1강 전력품질 저해요소

강의 대본

안녕하십니까? 박권배입니다. 이번 시간의 주제는요. 전력품질 저해 요소라고 하는 주제를 가지고 말씀드리도록 하겠습니다. 본문으로 들어가 봅니다. 이번 시간에 주제가 전력품질 저해요소죠. 이제 전력품질 저해요소는 두 가지로 구분을 했으면 좋겠습니다. 이렇게, 이렇게 구분을 했으면 좋겠습니다. 전통적으로 우리가 전력품질의 어떤 기준을 삼고 있는 게 있죠. 규정 전압 유지율이라는 게 있고, 그다음에 규정 주파수 유지율, 그다음에 정전시간, 이 세가지를 가지고 우리가 규정을 해놓죠. 규정 전압 유지율은 범위 내에 들어가 있다. 그다음에 주파수도 이걸 지키고 있다, 그다음에 정전시간도 1호당 연간평균 정전시간으로 우리가 평가를 하고 있는데 2018년 기준으로는 8.59분, 굉장히 우리나라의 이 정전시간에 대한 전력 품질은 굉장히 좋다. 이렇게 보면 될 것 같습니다. 이 숫자는 우리가 다른 선진국과 비교를 해봤을 때도 굉장히 좋은 숫자다 라고 생각을 하시면 좋겠습니다. 그래서 과거에는 이렇게 전압, 주파수, 정전시간만 가지고 이 범위 내에 들어오면 해당하는 범위 내에 들어오면 우리가 전력품질이 좋다라고 평가를 했다는 것이죠. 이제 근래에는 그렇지않고 추가적으로 민감한 부하들이 증가하다 보니까 이것만 가지고는 전력품질이 좋다라고 볼 수가 없는 거죠. 기기들이 이것만 가지고는 원활하게 동작을 하지 않는 그런 부분도 있다는 거죠. 그래서 새롭게 정의된 전력품질 요소들이 있다는 거죠. 그래서 이런 이야기를 하고 있습니다. 그래서 두 가지를 좀 구분을 했으면 좋겠다. 그래서 기술사 문제에서 전력품질 저해 요소를 묻는다 그러면 이걸 묻는 게 아니겠죠? 이건 이제 개요 정도로 간단하게 언급을 해주면 되는 부분이고 기사에서는 물어보는 거는 이런 것들을 물어봤겠죠. 그렇지만 이제 기술사 문제에서 여기다 물어보는 것은 뭐냐면 이런 것들에 대한 내용을 갖다가 물어보는 것이다. 라고 생각을 하시면 좋겠습니다. 그래서 우리가 만약에 이런 걸 다 잘 지키고 있어, 거기다가 고조파가 굉장히 많아. 뭐 여기 고조파라는 게 있죠. 그러면 이거는 전력품질이 좋은 것이냐 라고 우리가 지금 말할 수 있냐는 것이죠. 그렇지 않다는 것이죠. 고조파가 많다 라는 것은 이걸 다 지켰다고 하더라도 전력품질이 좋지 않다 라고 우리는 평가를 할 수 있습니다. 근래에 와서는요. 무슨 이야기인지 아시겠죠? 그래서 전력품질의 평가요소도 이것에다가 플러스 여기까지 포함되고 있다라고 하는 것입니다. 그래서 이제 하나하나 종류를 보면 이렇습니다. 순시전압 강하(Sag)라는 게 있죠. Sag라고 부르는 것이죠. 그다음에 순시전압 상승(Swell), 볼티지 스웰(Swell), 그다음에 순시정전(Interruption), 그다음 플리커(Flicker), 그다음에 고조파(Harmonics), 서지(Surge), 노이즈(Noise), 과도전압(Transient voltage), 불평형(Unbalance), 뭐 이런 것들이 뭐냐면 이런 전통적인 전력품질 기준에다 플러스알파로 우리가 검토되어야 되는 전력품질 저해 요소다 라고 보시면 좋겠습니다. 그래서 이 부분이 우리가 지금 다룰 내용이다 라고 생각을 하시면 좋겠네요. 