자전거로 설명한 전력계통 이해
번역 : 국제협력팀 문영권
전력계통 및 이와 연관된 각종 현상을 이해하는 것은 때로는 숙련된 전기공학도들에게도 쉽지 않은 일이다. 이 글1)은 이러한 전력계통 및 각종 현상을 여러 사람이 동시에 타고 있는 대형 자전거에 비유하여 전기공학도뿐만 아니리 일반 비전공자들도 이해하기 쉽게 설명하고 있다.
1. 전력계통 기초현상의 이해
· 부하 : 자전거 뒤에 타고 있는 파란 사람들
· 발전소 : 자전거 앞에서 페달을 돌리는 빨간 사람들
· 송전망 및 중성선 : 자전거의 체인
· 주파수 : 자전거의 진행속도
· 전압과 변압기 : 기어와 체인, 체인과 기어간 팽팽한 긴장의 정도
2. 무효전력과 그 보상
· 유도성 부하 : 몸을 한 편으로 기울이고 있는 파란 사람
· 보상 : 파란 사람과 반대편으로 몸을 기울이고 있는 빨간 사람
3. 고조파 왜곡
· 고조파 부하 : 자전거 리듬 보다 몇 배의 속도로 몸을 앞뒤로
흔드는 파란 사람
4. 일정한 전압과 주파수 유지하기
· 전압강하 : 빨간 사람이 갑자기 페달에서 발이 미끄러질 때 발생
· 전압상승 : 파란 사람이 갑자기 자전거에서 뛰어내릴 때 발생
5. 세 가지 발전소 유형
· 전통적 발전소 및 원자력발전소, 수력발전소, 풍력발전소
6. 세 가지 부하 유형
· 저항, 전동기(유도부하), 축전기(용량부하)
7. 결론
1. 전력계통의 기초현상 이해
일정한 속도로 달리고 있는 다음과 같은 자전거를 상상해 보십시오.
자전거 뒤에 타고 있는 파란색 사람들을 보면 비록 그들이 페달을 밟고 있지 않으므로 자전거가 계속해서 달리는데 필요한 에너지를 공급하지는 않지만, 그들을 계속해서 이동시키는 것이 이 거대한 자전거의 목적이 됩니다. 이 사람들이 전력계통의 부하(負荷, loads)를 나타낸다고 볼 수 있습니다. 이러한 부하에는 예를 들어 산업용 공장설비와 같이 많은 양의 전기를 소비하는 대규모의 부하가 있는가 하면 일반 주거용과 같은 소규모의 부하도 있습니다.
페달을 밟고 있는 빨간색 사람들은 이 시스템이 동작하는데 필요한 에너지를 공급합니다. 그들은 전기 에너지가 생산되는 발전소라 할 수 있습니다. 어떤 발전소는 다른 것들보다 더 대규모이고 더 강력해서 더 많은 전기를 발전하고 있습니다.
이 시스템의 모든 요소들을 연결하고 있는 체인은 송전망에 해당한다고 볼 수 있습니다. 이것은 전기 에너지를 전국으로 보내는 데 사용되는 고전압 전선의 연결망(network)입니다. 자전거가 일정한 속도로 달리기 위해서는 이 체인이 일정한 속도로 바퀴를 돌려야 합니다. 이와 마찬가지로 이러한 송전망은 고정되고 일정한 주파수를 필요로 합니다. 체인의 윗부분이 일정한 물리적 긴장 아래 있어야 하듯이, 송전망의 연결점도 고정된 전압수준(voltage level)을 가지고 있어야 합니다. 체인의 아래 부분은 이러한 긴장이 없는데 이것은 송전망에 있는 중성선(neutral wire)에 해당한다고 볼 수 있습니다.
빨간 사람들이 페달을 밟는 동작(에너지)은 기어(gear)에 의해 체인에 전달됩니다. 이 기어는 발전소내의 회전하는 터빈과 고전압 송전망 사이에 있는 변압기와 같은 역할을 수행합니다.
빨간 사람들(=발전소들) 가운데 일부는 전력을 다해 페달을 밟지 않고 있습니다. 그들은 자전거가 동일한 속력을 유지하는데 여분의 힘이 더 필요한 경우 이러한 힘을 공급하기 위해 그들의 에너지 일부를 남겨둡니다. 예를 들어 또 다른 파란 사람이 갑자기 자전거 뒷자리에 올라타거나(=또 다른 부하가 전력망에 새로 연결되는 경우) 혹은 빨간 사람들 가운데 한 사람이 쥐가 나서 페달 밟는 일을 멈춰야 할 때(=발전소 가운데 하나가 기술적인 문제로 발전을 멈춰야 하는 경우), 자전거가 동일한 속도를 유지하기 위해서는 이것을 대체할 수 있는 여분의 힘이 필요합니다.
