배전과 역률 — 콘덴서 하나로 줄어드는 것들

변전소에서 22.9 kV로 내려온 전기는 배전선로를 타고 동네를 지나, 전주 위 주상변압기에서 220/380 V로 바뀌어 각 집으로 들어옵니다. 이 마지막 구간에서 가장 자주 다루는 주제가 역률입니다.

역률이 나쁘면 무엇이 나쁜가

모터나 변압기처럼 자속을 만들어야 하는 부하는 유효전력 외에 무효전력을 함께 필요로 합니다. 무효전력은 일을 하지 않고 전원과 부하 사이를 왔다 갔다 하기만 하는데, 문제는 그것도 선로를 타고 흐른다는 점입니다.

역률이 0.8이면 같은 유효전력을 쓰면서도 전류가 역률 1일 때보다 25% 더 흐릅니다. 손실은 전류의 제곱이니 56% 더 커지고, 전압강하도 함께 커집니다.

콘덴서가 하는 일

해법은 간단합니다. 부하가 필요로 하는 지상 무효전력을 부하 가까이에서 공급해 주면 됩니다. 진상 무효전력을 내보내는 콘덴서를 부하 근처에 달면, 선로는 그만큼 무효전력을 실어 나르지 않아도 됩니다.

핵심은 부하 가까이라는 점입니다. 변전소에 달면 변전소와 부하 사이의 선로는 여전히 무효전력을 나릅니다. 시뮬레이션에서 콘덴서를 투입하면 선로를 흐르는 입자가 작아지는데, 콘덴서 아래쪽 구간만 그렇다는 점을 눈여겨보세요.

줄어드는 것들

• 전류가 역률 비에 반비례해 줄어듭니다.
• 손실은 그 제곱, 즉 (cosθ₁/cosθ₂)²에 비례해 줄어듭니다. 0.8에서 0.95로 올리면 손실이 약 29% 줄어듭니다.
• 전압강하도 좋아집니다. 전압강하 식의 리액턴스 항에 sinθ가 붙어 있어, 무효분이 줄면 그 항이 함께 줄기 때문입니다.
• 설비 여유가 생깁니다. 같은 변압기로 더 많은 유효전력을 보낼 수 있습니다.

배전에서 쓰는 세 가지 율

설비를 정할 때는 최대 부하를 그대로 쓰지 않습니다. 수용률은 설비 용량 대비 실제 최대 수요의 비, 부등률은 개별 최대 수요의 합 대비 합성 최대 수요의 비, 부하율은 최대 수요 대비 평균 수요의 비입니다. 사람들이 동시에 최대로 쓰지는 않기 때문에, 이 값들 덕분에 변압기를 부하 합계보다 작게 잡을 수 있습니다.