송전과 전력선 통신에 대해 알아보자

송전

발전소에서 생산된 전기가 수요자에게 수송되는 송배전 과정 중 발전소에서 변전소까지를 송전이라 부른다. 변전소에서 수요처까지 수송 과정을 배전이라고 한다. 넓은 의미로 배전까지 합쳐서 송전이라고 하기도 한다.

송전탑과 송전선

전기에너지의 성질, 송전

수력발전소는 물이 풍부한 산골에, 화력발전소는 유조선 등이 접안할 수 있으며 냉각수가 풍부한 항구 근처에, 원자력 발전소 또한 냉각수가 풍부한 바다 근처에 만들어지게 된다. 하지만 전기를 사용하는 수용가(공장, 빌딩, 가정 등)는 주로 도시에 집중되어 있다. 필연적으로 전기를 먼 곳까지 보낼 필요성이 생기게 된다. 수 십만kW나 되는 막대한 전력을, 수백, 수천km나 되는 먼 곳에까지 효과적으로 보내는 송전, 변전 기술이 필요하다. 전기를 사용하는 수용처(공장, 빌딩, 가정 등)에 빠짐없이 안전하게, 필요한 정도의 전기를 배급해 주기 위한 배전 기술이 필요하다. 많은 발전소에서 전력 운반 설비를 거쳐 수용가에 이르는 전력 계통 전체를, 필요에 따라 즉시 조정하며 운용해 가는 급전 기술이 필요하다.

전기는 만능 에너지원이지만 교류 전기를 저장할 수 없다는 부족한 점이 있다. 전류가 전선을 흐르는 속도는 순간적이라고 말할 수 있으므로, 발전은 소비와 거의 동시에 행하지 않으면 안 되게 된다. 전기가 이 같은 단점을 가지고 있는데도 불구하고 오늘날 사회의 모든 부분에서 쓰인다. 비교적 간단한 설비로 대량적이고 원거리 어디에나 보낼 수 있다는 장점이 저장 불가능하다는 단점을 보완하여 가능하게 되었다.

전력 손실

초기 직류 발전기로 발전하고 송전하는 직류 방식은 고전압으로 하기 힘들어 송전 중의 손실이 컸다. (기술적 한계) 교류방식은 변압기를 사용하여 간단히 전압을 올리고 내릴 수 있다. 이 때문에 직류방식은 1910년경 거의 모습을 볼 수 없게 되고, 오늘날 전 세계에 교류방식이 널리 쓰이고 있다. 발송 전에는 3상 교류가 사용된다. 3상 교류는 단상교류에 비해 같은 굵기의 전선을 사용할 때 전선량 1.15배가 된다. 선로손실은 단상에 비해 순시 전압이 일정해(적은 맥동) 줄어들고, 동일선로 손실로 하면 전선 소요량은 3/4가 되는 경제성이 있다. 3상 교류식이 회전자계가 쉽게 얻어지는 것도 큰 장점이다. 사이리스터나 인버터 등 전력전자 공학이 발달하여 손실이 적은 고압 직류송전방식이 사용되는 구간이 생기고 있다.

발전전압과 송전전압

전압을 올리려면 송전선, 애자, 철탑 등의 재질이라든가 형상을 바꾸어야 하고, 낙뢰, 염해에 의한 사고를 막고, 공기 중 코로나 방전 손실을 막을 기술, 변압기, 차단기 등 개량이 필수적이다. 발전기의 전압을 높게 하기 위해서는 이 같은 고전압에서도 철심에 감은 전기자의 코일 등의 절연이 깨지지 않도록 해야 한다. 송전전압을 높이면 같은 전력을 보낼 때의 손실이 적어진다. 가장 큰 장점은 송전선의 저항이 같다면 전력은 전압의 제곱에 비례하므로, 전압을 2배로 하면 4배의 전력을 보낼 수 있다. 대용량의 화력발전소, 원자력발전소가 생기면 이런 대전력의 수송이 중요한 문제가 된다.

교류 주파수

전 세계 대부분의 나라가 50 또는 60Hz를 채용한다. 한국은 60Hz를 채용하고 있다.

송전 선로의 표현

송전선로는 송전 거리의 길이에 따라 표현을 달리한다. 단거리(수 10km 정도) 가공 선로에서는 직렬 임피던스만을 고려한 집중 임피던스 회로로 취급한다. 중거리(수 10 ~ 100km 정도) 가공선로 및 케이블은 등가 T 회로 또는 등가 π 회로로 취급한다. 장거리(100km 이상) 가공 선로 및 케이블은 등가 π 회로 또는 분포 정수 회로로 표현한다. 직렬 임피던스 성분 Z와 병렬 어드미턴스 성분 Y가 무한히 연결된 것으로 나타낸다. 분할을 무한개로 하였을 때 형성되는 분포 정수 회로를 4단자 정수 회로로 나타낼 수 있으며 다음과 같다.

분포 정수 회로

급전망

발전소, 송전선, 변전소, 배전선 등으로 구성된 전력의 생산, 수송의 기구를 전력 계통 또는 급전망으로 부른다.

전력 소비량은 계절, 하루 중 시간에 의해서 상당히 변화한다. 공장지대는 낮 동안의 전력 사용량이 많고, 주택지나 상업지역은 초저녁 때부터 밤 사이에 전력 사용량이 훨씬 많다. 전력회사(급전망 운영자)는 변동을 잘 파악하고, 시시각각 변하는 필요 전력량을 과부족 없이 공급해야 한다. 또한 전압이나 주파수가 일정한 고품질의 전력공급을 해야만 한다.

이같이 전력 공급을 어디에서 얼마만큼 분담하느냐 하는 수요, 공급 배분은 커다란 문제이다. 이런 복잡한 운용을 위해 전력회사는 급전망 운용을 위해 급전 조작의 중추인 중앙급전 운영센터, 계통급전운영센터를 만들고, 각 발전소, 변전소 등의 운전, 정지, 출력, 전압 조정 등에 관한 지령을 내린다.

예전에는 전문가들이 오랜 경험과 조건들을 참작하여 하루의 수요 커브를 예상하고 다음 날의 발전소별 가장 경제적인 운전계획을 세웠다. 예상외의 변동으로 수요와 공급의 균형이 허물어지면 그때마다 발전소의 운전 방식을 변동하였다.

그러나 최근엔 급전망이 매우 복잡, 거대화해지고, 취급하는 전력량도 방대해져 인간의 두뇌 판단 한계에 도달하였다. 세계적으로 급전 운영센터의 자동화가 급속히 추진되었다. 급전 운영센터에는 전력 계통의 상태를 보여주는 급전반이 있고, 원격측정에 의하여 보내져 온 주요 전력 계통의 전압, 주파수, 전력량을 감시한다. 발전소, 변전소의 운전 상태, 저수지의 수위 등도 표시한다. 멀리 떨어져 있는 발전소, 변전소를 원격으로 직접 조작, 제어하는 장치도 개발되었다. 발전소, 변전소 등과 긴밀한 연락을 취할 수 있도록, 송배전선을 사용한 통신장치나 팩시밀리 장치 등도 쓰인다. 또 일시적인 부하 변동으로 주파수가 변하기 시작하면, 자동주파수제어장치(AFC)가 작동하여 주파수 조정용 발전소의 출력을 자동으로 조정한다. 변전소의 단계에서 AC,DC 변환 기술을 이용한 FACTS, HVDC 변환 설비들 등으로 주파수 조정이 가능하다.