부하

부하는 전기를 어떤 방식으로 소비하느냐에 따라 세 가지로 나뉜다. 저항성 부하(R)는 전열기·백열등처럼 전기를 곧바로 열·빛으로 바꾸는 부하로, 전압과 전류의 위상이 일치해 역률이 1.0이다. 유도성 부하(L)는 전동기·변압기·형광등 안정기처럼 코일(권선)을 가진 부하로, 자기장을 만드는 데 전류가 쓰여 전류가 전압보다 뒤(지상)에 흐른다. 현장 부하의 대부분이 유도성이며 역률은 0.8 안팎이다. 용량성 부하(C)는 콘덴서·장거리 케이블처럼 전류가 전압보다 앞서(진상) 흐르는 부하다.

역률(power factor)은 피상전력 대비 유효전력의 비율, 즉 역률 = 유효전력(kW) ÷ 피상전력(kVA) = cosθ이다. 여기서 θ는 전압과 전류의 위상차다. 무효율은 sinθ로, 역률이 0.8이면 무효율은 0.6이라는 직각삼각형(P²+Q²=S²) 관계가 성립한다. 유효전력 P[kW]는 실제 일을 하는 전력, 무효전력 Q[kVar]는 자기장·전기장을 만드는 데 왕복만 하는 전력, 피상전력 S[kVA]는 둘의 벡터합이다. 유도성 부하가 많을수록 무효전력 Q가 커져 역률이 떨어지고, 같은 일을 하는데도 더 많은 전류가 흘러 전선·변압기에 부담이 된다. 그래서 진상인 콘덴서로 지상 무효전력을 상쇄(역률 보상)한다.

비슷해 보이는 세 용어를 구분하지 못하면 변압기·계약 산정이 전부 어긋난다. 설비용량(접속부하)은 설치된 모든 기기의 정격 합으로, 모든 부하가 동시에 100% 가동된다고 가정한 최대치다. 실제로는 이렇게 다 같이 켜지지 않으므로 설비용량을 그대로 변압기·계약에 쓰면 과대 설계가 된다.

부하용량(최대수요전력, 디맨드)은 설비용량에 수용률을 곱해 실제 동시 사용량을 반영한 값이다. 계약전력은 한전과 약정하는 사용 한도로, 저압 일반용은 통상 사용설비(부하설비) 합계 또는 변압기 용량을 기준으로 산정한다. 예컨대 사용설비 기준 계약전력은 일정 구간별 환산율(예: 처음 75kW 100%, 이후 구간 차등)을 적용해 정한다. 정리하면 설비용량 ≥ 부하용량(최대수요) ≥ 평균수요의 관계이며, 변압기는 부하용량(최대수요)을 역률로 나눈 피상전력(kVA)에 여유를 더해 고른다. 한전 계약전력 초과 시 초과사용 부가금이 부과되므로 실측 디맨드와 계약값의 정합도 함께 관리해야 한다.

세 지표는 부하를 '실제 쓰는 만큼'으로 보정하는 핵심 계수다. 수용률 = 최대수요전력 ÷ 설비용량(×100%)으로, 설치된 부하 중 동시에 얼마나 쓰는지를 나타내며 항상 1(100%) 이하다. 사무실·주택은 0.5~0.7, 공장 동력은 0.4~0.6 등 용도별 표준값을 쓴다. 부등률 = 각 부하의 개별 최대수요 합 ÷ 합성 최대수요로, 각 부하의 피크 시점이 서로 어긋나는 정도를 나타내며 항상 1 이상(보통 1.1~1.3)이다. 부등률이 클수록 합성 피크가 줄어 변압기를 작게 가져갈 수 있다. 부하율 = 평균수요 ÷ 최대수요(×100%)로, 설비를 시간적으로 얼마나 고르게 쓰는지를 보며 효율 평가에 쓴다.

변압기 용량 산정 절차는 순서를 고정해 외우는 것이 좋다. ① 각 부하별 설비용량을 합산한다. ② 용도별 수용률(0.3~0.7)을 곱해 부하별 최대수요를 구한다. ③ 여러 분기를 묶을 때 부등률(1.1~1.3)로 나눠 합성 최대수요를 구한다. ④ 역률로 나눠 피상전력(kVA)으로 환산한다. 식으로 쓰면 변압기용량[kVA] ≈ (설비용량 × 수용률) ÷ 부등률 ÷ 역률이다. ⑤ 여기에 고조파·장래 증설 여유를 더한 뒤 한 단계 큰 표준용량(예: 100, 150, 200, 300, 500kVA…)으로 올림한다. 설비용량 합을 그대로 변압기 용량으로 쓰는 것은 대표적인 오류다.

