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전기기사 전력공학 · 전압조정

Voltage Regulation

전압 조정은 부하가 바뀌면서 흔들리는 수전단 전압을 허용 범위 안으로 되돌리는 운전이다. 부하가 늘면 선로 전압 강하가 커지고, 경부하인 긴 선로 · 케이블에서는 충전 전류 때문에 거꾸로 전압이 오르기도 한다. 조정 수단은 변압기 부하 시 탭 전환(OLTC), 콘덴서 · 리액터로 하는 무효 전력 보상, 발전기 AVR 셋이다. 부하 슬라이더로 선로 전압 분포를, 탭 위치 슬라이더로 변압기 2차 전압을 바꿔 볼 수 있고, 아래 그림에는 AVR 의 피드백 제어 루프를 그렸다.

전압이 변동하는 까닭

📉 부하가 늘면 전압이 떨어진다
①선로의 저항 · 리액턴스로 전류가 흐르면서 전압 강하가 생긴다
②부하가 늘면 전류와 전압 강하가 커져 수전단 전압이 떨어진다
③저압 공급 전압은 전기사업법 시행규칙에서 220 V ± 13 V, 380 V ± 38 V 로 유지하게 한다(그림의 허용 범위는 ±10%)
50%

전압 조정 방법 세 가지

① 탭 전환(OLTC)
변압기 권수비를 바꿔 2차 전압 조정
부하 시 탭 전환기는 정전 없이 탭을 바꿀 수 있다.
② 무효 전력 보상(콘덴서 · 리액터)
Q 공급(SC) → 전압 ↑ / Q 흡수(SR) → 전압 ↓
SVC · STATCOM 은 빠르고 연속적으로 제어한다.
③ AVR(자동 전압 조정기)
발전기 여자 전류를 조정해 단자 전압 유지
수십 ms 안에 응답해 발전기 전압을 기준값에 맞춘다.
⚡ 충전 전류와 충전 용량
①충전 전류는 Ic = ωCwE = ωCw × V/√3 [A] 다(E 는 상전압, V 는 선간 전압)
②충전 용량은 Y 결선 Qc = ωCV² [var], Δ 결선 Qc = 3ωCV² [var] 이다
③긴 선로는 충전 전류가 커서 수전단 전압이 오르는 페란티 현상이 생기므로 분로 리액터가 필요하다
④충전 용량이 큰 케이블 선로에서는 전압 제어가 더 중요해진다

부하 시 탭 전환기(OLTC) 동작

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🔧 OLTC 의 동작 원리
①탭을 올리면(+) 1차 권수가 늘어 권수비가 커지고 2차 전압이 내려간다
②탭을 내리면(−) 1차 권수가 줄어 권수비가 작아지고 2차 전압이 올라간다
③부하가 늘어 전압이 떨어지면 탭을 내려(−) 2차 전압을 되살린다
④OLTC 는 부하를 끊지 않고 전류가 흐르는 채로 탭을 바꿀 수 있다
탭 전환 전압 조정
V₂ = V₁ × (N₂ / N₁) [V]
그림은 탭 한 단을 변압기 정격 전압의 2.5% 로 두었다.

AVR: 발전기 전압 자동 유지

전압 조정률
ε = (V₀ − VFL) / VFL × 100 [%]
V₀ 는 무부하 전압, VFL 은 전부하 전압이며, 작을수록 좋다.
🔄 AVR 피드백 제어 과정
①PT 로 단자 전압을 검출해 기준 전압 Vref 와 견준다
②전압이 떨어져 편차가 생기면 AVR 이 여자 전류를 늘려 자속과 전압을 올린다
③이렇게 발전기 전압을 수십 ms 안에 정격으로 되돌린다

시험 포인트

전압 조정률
ε = (V₀−VFL)/VFL × 100 [%]
작을수록 안정된 전압 공급
OLTC 탭 방향
전압 ↓ → 탭 내림(−) → 2차 전압 ↑
그림의 탭 한 단 = 2.5%
저압 전압 유지 범위
220 V ± 13 V, 380 V ± 38 V
전기사업법 시행규칙의 표준 전압 유지 범위
조정 수단의 빠르기
AVR(수십 ms) · SVC(연속) · OLTC(수 초) · SC(단계)
AVR 이 가장 빠르고, 콘덴서는 단계적으로 넣고 뺀다
🎯 시험 포인트
①전압 조정률 ε = (V₀ − V_FL)/V_FL × 100% 는 무부하와 전부하 전압을 견준 값이다
②OLTC 는 부하를 끊지 않고 탭을 바꾸며, 탭을 내리면 2차 전압이 오른다
③AVR 은 여자 전류를 제어해 발전기 단자 전압을 ms 단위로 유지한다
④충전 전류 Ic = ωCwE, 충전 용량 Qc = ωCV² 은 장거리 · 케이블 선로에서 중요하다
⑤저압 공급 전압 유지 범위는 220 V ± 13 V, 380 V ± 38 V 이다
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] 무부하 전압 240 V, 전부하 전압 220 V 일 때 전압 조정률[%]은? (답: ε = (240 − 220)/220 × 100 ≒ 9.1%)
②[기출유형] 154 kV 송전선, 길이 100 km, C = 0.01 μF/km 일 때 충전 전류[A]는? (답: Ic = 2π × 60 × 0.01 × 10⁻⁶ × 100 × 154,000/√3 ≒ 33.5 A)
③[기출유형] OLTC 탭을 (−) 방향으로 조작하면 2차 전압은 어떻게 되는가? (답: 1차 권수가 줄어 권수비가 작아지므로 2차 전압이 오른다)
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