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전력 계통의 구성
전력계통은 여러 종류의 발전소(원자력, 화력, 풍력, 태양광 등), 변전소 및 이들을 연결하는 송배전 선로 등으로 구성되어 있습니다. 즉 발전소에서 전력을 생산하여 수용가인 부하에 전력을 공급하는 계통입니다.
전기 에너지의 특성
전기 에너지는 다른 공산품과는 달리 생산과 사용이 동시에 이루어지므로 저장할 수 없다는 특징을 가지고 있습니다. 최근에는 에너지 저장시스템인 ESS(Engergy Storage System)이 발전하고 있기는 하지만 아직 미비한 수준입니다. 따라서 항상 전력수요에 딱 맞는 전력을 생산해서 공급하지 않으면 안됩니다. 즉, 경제학에서 수요와 공급곡선이 맞아떨어져서 만나는 지점이 제품의 가격으로 형성되는것과 비슷하다고 볼 수 있습니다.
하지만 전력의 수요는 각 수용가에 따라 임의로 결정됩니다. 공장을 포함하여 가정까지 계절, 시간의 변화에 따라 사용하는 전력량이 달라지기 때문이죠. 이렇게 전력의 수요량은 항상 변동하고 이에 맞춰 평형이 되도록 발전 출력을 조정하여 전력을 공급하지 않으면 안됩니다. 수요에 맞춰 공급을 유지하지 못하면 계통의 균형이 깨지게 되는 것이죠.
예를들어 갑자기 부하가 증가할 경우에 발전력의 증가가 이에 따르지 못하면 수급의 균형이 깨어집니다. 그에 따른 결과로 계통의 주파수가 낮아지고(보통 한국은 60Hz), 수요의 변동은 전압의 변동도 유발시키므로 발전력과 전압을 조정하지 않으면 안됩니다.
전력 계통에 고장이 일어날 경우?
전력 계통에 고장이 발생하면 설비가 손상될 뿐만 아니라, 전력의 수급균형도 깨집니다. 만약에 단락 사고가 발생하면 고장점의 전압은 거의 0에 가까워집니다. 고장점 근방에 있는 발전기는 큰 단락전류가 흐릅니다. 그리고 그때의 발전기 출력은 회로의 저항손(I2R)밖에 안되므로 이 값은 아주 작은 값에 불과해서 출력이 거의 0에 가까워집니다.
그러나 고장점에서 멀리 떨어전 곳에 위치한 발전기는 약간의 전압저하가 있어도 평상 운전전압이 유지되므로 그 출력의 변동은 적은 편입니다.
계통에서 고장을 제거하지 않는다면?
고장점 근처의 발전기는 그 출력이 급감합니다. 발전기의 기계적 입력은 동시에 0이 될 수 없습니다. 그래서 발전기에 에너지가 축적이 되어 결국 회전수가 상승합니다. 즉 분당 회전수가 늘어단다는 것은 주파수가 상승한다는 것을 의미합니다. 고장점에서 먼 곳의 발전기는 출력의 변동이 적으므로, 주파수의 변동도 거의 없습니다.
그런데 전력계통은 크게 하나로 묶여있습니다. 계통에 연결된 모든 발전기는 같은 주파수인 60Hz로 회전하고 있습니다. 즉 동기(Synchronized)화 되어 있다는 의미이죠. 연계된 발전기의 회전수가 틀어지면 동기운전이 유지될 수 없습니다. 그냥 두면 계통에 악영향을 끼치므로 고장점은 제거되어야만 합니다.
계통을 보호하기 위한 방법?
계통을 보호하기 위해서 보호계전기(Protective Relay)를 사용합니다. 보호계전기는 사고의 제거와 사고의 영향을 경감시켜서 전력계통을 안전하게 운용할 수 있기 위한 장치입니다. 즉 보호계전기를 적재적소에 사용함으로써 전력계통의 신뢰도를 확보하는데 큰 기여를 할 수 있습니다.
다음 포스팅에서는 계통을 보호하기 위한 보호 계전 요소를 살펴보도록 하겠습니다.
