제120회 발송배전기술사

배전선로 전압강하율 및 전압변동률

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1. 개요

배전선로는 변전소(배전용 변압기)로부터 수용가까지 전력을 공급하는 과정에서 선로 임피던스에 의해 전압이 강하한다. 이 현상을 정량적으로 나타내는 지표가 전압강하율과 전압변동률이며, 수용가에 적정 전압을 유지하기 위한 배전계획·운용의 핵심 척도이다.

📌 [참고] 본 답안에서 인용하는 허용기준 수치(KEC, 전기공급약관 등)는 현행 국내 규정을 기준으로 서술하되, 세부 수치는 해당 규정 원문을 반드시 재확인하기 바란다.

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2. 이론·원리

2.1 전압강하 기본 수식

단상 2선식 선로에서 부하전류 $I$, 선로 저항 $R\text{ [Ω]}$, 리액턴스 $X\text{ [Ω]}$, 역률 $\cos \theta$일 때 전압강하 $\Delta V$는 다음과 같다.

$$\Delta V=I(R\cos \theta +X\sin \theta )\text{ [V]}$$

3상 3선식의 경우:

$$\Delta V=\sqrt{3}I(R\cos \theta +X\sin \theta )\text{ [V]}$$

유효전력 $P\text{ [W]}$, 무효전력 $Q\text{ [var]}$, 수전단 전압 $V_r\text{ [V]}$로 표현하면:

$$\Delta V=\frac{PR+QX}{V_r}\text{ [V]}$$

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2.2 전압강하율 (Voltage Drop Rate)

전압강하율 $\epsilon$은 송전단 전압 $V_s$에 대한 전압강하분 $\Delta V$의 비율이다.

$$\epsilon =\frac{V_s-V_r}{V_s}\times 100\text{ [\%]}$$

또는 수전단 전압 기준으로도 표현한다.

$$\epsilon =\frac{\Delta V}{V_r}\times 100\text{ [\%]}$$

🖼 [그림] 단상 2선식 배전선로의 전압강하 벡터도 (송전단 전압 $V_s$, 수전단 전압 $V_r$, 전압강하 $\Delta V$, 부하전류 $I$, 역률각 θ)

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2.3 전압변동률 (Voltage Fluctuation Rate)

전압변동률 $\delta$는 부하 변동(무부하 → 전부하, 또는 경부하 → 중부하)에 따른 수전단 전압의 변화 정도를 나타낸다.

$$\delta =\frac{V_{r0}-V_{rn}}{V_{rn}}\times 100\text{ [\%]}$$

기호	의미
$V_{r0}$	무부하 시 수전단 전압 $\text{[V]}$
$V_{rn}$	정격(전)부하 시 수전단 전압 $\text{[V]}$
$\delta$	전압변동률 $\text{[\%]}$

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2.4 전압강하율과 전압변동률의 비교

구분	전압강하율 $\epsilon$	전압변동률 $\delta$
정의	특정 부하 상태에서의 전압 강하 비율	부하 변동에 따른 전압 변화 비율
기준 전압	송전단(또는 수전단) 전압	정격부하 수전단 전압
주요 용도	선로 설계 시 전압 분포 평가	전압 조정 기기 선정·운용 평가
관련 인자	$R$, $X$, $I$, $\cos \theta$	부하 변동폭, 변압기 탭

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3. 상세 내용

3.1 전압강하에 영향을 미치는 인자

$$\Delta V=\frac{PR+QX}{V_r}$$

위 식으로부터 다음 인자가 영향을 미친다.

영향 인자	전압강하에 대한 영향
선로 길이 $l$	$R=\rho \frac{l}{A}$이므로 길이에 비례하여 증가
도체 단면적 $A$	단면적이 클수록 $R$ 감소 → 전압강하 감소
부하 역률 $\cos \theta$	역률이 낮을수록 $Q$ 증가 → 전압강하 증가
부하 크기 $P$, $Q$	부하가 클수록 전압강하 증가
선로 리액턴스 $X$	무효전력 $Q$와 함께 전압강하 유발

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3.2 배전방식별 전압강하 특성

(1) 방사상 배전(Radial System)

$$\Delta V_{total}=\sum _{k=1}^n{I}_k(R_k\cos {\theta }_k+X_k\sin {\theta }_k)$$

• 구성이 단순하나 선로 말단의 전압강하가 가장 크다.
• 전압강하 허용 한계 초과 시 전압조정기(SVR), 역률개선 설비 필요.

