전력공급 계통 및 손실

1. 전력공급 계통 및 손실 한국전기연구원 김 학 만

2. 제 1장 전력공급 계통 • 전력계통 : 전기를 생산하고 수용가에게 공급하는 일련의 설비와 시스템 • 송전 : 대전력, 고전압, 장거리의 일괄수송 • 배전 : 소전력, 저전압, 단거리 수송

3. 제 1장 전력공급 계통 • 수력발전 • 열과정이 없어 효율이 좋음 • 부하 변동에 신속 대응 가능 • 조정지식, 저수지식으로 건설하여 사용

4. 제 1장 전력공급 계통 • 화력발전 • 우리나라에서 가장 많이 사용되는 발전 방식 • 원자력발전 • 기저 부하 담당

5. 제 1장 전력공급 계통 • 열병합발전 • 하나의 에너지원으로부터 열과 전력을 동시에 발생시켜 용도별로 적절히 공급하여 에너지 이용 효율의 극대화를 추구하는 시스템 • 장점 : 종합 효율이 높음 (87%)

6. 제 1장 전력공급 계통 • 에너지 이용효율 향상에 의한 대규모 에너지 절감 (20~30%) • 연료사용량 감소 및 공해방지시설의 집중관리에 의한 환경개선 • 산업 : 양질의 저렴한 에너지 공급으로 기업 경쟁력 강화 • 주거 : 24시간 연속난방으로 쾌적한 주거환경 조성 • 송전손실 감소 및 발전소 부지난 완화에 기여 • 등등 • 열병합발전 효과

7. 제 1장 전력공급 계통 • 화석에너지 고갈 문제 • 유가의 불안정 • 기후변화협약의 규제 대응 • 재생 에너지 : 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양 에너지, 폐기물에너지 (8개 분야) • 신에너지 : 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지(3개 분야) • 신재생에너지

8. 제 1장 전력공급 계통 • 태양광 발전

9. 제 1장 전력공급 계통 • 장점 • 에너지원이 청정, 무제한 • 필요한 장소에서 필요량 발전가능 • 유지보수가 용이, 무인화 가능(단독형의 경우는 주기적인 베터리 교체) • 장수명(20년 이상) • 단점 • 전력생산량이 지역별 일사량에 의존 • 에너지밀도 낮아 큰 설치면적 필요 • 설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가 • 초기투자비와 발전단가 높음 • 태양광 발전의 장,단점

10. 제 1장 전력공급 계통 • 직류송전, 교류송전 • 우리나라의 대부분 교류송전 • 제주-해남간 해저 직류송전(HVDC : High Voltage Direct Current) • 송전선로의 전기방식

11. 제 1장 전력공급 계통 • 교류계통 –교류/직류 변환 장치 –직류 송전선 –직류/교류 변환장치 –교류계통으로 구성 • 직류 송전 방식 [그림 7] 직류 송전 계통의 구성

12. 제 1장 전력공급 계통 • 발전기에서 발전한 교류전력을 변압기로 승압, 강압하여 적당한 전압으로 변환하여 사용하는 방식 • 3상 3선식 : 송전계통 일반적으로 이용, 배전에서도 고압선 및 동력용 전압선에 이용(송전 한가락당 송전 용량 가장 큼) • 3상 4선식 : 선간전압과 상전압의 이용으로 배전에서 많이 이용 • 교류 송전 방식

13. 제 1장 전력공급 계통 • 각종 전기 방식에 의한 전송 전력

14. 제 1장 전력공급 계통 • 교류 송배전 계통의 일례

15. 제 1장 전력공급 계통 • 교류 송전 방식의 장점 • 전압의 승악 및 강압이 편리 • 교류방식으로 회전자계 발생이 용이 • 교류방식의 일관된 운용으로 편리하며 합리적인 사용이 가능 • 직류 송전 방식의 장점 • 송전효율을 극대화 • 송전 안정도 향상 • 직류에 의한 계통 연계는 단락 용량이 증대하지 않아 교류 계통의 차단 용량이 줄어듬 • 절연계급이 감소 • 비동기 연계가 가능하므로 주파수가 다른 계통간의 연계가 가능 • 직,교류 송전 방식의 비교

