[전력공학] 2. 역률의 특성과 전기요금

  지난 포스팅에서 역률에 대해 알아보았습니다.

 

  다시 한번 정리하면 역률은 다음과 같은 전력이 있을 때, 피상전력에 대한 유효전력의 비였습니다.

 

  즉, 공급되는 전력을 얼마나 유효하게 사용하는지를 나타내는 지표라고 할 수 있습니다.

 

  이런 역률은 부하에 의해 발생하므로, 직접 전력을 사용하는 수용가측에서 지켜야할 역률이 있는데 우리나라는 고객(수용가)이 유지해야 할 기준역률을 90%로 잡고있습니다.

 

  여기서 90%라는 것은 위의 피상전력에 대한 유효전력의 비인 cosθ=0.9 일 때를 의미합니다. 단순히 백분율로 표현한 것이죠.

 

  위 그래프를 보면, 같은 유효전력을 공급하기 위해 필요한 피상전력을 생각했을 때, 역률 cosθ가 1에 가까울 수록, 위상차 θ가 0에 가까울 수록 좋다는 것을 알 수 있습니다. 그렇기 때문에 역률이 크다=역률이 좋다는 의미이며, 피상전력에 포함된 무효분이 적으면 적을수록 좋다는 의미입니다.

 

  이를 공급자와 수용가 측에서 살펴보면,

 

- 역률이 큰 경우

  1) 수용가 측(부하) : 사용하는 전기기기를 효율적으로 사용하고 있다.

  2) 공급자 측(전원) : 같은 부하에 대해 적은 전류를 공급해도 되므로, 전압강하가 적어지고 전원설비의 이용효과가 커진다.

 

  위와 같은 의미로도 해석할 수 있습니다. 그리고, 역률이 작은 경우는 이와 반대되는 특성을 가지게 됩니다.

 

 

  그런데 역률에는 크기도 중요하지만 전류와 전압의 위상 중 어떤 것이 앞서느냐 뒤지느냐에 따라 지상역률인지, 진상역률인지 구분을 하였습니다.

 

- 지상(lagging)역률 : 유도성 부하, 전류의 위상이 전압의 위상보다 뒤질 때

- 진상(leading)역률 : 용량성 부하, 전압의 위상이 전류의 위상보다 앞설 때

 

  와 같이 나누었었습니다. 각각의 경우에서 특징은 다음과 같습니다.

  

 

  1. 지상(lagging)역률

  - 전압강하가 발생

  - 전력손실이 발생

 

 

2. 진상(leading)역률

  - 선로에 흐는 전류가 적정전류보다 커져 선로 손실 발생

  - 계통에 연결되어 있는 설비의 수명 단축

 

  역률이 1이 아닌 이상 교류전력에서 위와 같은 손실은 발생할 수 밖에 없습니다. 따라서, 역률이 나쁘다면 지상역률일 경우엔 용량성 부하를 추가하고 진상역률일 경우 유도성 부하를 추가하여 역률을 개선하는 것입니다. 

 

  일반적으로 용량성(콘덴서 등)부하는 거의 없기 때문에 진상에 대해 크게 신경을 쓰지는 않지만, 특수한 경우엔 진상전류로 인해 문제가 발생하고 지상전류보다 더 큰 문제를 발생하기도 합니다.

 

  지상전류로인해 발생하는 문제로는 단순히 위의 손실의 증가와 전력기기들의 효율을 떨어뜨리는 것이지만, 진상전류로 인한 문제는 지상전류로 인해 발생하는 문제와 더불어 페란티 현상으로 인해 기기의 절연에 문제를 만들기 때문입니다.

 

 

- 페란티 현상

  일반적으로 수전단 전압은 송전단 전압보다 낮습니다. 그러나 어떤 경우엔 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 현상이 발생하게 되는데 이런 현상을 페란티 현상이라고 말합니다.  

 

1. 발생 원인

  앞서 말씀드린 것처럼 수용가의 일반적인 부하는 유도성부하입니다. 따라서 지상역률을 가지고 있습니다. 이 지상역률을 개선하기 위해 역률 개선용 콘덴서를 설치하여 용량성부하를 증가해 역률을 개선합니다. 그런데, 이 콘덴서가 역률을 너무 많이 보상하게 되면 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 페란티 현상을 유발하게 됩니다.

 

  부하의 역률은 일반적으로 높은 역률이기 때문에 상당히 큰 부하가 걸려있을 경우에는 전류가 전압보다 위상이 늦어지는 것이 일반적입니다. 또한 중부하시에는 지상전류가 송전선이나 변압기의 임피던스에흐르게 되면 수전단 전압은 송전단 전압보다 낮아지게 됩니다. 이런 일반적인 경우외에 경부하시 또는 무부하시에는 충전전류의 영향이 커지게되어 선로에 90도에 가까운 진상전류가 흐르게되고 이로 인해 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 페란티 현상이 일어나게 됩니다.

 

 

2. 문제점

  1) 역률이 과보상되어 오히려 역률 개선전보다 피상전력이 증가하게 됩니다.