(2) 수지상(분기) 배전

• 분기점 이후 각 구간별로 전압강하를 누적 계산한다.
• 분기 부하의 불균형이 클 경우 전압 불평형 발생 가능.

(3) 루프(망상) 배전

• 양방향 전력 공급으로 전압강하를 저감할 수 있다.
• 도시 배전 계통에 적용하여 전압 변동률 개선 효과가 크다.

🖼 [그림] 방사상 · 수지상 · 루프 배전 방식별 전압 분포 비교 곡선

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3.3 허용 기준

국내 전기공급약관 및 관련 규정에 따른 표준 공급전압 허용 범위는 다음과 같다. (세부 수치는 전기공급약관 최신 개정본을 반드시 확인할 것)

공급 전압	허용 범위
저압(220 V)	220 V ± 6 % (207 ~ 233 V)
저압(380 V)	380 V ± 6 %
특고압 배전(22.9 kV)	공칭전압 ± 10 % 이내 (운용 기준)

📌 KEC 등 국내 기술기준의 전압강하 허용값은 해당 규정 원문을 직접 확인할 것을 권고한다.

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4. 실무 적용

4.1 전압강하율 계산 적용 사례

22.9 kV 배전선로에서 부하전력 $P=3\text{ [MW]}$, 역률 $\cos \theta =0.9$, 무효전력 $Q=P\tan \theta$, 선로 저항 $R=1.5\text{ [Ω]}$, 리액턴스 $X=1.2\text{ [Ω]}$, 수전단 전압 $V_r=22,900\text{ [V]}$ 조건에서:

$$\Delta V=\frac{PR+QX}{V_r}=\frac{3\times 10^6\times 1.5+1.452\times 10^6\times 1.2}{22,900}\approx 272\text{ [V]}$$

$$\epsilon =\frac{272}{22,900}\times 100\approx 1.19\text{ [\%]}$$

→ 허용 범위 내이나, 선로 연장이나 부하 증가 시 재검토 필요.

4.2 전압변동률 관리 적용

배전 변전소 주변압기 탭 조정 및 SVR(선로전압조정기) 운용 시 전압변동률을 목표값 이내로 유지하도록 제어 기준을 설정한다.

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5. 문제점 및 대책

5.1 문제점

문제점	세부 내용
과도한 전압강하	선로 말단 전압 저하 → 수용가 전압 부족, 전동기 탈조 위험
전압변동률 증가	부하 변동 시 전압 불안정 → 조명 깜빡임(플리커), 민감 기기 오동작
역률 저하	무효전력 $Q$ 증가 → 전압강하 및 선로 손실 가중
선로 불평형	불평형 부하 시 상별 전압강하 차이 발생

5.2 대책

대책	원리 및 효과
역률 개선 (콘덴서 뱅크)	$Q$ 저감 → $\Delta V=\frac{PR+QX}{V_r}$에서 $QX$ 항 감소
선로전압조정기(SVR)	선로 중간에 설치, 부하 변동 시 자동 전압 보상
배전용 변압기 탭 조정	부하 상태에 따라 송출 전압 조정
도체 단면적 증대	$R$ 감소 → 전압강하 저감, 다만 경제성 검토 필요
선로 분산화·망상화	전력 공급 경로 다중화 → 전압강하 분산
분산형 전원(DG) 연계	선로 말단에 DG 설치 시 전압 보상 효과
STATCOM·SVC	무효전력 동적 보상 → 전압변동률 신속 제어

🖼 [그림] SVR(선로전압조정기) 설치 전·후 배전선로 전압 분포 비교

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6. 결론

배전선로의 전압강하율과 전압변동률은 서로 보완적인 전압 품질 지표로, 양자를 동시에 관리해야 수용가에 안정적인 전압을 공급할 수 있다.

• 설계 단계: 선로 파라미터($R$, $X$), 부하 특성(크기·역률·변동 패턴)을 종합 분석하여 전압강하율이 허용 범위를 초과하지 않도록 도체 단면적 및 선로 구성을 결정한다.
• 운용 단계: SVR·변압기 탭·역률보상 설비를 연계 운용하여 전압변동률을 최소화하고, 전기공급약관의 공급 전압 허용 범위를 상시 유지한다.
• 미래 과제: 신재생에너지·EV 충전 등 부하 특성 변화에 따른 역조류·전압 상승 문제가 가중되므로, 능동적 전압 관리(Active Voltage Management)와 스마트 그리드 기술 적용이 점차 중요해지고 있다.

