제137회 발송배전기술사 4교시 기출문제&참고답안

제137회 발송배전기술사 4교시 참고답안

1. 전력계통 안정도 판별법 및 향상대책

1) 다기계통에서 상차각과 전력편차를 이용한 안정도 판별법의 원리

전력계통의 안정도(Stability)는 고장이나 부하 급변 등 외란(Disturbance) 발생 시, 발전기들이 동기(Synchronism)를 유지하며 새로운 평형 상태로 회복할 수 있는 능력을 말합니다. 다기계통(Multi-Machine System)의 안정도 판별에는 상차각(δ)과 전력편차(ΔP)를 이용한 동요방정식(Swing Equation)이 핵심 원리로 사용됩니다.

• 동요방정식 (Swing Equation):
  • 발전기의 기계적 입력(Pm)과 전기적 출력(Pe)의 차이(ΔP = Pm - Pe)가 발전기 회전자의 가속/감속 에너지로 작용한다는 운동방정식입니다.
  • (M * d²δ/dt²) = Pm - Pe = ΔP (M: 관성정수)
• 안정도 판별 원리 (Equal Area Criterion, 등면적법):
  • 고장 발생 시, 전기적 출력(Pe)이 급감하여 ΔP > 0 (가속) 상태가 됩니다. 이로 인해 회전자는 가속하며 상차각(δ)이 증가합니다.
  • 고장이 제거되면, 전기적 출력(Pe)이 기계적 입력(Pm)보다 커져 ΔP < 0 (감속) 상태가 됩니다.
  • 안정도 판별: 이 감속 에너지(면적)가 고장 중 축적된 가속 에너지(면적)보다 크거나 같아야 합니다.
  • 만약 가속 에너지가 너무 커서 감속 에너지로 제어하지 못하면, 상차각(δ)이 90°를 넘어 계속 증가(발산)하게 되며, 이를 탈조(Out-of-Step)라고 부르고 계통은 불안정(실패) 상태가 됩니다.

2) 안정도 향상대책

안정도 향상대책은 고장 발생 시 발전기의 가속 에너지(ΔP)를 줄이고, 고장 제거 후 감속 에너지를 늘리는 방향으로 수립됩니다.

구분	대책	원리 (안정도 향상)
계통 측면 (전력융통 증대)	1. 리액턴스 감소 (X ↓)	- 전력-상차각 곡선(P=E*V*sinδ/X)의 높이(Pe)를 높임. - 복도체(다도체) 사용, 병행 회선(다회선) 증설. - 직렬 콘덴서(Series Capacitor) 삽입.
	2. 전압 변동 억제 (V ↑)	- 계통 전압(V)을 안정화시켜 Pe를 높임. - 속응 여자방식(AVR) 채택 (전압 회복 속도 증가). - FACTS 설비 (SVC, STATCOM) 설치 (고속 무효전력 보상).
	3. 고속 차단 및 재폐로	- 고장 지속시간(t)을 단축시켜 가속 에너지(ΔP × t)를 최소화. - 고속도 보호계전기 및 고속 차단기 사용. - 고속 재폐로(Auto-reclosing) 방식으로 계통 연계 신속 복구.
발전기 측면 (외란 억제)	4. 관성정수(M) 증대	- 관성(M)을 크게 하여(플라이휠 효과), 동일한 ΔP에도 상차각 변화율(d²δ/dt²)을 둔화시킴.
	5. 제동저항기(SDR) 설치	- 고장 시 가속에너지(잉여 ΔP)를 저항(SDR)에서 열로 소모시켜 발전기 가속을 억제. (P Pe를 강제로 증가시킴)