전력품질 저해요소의 종류와 특징들에 대해서 이 표로 작성을 해봤습니다. 이 표를 작성할 때 기준을 삼은 것은 뭐냐면 IEEE 1159를 참조해서 정리를 해봤습니다. 여기 안에도 더 많은 전력품질 저해 요소가 언급이 되어있지만 실무 중에서 의미 있는 전력품질 저해 요소만 구분해서 정리를 하였습니다. 그래서 저는 한 여섯가지 정도로만 정리를 했는데요. 순시 전압저하(Sag), 중요한 부분들이죠. 그다음 순시 전압상승(Swell), Swell이죠. 볼티지 스웰, 그다음에 순시정전(Interruption), 그다음에 고조파(Harmonics), 그다음에 플리커(Flicker), 그다음에 불평형(Unbalance), 이 여섯 가지 정도로 표를 정리했습니다. 여러분도 정리할 때 중요한 것들 위주로 정리를 하시면 좋겠습니다. 여러분들 있는 거 없는 거 다 정리하려고 하지마세요. 나중에 여러분들한테 부담으로 많이 작용됩니다. 어차피 외우지도 못할 거 정리만 해놓다 보니까 과감하게 버리는 단계가 있어야 되거든요. 그래서 여러분들이 이렇게 깔끔하게 좀 정리를 해놓으면 빨리 이걸 습득하고 시험장에 가서도 이 정도만 써주셔도 우리가 시험장에서 25점 맞으려고 시험 보는 거 아니거든요. 이 시점에 가까운 점수를 맞으려고 노력하면 된다. 이렇게 생각하시면 되겠습니다. 그래서 항상 완벽하려고 하면은 오히려 그게 더 큰 부담으로 작용된다. 이렇게 생각을 하시면 좋겠습니다. 그래서 중요한 것을 여러분들이 선택할 수 있는 것이 굉장히 중요하다. 정리를 할 때는요. 그래서 이제 Sag는 굉장히 중요하죠. 볼티지 새그, 또는 볼티지 딥 이렇게 부르는 거죠. 이런 것들이 어떤 파형으로 나타나는 지를 먼지 보도록 하겠습니다. 뒤에 나와있는 참조자료로 한 번 넘어가서 봅니다. 이게 이제 정상적인 우리가 정형파, 전압이면서 파형이죠. 그렇죠? 볼티지 새그같은 경우는 그것보다 순시 적으로 좀 낮아지는 부분이죠. 어느 정도 좀 낮아졌을 때 우리가 Sag다 이렇게 부르는 거죠. 다른 말로는 볼티지 딥이다 이렇게 부르는 거예요. Swell 같은 경우는요. 이게 약간 상승하는 것이죠. 이게 약간 이거하고 이거 개념은 반대죠. Sag는 약간 정상보다 전압이 좀 떨어지는 걸 Sag라고 이야기하고 그다음에 전압이 살짝 올라가게 되면 뭐예요? Swell이다 이렇게 부르는 겁니다. 그리고 전압이 끊긴 거죠. 그럼 Interruption이라고 불러요. 그럴 때 여기서 다루는 것은 뭐냐면 정전이 아니라 순간적으로 끊긴거다. 아주 짧은 시간만 끊긴 거죠. 그래서 순시정전으로 이야기하는 겁니다. 우리 전통적인 의미에서 정전과 순시정전은 좀 구분이 된다 라고 보시면 좋겠습니다. 아주 짧은 시간 동안만 정전이 나타난 것을 Interruption이라고 표현했습니다. 그다음에 Surge, Surge같은 경우는 뭐 나노 세컨드, 또는 마이크로 세컨드의 아주 짧은 시간 동안 강하게 나타나는 것 갖다가 우리가 Surge라고 이야기를 하죠. 그다음에 고조파(Harmonics)는 파형이 이렇게 왜곡되는 걸 갖다가 고조파라고 이야기를 하죠. 먼저요. 볼티지 새그부터 보도록 하겠습니다. 순시 전압 저항(Sag)입니다. 순시라는 표현을 썼기 때문에 굉장히 짦은 시간동안 나타나는 현상이다 이렇게 우리가 이야기를 할 수가 있는 거죠. 