전기란 전선을 타고 흐르게 되는데, 어떤 종류의 전선이건 전선에는 저항이 있기 때문이다. 이 저항 때문에 전선에는(송전선전류)²×(전선의 저항)
이라는 열 손실이 발생하는데, 보내고자 하는 전력(전압×전류)이 수십만[k]에서 수백만[kW]이 이르면, 전류도 엄청나게 커져서 잘못하면 전력의 대부분이 이 전선에서 열 손실로 없어질 수가 있다.
여기서 전압을 높여주면, 그와 반비례해서 전류는 작아지고, 열 손실은 작아진 전류의 제곱에 비례해서 줄어들기 때문에, 송전전압을 높여준다는 것은 절대적으로 필요한 것이다.
이러한 이유로, 일반적으로는 발전소의 구내에 변압기(승압용 변압기)를 설치해서 장거리 송전에 어울리는 적당한 수준의 전압, 곧 154~345 [kV] 또는 그 이상의 초고압(우리 나라에서는 765[kV])으로 송전단 전압을 승압하고, 이것을 송전선로를 통해 송전용 변전소나 수용가 부근의 변전소에 일괄해서 송전하게 된다. 부하에 따라서는 직접 이 높은 전압으로 수전하는 경우(포항제철이나 한국 비료와 같은 대 수용가 등)도 있다.
그러나, 일반적으로는 송전선로를 따라 여러 단계의 변전소를 거치면서 단계적으로 전압이 낮추어 져서 최종적으로 배전용 변전소에 이르게 된다.
배전용 변전소에서는 다시 변압기(강압용 변압기)를 사용해서 전압을 배전용 전압(우리 나라에서는 주로 22.9[kW])으로 낮추어서 배전선로로 보내고, 이 배전선로에서 주상변압기를 통하여 220/380[V]로 변환되어 가정에까지 들어오게 되는 것이다. 이와 같은 일련의 계통을 송배전 계통이라고 한다.
이상의 설명은 어디까지나 일반적인 경우에 대한 것이다.
전기는 다른 상품과 달라서 저장해 두었다가 필요할 때 사용할 수 없다.
따라서 발전소는 직장이나 가정이나 가정에서 소비하는 양에 상술한 송/배전선로에서 잃게 되는 손실 량을 합한 것만큼만 발전을 해야 한다.
전기의 사용량은 계절과 기후, 시간에 따라 수시로 달라지기 때문에 수요에 맞추어서 발전하기란 그렇게 쉬운 문제가 아니다.
마찬가지로 송전선로나 배전선로도 선로가 보낼 수 있는 용량에 한계가 있기 때문에 그 구성이나 루트를 잘 선정해서 항상 여유를 가지고 안정된 전력수송을 수행할 수 있어야 할 것이다.
집에 들어오는 전기는
일반적으로 배전선로는 배전용 변전소로부터 직접 수용장소에 이르는 선로를 말한다.
발전소에서 발전된 전기는 송전선으로 전국에 수송되는데, 그 종착점은 송전계통의 말단에 있는 배전용 변전소이다.
송전 전압을 배전전압(고압 배전)으로 낮추어 준 다음, 여러 갈래의 고압 배전선로에 의해서 다시 인출된다. 이 선로에 따라서 장소마다 배전변압기(전주상에 설치 : 주상변압기)를 설치해서, 다시 이 변압기로 전압을 낮추어서 저압 배전선로(각 가정에서 220/380[V])에 접속하고 있다.
대용량의 전력을 먼 거리에 일괄해서 수송하는 송전선로와는 달리, 배전선로는 넓은 지역 내에 분산된 다수의 수용가에게 전력을 직접 공급하는 관계상 전선로는 짧고 저전압이면서 회선수가 많으며,또 각 선로전류도 부하에 따라 불평형을 이루는 경우가 많다는 등 여러 가지 특징이 있다.
일반적으로 배전선로는 고압선과 저압선으로 나눌 수 있는데 여기서 저압, 고압은 다음과 같이 규정되고 있다. (현행 전기설비기준 제 3조)
저압 : 직류에서는 750[V], 교류에서는 600[V] 이하의 전압
고압 : 직류에서는 750[V]를, 교류에서는 600[V]를 넘고 7,000[V] 이하의 전압
특별고압 : 직류, 교류 공히 7,000[V]를 넘는 전압
우리 나라에서 지난 70년대 이전까지 사용해 온 배전전압은
고압 배전선에서는 3,300[V] (일부에서는 6,600[V]사용)의 비접지 3상3선식이,
저압 배전선은 일반 가정의 전등 수용가에는 단상 2선식의 100[V]로 공급해 왔었다.
그러나 지난 70년대 초부터는 부하 증대에 따른 공급능력 증강과 전압개선 및 전력 손실 경감을 위하여 고압 배전선은 22.9[kV]-Y 3상 4선식(공통 중성선 다중접지방식)으로 바뀌고, 저압 배전선은 모두 220/ 380[V] 3상 4선식으로 승압되었다.
3상 4선식은 그림 5.15에 보인 것처럼, 변압기의 2차측을 접속하고 그 중성점으로부터 중성선을 인출하여 3선식의 전선 3가닥과 조합시킴으로서 상전압과 선간전압이라는 두 가지 전압을 공급할 수 있게 한 것이다.현재 우리 나라에서 추진해 온 220/380[V]승압은 바로 이 3상 4선식을 채택해서 실시하고 있는 것이다.