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2. 태양광발전소 설계 시 고려사항

1) 단결정 태양광 모듈 및 태양광 인버터 선정 시 고려사항

가. 단결정 태양광 모듈 선정 시 고려사항

• 효율 및 성능: 높은 변환 효율 (일반적으로 다결정보다 높음). 동일 면적 대비 최대 출력을 낼 수 있어 설치 부지가 좁은 경우 유리합니다.
• 온도 계수: 모듈 온도가 1°C 상승할 때 출력이 얼마나 감소하는지를 나타내는 지표. 온도 계수의 절대값이 낮을수록(열에 강할수록) 여름철 발전량 저하가 적어 유리합니다.
• 내구성 및 보증: KS 인증, IEC 인증 등 공인된 인증을 획득했는지 여부. 출력 보증 기간(예: 25년 후 80% 이상)과 제품 보증 기간을 확인해야 합니다.
• 최대 시스템 전압: 모듈이 견딜 수 있는 최대 직류(DC) 전압. 인버터 설계 전압(예: 1000V, 1500V)에 적합한지 확인해야 합니다.
• 기계적 강도: 최대 적설 하중, 풍압 하중 등 현장 환경에 견딜 수 있는 기계적 강도를 보유했는지 확인합니다.

나. 태양광 인버터(PCS) 선정 시 고려사항

• 변환 효율 (MPPT 효율): DC를 AC로 변환하는 효율(유로 효율, CEC 효율 등)이 높아야 합니다. 또한, 일조량 변화에 신속하게 최대 전력점(MPP)을 추종하는 MPPT 성능이 우수해야 합니다.
• MPPT 입력 범위: 인버터가 최대 효율로 동작하는 'MPPT 전압 범위'가 넓어야 합니다. 이 범위가 모듈 어레이의 동작 전압(Vmp)과 일치해야 합니다.
• 계통 연계 규정 준수: 한전의 '분산형전원 배전계통 연계기술 기준'을 만족해야 합니다. (예: 단독운전 방지 기능(Anti-islanding), FRT(계통연계유지) 기능, 전압/주파수 변동 시 보호 기능)
• 보호 등급 (IP 등급): 옥외 설치 시 방수/방진(예: IP65 이상) 성능을, 옥내 설치 시 환기 성능을 고려해야 합니다.
• 모니터링: 발전량, 고장 상태, 효율 등을 실시간으로 모니터링하고 원격으로 관리할 수 있는 통신 기능이 제공되어야 합니다.

2) 태양광 모듈의 개수 및 직·병렬 회로 설계 방법

가. 직렬(String) 회로 설계 (모듈 개수)

모듈을 직렬로 연결하면 전압이 합산됩니다. 1개 스트링(String)의 모듈 개수는 인버터의 MPPT 전압 범위와 최대 입력 전압에 의해 결정됩니다.

1. [Step 1] 최대 직렬 개수 (온도 하강 시):
   • 겨울철 등 최저 온도에서는 모듈의 개방전압(Voc)이 상승합니다.
   • 이때의 최대 전압(Voc_max)이 인버터의 최대 입력 전압(V_dc_max)을 초과하지 않도록 최대 모듈 수(N_max)를 제한해야 합니다.
   • (예: N_max ≤ V_dc_max / (Voc × (1 + (T_min - 25) × α_Voc)))
2. [Step 2] 최소 직렬 개수 (온도 상승 시):
   • 여름철 등 최고 온도에서는 모듈의 동작전압(Vmp)이 하강합니다.
   • 이때의 최소 전압(Vmp_min)이 인버터의 MPPT 최소 전압(V_mppt_min)보다 높아야 합니다.
   • (예: N_min ≥ V_mppt_min / (Vmp × (1 + (T_max - 25) × α_Pmp)))
3. [Step 3] 최종 직렬 개수(N_s) 결정:
   • N_min ≤ N_s ≤ N_max 범위 내에서, 모듈의 동작전압(N_s × Vmp)이 인버터의 MPPT 최적 전압에 근접하도록 N_s를 결정합니다.

나. 병렬(Array) 회로 설계 (스트링 개수)

모듈 스트링을 병렬로 연결하면 전류가 합산됩니다. 병렬 스트링의 개수(N_p)는 인버터의 최대 입력 전류와 용량에 의해 결정됩니다.

• 최대 병렬 개수 (N_p):
  • 병렬 스트링의 총 전류(N_p × Isc_max)가 인버터의 최대 입력 전류(I_dc_max)를 초과하지 않아야 합니다.
• 용량 매칭 (Sizing):
  • 총 모듈 용량(N_s × N_p × P_module)이 인버터 용량(P_inv) 대비 적정 비율(예: 105% ~ 120%)이 되도록 N_p를 결정합니다. (인버터 용량보다 모듈 용량을 약간 크게 하여 이용률을 높임)

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3. 4단자 정수 회로 계산

제시된 조건은 다음과 같습니다.