이 IEEE 1159에 따르면 그 시간적인 범위를 세 단계로 구분을 해놨는데요. 이 표는 그중에서 Instantaneous, 가장 짧은 시간 범위로 표현을 해놨습니다. 전압의 크기를 보면 이렇게 작아졌다는 거죠. 1(pu)가 이제 기준이니까 그것보다 작아진 건 0.9(pu)부터 그다음에 0.1(pu)정도로 작아졌을 때는 우리는 Sag가 발생됐다. 그런데 지속시간이 얼마정도를 볼티지 새그라고 부르냐? 그러면 이 기준이에요. Instantaneous 기준이에요. 0.5~30cycle을 지속했을 때 우리는 볼티지 새그가 나타났다. 이렇게 부르는 겁니다. 전압은 이 정도 떨어졌을 때를 기준으로 하는 겁니다. 그러면 이 볼티지 새그가 발생하는 주요 원인은 뭐냐? 이 볼티지 새그 같은 경우는 다음 시간에 이것만 하나의 주제로 다룰 거기 때문에 다음 시간에 집중적으로 이 부분을 말씀드리도록 하겠습니다. 급격한 부하 증가, 그렇죠? 전류가 증가하게 되면 전압강하가 증가되니까 그걸로 인해가지고 전압이 떨어지는 그런 일반전인 현상이죠. 그리고 타 선로에서 고장이 났다. 뒤에 가서 잠깐 이 부분을 설명을 드리도록 할게요. 그다음에 대형부하가 기동했다. 대개 모터 부하들인데 기동할 때 정격전류의 특히, 다섯 배 여섯 배씩 흐르다 보니까 그거에 의한 전압강하가 굉장히 크게 발생하죠. 그때 전압이 확 떨어지는 그런 부분이 생기죠. 콘덴서를 투입할 때도 마찬가지죠. 독립 전류가 흐르니까 그때의 전압강하 때문에 순시적으로 전압이 떨어지는 현상이 발생할 수 있는 거죠. 이런걸 볼티지 새그다 라고 부르는 겁니다. 그다음에 이제 순시 전압상승(Swell), 볼티지 스웰이죠. 전압이 조금 올라간 거죠. 그러니까 기준보다 10% 더 상승한 데서부터 80% 상승한 영역까지를 우리가 Swell의 전압의 크기 범위로 봐주는 거고요. 그다음에 지속시간 같은 경우는 Sag랑 동일한 조건입니다. Instantaneous 기준으로 보면요. 이것이 발생한 원인은 뭐냐? 전압이 조금 상승할 수 있는 원인은 뭐냐면 부하가 감소됐다. 이게 증가가 아니라 감소되면 어떻게 돼요? 오히려 전압이 좀 상승할 수 있는 원인이 되는 거고, 1선 지락이 발생했다 그러면 어떻게 돼요? 뭐 건전상 전압이 조금 올라가는 그런 문제가 있죠. 뭐 부정확한 ULTC 탭선정이나 이것도 뭐 얼마든지 가능한 거죠. 그다음에 전력용콘덴서의 과보상 때문에 전압이 좀 올라가는 부분이 있죠. 그다음에 페란티 현상이 발생하는 것도 전압이 올라가는 데 기여를 하게되고 그다음에 철공진도 그쪽, 직렬공진을 통해서 전압이 좀 올라갈 수 있는 원인이 되는 거죠. 그다음에 순시정전(Interruption)이라는 게 있는데요. 전통적인 의미에서의 정전과는 좀 구분이 된다는 거죠. 롱타임 정전이 아니라 아주 짧은 시간 정전은 그것과 좀 구분해서 보고 있다. 라고 보시면 좋겠습니다. 전압의 크기, 우리가 정전됐다고 하면 전압이 이제 0V라고 생각할 수 있는데 이제 그게 아니라 여기같은 경우는 기준상으로는 0.1(pu) 이하면은 우리가 정전된 걸로 보자 라는 거죠. 기준입니다. 이 기준에 따르면 그렇다는 겁니다. 그래서 지속시간은 뭐 동일하게 적용을 했습니다. 