1월 17일 여수국가산업단지에서 발생한 정전 사고로 LG화학 등 26개 업체가 수일간 공장 가동을 중지했다. 정확한 원인 규명과 책임 공방이 한창인 가운데 피해액이 수백억 원에 이를 전망이다. 이와 관련 한전은 순간 전압 강하로 전기 공급이 끊겼을 때 입는 피해를 예방하려면 기업 스스로 보호 설비를 갖춰야 한다고 당부했다. 그 대표적 보호설비가 바로 무정전 전원 장치(UPS)다.
전력 계통은 기본적으로 발전 설비와 송전선 · 변전소 · 배전선 등으로 이루어진 유통 설비를 주요소로 한다. 이들 설비를 정상적인 운전 상태로 유지하려면 신경 계통에 해당하는 급전 · 통신 설비와 보호 · 제어 장치 등과 전기를 필요로 하는 구석구석에 전기를 공급하기 위해 팽대해진 설비를 갖춰야 한다. 이로 말미암아 건설비와 유지비를 억제하며 공급 신뢰도를 높이려는 여러 방책을 시행해 왔다. 그러나 고도 정보화사회로의 진전 등 사회 정세 변화에 따라 순간 전압 강하와 정전의 영향을 많이 받는 설비와 공장 등이 늘었다. 이러한 사회 상황 변화를 바탕으로 전기를 공급하는 입장에서 순간 전압 강하와 정전 실태를 소개한다. 전기 수요자도 UPS 등 보호 설비의 자율 설치에 대한 필요성을 이해하기 바란다.
순간 전압 강하와 정전이란
1. 순간 전압 강하 순간 전압 강하란 '전압이 어떤 구간에서 어떤 시간에 일정 치値로 떨어지는 현상'을 말한다(<그림 1> 참조). 일반적으로 '어떤 시간'이란 전력 계통을 구성하는 전기 설비의 이상(이하 사고) 발생에서부터 보호계전기 감지, 차단기(큰 전류를 차단하는 스위치)의 사고 개소 분리까지 필요한 0.07초∼2초 정도로 상당히 짧은 시간이다. 한편, 순간 전압 강하의 전압 저하 폭에 대한 특별한 규정은 없지만, 전압이 보통 90% 정도 이하로 떨어지는 상태를 순간 전압 강하라고 부른다.
2. 정전, 단시간 정전 정전이란 전기 공급이 끊긴 상태지만, 일본 JIS규격(JIS-C0161)에는 수 초(수백㎳)에서 1분 정도 전압이 원래 값의 1% 이하로 떨어질 때 특별히 '단시간 정전'이라고 정의한다.
송전선에 사고가 발생하면 해당 송전선 양 끝의 차단기가 개방된다. 사고 원인이 일시적인 경우(예를 들어 낙뢰)에 일단 송전선을 정지하면 사고 상태는 소멸하고, 송전선 양 끝의 차단기를 다시 투입하면 다시 안정적으로 전력을 공급할 수 있다. 이것을 '재폐로再閉걟'라고 한다. 사고가 발생한 송전선에서 전력을 공급받는 측의 정전 시간은 사고발생에서부터 재폐로 완료까지 수 초에서 1분 정도다.
순간 전압 강하 메커니즘
1. 낙뢰 사고 송전선에는 낙뢰 대책으로 <그림 2>와 같이 전기가 흐르는 전력선 외에 가공지선架空地線이 송전 철탑 맨 위에 걸려 있으며, 낙뢰는 대부분 이 가공지선에 떨어진다. 철탑은 대지에 접지하며, 뇌전류는 가공지선→철탑→대지 경로로 흐른다. 낙뢰는 대부분 전력선에 영향을 미치지는 않으나, 일부는 전력선을 직격하기도 한다. 큰 낙뢰인 경우 가공지선에 떨어지더라도 큰 전류가 흘러 철탑 전위電位가 상승하고, 철탑과 전력선을 지지하는 애자의 능력(절연 내력)을 벗어나 전력선과 철탑이 아크로 연결됨으로써 지락地絡사고가 일어난다.