16. 제 1장 전력공급 계통 • 직류 송전 방식의 단점 • 전력차단이 곤란 • 고가의 변환설비 및 조상설비가 필요하며 운전실적이 없어 기술인력 확보가 곤란 • 변환기에서 고조파가 발생하여 필터 및 차폐장치의 설치가 필요 • 직,교류 송전 방식의 비교

17. 제 1장 전력공급 계통 • 제 22조(공급방법) • 한전은 1전기 사용계약에 1공급 방식, 1공급 전압, 1인입 및 1계량으로 전기를 공급한다. • 다만, 부득이한 경우에는 인입 또는 계량방법으로 달리할 수 있다. • 전력공급 전압(전기공급약관) • 제 23조(전기공급방식, 공급전압) • 고객이 새로 전기를 사용하거나 계약전력을 증가시킬 경우의 공급방식 및 공급전압은 1전기사용장소내의 계약전력 합계를 기준으로 다음 표에 따라 결정하되, 특별한 사정이 있는 경우에는 달리 적용할 수 있다. 다만, 고객이 희망할 경우에는 아래의 기준보다 상위전압으로 공급할 수 있다.

18. 제 1장 전력공급 계통 • 전력공급 전압(전기공급약관) - 계속 • 1전기사용장소가 2이상의 전기사용계약단위로 구분되고 각각의 계약전력이 100kW 미만으로서 그 계약전력의 합계가 150kW 미만일 경우에는 저압으로 공급할 수 있다. 다만, 아파트의 경우에는 고객과 한전이 협의하여 결정한다.

19. 제 1장 전력공급 계통 • 병렬운전 필요성과 장점 • 공급의 신뢰성 향상 • 발전기 및 부속 설비의 정기 예방점검 등 필요에 따라 설비 점검과 정비 가능 • 시간대 또는 계절별 수용가의 부하에 맞추어 운전대수를 조합하여 경제적이고 효율적인 운전 가능 • 가능한 지역 부하에 근접한 발전량을 가까운 발전기에서 공급하도록 하여 장거리 송전에 따른 손실을 줄이고 안정성을 향상 • 정전대책 –발전기 병렬 운전

20. 제 1장 전력공급 계통 • 병렬운전 조건 • 상황 : 발전기 2가 병렬로 운전하고자 하는 상황 • 조건을 갖추지 않은 상태에서 차단기를 닫는다면 양쪽에 큰 충격 발생 • 정전대책 –발전기 병렬 운전

21. 제 1장 전력공급 계통 • 다음 운전조건을 만족시켜야 함 • 발전기의 단자전압이 같을 것 • 상회전 방향이 같을 것 • 병입 위상이 일치할 것 • 주파수가 같을 것 • 정전대책 –발전기 병렬 운전

22. 제 1장 전력공급 계통 • UPS : Uninterruptible Power Supply • 전원 공급 구성 • 입력정상 : 전원입력(AC) -> AC/DC(컨버터동작) -> 배터리 충전과 동시에 인버터에 DC 공급 -> DC/AC(인버터동작) -> 출력공급 • 정전시 : 배터리에서 인버터로 DC공급 -> DC/AC(인버터동작) -> 출력공급 • 정전대책 –무정전시스템(UPS) • 적용 • 교류전원을 무정전으로 사용하고자 하는 경우 : 순간정전 대비 • 입력전원의 장해로 직접적인 전원사용이 어려운 경우 : 전원불안정 • 교류입력이 없는 곳이나 상태에서 사용하고자 하는 경우 : 이동

23. 제 1장 전력공급 계통 • UPS의 종류 • On-line 방식 • Off-line 방식 • 정전대책 –무정전시스템(UPS)

