송전선로 — 전압을 높여 멀리 보낸다

발전소는 대개 도시에서 멀리 있습니다. 그 사이를 잇는 것이 송전선로인데, 여기서 가장 중요한 결정은 얼마나 높은 전압으로 보낼 것인가입니다.

전압을 높이는 이유

같은 전력을 보낼 때 전압을 높이면 전류가 그만큼 줄어듭니다. 그런데 선로에서 열로 사라지는 손실은 전류의 제곱에 비례합니다.

전압을 두 배로 올리면 손실이 4분의 1이 됩니다. 154 kV에서 345 kV로, 다시 765 kV로 올라온 것은 이 단순한 관계 때문입니다. 시뮬레이션에서 전압을 바꿔 가며 손실이 어떻게 변하는지 확인해 보세요.

그런데 공기가 견디지 못한다

전압을 올리면 도체 표면 근처의 전위경도가 커집니다. 이 값이 공기의 절연 한계를 넘으면 도체 주변의 공기가 국부적으로 이온화되며 코로나 방전이 시작됩니다. 밤에 송전선 주변이 푸르스름하게 빛나는 것이 이것입니다.

코로나가 시작되는 전압을 임계전압이라 하고, Peek의 실험식으로 구합니다.

m₀는 도체 표면 상태(연선이면 약 0.85), m₁은 날씨(맑으면 1.0, 비나 눈이면 0.8), δ는 상대 공기밀도입니다. 비가 오면 임계전압이 20% 낮아진다는 뜻이고, 시뮬레이션에서 날씨를 바꿔 보면 그 효과가 바로 나타납니다.

다도체 — 굵게 만들지 않고 굵게 보이게

임계전압을 올리려면 도체를 굵게 하면 됩니다. 하지만 굵은 전선은 무겁고 비싸고 다루기 어렵습니다. 그래서 가는 전선 여러 가닥을 일정 간격으로 묶어 전기적으로만 굵은 도체처럼 보이게 합니다.

등가 반지름이 커지면 표면 전계가 낮아져 코로나가 억제되고, 동시에 인덕턴스가 줄어 송전 용량이 늘어납니다. 765 kV 선로가 6도체를 쓰는 이유입니다. 소도체 수를 1에서 6까지 바꿔 가며 임계전압이 어떻게 올라가는지 보세요.

선로정수와 전압강하

선로는 저항뿐 아니라 인덕턴스와 정전용량을 가집니다. 이들이 선로정수이고, 도체 굵기와 배치로 정해집니다.

전압강하 식에서 리액턴스 항에 sinθ가 붙어 있다는 점이 중요합니다. 역률이 나쁠수록 전압이 더 많이 떨어집니다. 역률을 1.0에서 0.7까지 내려 보면 전압강하율이 얼마나 커지는지 볼 수 있습니다. 계통에 조상설비를 두어 역률을 관리하는 이유가 여기에 있습니다.

이도 — 늘어짐도 설계값이다

전선은 자기 무게로 늘어집니다. 이 이도가 모자라면 장력이 과해져 강풍이나 착빙 시에 끊어지고, 과하면 지면·수목과의 이격거리를 확보하지 못합니다.

경간의 제곱에 비례하므로 경간을 늘리면 이도가 급격히 커집니다. 여름에 전선이 늘어나 더 처지는 것까지 고려해 철탑 높이를 정합니다.