  2) 역률이 나빠지게 되므로 수전설비를 효율적으로 사용할 수 없고, 전류가 증가하여 선로손실과 전압이 상승하게 되며 계통 보호 등을 위한 계전기의 오작동을 만들 수 있습니다.

  3) 콘덴서의 부속기구인 직렬 리액터가 과열하게 됩니다.

  4) 개폐기와 차단기의 용량이 커야하고, 주차단기는 진상전류차단에 대한 문제가 발생할 수 있습니다.

  5) 수전단 전압이 높아지는 현상이 지속되면 전력계통에 문제가 발생하거나 전압변동이 심하게 됩니다.

 

 

3. 대책

  사실 대책 자체는 간단합니다. 적절한 무효전력의 조정으로 안정한 역률을 유지하면 됩니다. 이를 전력계통과 수전설비에서의 방법으로 나누어 보면 다음과 같습니다.

 

  1) 전력계통에서의 대책

   - 콘덴서, 분로리액터, 동기조상기 등을 사용하여 무효전력을 일정범위로 유지합니다. 여기서 분로리액터는 케이블이나 초고압 계통의 선로 정전용량에 의한 진상 무효전력 또는 경부하시 일반 수용가로부터 진상 무효전력 과잉으로 인한 전압상승을 방지하는 기기입니다.

 

 

  2) 수전설비에서의 대책

  부하가 급변하는 수전설비에서는 콘덴서의 제어가 필요합니다. 페란티 현상은 경부하시 진상전류에 의한 과보상으로 발생하기 때문입니다. 따라서 콘덴서의 제어와 선택의 기준은 다음과 같습니다.

 

  - 특정부하 개폐신호에 의한 제어 : 특정부하 외에는 무효전력이 일정한 경우에 선택합니다.
  - 프로그램 제어 : 1일 부하변동이 거의 일정한 경우에 선택합니다.
  - 전압제어 : 전원의 임피던스가 커서 전압변동이 큰 경우에 적용합니다.
  - 역률제어 : 역률 검출회로의 측정값과 초기 설정치와 비교해 콘덴서의 투입을 제어합니다.
  - 무효전력 제어 : 무효전력 측정값과 설정값을 비교하여 콘덴서의 투입을 제어합니다.
  - 전류제어 : 전류의 크기와 무효전력 관계가 일정한 경우에 선택합니다.

 

  그럼 이런 역률은 어떻게 계산되어 우리가 사용하는 요금에 어떤 영향을 미치게 될까요?

 

 

- 역률의 계산

  역률은 전기를 사용하지 않은 달의 역률과 무효전력을 계량할 수 있는 전력량계를 설치하지 않은 고객은 지상역률 90%로 봅니다. 무효전력을 계량할 수 있는 전력량계가 설치된 고객의 경우는 전력량계에 의하여 30분 단위로 누적된 계량값으로 역률을 계산합니다. 다만, 저압으로 전기를 공급받는 고객과 원격 검침이 되지 않는 고객의 경우는 전력량계에 1달간 누적된 계량값으로 역률을 계산합니다.

 

  이렇게 역률을 계량계를 통해 계산할 수 있다면, 그 계량값에 따라 요금이 추가되거나 감액되기도 합니다.

 

   - 9시부터 23시까지 : 지상역률에 대해 적용하며, 평균역률이 90%에 미달하는 경우에 미달하는 역률 60%까지 매 1%당 기본요금의 0.2%를 추가하고, 평균역률이 90%를 초과하는 경우에는 역률 95%까지 초과하는 매 1%당 0.2%를 감액합니다.

 

   - 23시부터 다음 날 9시까지 : 진상역률을 적용하며, 평균역률이 95%에 미달하는 경우에는 미달하는 역률 60%까지 매 1%당 기본요금의 0.2%를 추가합니다. 다만, 저압으로 전기를 공급받는 고객, 원격검침이 되지 않는 고객은 진상역률 요금적용에서 제외됩니다.

 

  적절한 역률의 유지는 앞서 살펴본것처럼 전기공급자 측면에서도, 사용자측면에서도 모두 좋은 효과를 가져옵니다. 따라서 이런 적정 역률을 유지하기 위해 위처럼 우리나라의 경우 기준역률 90%에 대해 미달하는 경우 요금이 가산되고, 초과하는 경우에 요금을 보상하는 정책을 사용하고 있고, 우리나라 뿐만 아니라 세계 여러나라에서도 나라별 기준 역률에 대한 요금을 추가하거나 보상하고 있습니다.

 

  그럼 여기서 다시, 역률을 1로, 100%로 항상 유지하는 것이 가장 좋은 것이 아닌가하는 의문이 생길 수 있습니다. 하지만 부하측인 전기사용자들에게 역률 100%를 요구하는 것은 현실적으로 무리가 있습니다. 위 처럼 지나친 역률보상으로 진상역률이 발생해 페란티 현상이 나타나 오히려 손실을 초래할 수 있기 때문입니다.