또한, 사고가 발생했을 때 <그림 3>과 같이 3상 내 1상이 애자 표면 아크를 통해 철탑과 전기적으로 이어진 상태를 '1선 지락', <그림 4>와 같이 2상이 아크를 통해 철탑과 전기적으로 이어진 상태를 '2선 지락'이라고 한다.
2. 사고 제거와 전압 강하 시간 낙뢰 등으로 전력 설비에 발생한 사고를 그대로 방치하면 이상 전류가 흘러 전력 설비 소손이나 감전 사고 등을 일으키기도 한다. 또한, 사고 중에는 송전선 일부가 접지, 혹은 단락된 것과 같은 상태이므로 적정 전압을 유지할 수 없다. 따라서 사고 지점을 재빨리 분리해야 한다(사고제거). 전력 설비는 개개의 설비마다 면밀하게 구간을 나눠 전압과 전류를 항상 감시한다. 이 전압과 전류 정보를 바탕으로 보호계전기는 이상이 발생한 설비를 검출하고, 사고 지점의 설비에 연결된 차단기를 개방하도록 신호를 보내면 차단기가 전류를 끊어 사고를 제거한다. 그러므로 사고 발생에서 차단기 개방 동작이 끝나는 시간이 순간 전압 강하의 계속 시간이 된다.
3. 순간 전압 강하 범위 발전소에서 배전용 변전소에 이르는 전력 계통은 메시Mesh 모양으로 구성된다. 여기에 낙뢰 등의 사고가 발생하면, 사고 발생 부분뿐만 아니라 <그림 5>에서 보듯 사고 지점을 중심으로 그물망이 아래로 늘어진 것과 같은 상태가 되어 넓은 범위에 걸쳐 영향을 미친다. 또한, 전압 강하 폭은 사고 지점에 가까울수록 커지며, 그 지점에서 전기적으로 멀어질수록 작아진다.
정전 메커니즘 정전 발생 원인은 대부분 태풍이나 낙뢰 등 자연재해에 따른 설비 고장으로 불의의 사고가 많다. 기간基幹계통은 메시 모양으로 구성된 데다 하나의 루트에 여러 개의 송전선을 포설한 경우가 많다. 따라서 하나의 설비가 정지한다고 곧바로 전력 공급이 멈추는 일은 없다. 그러나 특별 고압의 2회선 송전선에서 평상시 1회선으로 수전하는 쪽이나, 배전용 변전소로부터 고압 배전선이나 저압 배전선으로 전력을 공급받는 쪽은 일반적으로 여러 루트를 통해 전력 공급을 받지 않으므로 사고가 발생하면 전기 공급이 끊겨 정전된다.
순간 전압 강하 정전이 미치는 영향 정전뿐만 아니라 정전에 이르지 않은 순간 전압 강하에도 전기 기기는 정지, 오작동할 수 있으며, 이때 예상되는 피해 영향은 다음과 같다.
병원 · 의료시설 수술용 조명 정전, 인큐베이터의 기능 저하, 인명 구조 기구의 기능 저하 등
백화점 · 슈퍼마켓 매장 조명이 꺼져 손님들이 혼란을 느끼고 2차 재해가 발생할 우려가 있으며, 냉동 · 냉장 상품 보관함의 기능정지로 식료품 등이 상할 수 있다.
중 · 고층 주택 엘리베이터나 급수 펌프 정지 등
사무소 업무에 필요한 컴퓨터 등 정밀 기기의 정지 등
공장 일부 기기만 영향을 받더라도 생산 라인이 정지하는 등 생산 공정 전체에 대한 영향
각 전기 기기의 순간 전압 강하 영향 유무는 주로 전 압 강하의 계속 시간과 전압 레벨 즉, 순간 전압 강하에서 전압의 정상 전압에 대한 비율에 따라 결정한다. 전압 레벨이 낮아지는(전압 강하 폭이 큰) 경우라도 계속 시간이 짧은 경우 영향이 나타나지 않을 때가 있으며, 전압 레벨 저하가 근소하더라도 계속 시간이 긴 경우 영향이 나타날 때가 있다.