이러한 자전거 비유는 전력계통의 몇 가지 특정한 속성 및 전력계통의 전기품질에도 적용할 수 있습니다.
2. 무효전력과 그 보상(compensation)
유도성 부하(inductive load)는 정격 주파수와 전압을 가지면서 송전망의 주된 사인함수곡선 파형보다 약간 뒤쳐져 진행하는 주기적 사인함수곡선의 파형을 가지고 있습니다. 이것은 전동기 코일이나 형광등 안정기 및 각종 전열기구에서 생겨납니다.
이러한 유도성 부하는 위의 그림에서 보듯이 파란색 한 사람이 자전거의 한 쪽 측면으로 몸을 기울이고 있는 것으로 표현할 수 있습니다. 이 때 이 사람의 무게는 동일하므로(=정격부하) 체인의 긴장(=송전망의 전압)이나 자전거의 속도(=송전망의 주파수)에는 영향을 미치지 않습니다. 하지만 이러한 부하를 보상해주지 않으면(즉, 기울어진 쪽의 반대편으로 힘을 가해 균형을 잡아주지 않으면) 자전거가 넘어질지도 모릅니다.
그러므로 그림에서 보듯이 이것을 보상하기 위해서는 빨간색 한 사람이 반대편으로 몸을 기울일 필요가 있습니다(=한 발전소가 유도성 전력, 즉 부하와 같은 사인곡선함수 형태를 가지며 부하와 같은 정도로 뒤쳐진 파형을 가진 전력을 생산해야 합니다).
위의 사실로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있습니다.
ㆍ이러한 보상은 즉시 일어나야 하고, 또한 정확해야 합니다. 그렇지 않으면 자전거는 넘어지고 말 것입니다. 우리는 이러한 사실로부터 페달 밟는 일을 하고 있는 빨간 사람들 중에서 누가 무슨 일을 해야 하는가에 대한 명확한 이해가 이루어져야 하며, 매우 재빨리 반응할 수 있는 능력이 필요하다는 것을 알 수 있습니다.
ㆍ페달 밟는 일을 하는 빨간 사람들(=발전소들)이 측면으로 몸을 기울이게 되면 이전처럼 편하게 일을 할 수 없습니다. 그 결과 그들은 페달에 좀더 적은 힘을 가하게 됩니다(=발전소들은 ‘유효전력’ - 뒤쳐짐이 없는 사인함수곡선을 가진 전력 - 을 좀더 적게 생산하게 됩니다). 그리하여 페달 밟는 일을 하는 다른 빨간 사람들(=발전소들)이 추가적인 힘을 가해야 하는 것입니다.
ㆍ뒤에 앉아 있는 파란색의 한 사람이 한 쪽 측면으로 몸을 기울이고 있고, 빨간색의 한 사람이 반대편 측면으로 몸을 기울이고 있으면 자전거는 바람의 저항을 더 많이 받게 되고 추가적인 손실을 입게 됩니다. 마찬가지로 유도성 전류가 송전망에 흐를 때에도 추가적인 손실을 입게 됩니다.
이러한 결론들을 통해 볼 때 우리는 대용량의 유도성 부하는 일반적으로 그 부하 근처에서 보상되어야 한다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 일은 용량성 부하(capacitive load), 좀더 구체적으로 말하면 정전특성(capacitor)을 가진 축전지(battery)에 의해 이루어집니다. 이러한 용량성 부하는 송전망의 주된 사인함수곡선의 파형에 비해 앞서서 진행하는 사인함수곡선의 파형을 가지고 있는 전류의 특성을 보입니다. 앞서서 진행하는 용량성 부하는 뒤쳐져 진행하는 유도성 부하의 뒤쳐짐을 이러한 방식으로 보상하게 되는 것입니다. 용량성 부하는 한쪽 측면으로 몸을 기울이고 있는 파란 사람 바로 근처에 앉아 반대편으로 몸을 기울이고 있는 또 다른 파란 사람으로 볼 수 있습니다.
이러한 유도성 부하와 용량성 부하는 함께 무효부하(reactive load)로도 불립니다. 뒤쳐짐이나 앞섬이 없는 부하는 유효부하(active load)로 불립니다.
