전력공학 5강. 배전과 역률 개선
공장이 전기요금에서 역률로 벌금을 무는 이유는, 쓰지도 않은 전류를 흘렸기 때문입니다.
풀고 시작
일하지 않고 오가는 전력
교류에서 전압과 전류의 위상이 어긋나면 전력의 일부가 일하지 않고 왔다 갔다만 합니다.
유효전력 P는 실제로 일을 하는 몫이고 단위는 kW입니다. 무효전력 Q는 자기장과 전기장을 만들었다 허무는 데 쓰이며 왕복만 하는 몫으로 단위는 kVar입니다. 둘을 벡터로 합친 것이 피상전력 S이고 단위는 kVA입니다.
역률은 피상전력 중 유효전력의 비율, 즉 cosθ입니다.
전동기와 변압기처럼 코일이 든 기기는 전류가 전압보다 뒤처지는 지상 부하입니다. 공장이 전동기를 많이 쓰면 역률이 떨어지죠.
역률이 낮으면 왜 나쁠까요. 같은 유효전력을 보내는 데 전류가 더 필요합니다. 손실은 전류의 제곱에 비례하므로 크게 늘고, 전압 강하도 커지며, 변압기와 케이블 용량도 더 커야 합니다. 정작 요금으로 계산되는 유효전력은 그대로인데 설비만 커지는 셈이라, 요금 체계가 역률이 낮은 수용가에 부담을 지웁니다.
반대 성질로 상쇄하기
코일이 만든 지상 무효전력은 콘덴서가 만드는 진상 무효전력으로 상쇄합니다. 이것이 전력용 콘덴서에 의한 역률 개선입니다.
콘덴서를 어디에 다는지에 따라 효과가 다릅니다. 부하와 가까울수록 좋습니다. 무효전류가 흐르는 구간이 짧아져 그 구간의 손실과 전압 강하까지 함께 줄기 때문입니다. 변전소에 몰아 달면 요금 문제는 해결되지만 구내 배선의 손실은 그대로입니다.
다만 과보상은 해롭습니다. 콘덴서를 지나치게 달면 역률이 진상 쪽으로 넘어가 경부하 시간대에 전압이 오히려 상승합니다. 앞 강에서 본 페란티 현상과 같은 원리죠. 그래서 부하에 따라 콘덴서를 단계별로 넣고 빼는 자동 제어를 씁니다.
콘덴서에는 직렬 리액터와 방전 코일을 함께 답니다. 직렬 리액터는 고조파를 억제하고 투입 시 돌입 전류를 줄이며, 방전 코일은 전원을 끊은 뒤 남은 전하를 빼내 감전을 막습니다.
배전 방식이 정하는 것들
배전 계통의 구조에도 교환 관계가 있습니다.
수지식(방사상) 은 나뭇가지처럼 뻗는 방식입니다. 단순하고 싸지만 한 곳이 끊기면 그 아래가 전부 정전됩니다. 농촌과 저밀도 지역에 씁니다.
환상식(루프) 은 양쪽에서 전기가 들어오도록 고리를 만듭니다. 한쪽이 끊겨도 반대쪽으로 공급되므로 신뢰도가 높고, 대신 비쌉니다.
망상식(네트워크) 은 여러 회선을 그물처럼 잇습니다. 신뢰도가 가장 높지만 가장 비싸고 보호가 복잡해 대도시 중심부에 씁니다.
전압 강하와 전력 손실은 배전 방식에 따라서도 달라집니다. 같은 조건이면 단상 2선식보다 3상 4선식이 훨씬 효율적입니다. 같은 전력을 보낼 때 필요한 전선의 무게가 적기 때문이죠. 우리나라 저압 배전이 220/380V 3상 4선식인 이유입니다.