• 4단자 정수: A = D = 0.98, B = j70.7 Ω, C = j0.56×10⁻³ S
• 송전단 전압 (Vs, 선간) = 154 kV
• 수전단 공칭 전압 (Vr, 선간) = 140 kV
• (모든 전압은 기준 위상 0°로 가정)

1) 무부하 시 수전단 전압 및 송전단 전류

무부하 조건은 수전단 전류 (Ir) = 0 A 임을 의미합니다.

4단자 정수 기본 방정식:

• Vs = A × Vr + B × Ir
• Is = C × Vr + D × Ir

가. 수전단 전압 (Vr)

무부하(Ir=0)이므로, Vs = A × Vr
Vr = Vs / A
Vr = 154 kV / 0.98
Vr ≈ 157.14 kV (선간 전압)

(※ 수전단 전압(157.14kV)이 송전단 전압(154kV)보다 높아지는 페란티(Ferranti) 현상이 발생했습니다.)

나. 송전단 전류 (Is)

무부하(Ir=0)이므로, Is = C × Vr
(계산의 편의를 위해 상전압을 사용합니다)
- Vr (상전압) = 157.14 kV / sqrt(3) ≈ 90.72 kV = 90720 V
- C = j0.56 × 10⁻³ S (즉, 0.56 × 10⁻³ ∠90° S)

Is = (0.56 × 10⁻³ ∠90°) × (90720 ∠0°)
Is = (0.56 × 90.72) ∠(90° + 0°)
Is = 50.8 A ∠90°
Is ≈ j50.8 A (진상 전류)

(※ 이 전류는 선로의 충전 용량(C)에 의해 발생하는 진상 충전전류입니다.)

2) 수전단 전압을 140kV로 유지하는데 소요될 수전단 조상설비 용량

수전단 전압(Vr)이 공칭전압(140kV)보다 높아졌으므로(157.14kV), 전압을 낮추기 위해 지상(Lagging) 무효전력을 흡수하는 분로 리액터(Shunt Reactor)가 필요합니다.

이때 수전단 전류(Ir)는 0이 아니며, 조상설비(리액터)가 소비하는 전류(I_L)가 됩니다.

가. 수전단 전류 (Ir) 계산:
(모든 전압은 상전압으로 계산)
- Vs (상전압) = 154 / sqrt(3) ≈ 88.91 kV
- Vr (상전압, 목표) = 140 / sqrt(3) ≈ 80.83 kV

Vs = A × Vr + B × Ir
88.91 kV = (0.98 × 80.83 kV) + (j70.7 Ω × Ir)
88.91 = 79.21 + j70.7 × Ir
j70.7 × Ir = 88.91 - 79.21 = 9.7
Ir = 9.7 / j70.7 = -j (9.7 / 70.7)
Ir ≈ -j0.137 kA = -j137 A (지상 전류)

나. 조상설비 용량 (Q_L) 계산:
조상설비 용량(Q_L)은 수전단 전압(Vr)과 수전단 전류(Ir)의 곱입니다. (3상 기준)
Q_L = 3 × Vr(상) × Ir(상) (단, Ir이 지상(-j)이므로 용량은 -Q가 됨)
Q_L = 3 × (80.83 kV) × (-j137 A) <-- (S = 3 * Vp * Ip*)
Q_L ≈ -j 33.2 MVA
Q_L ≈ -33.2 Mvar

(※ 즉, 약 33.2 Mvar 용량의 분로 리액터가 필요합니다.)

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4. 터빈발전기 수소냉각방식

1) 수소냉각방식의 원리 및 장점

가. 원리

수소냉각방식은 대용량 터빈발전기(화력, 원자력)의 고정자와 회전자에서 발생하는 막대한 열손실(동손, 철손)을 냉각시키기 위해, 공기(Air) 대신 수소(H₂) 가스를 냉각 매체로 사용하는 방식입니다. 발전기 외함을 완전 밀폐 구조로 만들고 그 내부에 수소 가스를 일정 압력(2~5 기압)으로 채운 뒤, 팬(Fan)을 이용해 수소를 강제 순환시켜 내부의 열을 흡수하고, 이 열을 다시 외부의 수소 쿨러(열교환기)를 통해 냉각시킵니다.