3. 고조파 왜곡
그림에서 보듯이 앞뒤로 계속해서 몸을 구부렸다 폈다 하고 있는 매우 활동적인 파란 사람이 있다고 상상해 봅시다. 그가 만약 자전거의 리듬에 맞추어 이러한 움직임을 보이고 있다면 아무런 문제가 없습니다. 하지만 그가 만약 세 배나 네 배정도로 빠른 속도로 이러한 움직임을 보인다면 문제가 발생합니다. 이 사람은 전력계통에서는 정격 주파수의 몇 배의 주파수를 갖는 고조파 부하(harmonic load)를 나타냅니다. TV나 컴퓨터, 간단한 형광 램프, 인버터로 구동되는 전동기 등이 이러한 고조파 전류를 일으키는 전형적인 사례입니다. 이상적으로는 이러한 고조파 부하는 이 부하의 근원 근처에 고조파 필터(harmonic filter)를 설치함으로써 보상할 수 있습니다. 이러한 보상이 없다면 자전거는 앞뒤로 덜컹거리기 시작하고 추가적인 손실을 입게 될 것입니다. 이러한 고조파 필터는 자전거 캐스터(안장을 지지하고 있는 기울어진 막대) 위에 놓인 안장으로 볼 수 있는데, 이 안장은 앞뒤로 움직여서 위에 있는 매우 활동적인 파란 사람의 움직임을 즉각적으로 중화시키는 기능을 합니다.
4. 일정한 전압과 주파수 유지하기
페달을 밟는 빨간 사람 가운데 하나는 매우 미끄러운 신발을 신고 있습니다. 갑자기 그의 발이 페달에서 미끄러지면서, 그가 이 시스템의 동력에 기여하는 바가 사라지고 체인의 팽팽한 긴장이 떨어집니다. 자전거가 동일한 속도를 계속 유지하기 위해서는 다른 빨간 사람들이 이것을 보상해 주어야 합니다. 자전거의 체인과 페달이 계속 회전하고 있기 때문에, 페달에서 발이 미끄러진 사람은 다치지 않도록 주의해야 합니다. 페달에 다시 발을 올려놓고 다른 동료들과 함께 일을 분담하기 시작하려면 정교한 동작이 필요합니다.
이러한 상황은 전압강하(voltage dip)와 비견될 수 있습니다. 발전소 하나가 고장이 나면(=미끄러운 신발), 발전소의 제어 시스템이 갑자기 동작을 멈추는 일이 생길 수 있습니다(=페달에서 발이 미끄러짐). 이 때 전력망은 더욱 강력하고 또한 동일한 주파수를 유지하고 있기 때문에(=페달이 계속 회전함), 장비의 일부가 망가질 위험이 있습니다. 이렇게 갑자기 발전소가 멈추어 서게 되면 송전망에 갑작스런 전압강하(=체인의 긴장이 떨어짐)가 올 수 있습니다. 이러한 전압강하는 전력망에 연결되어 있는 다른 발전소들이 출력을 올릴 때까지 지속될 것입니다. 만약 다른 발전소들이 빨리 응답하지 않으면 주파수(=자전거의 속도)가 떨어지기 시작할 수 있습니다. 그리고 페달에서 발이 미끄러진 사람이 회전하는 페달에 다시 발을 올려놓는 것이 어려운 것처럼 발전소 역시 그 발전기를 전력망에 다시 연결하려면 주파수를 일치시켜야 하므로 매우 정교한 작업을 필요로 하는 일입니다.
이와 유사한 전압강하는 대용량의 부하가 갑자기 전력망에 연결될 때도 일어날 수 있습니다. 이러한 이유 때문에 대용량의 부하는 단번에 전력망에 연결시키지 않고 조금씩 단계적으로 연결시키는 것입니다.
대용량의 부하가 갑자기 전력망에서 탈락될 때는 전압상승(voltage peak)이 생길 수 있습니다. 이러한 경우에 발전소들은 재빨리 출력을 줄여야 하는데 그렇게 하지 못하면 주파수가 상승할 것입니다. 우리가 지금 살펴보고 있는 자전거 비유를 통해 보면 파란 사람들이 갑자기 자전거에서 뛰어 내렸는데도 페달을 밟는 빨간 사람들이 페달에 계속해서 동일한 힘을 가하면, 자전거의 속도가 갑자기 빨라질 것이라는 사실을 알 수 있습니다. 그들은 재빨리 반응해서 힘을 줄여야 하는 것입니다. 그렇게 하지 못하면 자전거의 속도는 빨라질 것입니다.
5. 세 가지 발전소 유형
위의 그림에서 보듯이 페달을 밟는 빨간 사람이 하나의 기어를 통해 체인에 직접 연결되어 있다면 그는 적절한 양의 힘을 가지고 일정한 속도로 계속해서 페달을 밟아야 합니다. 하나의 변압기를 통해 송전망에 연결되어 있는 전통적인 대규모 발전소들과 원자력 발전소의 경우가 이에 해당합니다.