유도성 부하가 만드는 지상 무효전력은 진상인 전력용 콘덴서(SC)로 상쇄한다. 필요한 콘덴서 용량은 Qc = P × (tanθ1 − tanθ2)[kVar]로 구하는데, P는 유효전력, θ1은 개선 전 역률각, θ2는 목표 역률각이다. 부하 변동이 큰 수용가는 역률을 실시간 측정해 콘덴서 뱅크를 단계적으로 투입·분리하는 자동역률조정장치(APFR/AVR)를 쓴다.

KEPCO 요금 제도는 지상역률 기준 90% 미만이면 미달 1%마다 기본요금의 0.2%를 가산하고, 90% 초과~95%까지는 초과 1%마다 0.2%를 할인한다(흔히 '1%당 1%'라고 하는 것은 잘못된 통념이다). 평가는 월평균으로 하며 지상역률은 주간 9시~23시, 진상역률은 야간 23시~익일 9시 시간대 사용량을 기준으로 산정한다. 따라서 야간 경부하에 콘덴서를 계속 투입해 두면 오히려 진상역률이 나빠져 별도 할증을 받을 수 있으므로, 경부하 시간대에는 콘덴서가 자동 분리되도록 APFR를 세팅해야 한다.

부하 전류 공식은 단상 I = P ÷ (V × cosθ), 3상 I = P ÷ (√3 × V × cosθ)이다(P는 유효전력[W], V는 선간전압). 역률을 모를 때는 부하 종류별 가정값을 쓴다: 전열·백열등 1.0, 형광등 0.9, 전동기 0.8 정도다. 이렇게 구한 전류로 차단기·전선을 1차 선정하고, 유도성 부하가 많으면 콘덴서로 보상한다.

일반 부하의 전선은 부하전류 이상의 허용전류를 갖는 것을 고르고, 과전류차단기는 전선 허용전류 이하에서 보호되도록 정한다. 전동기 부하는 직입(DOL) 기동 시 정격전류의 5~8배에 달하는 기동전류가 흐르므로 일반 부하와 다르게 잡는다. 전동기 분기의 과전류차단기는 통상 전동기 정격전류의 2.5~3배 이하(KEC·내선규정상 전선 허용전류 기준 적용)로, 전선은 정격전류의 1.25배 이상 허용전류로 선정한다. '전동기 차단기를 정격의 1.5배로 잡는다'는 것은 틀린 값이다. 과부하 보호는 차단기와 별개로 THR(열동계전기)·EOCR(전자식 과전류계전기)를 전동기 정격전류에 맞춰 따로 설정한다. 즉 차단기는 단락·기동전류를 견디게, THR/EOCR는 정격 부근의 과부하를 잡게 역할을 나눈다.

3상 4선식에서 단상 부하가 한쪽 상에 몰리면 중성선에 전류가 흘러 발열·손실이 늘고, 전압 불평형으로 전동기가 과열·소손된다. 그래서 저압 3상4선식의 설비 불평형률은 40% 이하로 제한하며(내선규정), 단상 부하를 R-S, S-T, T-R에 고르게 분산 배치해 한도를 맞춘다.

중성선(N) 결상은 가장 위험한 사고 중 하나다. 단상 220V 부하들이 N을 공유하는데 N이 단선되면 부하들이 두 상 사이(선간 380V)에 직렬로 걸려 임피던스 비에 따라 분압된다. 직렬 분압에서는 임피던스가 큰(경부하·소비전류 적은) 기기에 더 높은 전압이, 임피던스가 작은(중부하·소비전류 많은) 기기에 더 낮은 전압이 걸린다. 따라서 임피던스가 큰 경부하측 기기에는 220V를 크게 초과하는 과전압이 인가되어 소손되고, 임피던스가 작은 중부하측 기기에는 정격보다 낮은 전압이 걸린다. 이를 막기 위해 3상4선식 차단기는 투입 시 N이 가장 먼저 들어오고 차단 시 N이 가장 늦게 끊기는 4극 선입후절 구조를 쓴다.

페란티 현상은 장거리 케이블·무부하 선로의 정전용량 때문에 진상전류가 흘러 수전단 전압이 송전단보다 높아지는 현상이다. 야간 경부하에 콘덴서를 계속 투입하면 진상이 심해져 과전압이 되므로 경부하 시간대 콘덴서 분리(APFR 자동 조정)로 해결한다. 한편 인버터·SMPS 등 비선형 부하가 만드는 고조파(특히 3고조파)는 3상4선식 중성선에서 상쇄되지 않고 더해져 중성선 전류가 상전류보다 커질 수 있고, 변압기 철심을 추가로 가열한다. 그래서 고조파가 많은 계통은 중성선을 상도체와 같거나 더 굵게 잡고, 변압기는 K-factor·여유율을 반영해 한 단계 키운다. 변압기 효율 측면에서는 철손(고정손)과 동손(부하손)이 같아지는 부하율에서 최고효율이 나며, 통상 유입변압기는 부하율 40~50%, 몰드변압기는 60~70% 부근이 효율 최대 구간으로 알려져 있다(정확한 점은 사양별로 다름).