송전선로의 송전용량 선정 방법

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송전선로의 송전용량 산정 시 선로의 열적 한계(Thermal Limit), 전압강하 한계(Voltage Drop Limit), 정상상태 안정도 한계(Steady-State Stability Limit)를 고려해야 합니다. 이 세 가지 한계를 각각 설명합니다.

Table of Contents

열적 한계 (Thermal Limit)

단거리 송전선로에 적용되며, 약 80km 이하의 송전선로에 해당합니다.
열적 한계는 송전선로가 정상적으로 운전할 수 있는 온도의 한계에 의해 결정됩니다. 이는 주위 온도(40°C 기준)와 전류 흐름으로 인해 발생하는 줄열에 따른 온도 상승을 더해 허용 한계 온도를 설정하는 방식입니다.
한계 온도는 단시간 과부하에 대해서는 100°C, 장시간 연속 사용 시에는 90°C로 설정됩니다.
가공 송전선로는 여름철 주위 온도 40°C에서 전선 온도가 50°C까지 상승할 수 있으며, 단시간 과부하 시에는 60°C를 허용 기준으로 삼습니다.
열적 제한 용량은 허용 전류와 온도를 고려하여 결정됩니다.

전압강하 한계 (Voltage Drop Limit)

중거리 송전선로에 적용되며, 약 250km 이하의 송전선로에 해당합니다.
전압강하 한계는 상차각이 30°~35°일 때 송전용량의 한계가 전압강하 5~6% 이하일 경우를 의미합니다.
이 한계를 넘어가면 송전선로의 효율이 급격히 떨어집니다.

정상 상태 안정도 한계 (Steady-State Stability Limit)

장거리 송전선로에 적용됩니다.
정상 상태 안정도 한계는 동기 발전기의 동기 유지 능력과 관련이 있습니다. 장거리 송전선로의 전송 능력은 선로 리액턴스에 의해 제한됩니다.
송전선로의 직렬 리액턴스는 저항보다 4~10배 크며, 이는 송전 용량에 큰 영향을 미칩니다.
송전 전력($P$)은 수전단 전압($V_R$), 송전단 전압($V_S$), 선로 리액턴스($X$), 상차각($\delta$)에 의해 결정되며, 송전 전력은 다음과 같은 식으로 계산됩니다:

$P = \frac{V_S V_R}{X} \sin \delta$

상차각이 90°일 때 수송되는 전력이 최대가 되며, 이를 정태 안정 극한전력이라고 합니다.
리액턴스가 큰 송전선로에서는 이 정태 안정 극한전력에 의해 송전용량이 결정됩니다.

송전선로의 3가지 한계를 알아야 하는 이유

1) 열적 한계 (Thermal Limit)

전선의 안전과 수명: 열적 한계를 이해하면 전선의 온도 상승을 제어하여 전선의 안전성과 수명을 보장할 수 있습니다.
송전 효율 관리: 열적 한계를 넘어서면 송전 손실이 커지기 때문에, 이를 고려해 송전 용량을 산정하면 효율적인 송전이 가능합니다.

2) 전압강하 한계 (Voltage Drop Limit)

전력 품질 유지: 전압이 크게 떨어지면 전력 품질이 저하되어 송전된 전기를 사용하는 기기들이 올바르게 작동하지 않거나 손상될 수 있습니다. 전압강하 한계를 고려하면 안정적인 전력 공급을 보장할 수 있습니다.
송전 거리: 송전선로의 길이가 길어질수록 전압 강하가 커지므로, 이를 적절히 관리해야 합니다. 전압강하 한계를 고려하지 않으면 긴 송전선로에서의 전력 손실이 커져 송전 효율이 크게 저하됩니다.

3) 정상상태 안정도 한계 (Steady-State Stability Limit)

전력계통의 안정성 유지: 정상상태 안정도는 송전선로의 동기 발전기가 전력계통 내에서 안정적으로 운전되는지 여부를 결정합니다. 만약 이 한계를 넘어서면 전력 계통이 불안정해지고, 대규모 정전이나 시스템 붕괴와 같은 사고가 발생할 수 있습니다.
장거리 송전의 안정성: 장거리 송전선로에서는 상차각에 따라 전송할 수 있는 전력의 양이 제한됩니다. 이 한계를 이해함으로써 장거리 송전선로에서 안정적인 전력 공급을 유지할 수 있습니다.

결론

송전선로에서의 3가지 한계를 이해하고 고려하는 것은 전력 시스템의 안정성, 전력 공급의 신뢰성 및 효율성을 보장하기 위해 필수적입니다. 이 한계들을 무시하면 송전선로가 과부하에 걸리거나 전압이 불안정해지고, 장거리 송전에서의 계통 안정성이 저하될 수 있습니다. 따라서 전력계통의 운영자나 설계자는 이러한 한계를 정확하게 이해하고 관리해야만 안전하고 효율적인 전력 공급이 가능합니다.