전력

교류 전력은 한 가지 값이 아니라 세 가지로 나뉜다. 피상전력 S(VA)는 전압×전류로 계산되는 '겉보기 전력'으로, 변압기·전선·차단기 같은 설비가 실제로 감당해야 하는 크기다. 유효전력 P(W)는 S에 역률(cosθ)을 곱한 값으로, 모터를 돌리고 열을 내는 등 실제 일을 하는 전력이다. 무효전력 Q(var)는 S에 sinθ를 곱한 값으로, 코일(인덕터)과 콘덴서(커패시터)가 전원과 주고받기만 할 뿐 실제로 소비되지 않는 전력이다. 세 값은 직각삼각형 관계를 이룬다. 밑변이 P, 높이가 Q, 빗변이 S이며 S²=P²+Q²가 성립한다. 빗변 S와 밑변 P 사이의 각이 역률각 θ이고, cosθ=P/S가 역률이다. 단위는 본질적으로 모두 W지만, 혼동을 막기 위해 유효는 W(kW), 무효는 var(kvar), 피상은 VA(kVA)로 구분해 표기한다. 예를 들어 피상전력 100kVA, 역률 0.8인 설비라면 유효전력 P=100×0.8=80kW, 무효전력 Q=100×0.6=60kvar이다(sinθ=0.6). 같은 80kW를 쓰더라도 역률이 낮으면 피상전력 S가 커져 더 굵은 전선과 더 큰 변압기가 필요해진다. 이것이 전력을 단순 kW가 아니라 삼각형으로 봐야 하는 핵심 이유다.

역률은 피상전력 중 실제 일을 하는 유효전력의 비율(cosθ=P/S)이며, 이론상 0~1 사이 값으로 1을 넘을 수 없다. 모터·형광등 안정기 등 코일성(유도성) 부하가 많으면 지상(뒤진) 무효전력이 커져 역률이 떨어진다. 이를 진상(앞선) 무효전력을 공급하는 콘덴서로 상쇄하면 역률을 1에 가깝게 끌어올릴 수 있다. 필요 콘덴서 용량은 Qc=P×(tanθ1−tanθ2)로 계산한다. 여기서 P는 유효전력(kW), θ1은 개선 전 역률각, θ2는 목표 역률각이다. 예를 들어 P=80kW, 현재 역률 0.8(tanθ1=0.75)에서 목표 0.95(tanθ2≈0.329)로 올리려면 Qc=80×(0.75−0.329)≈33.7kvar의 콘덴서가 필요하다. 역률을 개선하면 같은 유효전력에 대해 피상전류(=공급측 전류)가 줄어 전선·변압기에 여유가 생기고, 전압강하와 선로손실(I²R)이 감소하며, 한전 역률요금 페널티를 피할 수 있다. 한전은 기준역률 90%를 기준으로 그 이상이면 요금을 할인(0~95%까지)하고 미달하면 할증한다. 주의할 점은 무부하 시 콘덴서가 과보상되면 진상역률이 되어 다시 역률이 1에서 멀어지고 페란티성 전압상승·고조파 공진 위험이 생기므로, 자동역률제어(APFR)나 부하 연동 투입이 권장된다.

단상 전력은 P=V×I×cosθ로 계산한다. 3상 평형 부하의 전력은 P=√3×V×I×cosθ로, 여기서 V는 선간전압, I는 선전류다. 3상 피상전력은 S=√3×V×I(VA), 무효전력은 Q=√3×V×I×sinθ(var)로 동일한 √3 계수가 붙는다. √3이 붙는 이유는 선간전압과 상전압의 기하학적 관계 때문이다. 3상 전력의 본질은 '상전압×상전류×cosθ의 3배', 즉 P=3×Vp×Ip×cosθ인데, 이를 측정하기 쉬운 선간값(선간전압 V, 선전류 I)으로 바꾸면 결선에 따라 √3이 전압 쪽 또는 전류 쪽에서 나타날 뿐 최종식은 같아진다. Y결선에서는 선간전압 V=√3×Vp이고 선전류 I=Ip이므로, 본질식에 Vp=V/√3, Ip=I를 대입하면 P=3×(V/√3)×I×cosθ=√3×V×I×cosθ가 된다. Δ결선에서는 선간전압 V=Vp이고 선전류 I=√3×Ip이므로, 본질식에 Vp=V, Ip=I/√3을 대입하면 P=3×V×(I/√3)×cosθ=√3×V×I×cosθ가 된다. 여기서 √3 계수는 '상쇄되어' 남는 것이 아니라, 계수 3과 1/√3이 결합(3÷√3=√3)하여 √3으로 정리되는 것이다. 결론적으로 선간전압·선전류 기준이면 Y든 Δ든 공식은 항상 P=√3VIcosθ로 동일하다. '델타는 상전압=선전압이니 √3이 빠진다'는 것은 흔한 오해이며, 결선에 따라 √3이 사라지는 것이 아니라 √3이 전압·전류 중 어느 쪽에서 나타나느냐만 바뀔 뿐이다.