24. 제 1장 전력공급 계통 • On-line 방식 • 정상적인 교류입력전원을 공급받아 내장된 배터리 충전 및 인버터 상시 동작시켜 비상시 무순단으로 전력을 공급하는 방식 • 주로 대형 UPS에 적용 : 대형 전산실, 공장자동화의 양질 전원공급 등 • 주로 이 방식 사용 • 정전대책 –무정전시스템(UPS) • 장점 • 안정적 전원 공급 • 양질 전원 공급 • 일정 출력전압공급(AVR기능) • 입력 서지, 노이즈 차단 • 출력단락, 과부하 등에 대한 보호회로 내장 • 단점 • 회로구성 복잡, 기술력 요구 • 효율이 Off-line 보다 떨어짐 (전력소모 많음) • 외형, 중량이 커짐 • 고가

25. 제 1장 전력공급 계통 • Off-line 방식 • 정전시 또는 입력전원이 허용치보다 낮을 경우에 작동 • 주로 소용량에 사용되는 방식 • 정전대책 –무정전시스템(UPS) • 장점 • 효율이 높음(전력소모 적음) • 회로구성 간단, 내구성 높음 • On-line에 비해 저가 • 소형화가 가능 • 상용 입력시에는 전자파(노이즈 포함) 발생이 적음 • 단점 • 정전 시에는 순간적인 전원의 끊어짐 발생(일반적 PC 문제없음) • 출력 전압 조정 기능 없음 • 입력전원과 동기가 되지 않아 정밀급 부하에 부적합

26. 제 1장 전력공급 계통 • UPS 용량 계산 - 소용량 • 750kVA : 17인치 이하 모니터 + 펜티엄 본체 • 1kVA : 21인치 이하 모니터(2대) + 펜티엄 본체(2대) • 3kVA : 5~10 user용 서버 본체 및 모니터 • 5kVA : 중소기업의 서버용 모니터 + 본체, 소규모 전산실 서버용 • 정전대책 –무정전시스템(UPS)

27. 제 1장 전력공급 계통 • UPS 용량 계산 - 간단한 계산방법(컴퓨터 전용부하) • 팬티엄 및 팬티엄급 서버 : 250W • 모니터 : 15인치 기준 100W • 잉크젯 프린터 : 50W • 레이저 프린터 : 1kW • 예) 펜티엄 서버 및 컴퓨터 10대, 프린터 4대 부하에 대한 UPS 용량 1) (10*350W) + (4*50W) = 3700W 2) 3700W/0.8 (부하측 역률 : 일반적인 수치) 3) 4.625kVA *1.3(여유율) 4) UPS 용량 : 7.5 kVA • 정전대책 –무정전시스템(UPS)

28. 제 1장 전력공급 계통 • 중, 대용량 UPS 용량계산 총부하(PC 등 후면에 기록된 Watt의 총합) 0.8 (부하측 역률 : 일반적인 수치) = 총사용량 (단위 : VA) • 사용 가능한 UPS 용량(VA) = 총사용량 * A • A : 부하에 대한 예비율 및 사용내구성 환산 수치 - 전산시스템에 사용하는 경우 : 1.5 - 공장자동화의 MAIN 전원에 사용하는 경우 : 1.6 - 비상시 비상용 전등부하에 사용하는 경우 : 1.3 - 기타 무인 장비의 부하에 사용하는 경우 : 1.5 • 상기 수치는 절대적인 수치가 아니므로 사용자에 따라 +0.1~0.3을 추가하는 경우도 있음 • 정전대책 –무정전시스템(UPS)

29. 제 1장 전력공급 계통 • 일반적인 UPS 용량 • 0.5, 0.75, 1, 2, 3, 5, 7.5, 10, 15, 20, 30, 50, 100, 150, 200, 300, 500 kVA • 정전대책 –무정전시스템(UPS)