나. 장점 (공기냉각 대비)

• 냉각 효율 극대화:
  • 수소는 열전도율이 공기의 약 7배, 비열이 약 14배, 방열 계수가 약 1.5배 높아 냉각 성능이 압도적으로 우수합니다.
• 발전기 출력 증대 및 소형화:
  • 동일한 크기의 발전기에서 냉각 효율이 높아지므로, 더 많은 전류를 흘릴 수 있어 출력을 약 25% 이상 증대시킬 수 있습니다. (혹은 동일 출력 대비 소형화 가능)
• 손실 감소 및 효율 향상:
  • 수소는 밀도가 공기의 약 1/14로 매우 낮아, 회전자의 풍손(Windage Loss)이 약 90% 감소합니다. 이로 인해 발전기 효율이 0.5~1.0% 향상됩니다.
• 절연물 수명 연장:
  • 공기 중의 산소, 수분이 없으므로 절연물(권선)의 산화(Oxidation) 및 열화가 방지되어 절연물 수명이 연장됩니다.
• 소음 감소: 밀도가 낮아 풍손이 줄어들므로 운전 소음이 감소합니다.
• 전폐형 구조: 완전 밀폐 구조이므로 외부의 먼지, 습기 침투가 원천 차단됩니다.

2) 수소냉각방식을 채용하는 이유

발전기 용량이 커질수록(예: 300MVA 이상) 내부 손실(I²R)은 용량에 비례하여 증가하지만, 표면적(냉각 면적)은 그만큼 증가하지 못합니다. 기존 공기냉각 방식으로는 이 열을 감당할 수 없어 절연물이 과열로 파괴됩니다. 따라서 대용량 터빈발전기의 막대한 발열량을 안전하게 냉각시키고, 풍손을 줄여 효율을 향상시키며, 출력(경제성)을 극대화하기 위해 냉각 성능이 월등히 뛰어난 수소냉각방식을 채용합니다.

3) 수소냉각방식 채용에 따른 안전대책

수소(H₂)는 공기와 혼합 시 폭발 범위(공기 중 4~75%)가 매우 넓어 극도로 위험한 가스입니다. 따라서 수소 누설 및 폭발 방지를 위한 엄격한 안전대책이 필수입니다.

• 수소 누설 방지 (기밀 유지):
  • 발전기 외함을 완전 기밀(Gas-tight) 구조로 제작합니다.
  • 회전자 축 관통부에는 수소 밀봉 유(Oil Seal) 장치를 설치하여, 외부 공기 유입과 내부 수소 누출을 이중으로 차단합니다.
• 폭발 방지 (혼합가스 생성 방지):
  • 발전기 내부의 수소 순도(Purity)를 항상 95~98% 이상으로 높게 유지하여 폭발 하한계(4%) 미만이 되도록 관리합니다.
  • 정비 시 수소를 주입하거나 배출할 때, 공기와 직접 접촉하지 않도록 반드시 불활성 가스(CO₂)로 내부를 치환(Purge)하는 절차를 준수합니다. (공기 → CO₂ → 수소 / 수소 → CO₂ → 공기)
• 감시 및 경보:
  • 수소 순도계, 압력계, 온도계를 설치하여 24시간 감시하고, 이상 시 즉시 경보합니다.
  • 발전기실 주변에 수소 누설 검출기를 설치합니다.
• 기타 설비:
  • 수소 폭발에 대비한 방폭 설비 및 환기 설비, CO₂ 소화 설비를 갖춥니다.

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5. 우리나라 송배전 손실

1) 전력계통의 손실에 영향을 주는 요소

전력계통의 손실(Loss)은 크게 부하 전류에 따라 변하는 부하손(동손, I²R)과 부하와 관계없이 전압에 의해 발생하는 무부하손(철손, 누설전류손, 코로나손)으로 구분됩니다.