Y(스타)결선에서는 선간전압이 상전압의 √3배(V=√3Vp)이고 선전류는 상전류와 같다(I=Ip). 중성점을 끌어낼 수 있어 단상과 3상을 동시에 공급할 수 있는 것이 큰 장점이다. Δ(델타)결선에서는 선간전압이 상전압과 같고(V=Vp) 선전류가 상전류의 √3배(I=√3Ip)이며, 한 상이 고장 나도 V결선(개방Δ)으로 운전을 이어갈 수 있다. 배전용 변압기에서 1차를 Δ로, 2차를 Y로 결선(Δ-Y)하는 이유가 여기서 나온다. 1차 Δ는 제3고조파(영상분, 3의 배수차)를 폐회로 안에서 순환시켜 외부로 유출되지 않게 막아 파형을 깨끗하게 유지한다. 2차 Y는 중성선을 내어 380V(선간)/220V(상)를 동시에 공급하고 중성점 접지를 가능하게 한다. 다만 Δ-Y 또는 Y-Δ 결선에서는 1차와 2차 사이에 30도의 위상차가 발생하므로, 변압기 병렬운전 시 같은 위상군(벡터군)끼리 묶어야 순환전류 사고를 막을 수 있다.

변압기 용량은 설비용량을 그대로 쓰지 않고 실제 사용 패턴을 반영해 산정한다. 핵심 지표는 세 가지다. 수용률=최대수요전력÷설비용량으로, 설치된 설비가 동시에 얼마나 쓰이는지를 나타낸다(보통 1보다 작음). 부등률=각 부하의 개별 최대수요 합÷합성 최대수요로, 부하들이 최대를 쓰는 시점이 서로 어긋나는 정도를 나타내며 항상 1 이상이다. 부하율=평균수요÷최대수요로, 설비가 얼마나 고르게 쓰이는지를 보여준다. 변압기 용량은 개념적으로 '변압기 용량 ≥ 설비용량×수용률÷(부등률×역률)'로 산정한다. 부등률이 클수록(부하 분산이 좋을수록) 필요한 변압기는 작아지고, 역률이 낮을수록 같은 유효전력에 더 큰 kVA가 필요하다. 실무에서는 장래 증설 여유와 온도상승을 고려해 통상 부하율 70~80% 범위에서 운전하도록 여유를 둔다. 과대 산정은 무부하손실 낭비와 초기 투자 증가를, 과소 산정은 과부하·수명단축을 부른다.

차단기와 전선 굵기는 정해진 순서대로 선정한다. 먼저 부하전류 I를 산정한다(단상 I=P/(V×cosθ), 3상 I=P/(√3×V×cosθ), 초기 계산 시 역률은 부하 종류에 맞춰 0.8 등 가정값 적용). 다음으로 전선의 허용전류가 부하전류 이상이 되도록 전선 굵기를 선정한다. 마지막으로 과전류차단기(MCCB/ACB) 정격을 전선 허용전류 이하이면서 부하전류 이상으로 잡는다. 즉 '부하전류 ≤ 차단기 정격 ≤ 전선 허용전류'가 대원칙이다. 차단기 정격이 전선 허용전류보다 크면 전선이 먼저 타도 차단기가 안 떨어지는 위험이 생기므로, 차단기는 항상 전선을 보호하는 쪽으로 잡아야 한다. 모터 부하는 기동 시 정격의 5~8배에 달하는 돌입(기동)전류가 흐르므로, 순시트립이 기동전류에 오동작하지 않도록 순시정정을 높이거나 모터보호용 차단기(MMS)·전동기보호 계전기를 적용한다. 전선 굵기는 허용전류뿐 아니라 전압강하(저압 옥내배선 표준 3% 이내)와 단락 시 열적 강도도 함께 검토해야 한다.

