송전선
송전선(送電線, Transmission line)은 배전과 송전을 위한 구조물이다. 송전탑 혹은 전봇대의 지지를 받은 하나 혹은 그 이상의 전기 전도체를 구성하고 있다. 공기가 좋은 절연체가 되어주기 때문에 송전선은 대량 송전과 비용 절감에 용이하다.
개요[편집]
전기를 생산하는 발전소는 대부분 전력을 소비하는 가정이나 산업체 등 수용 설비가 많은 도심으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 전력을 수송하는 체계가 필요하다. 현대의 전기 공급 체계는, 발전소에서 생성된 높은 전압과 전력의 전기를 수용 설비 근처까지 전송한 뒤 배전변전소에서 낮은 전압 및 전력으로 전기를 나누어 여러 수용 설비로 분배하는 형식을 취하고 있다. 큰 의미에서 송전선이란, 이 모든 전기 전달 과정에서 전력을 공급하는 도선을 지칭한다. 반면 좁은 의미에서 송전선은 발전소에서 배전변전소까지의 대전력, 장거리의 일괄적인 전송에 쓰이는 도선만을 뜻하기도 한다.
동작 전압에 의한 분류[편집]
- 저전압: 1천 볼트 이하
- 중전압: 1-69킬로볼트
- 고전압: 100킬로볼트 이하
- 초고전압: 345-800킬로볼트
- UHV 전압: 800킬로볼트 이상
교류 송전[편집]
현재 우리 나라에서는 대부분 삼상교류 송전 방식을 사용하고 있다. 교류는 발전기에서 일차적으로 얻는 전기의 형태이고 또 변압기를 이용하여 손쉽게 전압의 크기를 바꿀 수 있다는 장점이 있다. 그리고 우리 나라는 현재 산업 설비 및 큰 가전 제품의 대부분은 380 V의 유횻값을 갖는 삼상교류 또는 220 V의 유횻값을 갖는 단상교류의 표준을 따르고 있기 때문에 통일성 측면에서 직류보다 우위에 있다. 그러나 실제 흐르는 전압과 전류의 최대값이 유횻값보다 배 만큼 커서 직류보다는 안전성 측면에서 취약하고 또 송전선의 리액턴스가 발현되는 문제가 있다는 단점이 있다. 직류로 송전하려면, 먼저 정류기를 통해 교류를 직류로 변환한 뒤 송전하고 배전변전소에서 다시 인버터를 통해 직류를 교류로 변환해야 하는 번거로움이 있다.
고전압의 필요성[편집]
현재 우리 나라의 경우 발전소에서 배전변전소까지의 송전선에는 765 kV, 345 kV, 154 kV와 같은 3상3선식 고압전류를 쓴다. 삼상교류이므로 송전선에서는 항상 세 송전선이 한 조를 이루어 각각의 전위를 띠고 전기를 공급하는데, 이 전압값들은 그 선간 전위차의 유횻값에 해당한다. 배전변전소에서는 이후 22.9 kV로 감압을 거쳐 최종적으로 380 V 삼상교류나 220V 단상교류로 공급된다. 이와 같이 송전선에 높은 전압을 쓰는 이유는 송전 과정에서 불가피하게 발생하는 전력 손실을 최소화하기 위함이다. 그림1과 같이 저항이 R인 송전선에 순간전류 I가 흐를 때 저항에 의한 송전선의 전력 손실은 P = I²∙ R 이다. 두 도선의 양 끝에는 가전 제품 등의 설비가 연결되는데, 모든 설비는 설비마다 정상 작동을 위한 전력값이 정해져 있다. 선간 전위차를 V 일 때 이 소비전력은 I ∙ V으로 정해져 있으므로, V 는 송전선 전류에 반비례한다. 그러므로, P ∝ 1/V²이다. 그래서 높은 전압을 채택할수록 송전선의 전력손실을 줄일 수 있어 전기사업자에게 이득이 된다.