• 저항 (R):
  • 송전선, 배전선, 변압기 권선 등 도체 고유의 저항. (손실 ∝ R)
  • (표피효과, 근접효과, 고조파는 실효 저항(R)을 증가시켜 손실을 증대시킴)
• 전류 (I):
  • 손실(동손)은 전류의 제곱(I²)에 비례하므로 가장 큰 영향을 미칩니다. (부하가 2배가 되면 손실은 4배)
• 전압 (V):
  • 동일 전력(P) 송전 시, 전압(V)을 2배로 높이면 전류(I=P/V)는 1/2로 줄어들어, 손실(I²R)은 1/4로 급감합니다. (송전 전압이 높을수록 손실 감소)
  • 반면, 철손, 코로나손, 누설전류손은 전압(V)에 비례(또는 제곱)하여 증가합니다.
• 역률 (cosθ):
  • 동일 유효전력(P) 송전 시, 전류(I = P / (V·cosθ))는 역률(cosθ)에 반비례합니다.
  • 역률이 낮아지면(무효전력이 많아지면) 전류가 증가하여, 손실(I²R)은 역률의 제곱에 반비례하여 증가합니다.
• 부하 불평형:
  • 단상 부하 불평형 시 중성선에 전류가 흘러 손실이 발생하고, 3상 부하 불평형 시 역상분 전류로 인해 손실이 증가합니다.

2) 송배전 손실의 감소 요인 (우리나라 사례)

우리나라의 송배전 손실률(3~4%대)은 세계 최고 수준으로 낮은데, 이는 다음과 같은 지속적인 노력의 결과입니다.

• 초고압 송전 (전압 격상): 765kV, 345kV 등 초고압 송전망을 채택하여 송전 전류(I)를 극단적으로 낮춰 송전 손실(I²R)을 최소화했습니다.
• 배전 전압 승압: 과거 3.3/5.7kV, 6.6kV 등을 사용하던 배전 전압을 22.9kV-y로 표준화하여 배전 손실을 획기적으로 줄였습니다.
• 손실 최소화 기기 도입: 고효율 변압기(아몰퍼스 변압기 등)를 도입하여 변압기 철손 및 동손을 저감했습니다.
• 적극적인 역률 관리: 수용가에 역률 개선(콘덴서 설치)을 유도하고 역률 요금제를 적용하여 계통 전체의 무효전력(전류)을 감소시켰습니다.
• 지속적인 선로 관리: 노후 선로 교체, 적정 용량의 전선 사용, 부하 불평형 개선 등을 지속적으로 수행했습니다.

3) 배전선로의 손실 경감 대책

• 전압 승압: 배전 전압을 22.9kV 등으로 높게 유지하는 것이 가장 근본적인 대책입니다.
• 공급 범위 축소: 변전소 및 배전선로(Feeder)의 공급 거리를 단축하여 선로 저항(R) 값을 줄입니다.
• 선로 굵기 증대: 부하 밀도가 높은 지역은 굵은 전선(ACSR 등)을 사용하여 저항(R) 값을 낮춥니다.
• 역률 개선: 배전선로 중간이나 수용가 측에 역률 개선용 콘덴서(SC)를 설치하여 무효전류를 줄입니다.
• 부하 불평형 개선: 단상 변압기 등을 3상에 균등하게 배분(부하 평형)하여 중성선 전류 및 불평형 손실을 최소화합니다.
• 고효율 변압기 사용: 주상 변압기 등을 고효율(아몰퍼스) 변압기로 교체하여 철손과 동손을 저감합니다.
• 선로 연계 운용: 부하가 많은 선로와 적은 선로를 연계(Loop) 운용하여 부하를 융통함으로써 손실을 경감합니다.

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6. 전력용 콘덴서

1) 개폐기 투입 시의 문제점

전력용 콘덴서(Capacitor) 회로를 개폐기(차단기, 스위치)로 투입(ON)할 때, 콘덴서는 순간적으로 '단락' 상태와 유사하게 동작하여 다음과 같은 문제점을 야기합니다.