얘들과요. 그다음에 순시정전이 발생하는 주요 원인들은 뭐냐? 배전선로 같은 경우는 재폐로 차단기했죠. 리클로져와 같은 재폐로 차단기들이 있죠. 얘네들이 이제 동작을 했을 때 뭐냐면 순시정전이 발생할 수 있죠. 끊었다가 다시 연결했다가, 끊었다가 연결했다 그러면서 뭐예요? 끊어지는 그 순간이 뭐냐면 순시정전에 해당되는 그런 상황이다 라고 보시면 좋겠습니다. 그다음에 단락고장이 발생했다. 단락고장이 발생하면 고장 지점에서 그 완전 단락과 같은 퍼펙트한 단락이 발생했다. 즉 뭐냐면 고장 지점에서 거의 0V에 가까워지죠. 그 고장 지점과 가까운 쪽은 뭐냐면 전압이 매우 낮을 겁니다. 그래서 이런 조건에 만족하는 상황이 있을 수가 있습니다. 그러면 이거는 뭐냐면 순시정전과 같은 상황이 될 수가 있는 거죠. 그다음에 자동부하 절환 시에, 이제 ALTS나 ATS 같은 경우죠. ALTS 같은 경우는 한전 전원을 이중으로 받는 거죠. 하나는 상용으로 받고 하나는 예비로 받는 거죠. 상용전원이 문제가 생기면 어떻게 돼요? 자동으로 절체를 하죠. 그런데 뭐냐면 절체할 때 무정전이 아니라 절체하는 동안에 정전이 발생해요. 수 사이클 정도 정전이 발생할 수 있습니다. 이런 부분들이죠. ATS, ATS 같은 경우는 뭐예요? 비상용 전원하고 상용전원 사이에 자동 절환 장치가 ATS죠. 여기도 마찬가지로 절환할 때 수 사이클 정도 정전이 발생 될 수 있습니다. 이제 이런 것들이 주로 순시정전의 원인이 된다. 라고 보시면 될 것 같네요. 이 부분 참조자료 가서 먼저 보도록 합니다. 참조자료를 가보면 예를 들어서요, 이게 이제 배전 선로네요. 154/22.9kV니까 여기는 이제 일반 배전 선로라고 보시면 되는데 여기에서 고장이 났다, 어떤 한 피드에서 고장이 났다 그렇게 되면 그래서 배전 선로의 재폐로 차단기가 동작을 하는 거죠. 고장 중이죠. 고장 중일 때는 전압이 좀 떨어지잖아요. 고장 중일 때는 전압이 떨어집니다. 그죠, 일반적으로 단락이 났다. 그러면 거의 0V에 가까울 거예요. 고장지점 같은 경우는. 여기가 같은 경우는 이 임피던스 때문에 전압이 좀 올라가긴 하겠지만 0.2(pu), 0.3(pu) 이런 식으로 낮아질 수가 있어요. 그래서 이제 고장의 종류에 따라서 이 전압이 결정된다 라고 보시면 되겠습니다. 3상 단락이 났을 때가 가장 낮아지겠죠. 그래서 여기는 고장 중일 때의 고장 Feeder에서의 전압이다 라고 보시면 좋겠습니다. 단락전류는 굉장히 큰 상황이라고 보시면 되겠죠. 그다음에 여기, 재폐로 차단기를 한번 끊죠. 그러면 여기는 어떻게 돼요? Interruption이 나타나죠. 이제 이 기간이 바로 뭐냐면 순시정전으로 볼 수 있는 기간이다 이렇게 보시면 좋겠습니다. 그래서 이제 이 재폐로 기기의 세팅에 따라서 여기가 뭐 2초가 될 수가 있고 0.3초가 될 수도 있고 그렇죠. 우리가 변전소에 있는 차단기 같은 경우는 0.3초, 그다음에 여기에 있는 리클로저 같은 경우는 2초, 이렇게 세팅해서 쓰고 있습니다. 그래서 해당하는 이 지연시간을 기다렸다가 재폐로를 하게 되죠. 이때 고장이 아직까지 남아있다 그러면 뭐예요? 