30. 제 2장 전력공급 손실 • 전력계통에서의 송배전손실 : 송전거리, 송전 용량에 영향을 주는 전원의 입지 및 구성비, 전압에 관계하는 수용구성과 송배전 전압, 역률에 관계하는 부하상태와 부하율, 배전방식 등에 따라 좌우 • 전력손실의 경감은 동시에 전압강하, 따라서 전압 변동의 경감과 직결 -> 적당한 대책, 경제적 검토 • 전력손실 : 송배전 선로의 옴손, 변압기의 동손과 철손으로 크게 나누어지며, 또한 조상기기의 손실, 케이블의 유전체손, 송전선의 누설전류손 및 코로나손 등이 있음 • 송배전손실

31. 제 2장 전력공급 손실 • 옴 손(전력손) Pc = NI2R [W] 여기서, R : 전선 1가닥당의 저항[Ω] I : 부하 전류 [A] N : 전선의 가닥수 (2선식 N=2, 3선식 N=3) • 시간 T[H] 내의 전력 손실량 Wc[Wh] Wc = NI2RT [Wh] • 시간에 따라 전류가 변동할 경우 전력 손실량 We = R(I21t1 + I22t2 + ….. + I2xtx) 여기서 N=1로 가정 • 최대 전류를 Im라 하고 총시간 T, 손실계수를 H Wc = RI2mTH [Wh] • 옴손

32. 제 2장 전력공급 손실 • 철손, 동손으로 나누어짐 • 철손 : 부하의 유무에 관계없이 전압만 인가되고 있으면 발생하는 손실로 무부하 손실이라 함. • 동손 : 부하전류에 의한 권선의 I2R 손으로서 부하가 변동하면 전류의 제곱에 비례해서 증감하게 되며, 보통 부하손이라고 함 • 변압기는 회전부분이 없어 기계적 손실 없어 일반 회전기에 비해서 효율이 좋은 편으로 보통 5kVA 정도의 소형의 것이라도 효율을 96% 정도이며, 10,000 kAV 이상의 대형이 되면 99% 이상 • 변압기 손실

33. 제 2장 전력공급 손실 • 실측효율 : 입력, 출력의 실측 값으로부터 계산 • 규약효율 : 일정한 규약에 따라 결정한 손실 값 • 변압기 효율(1)

34. 제 2장 전력공급 손실 • 전일효율 : 부하가 변동할 경우 효율을 종합적으로 판단할 때 사용 • 변압기 효율(2) 여기서, Pd : 1일 중의 출력 전력량[kWh] Pi : 변압기의 철손 [kW] Pcd : 변압기의 동손(1일 중의 손실 전력량) [kWh]

35. 제 2장 전력공급 손실 • 손실전력량은 부하와 관계없이 일정한 철손 전력량과 부하의 제곱에 비례하는 동손 전력량이 있음 • 철손을 Wi[kW], 전부하 동손을 Wc[kW], 변압기의 정격 용량을 P(kW=kVA (역률이 1.0일 경우))라고 하면 1일(24시간)의 손실 전력량은 • 변압기 효율(3) 동손 전력량 • 주의 : 동손을 계산할 때 변압기의 정격용량은 [kVA]로 표현해야 함, 가령 역률 0.8의 부하 8[kW]는 8/0.8=10[kVA], 따라서 변압기 용량 10[kVA]가 이때의 100% 부하로 됨

36. 제 2장 전력공급 손실 • 설비의 형성 측면 • 고전압 채용 (송전전압 승압) : 고전압으로 전류 감소, 송전선의 저항손 감소 • 송전선의 신설, 회선의 증가, 전선의 굵기 증가 : 전력손실경감과 공급능력 확충 효과, 경제성 고려 • 부하중심지에서의 고전압 도입 : 154, 345kV급의 고전압계통으로 소요전력을 부하중심지까지 직접 전송하여 송전손실감소 효과 • 조상설비의 적정배치 : 전력용 콘덴스, 분로 리액터 등의 조상설비 등 설치로 무효전력의 배분을 통한 전력손실 경감 • 송전계통의 손실 경감