• 과도 돌입전류 (Inrush Current):
  • 현상: 전원 투입 시, 방전된 콘덴서로 계통 임피던스(L)와 콘덴서(C)의 LC 공진 주파수를 갖는 고주파의 대전류(정격의 수 배 ~ 수십 배)가 순간적으로 유입됩니다.
  • 문제점: 이 돌입전류로 인해 개폐기 접점이 융착(Sticking)되거나 손상될 수 있으며, 변압기 권선에 기계적 충격을 주고, 계전기 오동작 및 순간 전압 강하를 유발합니다.
• 대책:
  • 직렬 리액터 (Series Reactor) 설치: (가장 중요) 콘덴서와 직렬로 리액터(L)를 설치하여 LC 공진 임피던스를 증가시켜 돌입전류의 크기를 제한합니다. (부가적으로 5고조파 제거)
  • 콘덴서 투입용 개폐기(돌입전류 내량이 큰)를 사용합니다.

2) 개폐기 개방 시의 문제점

콘덴서 회로를 개방(OFF)할 때는, 전류(I)는 0점에서 차단되지만 전압(V)은 최대치(Vm)로 충전된 상태가 됩니다. (I-V 위상차 90°)

• 재점호 (Restrike) 및 이상 고전압:
  • 현상: 차단기 극간이 열릴 때, 콘덴서 측에는 DC 최대전압(Vm)이 잔류하고, 전원측은 교류 전압(-Vm)으로 변동합니다. 반(0.5) 사이클 후, 차단기 극간에는 정격전압의 2배(2Vm)에 달하는 과도회복전압(TRV)이 인가됩니다.
  • 문제점: 이 높은 전압이 차단기 극간의 절연을 파괴하여 아크(Arc)가 다시 발생하는 '재점호'가 일어날 수 있습니다. 재점호가 반복되면 이상 고전압(최대 3~5배)이 발생하여 콘덴서나 기기의 절연을 파괴합니다.
• 잔류 전하 위험:
  • 현상: 회로 개방 후에도 콘덴서에는 전하가 방전되지 않고 잔류할 수 있습니다.
  • 문제점: 작업자 감전 사고의 원인이 되며, 재투입 시 더 큰 돌입전류(과전압)를 유발합니다.
• 대책:
  • 방전 코일 (Discharge Coil, DC) 설치: 콘덴서 단자에 병렬로 부착하여, 개방 시 잔류 전하를 신속히 방전시킵니다. (재점호 방지 및 감전 예방) (KEC: 5분 내 75V 이하)
  • 재점호가 없는 고성능 차단기(VCB 등)를 사용합니다.

3) 콘덴서 내부고장 보호방식

콘덴서 소자(Element)가 내부에서 절연 파괴(단락)되면 과전류, 과열, 외함 팽창(Swell) 등이 발생합니다. 이를 검출하여 신속히 분리하는 보호방식은 다음과 같습니다.

보호 방식	동작 원리
과전류 보호 (퓨즈)	- 콘덴서 뱅크 1차측 또는 개별 소자에 퓨즈(Fuse) 또는 COS를 설치. - 내부 단락으로 인한 단락 전류 발생 시 퓨즈가 용단되어 고장 부분을 분리. (가장 기본적인 보호)
과전압/저전압 보호 (OVR/UVR)	- 콘덴서 소자가 일부 파괴(개방 고장)되면 전체 정전용량(C)이 감소하여 단자 전압이 상승(OVR)하거나, 단락 고장으로 전압이 강하(UVR)하는 것을 검출.
불평형 전압/전류 검출	- (Y-Y 결선 뱅크) Y결선 중성점 2개를 상호 연결하고, 그 사이에 NCT(중성점 전류 검출)를 설치. - (H 결선) H-Bridge의 중앙에 CT를 설치. - 내부 소자 일부가 단락/개방되면 3상 임피던스 불평형이 발생하며, 이때 흐르는 불평형 전류/전압을 검출하여 차단. (가장 민감하고 효과적인 방식)
외함 압력/팽창 감지	- (유입식 콘덴서) 내부 고장으로 절연유가 분해되어 가스가 발생하면, 외함 내부 압력이 상승함. - 이 압력 또는 외함의 기계적 팽창(Swell)을 감지하는 스위치로 차단.