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전기기사 전력공학 · 변전방식 및 변전설비

Substation Systems & Equipment

변전소는 전압을 바꾸고, 모선을 거쳐 전력을 여러 회선으로 나누며, 고장 구간을 끊어 계통을 지키는 곳이다. 모선을 잇는 방식(단모선 · 이중모선 · 링버스 · 1½CB)에 따라 신뢰도와 보수 편의가 갈리고, 차단기 용량은 %임피던스로 구한 단락 용량으로 정한다. 주요 기기의 역할과 개폐 순서를 알면 단선 결선도가 읽혀요. 모선 방식 슬라이더로 세 가지 결선을 견주고, %Z · 변압기 용량 슬라이더를 움직이면 단락 용량이 정격 용량의 몇 배인지가 바뀌어요.

변전소의 역할과 구성

🔍 변전소가 하는 일
①전압 변환: 발전소 전압을 345 kV · 154 kV 로 올려 보내고, 수요지 가까이에서 22.9 kV 로 낮춰 배전한다
②전력 분배: 여러 회선(피더)으로 전력을 나눠 공급한다
③계통 보호: 차단기와 보호 계전기로 고장 구간을 빠르게 떼어 낸다
④전력 품질: 조상 설비로 무효 전력을 조절해 역률을 고치고 전압을 안정시켜요
💡 변전소 주요 기기
①변압기: 전압을 올리거나 낮추는 핵심 기기다
②차단기(CB): 부하 전류와 고장 전류를 모두 끊는다
③단로기(DS): 전류가 흐르지 않을 때만 회로를 열고 닫으며, 보수할 때 쓴다
④계기용 변성기: PT 는 전압을, CT 는 전류를 낮춰 보호 · 계측 장치로 보내요

모선 방식별 특성

0
0: 단모선 / 1: 이중모선 / 2: 링버스
🔑 모선 방식 비교
①단모선: 가장 단순하고 값싸지만, 모선이 고장 나면 전체가 정전된다. 작은 변전소에 쓴다
②이중모선: 모선을 옮겨 쓸 수 있어 정전 없이 보수할 수 있다. 큰 변전소에서 흔히 쓴다
③링버스: CB 수 = 회선 수로 경제적이고, 차단기 하나를 떼어 보수해도 정전이 없으며, 선로 고장 때는 그 회선만 분리된다
④1½CB(Breaker-and-a-half): 회선 둘에 차단기 셋을 써(CB 수 = 1.5 × 회선 수) 신뢰도가 가장 높아, 초고압 변전소에 써요

%임피던스와 단락 용량

7.5%
30 MVA
단락전류
Is = 100 · In%Z
%Z 가 작을수록 단락 전류가 커져, 차단기 용량을 정하는 핵심 값이 된다.
단락용량
Ps = 기준 용량%Z(pu) [MVA]
차단기의 정격 차단 용량이 단락 용량보다 커야 안전해요.
💡 실기 계산
①변압기 %Z = 7.5%, 용량 30 MVA 이면 단락 용량은 Ps = 30/0.075 = 400 MVA 다
②%Z 가 큰 변압기는 단락 전류가 작아 보호에 유리하지만, 전압 변동률이 커져 전압 품질에는 불리하다
③변압기를 병렬 운전할 때 %Z 가 같아야 부하가 용량에 비례해 나뉘어요

조상 설비와 개폐 장치

역률 개선 용량
Qc = P(tanφ₁ − tanφ₂) [kVar]
P 는 유효 전력, φ₁ 은 개선 전 역률각, φ₂ 는 개선 뒤 역률각이다.
💡 조상 설비 종류
①전력용 콘덴서(SC): 진상 무효 전력을 공급하며, 가장 경제적이고 단계별로 투입한다
②분로 리액터(ShR): 지상 무효 전력을 흡수해, 경부하 때 전압이 오르는 것을 막는다
③동기 조상기: 무효 전력을 연속으로 조절할 수 있어 유연하지만 비싸다
④SVC · STATCOM: 반도체로 빠르게 응답해 전압 안정도를 높여요
💡 개폐 장치 비교
①차단기(CB): 부하 전류와 고장 전류를 모두 끊을 수 있다(VCB · GCB · OCB, GIS 안에도 들어간다)
②단로기(DS): 전류가 없을 때만 열고 닫으며, 보수할 때 안전을 확보한다
③부하 개폐기(LBS): 부하 전류는 끊지만 고장 전류는 끊지 못한다
④개폐 순서: 투입은 DS → CB, 개방은 CB → DS 예요

시험 총정리

단락전류
100 · In%Z
%Z↓ → Is↑
역률 개선
Qc = P(tanφ₁−tanφ₂)
콘덴서 용량
🎯 시험 포인트
①모선 방식: 단모선 · 이중모선 · 링버스 · 1½CB 의 구조와 장단점 비교
②%Z 와 단락 전류는 반비례한다. %Z = 7.5% 이면 단락 전류는 정격 전류의 100/7.5 ≈ 13.3 배다
③개폐 순서를 거꾸로 하면 단로기로 전류를 끊게 되어 아크 사고가 난다
④GIS(가스 절연 개폐 장치)는 SF₆ 가스로 절연해 크기가 작아, 도심 변전소에 알맞다
⑤실기에는 단락 용량 · 차단기 선정과 역률 개선용 콘덴서 용량 계산이 자주 나와요
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] %Z = 5%, 용량 20MVA 변압기의 2차 단락용량[MVA]은? (답: 20/0.05 = 400 MVA)
②[기출유형] 유효 전력 1,000 kW 의 역률을 0.7 에서 0.95 로 개선할 때 필요한 콘덴서 용량[kvar]은? (답: 1,000 × (tan(cos⁻¹0.7) − tan(cos⁻¹0.95)) ≒ 691 kvar)
③[기출유형] 이중모선 방식과 단모선 방식의 장단점을 비교 서술하시오.
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