37. 제 2장 전력공급 손실 • 계통의 운용 측면 • 전력 손실 경감을 위한 계통 구성 : 루프화, 단, 단락용량 증대에 주의 • 고전압 운용 : 변압기 탭 등으로 전압 높게 운용하여 전류 감소시켜 손실저감 • 송전선의 무효전력의 관리 : 무효전력 흐름 0이 되도록 조상설비로 조정 • 변압기 운전대수의 감소 : 변압기 동 손은 부하전류의 제곱에 비례하여 증가하고 그 외에 냉각장치의 손실도 있음. 일반적으로 복수의 변압기로 병렬 운전하는 변전소 많으므로 변전소 부하 감소 시 운전대수를 감소하여 손실 경감 • 송전계통의 손실 경감

38. 제 2장 전력공급 손실 • 설비의 형성 측면 • 배전선로의 신설 혹은 전선굵기의 대형화 : 변전소를 신설하여 배전선을 신설, 분할, 긍장의 단축을 행한다. 회선수를 증가하거나 전선을 굵게 하여 선로저항을 감소시켜 전력손실 감소 • 배전 전압의 승압 : 부하전류의 감소는 제곱의 크기로 손실 감소 • 역률 개선용 콘덴서의 설치 : 배전설비는 부하를 포함하여 유도성을 지고 있기 때문에 콘덴서를 설치하여 무효전력 감소시켜 손실전력 경감 • 저손실 주상용 변압기의 채용 : 변압기 철심에 아몰퍼스 재료를 채용한 변압기 채택(철손이 종래형에 비해 ¼정도) • 그 외의 경감 방법 : 전류의 평균화, 주상변압기 위치 적정화, 네트워크 방식 등의 채용에 의한 손실경감 • 배전계통의 손실 경감

39. 제 2장 전력공급 손실 • 계통의 운용 측면 • 배전자동화에 의한 손실저감 : 컴퓨터를 이용한 배전 손실의 계산을 수행하여 손실이 적은 계통 구성으로 변경하여 운용 • 역율 개선용 콘덴서의 적절한 운용 : 배전용 변전소나 수용가의 역율 개선용 콘덴서를 적절하게 조정하여 배전선의 무효전력을 감소시킴 • 배전계통의 손실 경감

40. 제 2장 전력공급 손실 • 가장 큰 손실 : 전동기에서 발생하는 손실 • 전동기의 손실 : 전기자계에 의한 손실과 기계적인 손실] • 전기자계 손실 • 철손 : 히스테리시스손과 Eddy Current 손실로 주파수와 재질에 의해서 결정 • 동손 : i2R에 해당되는 손실로 효율향상이 쉽지 않음 • 기계적인 손실 • 기계마찰과 관계되는 손실 • 전기자계 손실 최소화 방법 • 철손의 경우는 철심을 얇게 하고 좋은 재료를 사용하여 주파수와 자속밀도에 관련된 손실을 줄이는 것이 가능함 • 동손의 경우 코일의 감는 수를 늘여서 저항을 줄이는 방법이 가능하나 동손을 줄이기 쉽지 않음 • 수용가 계통의 손실 경감

41. 제 2장 전력공급 손실 • 손실 최소화를 위한 현실적인 대안 • 동손, 철손을 줄인 고효율 전동기의 사용은 효율이 85%인 일반적인 전동기보다 효율이 3~4% 향상된 고효율 전동기의 사용이 손실측면에서 유리(비용이 고가) • 최적 운전점 운전을 통한 효율 향상이 바람직함. 최적 운전점 운전은 정격 운전을 의미하며, 적용대상에 따라 정격 운전이 가능한 용량의 전동기 사용이 바람직함 • 수용가 계통의 손실 경감