비동기 계통 연계
• 선형 전류-전압 특성

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전기를 먼 곳까지 보내는 두 가지 방법이 있다는 뜻이다. 교류는 변압기로 전압을 쉽게 올리고 내려서 쓰는 방식이고, 직류는 전압을 올린 상태로 한 번 변환해 긴 선로를 보내는 방식이다.

정식으로 말하면 송전방식은 전력을 전달하는 전류의 형태(교류 또는 직류)와 그에 따른 설비 구성 방식의 총칭이다. 교류 송전은 3상 교류를 그대로 선로에 실어 보내며, 직류 송전(HVDC)은 송전단에서 교류를 직류로 바꾸고 수전단에서 다시 교류로 되돌리는 방식이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

교류송전은 발전·송전·배전 전 구간을 교류로 처리하는 방식이다. 변압기로 전압 변환이 간단하고 차단기·보호설비가 발달해 있다.

직류송전(HVDC)은 장거리 대용량 전력을 직류로 보내는 방식이다. 선로 양단에 변환소가 필요하며, 변환소는 교류 측 차단기·변압기·무효전력 보상장치·고조파 필터와 직류 측 설비로 구성된다.

전력 손실은 선로 저항 R과 전류 I의 제곱에 비례한다. 전압을 높여 같은 전력을 더 작은 전류로 보내면 손실이 줄어든다. 식으로 쓰면 P_{loss}=I^2R 이다(I: 전류[A], R: 선로 저항[Ω]).

무효전력은 교류 선로에서 전압·전류의 위상차로 생기는 전력으로 실제 일을 하지 않는다. 교류 선로는 선로 정전용량과 인덕턴스 때문에 무효전력이 흐르고, 이것이 송전 가능 거리를 제한한다. 직류 선로에는 이 문제가 없다.

비동기 계통 연계는 주파수나 위상이 다른 두 계통을 직류 링크로 묶는 것이다. 교류끼리 직접 연결하면 계통 안정도 문제가 생기는데, 직류 링크는 이를 막는다.

3. 등장 배경과 필요성

교류 송전은 19세기 말부터 변압기 덕분에 표준이 되었다. 그러나 송전 거리가 길어지고 전압이 올라갈수록 선로의 충전전류와 무효전력이 커져 송전 한계가 생긴다. 이 때문에 장거리 해저 케이블이나 대용량 원거리 송전에서는 교류만으로 경제성을 맞추기 어렵다.

이런 한계를 해결하기 위해 직류 송전이 연구되었다. 원리 자체는 초기 전기 역사에서 알려졌지만, 대규모 상용화는 수은 아크 밸브와 사이리스터(thyristor) 같은 전력 변환소자가 발달한 뒤에 가능해졌다. 현재 운전 중인 직류 송전 설비 대부분은 사이리스터 기반의 선형 전류 변환(LCC) 방식이다.

직류 송전이 필요해지는 대표 상황은 다음과 같다. 첫째, 수백 km 이상의 장거리 대용량 송전이다. 둘째, 주파수가 다른 계통이나 비동기 계통을 연계할 때다. 셋째, 해저 케이블로 해상 풍력 발전단지를 육상 계통에 연결할 때다. 넷째, 재생에너지 산지에서 소비지로 대량의 전력을 보낼 때다.

직류 송전에는 변환소 건설비와 전력 손실이 있다. 그래서 일정 거리를 넘어야 교류보다 경제적이 된다. 단거리에서는 변환 손실 때문에 교류가 유리하다. 이 경제적 분기 거리가 두 방식을 고르는 핵심 기준이다.

HVDC 변환소는 일반 변전소보다 넓은 부지와 많은 건설비가 든다. 따라서 장거리 이득이 변환비를 상쇄할 때만 직류 송전이 채택된다.