하지만 위의 그림에서 보듯이 어떤 사람들은 그들의 힘이 여러 단계의 기어 시스템에 의해 전달되어 적절한 속도를 낼 수 있으므로 좀더 천천히 페달을 밟을 수 있습니다. 터빈의 속도가 강물의 흐름에 따라 좌우되는 수력발전소처럼 좀더 천천히 운전하는 발전소들이 이에 해당합니다. 이러한 경우에 터빈은 위 자전거의 경우처럼 속도를 변화시키는 기어 시스템에 의해 발전기에 연결되어 있습니다. 또 다른 경우는 발전기가 터빈의 속도와 동일하게 회전하고 송전망의 적정 주파수가 주파수 변환기에 의해 유지되는 경우가 있을 수 있습니다.
풍력 터빈은 위의 그림에서 보듯이 날씨가 좋을 때만 페달을 밟는 작은 빨간 사람과 같습니다. 날씨가 좋을수록 그들은 페달을 빨리 밟습니다. 그들은 때로 도움이 되긴 하지만 그들에게 의존할 수는 없습니다. 풍력 터빈의 경우도 마찬가지입니다. 바람의 속도가 너무 느리거나 너무 빠르지 않을 때만 풍력 터빈은 돌아갑니다. 이러한 이유 때문에 풍력 발전소만으로는 충분하지 않고 다른 형태의 발전소들이 필요합니다. 날씨가 좋을 때만 페달을 밟는 이러한 사람들은 벨트와 기어 시스템에 의해 체인에 연결되어 있어서 여러 가지 다양한 속도로 페달을 밟을 수 있습니다. 마찬가지로 풍력 터빈은 풍속의 변동을 상쇄하기 위해 기어 박스나 주파수 변환기에 의해 연결되어 있습니다.
6. 세 가지 부하의 유형
발전소뿐만 아니라 부하도 그 특성이 매우 다양합니다.
전기부하(=파란색 사람들)의 첫 번째 유형은 전기 에너지로부터 열이나 빛을 만들어내는 저항(resistance)입니다. 전구나 대부분의 전열 시스템이 그 사례가 됩니다. 이것은 위의 그림에서 보듯이 페달을 돌리지는 않으면서 계속해서 브레이크를 잡고 있는 파란 사람들이라 할 수 있습니다. 이러한 브레이크는 저항이 전기 에너지를 열로 변환시키는 것과 마찬가지로 운동 에너지를 열로 변환시킵니다.
전동기는 발전기와 유사한 기본원리를 가지고 있습니다. 하지만 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 대신에 전동기는 전기 에너지를 회전 에너지로 변환시킵니다. 위의 자전거 시스템에서 볼 때 이것은 빨간 사람들(=발전소)처럼 회전하는 페달에 발을 올려놓고 있지만 빨간 사람들과 같은 방향이 아니라 반대방향으로 페달을 돌리고 있는 파란 사람이라 할 수 있습니다.
부하의 세 번째 유형은 2번에서 살펴본 것처럼 무효부하(reactive load)입니다. 이것은 위의 그림에서 보듯이 브레이크나 페달은 없지만 한 쪽 측면으로 몸을 기울이고 있는 파란 사람이라 할 수 있습니다. 이러한 부하는 형광등처럼 송전망보다 약간 뒤쳐져서 진행하는 파형을 가진 유도성 부하(inductive load)나 혹은 반대로 정전특성을 가진 축전기처럼 송전망보다 약간 앞서서 진행하는 파형을 가진 용량성 부하(capacitive load)를 만들어 냅니다.
7. 결론
위에서 살펴본 자전거 유추는 전력계통을 관리하는 것이 얼마나 복잡한가 하는 것을 분명히 보여줍니다. 어떤 특정한 시점에 있어 발전된 전력은 부하를 정확하게 담당해야 합니다. 이렇게 깨지기 쉬운 균형을 유지하기 위해서는 몇 가지 사항을 제어할 필요가 있습니다. 가장 어려운 일은 체인의 속도(전력망의 주파수)와 체인의 긴장(전압수준)을 일정하게 유지하는 것입니다. 이러한 균형을 깨뜨리려는 다양한 방해요소들이 예기치 않게 발생할 수 있기 때문입니다.
그래서 전력시장의 자유화 움직임이 일어난 이래 유럽 각국은 이 업무를 더욱더 잘 수행하기 위해 독립적인 전력망 운영자를 두고 있는 것입니다.
1) 원문출처 : Stefan Fassbinder and Bruno De Wachter, The Electrical System as a Tandem Bicycle, www.leonardo-energy.org, September 2005