페란티 현상은 무부하 또는 경부하 상태의 장거리 송전선로에서 수전단(받는 쪽) 전압이 송전단(보내는 쪽) 전압보다 오히려 높아지는 현상이다. 일부 현장에서 '수전단이 낮을 때 생긴다'고 거꾸로 이해하는 경우가 있는데, 정확히는 수전단 전압이 '높아지는' 현상이다. 원인은 선로의 대지 정전용량이다. 선로와 대지 사이에 형성된 정전용량으로 인해 진상(앞선) 충전전류가 흐르고, 이 진상전류가 선로의 직렬 리액턴스를 통과하면서 전압을 끌어올린다. 부하가 충분하면 지상 부하전류가 이를 상쇄하지만, 무부하·경부하에서는 충전전류가 지배적이라 수전단 전압이 상승한다. 억제 대책으로는 분로리액터(SR, Shunt Reactor)를 투입해 선로의 진상 충전전류를 흡수(지상 무효전력 공급)하는 방법이 대표적이다. 동기조상기를 부족여자로 운전하거나 발전기를 지상운전하는 방법도 쓰인다. 페란티는 콘덴서 과보상 시에도 유사하게 나타날 수 있어, 경부하 시간대 콘덴서 자동 분리가 함께 고려된다.

수전설비는 한전 전력을 받아 구내 전압으로 변환·분배하는 일련의 기기로 구성된다. 책임분계점은 통상 인입구(고압의 경우 구분개폐기/COS, 수전실 인입점)를 기준으로 한전 측과 수용가 측 설비·유지보수 책임이 나뉜다. 분계점 이후의 수전설비는 수용가 책임이며 전기안전관리자의 점검 대상이다. 주요 기기는 다음과 같다. MOF(계기용변성기함)는 PT(전압변성)와 CT(전류변성)를 한 함에 넣어 전력량 계량용 신호를 만든다. LBS/ASS(부하개폐기·자동고장구분개폐기)는 부하전류 개폐와 구내 고장의 자동 분리를 담당한다. PF(전력퓨즈)는 변압기·선로의 단락보호에, COS(컷아웃스위치)는 주로 약 300kVA 이하 소용량 변압기의 1차 개폐·보호에 쓴다. VCB(진공차단기)는 주차단기로 정상·고장 전류 차단을 맡고, ATS/TIE는 상용·비상 전원 절체와 모선 연계에 쓰인다. 안전상 매우 중요한 점은 고압을 후크메타로 직접 측정하지 않는다는 것이다. 반드시 MOF나 CT/PT의 2차측(저압으로 변성된 신호)에서 측정해야 하며, 고압 직접 측정은 중대사고로 이어진다. 또한 단선도 검토 시 LBS-VCB 인터록과 MOF 중성점-구내접지 연계를 반드시 확인해 무부하 투입·정전작업 사고를 예방한다.

2021년 전면 시행된 KEC(한국전기설비규정)에서는 과거의 종별 접지(제1·2·3종, 특3종) 구분이 폐지되고, 계통접지 방식(TN/TT/IT)과 접지도체의 단면적 기준으로 통합되었다. TN 계통은 전원 중성점을 접지하고 보호도체(PE)로 외함을 연결하는 방식이며, TT는 전원과 부하 접지가 분리된 방식, IT는 전원을 비접지(또는 고임피던스 접지)하는 방식이다. 접지도체 굵기는 상도체 단면적과 고장전류, 보호장치 동작시간에 따라 결정한다. 중성선(N)과 접지선(PE)의 본딩은 한 점 원칙을 지켜야 한다. 변압기 중성점이 접지와 본딩되는 한 점(예 TN-C-S에서 PEN이 분리되는 지점)은 허용되지만, 부하측 분전반 이후에서 N과 PE를 임의로 연결하면 안 된다. 그렇게 묶으면 누전차단기가 N-PE 우회로로 누설전류를 흘려보내 부동작하거나, 접지선에 정상 부하전류가 흘러 외함 통전·감전·계전기 오작동 위험이 생긴다. 참고로 KEC 이전의 내선규정에서는 변압기 2차 중성점 접지선 굵기 산정 시 누설전류를 변압기 2차 정격전류의 1/2000로 보는 관행이 있었는데, 이는 구 기준 표현이며 현행 KEC에서는 계통접지와 접지도체 단면적 기준으로 대체되었음을 함께 이해해야 한다.