4. 구성요소·원리·절차

송전방식은 전력을 보내는 전기 형태에 따라 교류송전(HVAC)과 직류송전(HVDC)으로 나뉜다. 두 방식의 차이는 전력 변환 설비의 유무와 그에 따른 손실·경제성에서 드러난다. 교류송전은 변압기로 전압을 쉽게 바꿀 수 있어 발전·송전·배전 전 구간에 쓰인다. 직류송전은 교류를 직류로 변환(정류)하여 송전하고, 수전단에서 다시 교류로 역변환(인버터)하는 방식이다.

직류송전 계통의 구성요소는 다음과 같다.

직류송전의 원리는 다음과 같다. 교류는 전압과 전류가 주기적으로 방향을 바꾸므로 선로 정전용량과 표피효과에 의한 손실이 생기고, 긴 선로에서는 무효전류가 커진다. 직류는 방향이 일정하므로 이러한 손실 요인이 없고, 선로는 두 가선(양극·음극)만으로 구성할 수 있다. 반면 컨버터가 필요하므로 양단에 변환설비 비용이 든다. 선로 길이가 어느 임계 거리를 넘으면 선로 절감분이 변환설비 비용을 상쇄한다.

직류송전 설비의 절차는 다음과 같다.

• 송전단 교류를 변압기로 승압하고 교류 스위치기어를 거쳐 컨버터(정류기)에 입력한다.
• 정류기가 교류를 직류로 바꾸고, 직류 선로로 전력을 보낸다.
• 수전단 컨버터(인버터)가 직류를 교류로 역변환한다.
• 교류 측 변압기로 계통 전압에 맞추고 교류계통에 연계한다.
• 컨버터 제어계통이 전압·전류·전력 흐름을 규정하고 보호계전이 고장을 차단한다.

직류송전의 핵심 공식은 선로 손실이다. 전력 손실은 P_{loss}=I^2R 로 표시한다(I: 선로 전류[A], R: 선로 저항[Ω]). 같은 전력을 전압 V로 보내면 전류는 I=P/V 이므로 전압을 2배 올리면 선로 손실은 1/4 이 된다.

직류 선로의 무효전력 문제도 답안에 함께 쓴다. 교류 선로는 정전용량이 있어 충전 무효전력이 흐르지만, 직류 선로는 정상상태에서 이 성분이 없다. 이 차이가 장거리 송전에서 직류가 유리한 이유 중 하나다.

직류송전 설비에는 컨버터 제어와 고조파 필터가 기본이다. 컨버터는 사이리스터 또는 IGBT를 사용하며, 교류 측에 고조파와 무효전력을 보상하는 설비를 함께 둔다.

5. 관련 법령·기준·표준

직류송전과 교류송전의 설계 기준은 국내 전기설비 기준(한국전기설비규정, KEC)과 전력회사 계통 연계 기준을 따른다. 직류송전시스템(HVDC)은 국내 법령에서 별도의 조문으로 정해진 기준값이 확인된 것이 적고, 실무에서는 계통 연계 기준과 설비 제조사 시방을 함께 적용한다. 답안에서는 아래 기준 항목을 근거로 쓴다.

표 해설: 교류와 직류의 기준 차이는 전압 수준이 아니라 변환설비 유무다. 직류 선로는 손실이 적지만 변환소 비용이 든다. 따라서 설계 기준은 두 설비의 합계 비용으로 정한다.

직류송전 대지 귀로 운전은 선로 한 극이 고장일 때 대지를 귀로로 쓴다. 이때 대지 전류가 크게 흘러 매설 배관 부식을 일으킬 수 있으므로 접지극 설계가 중요하다.

개정 연혁: 한국전기설비규정(KEC)은 2021-01-01부터 시행되어 옛 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 직류송전 관련 세부 기준은 계통 연계 기준에 따라 개정될 수 있다.

6. 유형과 비교(비교표 2개 이상)

송전방식은 전류의 형태에 따라 교류송전(HVAC)과 직류송전(HVDC)으로 나뉜다. 교류송전은 변압기 승압·강압이 쉬워 전력망의 기본 방식으로 쓰이고, 직류송전은 장거리 대용량 송전과 비동기 계통 연계에 쓰인다. 두 방식의 차이는 선로 방식, 변환설비 유무, 손실 원인으로 나누어 보면 명확하다.