계통 측에서 순간 전압 강하 · 정전 대책 전력 계통 설비는 발전소에서 발생한 전기를 수전측까지 공급하는 설비로, 송전 · 변전 · 배전 설비로 구성된다. 이들 설비는 기후 등 자연현상에 노출되며, 특히 낙뢰는 전력 계통 설비의 최대 위협이자 사고 원인이다. 이 때문에 전력을 안정적으로 공급하고자 전력 계통 설비에 여러 뇌해 대책을 마련하고, 낙뢰 사고를 줄이는 방법에 몰두한다.
1. 가공 송전설비의 낙뢰 대책 가공 송전선에는
① 가공지선 설치로 전력선의 직격뢰 방지(<그림 6> 참조) ② 철탑의 접지 저항 저감으로 뇌 과전압 억제 ③ 아크 열 등으로 애자 손상을 방지하는 아크혼 설치(<그림 7> 참조)
등의 대책을 통해 내뢰성耐雷性향상을 꾀한다.
2. 변전 설비의 낙뢰 대책
① 과전압이 걸린 경우 내부에 넣은 산화아연 소자가 전기적으로 이어지고 낙뢰 에너지를 흡수하는 고성능 피뢰기 설치(<그림 8> 참조) ② 노출 충전부를 가진 변전소의 철구 상부에 가공지선을 설치해 직격뢰 차폐
등의 대책을 통해 내뢰성 향상을 꾀한다.
3. 배전설비의 낙뢰 대책 배전선은 송전 설비와 비교해 기기나 애자의 절연 레벨이 낮으므로 배전 설비의 직격뢰뿐만 아니라 배전 설비 부근의 낙뢰로 발생하는 유도뢰 과전압도 고려해 내뢰 설계를 한다. 다음의 배전선 낙뢰 대책으로 낙뢰로 인한 사고는 감소했다(<그림 9> 참조).
① 낙뢰가 전력선을 직격하지 않도록 보호하며, 유도뢰의 과전압 저감을 위해 가공지선 설치 ② 전선의 용단溶斷이나 애자의 파손을 방지하기 위한 방전 클램프 설치 ③ 산화아연 소자를 내장한 변압기, 개폐기 설치(과전압을 억제하고 변압기, 개폐기를 보호한다.)
수요자의 순간 전압 강하 · 정전 대책 필요성 계통 측에서는 지금까지 많은 정전, 순간 전압 강하 대책을 세웠으며, 여기서 한층 나아간 대책은 기술과 비용 면에서 상당히 어려운 상황이다. 그리고 순간 전압 강하와 정전을 완전히 없애는 것도 불가능하다.
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따라서 이러한 실정에 이해를 구하는 동시에 수요자는 각자 보유한 설비의 영향 정도에 걸맞은 순간 전압 강하와 정전 대책을 마련하고, UPS나 순간 전압 강하 대책 기능을 가미한 NAS 전지 시스템, 비상용 발전기 등을 자율적으로 설치하는 것이 필요하다. 그 중 대형 계산기와 함께 보급된 UPS(Uninterruptible Power System or Supply, 무정전 전원 장치)는 순간 전압 강하 대책으로 가장 효과적이며 폭 넓게 쓰인다. <그림 10>은 UPS의 효과를 개념적으로 나타낸 그림이다. UPS를 설치하면 전원 쪽에 사고가 발생해도 부하 쪽 전압에는 이상이 없으며 중요 부하를 계속해 운전할 수 있다. UPS는 전기 에너지를 축전지 등에 모았다가 순간 전압 강하와 정전이 발생했을 때 상용 계통과의 접속을 끊는 동시에 모아 둔 전기 에너지를 교류로 다시 변환해 부하에 공급하며, 전원 쪽에 이상이 생겨도 부하 쪽에 영향이 나타나지 않도록 작동하는 장치다.
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전기사업은 사회를 구성하는 기본 인프라 중 하나다. 가능한 한 정전을 예방하고, 전력을 저렴하게 공급할 목적으로 설비를 갖추어 왔다. 또한, 공급신뢰도를 높이고자 가능한 범위에서 여러 대책을 실시했다. 그러나 앞에서 말한 대로 순간 전압 강하와 정전을 완전히 없애기란 불가능하므로, 수요자측 스스로 순간 전압 강하와 정전 대책을 마련하기 바란다.
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