기술사로서, 전압강하율과 전압변동률의 이론적 이해를 바탕으로 경제성과 기술성을 균형 있게 고려한 최적 배전계획 수립을 권고한다.

1. 개요

태양광발전 인버터의 단독운전 방지 기술은 계통 정전 발생 시 인버터가 국부 부하에 계속 전력을 공급하는 단독운전(Islanding) 현상을 감지하여 인버터를 계통으로부터 신속히 분리(0.5 $\text{[s]}$ 이내 등)하기 위한 보호 기술이다.

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2. 수동적 및 능동적 검출 방식의 원리

가. 수동적 검출 방식 (Passive Method)

1. 원리: 계통 정전 시 연계점(PCC)의 전압, 주파수, 위도, 고조파 등 상태량의 자연스러운 변화를 감시하여 임계값을 초과할 때 단독운전으로 판단함.
2. 단독운전 조건 수식: 발전량과 부하량이 일치하여 $\Delta P=0$, $\Delta Q=0$인 경우 전압 및 주파수 변동이 없어 감지 불가능한 불감대(NDZ)가 발생함.$$P_{PV}\approx P_{Load},Q_{PV}\approx Q_{Load}$$
3. 주요 검출 요소:
   • 과/부족전압 보호 (OVR/UVR), 과/부족주파수 보호 (OFR/UFR)
   • 위상 급변 감지 (Phase Jump Detection)
   • 전압 고조파 급변 감지 (Voltage Harmonic Distortion)

🖼 [그림] 수동적 검출 방식의 불감대(NDZ) 및 계통 상태량 변동 측정 원리도

나. 능동적 검출 방식 (Active Method)

1. 원리: 인버터 출력에 주파수, 변동 전력, 위상 등의 미세한 교란 신호(Perturbation)를 주기적으로 주입하고, 계통의 반응을 감지하여 판단함.
2. 동작 메커니즘:
   • 계통 연계 시: 거대한 계통 임피던스에 의해 교란 신호가 흡수되어 계통 상태 유지가 가능함.
   • 단독운전 시: 계통의 강한 집적 효과가 사라져 주입된 교란에 의해 전압 또는 주파수가 급격히 변동되어 보호 계전기가 동작함.
3. 주요 검출 요소:
   • 능동 주파수 편이 (AFD, Active Frequency Drift)
   • 샌디아 주파수/전압 편이 (SFS / SVS, Sandia Frequency/Voltage Shift)
   • 무효전력 변동 주입법 (RPV)

🖼 [그림] 능동 주파수 편이(AFD) 방식의 인버터 출력 전류 파형 및 주파수 이탈 원리도

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3. 수동적 방식과 능동적 방식의 비교

구분	수동적 검출 방식 (Passive)	능동적 검출 방식 (Active)
검출 원리	계통 상태량의 자연적 변동 감시	교란 신호 주입 후 계통 반응 측정
불감대 (NDZ)	큼 ($P_{PV}\approx P_{Load}$ 시 감지 불가)	매우 작음 (불감대 거의 없음)
전력 품질 영향	영향 없음 (전력품질 저하 없음)	약간의 전력품질 저하 (THD 증가 가능)
동작 속도	NDZ 이외 영역에서 매우 빠름	교란 신호 주입 주기에 따라 결정 (보통 $\le 0.5\text{ [s]}$)
다중 인버터	인버터 간 간섭 없음	인버터 간 교란 신호 상쇄/간섭 가능

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4. 실무 적용 및 연계 기준 유의사항

1. 국내 기술기준 준수:
   • 분산형전원 배전계통 연계기준: 단독운전 발생 시 $0.5\text{ [s]}$ 이내(최대 $2.0\text{ [s]}$ 이내)에 분산전원을 계통으로부터 분리해야 함.
2. 하이브리드(Hybrid) 검출 기술 적용:
   • 단일 방식의 단점을 보완하기 위해 수동적 방식(기본 보호)과 능동적 방식(SFS 등)을 복합 적용하여 NDZ를 최소화함.
3. 다중 인버터(Multi-Inverter) 상호작용 검토:
   • 대규모 태양광 발전소 내 다수의 인버터가 설치된 경우, 능동적 교란 신호가 서로 상쇄되어 감지 성능이 저하될 수 있으므로 동기화 제어 또는 상호작용 방지 알고리즘 적용 필요.