아직까지 고장이 제거되지 않았다 그러면 고장 전류는 크게 흐를 것이고 전압은 같이 이렇게 낮은 순으로 유지가 될 겁니다. 그러고 나서 또 끊죠. 뭐 2F, 2 delay 이렇게 가져가면 여러 번 끊는 그런 과정이 나타나죠. 이런 식으로 Sag도 나타나고 Interruption도 나타나는 게 고장 Feeder의 현상이다 라고 볼 수가 있습니다. 그래서 고장 Feeder 같은 경우는 Sag도 나타나고 interruption도 나타난다고 보면 되고 인근 같은 경우는 어떻게 되냐? 이제 건전한 Feeder 같은 경우는 어떻게 되냐하면 끊어지진 않죠. 네. 끊어지진 않죠. 이렇게, 이렇게 계속 공급은 되는데 이제 여기서 뭐냐면 재폐로 하는 순간에 Sag는 같이 나타나게 될 거고요. 고장 전류가 흐르는 순간이 여기 모선 전압이, 모선 전압이 같이 떨어지게 되겠죠. 그래서 볼티지 새그는 같이 나타나게 되고 차단이 되는 순간은 정상적인 전압이 나타나고 고장이 지속되는 순간에는 인접 Feeder에 이렇게 전압이 낮아지는 그런 현상이 발생한다는 것이죠. 그래서 인접 선로에서 고장이 났을 때 건전한 Feeder들이 이렇게 Sag를 경험할 수 있는 것이 일반적인 현상이고요. 고장 Feeder 같은 경우는 자연스럽게 순시정전을 경험하고 그다음에도 고장이 제거되지 않았다. 우리가 리클로저의 시퀀스상 2F, 2 delay를 다 했는데도 고장이 제거되지 않았다. 그러면 어떻게 돼요? 영구고장이 되는 것이죠. 영구고장이 되기 때문에 여기는 lockout 시켜가지고 이제는 그냥 정전이 되는 거죠. 소위 말하면 순시정전이 아니라 뭐예요? 정전이 되는 것이죠. 그다음에 이제 고조파(Harmonics)가 있죠. 여기서 중요한 거 두 개만 뽑아라 그러면 이 두 가지를 뽑을 수가 있습니다. 고조파(Harmonics)는 매우 중요하죠. 지속 시간은 간헐적이거나 일시적으로 나타나는 게 아니죠. 계속 거기에 정상상태에서 계속 나타나게 되는 거죠. 왜곡이 나타나면 계속 나타나는 거죠. 그래서 지속시간은 그냥 정상상태로 표현을 했습니다. 기본적으로 크기 같은 경우는 기본파의 한 20% 이내 정도가 된다. 이렇게 보시면 되고요. 그다음에 주파수 범위는 우리가 고조파하고 고주파를 좀 구분하려고 하는 성향이 있거든요. 그래서 얘들 같은 경우는 수Khz 정도 수Khz 정도, 얘들 같은 경우는 수십Khz가 넘어가면 고주파로 이렇게 좀 구분하려고하는 성향이 있습니다. 그래서 우리가 고조파 그러면 기본파의 배수가 되는 정형파의 성분이잖아요. 그러니까 60Hz같은 경우는 우리가 대개 뭐냐면 50차까지 봐주거든요. 50배를 해주면 되죠. 약 3Khz, 그러니까 뭐 수Khz의 범위 내에 들어가는 것이죠. 그래서 일반적으로 이제 이 정도 까지로 이야기를 하고 있습니다. 중요한 구분이 아닙니다. 고조파가 발생되는 원인은 뭐냐? 전력전자소자 기반의 비선형 소자가 그 원인이 된다. 비선형 소자가 들어가면서부터 우리가 고조파가 발생되기 시작했다. 이렇게 보시면 좋겠습니다. 발전기는 항상 뭐예요? 정형파의 전압을 걸어주죠. 그때 뭐냐면 선형 소자다. 선형 소자면 절대 정형파가 무너질 리가 없죠. 근데 비선형 소자가 들어가면서부터 이제 전류 파형이 찌그러지게 되는 그런 원인으로 작용되는 것이죠. 그래서 비선형 소자가 원인이다. 