송전방식과 송전전압
전기를 공급하는 방식은 크게 직류송전과 교류송전의 두 가지로 나누어진다. 건전지에 저항을 연결해서 회로를 만들면, 이 회로에 흐르는 전류는 항상 크기와 방향이 일정한데, 이와 같은 전류나 전압을 직류라 하고 직류로 전력을 수송하는 것을 직류송전이라고 한다. 송전역사를 살펴보면, 처음으로 미국발전소가 건설되었을 때 에디슨이 110볼트의 직류송전을 시도하였다고 한다.
그러나 오늘날 전력수송은 발전으로부터 배전의 말단에 이르기까지 거의 모두가 교류방식에 이루어지고있다. 교류는 전류나 전압이 일정한 주기로 그 극성을 바꾸는데, 이러한 교류로 전력을 보내는 것을 교류송전이라고 한다.원래 발전이 전자유도작용을 이용해서 발전기를 회전시키고 있기 때문에, 발전부터가 교류로 시작된다는 것과 송배전을 합리적, 경제적으로 하기 위해서는 전압을 여러 가지로 변경시켜 줄 필요가 있다. 그런데, 교류방식은 변압기로 전압을 쉽게 또한 효율적으로 변경할 수 있기 때문에, 오늘날 세계 각국에서의 송전 방식은 이 교류송전이 주류를 이루고 있는 것이다.
그러나, 600~900[km] 이상의 장거리 송전이나 해협을 횡단하는 해저 케이블로 송전할 경우에는 절연계급이나 송전효율, 그밖에 계통의 안정도면에서 직류송전방식이 교류송전방식 보다도 유리해지기 때문에, 일부 지역에 따라서는 직류송전방식을 채택하는 경우도 있다.
우리 나라에서도 단 하나의 직류송전(HVDC)으로서 지난 1996년에 육지(해남)와 제주를 잇는 101[km]의 직류 해저케이블을 건설, 운전 중에 있다.
직류송전을 위해서는 교류=>직류로 바꾸어주는 순환변소와 다시 직류=>교류로 되돌려주는 역변환소를 설치해 주어야 하는데, 바다를 건너서 송전하려면 이 방식 밖에 택할 수 없기 때문이다.
교류송전 방식은 그림 5.3에 보인 것처럼, 발전소와 변전소에서 변압기로 전압을 적당한 값으로 바꾸어서 송전하지만, 발전에서 말단 수요까지는 모두 교류로 통일해서 운전하고 있다. 교류방식에는 단상, 2상, 3상 등 여러 가지가 있으나, 표 5.1에서 보인 것처럼 전선 한 가닥당의 송전전력이 가장 크다는 것, 그밖에 회전자계를 쉽게 얻을 수 있어서 회전기기(전동기)의 사용에 편리하다고 해서 송전에서는 일반적으로 3상 3선식을 많이 쓰고 있다.
이 밖에 단상 3선식과 3상 4선식은 같은 회선에서 상 전압과 선간 전압을 이용할 수 있기 때문에 배전에서 많이 채용되고 있다. 송전에서는 송전거리가 같고, 또 같은 전선을 사용할 경우, 송전전력은 송전전압의 제곱에 비례해서 증가한다.여기서 다시 한번 송전에서는 고압송전이 유리한 이유를 정리해 보고자 한다. 그 이유는 다음과 같다.
1. 전력은 전압과 전류의 곱에 비례한다.
2. 따라서 같은 전력을 보낼 경우 전압을 높이면, 그것에 반비례해서 전류는 줄어든다.
3. 전류가 줄면 전선의 굵기는 가늘어도 되므로, 그것을 지지하는 철탑을 포함한 송전선의
건설비가 싸진다.
4. 전선의 굵기가 같다면 송전손실은 전류의 제곱에 비례한다.
오늘날 전력계통의 규모가 커지면서 대용량, 장거리 송전의 필요성이 한층 더 높아짐에 따라 송 전압이상승하고 있다는 것은 바로 이러한 한편, 전압을 높여주면 그만큼 전선이라든지 여기에 접속될 각종 기기의 절연 내력을 높여 주지 않으면 안되기 때문에, 이에 소요되는 절연비용이 증가해서 어느 한도 이상이 되면 오히려 전압을 높여 준다는 것이 비경제적으로 될 수 있다.
또한, 이 송전전압을 각 송전구간에서 제 멋대로 선정해 주면, 여기에 설치될 각종 설비도 그 전의 종류 수 만큼 많아져서 호환성이 결여될 뿐 아니라, 제작비도 비싸져서 비경제적으로 될 것이다.
물론, 각 구간마다 전압이 다르면 선로를 병렬해서 전력의 융통을 할 수 없다는 문제점도 있다.
이와 같은 결점이나 불편을 없애기 위해서 송배전계통에서는 전압을 몇 개의 적당한 전압값으로 통시켜서 이들을 표준화(표준전압이라고 함)하고 있다.
우리 나라에서 사용하고 있는 표준전압에는 공칭전압과 최고 전압이 있다.
공칭전압은 전선로를 대표하는 선간전압을 말하고, 이 전압으로써 그 계통의 송전전압을 나타내고 있다.
한편, 후자의 최고전압은 그 전선로에 통상 발생하는 최고의 선간전압으로서 염해대책이나 선로 고장시의 이상전압 등을 고려할 때의 표준이 되는 전압이다.