송전선 소재[편집]
전선의 소재로 쓰이기 위한 조건을 살펴보면, 높은 전기전도도가 필수적이며, 내구성을 위한 높은 기계적 강도가 필요하다. 경제성을 고려하여 가격이 저렴할수록 좋으며, 또한 공중에 매달리는 형태의 가공 전선의 경우 특별히 가벼울수록 좋을 것이다. 이러한 조건들에 부합하는 금속 물질로서 알루미늄과 구리를 꼽을 수 있고 이들이 대표적 전선 재료이다. 이들을 단선 혹은 여러 가닥을 꼬아 만든 연선(stranded wire)의 형태로 제조하여 사용한다. 그림 2는 연선의 모습을 나타낸다. 그 밖에 속이 빈 형태의 중공 연선(hollow stranded wire) 형태도 있는데, 이것은 일반적으로 송전선이 가늘면 송전선 주위에 강한 전기장에 의한 코로나가 발생하여 전력 손실이 있게 되므로 이를 줄이기 위해 같은 중량이지만 전체 지름을 늘이기 위해 고안한 형태이다.
우리 나라 가공 전선의 경우 강도가 강화된 구리를 소재로 하는 경동연선과 철제의 심을 심어 강도를 강화한 강심 알루미늄 연선을 많이 사용한다. 특히 고압 송전선의 경우 선로의 저항에 의한 줄열이 심각하기 때문에 절연을 위한 피복을 송전선에 입힐 수가 없어 일반적으로 피복이 없는 나전선의 형태로 이용한다. 땅 속에 매설하는 지중송전선의 경우에는 부식 등 송전선의 열화를 방지하기 위해 피복을 입힌 전력케이블을 이용한다.
송전선의 등가회로[편집]
송전선의 실제적 특성을 이해하기 위해 등가회로를 살펴볼 필요가 있다. 이상적인 소재의 송전선이라면 저항 등의 전류 수송을 방해하는 요소가 없어야 하겠지만, 실제로는 소재 및 송전선의 배치에 의한 저항, 인덕턴스, 누전 등 다양한 방해 요소가 존재한다. 단일 송전선의 실제적인 등가회로를 그려보면 그림 3과 같은 형태가 된다. 그림 3의 윗부분이 송전선이고, 아래의 직선은 접지에 해당한다.
먼저, 저항 R 은 송전선 소재 자체의 비저항⍴ 에 의한 것으로, 단면적 A, 길이 l의 송전선 내 균일한 전류밀도가 흐른다고 가정하여, 아래 식과 같이 정의되는 값이다.
R = ⍴ ∙ l/A
이상적인 직류라면 이와 같이 균일한 전류밀도로 흐르는 것이 가능하나, 일반적으로 교류에서는 송전선 표면에 전류밀도가 집중되는 표피 효과가 나타난다. 그 이유는 송전선 중심부에 교류가 흐르면 전류에 의한 자기장이 송전선 내부에 발생하고, 그에 의한 자체유도 효과가 송전선 내부의 전류의 흐름을 막기 때문이다.
다음으로 인덕턴스는 송전선 주위 자기장에 의해 같은 송전선의 전류 수송이 방해를 받는 자체인덕턴스, 다른 송전선의 전류 수송이 방해받는 상호인덕턴스 등의 효과를 의미한다. 그림 3에는 단일 송전선만 있으므로 하나의 L 로 표기되었다. 이 인덕턴스의 효과는 비대칭적인 전압 수송으로 나타난다. 삼상교류를 수송하려면 세 송전선이 한 조가 되어, 위상은 다르고 최댓값 크기는 같은 교류가 흘러야 하지만, 세 송전선의 배치에 따라 인덕턴스의 영향이 각기 다르게 되어 결과적으로 수신부에서는 서로 다른 크기의 전압을 받게 된다. 이러한 비대칭적 전압이 되는 것을 막기 위해서, 간혹 송전선 중간의 철탑에서 송전선의 위치를 번갈아가며 바꾸어 전압의 균형을 맞추는 작업이 간혹 필요한데, 이를 연가(transposition)라고 한다. 연가의 개념도를 그림 4에 나타내었다.
마지막으로 송전선과 지면 사이, 그리고 송전선과 송전선 사이의 공기가 일종의 절연체로 작용하고 있는데 이 공간의 전기용량C 에 의해 회로의 전류가 영향을 받게 된다. 또한 공기가 완벽한 절연체가 아니므로 공기를 통해 누전 전도전류 g 가 일어난다.
이와 같이 송전의 특성을 결정하는 네 가지 변수, 즉 R, L, C, g 를 전력공학에서는 선로정수라고 부른다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