이렇게 보시면 좋겠습니다. 이것도 마찬가지예요. 전력기기의 철심이 포화 됐다. 즉 철심이 포화되는 순간부터 뭐냐면 이게 이제 비선형 속으로 바뀌는 거거든요. 이런 부분들입니다. 이거죠. 비선형 부하의 등장으로 인해가지고 고조파가 발생하게 됐다. 전력 전자 소자들은 기본적으로 다 비선형 소자다 이렇게 보시면 돼요. 그래서 근래에는 전력 전자소자를 안 쓰는 데가 오히려 드물죠. 그래서 뭐냐면 전력 전자소자 기반의 어떤 제어 소자들이 많이 사용되는 근래에는 오히려 과거보다 고조파는 점점 증가하고 있는 추세다. 이렇게 보시면 되겠죠. 플리커(Flicker)는 이 전압 변동의 또 다른 어떤 방식이다 라고 보시면 좋을 것 같아요. 그래서 얘 같은 경우는 뭐냐면 전압이 커졌다 작아졌다를 주기적으로 나타나기 때문에 우리가 느끼는 그런 문제들이죠. 그래서 주로는 뭐냐면 불빛이 밝아졌다, 어두워졌다, 밝아졌다, 어두워졌다를 갖다가 이게 저주파로 나타나다 보니까 그게 이제 눈에 보이는 거죠. 그게 이제 거슬리는 거죠. 그런 현상을 우리가 플리커(Flicker)라고 이야기를 합니다. 그래서 지속시간은 간헐적이라고 이렇게 표현을 했죠. 그래서 이제 빈번한 부하 변동이 나타나는 애들, 뭐 아크로나 압연기, 썼다, 말았다, 썼다, 말았다를 계속 반복하게 되면 이제 주변에서 그 플리커(Flicker) 현상을 느끼는 것이죠. 전압이 계속 지속적으로 커졌다, 작아졌다, 커졌다, 작아졌다를 그 반복 주기가 굉장히 빠른 게 아니라 굉장히 느리게 나타난다는 거죠. 이런 식으로. 25Hz 이하로 그 변동이 나타나게 되면 우리가 쉽게 느낄 수 있는 주파수 범위가 된다 라고 생각하시면 되겠습니다. 그래서 불빛같은 경우는 사람을 짜증나게 만드는 그런 요소로 작용되는 게 플리커(Flicker) 현상이다 라고 보시면 좋겠습니다. 그다음에 계통 동요가 나타나게 되면 또 이런 현상이 발생할 수 있다고 이야기를 합니다. 그 다음에 불평형(Unbalance)이라고 하는 요소도 있습니다. 우리 잘 알고 있어요. 3상 불평형입니다. 지속시간은 정상상태였고요. 이제 쭉 간헐적으로 나타나는 게 아니라 쭉 지속적으로 나타날 수 있는 그런 현상이죠. 그다음에 이제 전압의 크기는 한 이 정도 범위로 표현을 해놨습니다. 그다음에 발생하는 원인은 전원 자체가 불평형이거나 그다음에 부하 자체가 불평형이거나 아니면 선로 자체가 불평형인 경우에 불평형이 나타날 수 있죠. 그래서 일반적으로 불평형이 아닐 수가 없죠. 전원은 잘 만들었다고 치더라도 부하가 좀 불평형일 수도 있는 것이고 부하와 임피던스 각각 다를 수가 있죠. A상, B상, C상이요. 그다음 선로의 임피던스도 사실 조금 조금씩 차이가 나죠. 그래서 불평형이라는 것은 조금씩은 있는 거죠. 근데 그 범위가 너무 커지지 않도록 우리가 운영하는 걸 목표로 하고 있죠. 그리고 이제 단상기기의 전력량 불평형이다. 우리가 3상, 4선식 같은 경우는 즉 저압 부하와 같은 경우는 단상 부하들을 뽑아 쓰지 않습니까? 그것들에 대한 전력량의 불평형때문에 나타나는 불평형이 가장 큰 원인이다 라고 볼 수가 있는 것입니다. 이번 시간에는요. 전력품질 저해 요소들에 대해서 알아봤습니다. 그러면 다음 시간에 뵙겠습니다.