전력 시스템

전력 시스템()은 전력을 공급, 전송 및 사용하는 데 배치된 전기 부품의 네트워크이다. 전력 시스템의 예로는 넓은 지역 내 주택과 산업에 전력을 공급하는 전력 계통이 있다. 전력 계통은 전력을 공급하는 발전기, 발전소에서 부하 중심으로 전력을 운반하는 송전 시스템, 인근 주택 및 산업에 전력을 공급하는 배전 시스템으로 크게 나눌 수 있다.

더 작은 전력 시스템은 산업, 병원, 상업 건물 및 가정에서도 발견된다. 단선도는 이 전체 시스템을 나타내는 데 도움이 된다. 이러한 시스템의 대부분은 3상 교류 전력에 의존한다. 이는 현대 세계에서 대규모 전력 송전 및 배전을 위한 표준이다. 항상 3상 교류 전력에 의존하지 않는 특수 전력 시스템은 항공기, 전기 철도 시스템, 대양 정기선, 잠수함 및 자동차에서 발견된다.

 역사 
섬네일|펄 스트리트 발전소 스케치
1889년, 두 명의 전기 기술자가 영국 고덜밍에 세계 최초의 전력 시스템을 건설했다. 이것은 두 개의 수차로 구동되었고 250볼트의 지멘스 호광등 7개와 40볼트의 백열등 34개에 전력을 공급하는 교류를 생산했다. 그러나 램프 공급이 간헐적이었고 1882년 토머스 에디슨과 그의 회사인 에디슨 전등 회사는 뉴욕시 펄 스트리트에 최초의 증기 동력 발전소를 개발했다. 펄 스트리트 발전소는 초기에 59명의 고객에게 약 3,000개의 램프에 전력을 공급했다. 발전소는 직류 전력을 생성했고 단일 전압으로 작동했다. 직류 전력은 장거리 송전 중 전력 손실을 최소화하는 데 필요한 더 높은 전압으로 쉽고 효율적으로 변환될 수 없었으므로 발전기와 부하 사이의 최대 경제적 거리는 약 800m로 제한되었다.

같은 해 런던에서 뤼시앵 골라르와 존 딕슨 깁스는 실제 전력 시스템에 사용하기에 적합한 최초의 변압기인 "2차 발전기"를 시연했다. 골라르와 깁스의 변압기의 실제 가치는 1884년 토리노에서 입증되었는데, 그곳에서 변압기는 단일 교류 발전기로부터 의 철도를 밝히는 데 사용되었다. 시스템의 성공에도 불구하고, 두 사람은 몇 가지 근본적인 실수를 저질렀다. 아마도 가장 심각한 것은 변압기의 1차측을 직렬로 연결하여 활성 램프가 라인 아래의 다른 램프의 밝기에 영향을 미치도록 한 것이었다.

1885년, 오토 티투시 블라시는 카로이 지페르노프스키 및 믹사 데리와 함께 골라르와 깁스의 2차 발전기를 완성하여 폐쇄된 철심과 현재의 이름인 "변압기"를 제공했다. 세 명의 엔지니어는 영국 과학자가 제안한 병렬 AC 배전 시스템을 구현한 부다페스트 국립 종합 전시회에서 전력 시스템을 선보였다. 이 시스템에서는 여러 전력 변압기의 1차 권선이 고전압 배전선에서 병렬로 공급되었다. 이 시스템은 1000개 이상의 탄소 필라멘트 램프를 밝혔고 그 해 5월부터 11월까지 성공적으로 작동했다.

또한 1885년에 미국의 기업가 조지 웨스팅하우스는 골라르-깁스 변압기의 특허권을 획득하고 여러 대의 변압기와 지멘스 발전기를 수입했으며, 상업용 전력 시스템에 사용하기 위해 개선을 희망하며 엔지니어들에게 실험을 지시했다. 1886년, 웨스팅하우스의 엔지니어 중 한 명인 윌리엄 스탠리는 변압기를 직렬 대신 병렬로 연결하는 문제점을 독자적으로 인식하고, 변압기의 철심을 완전히 닫힌 루프로 만들면 2차 권선의 전압 조정이 향상될 것이라는 사실을 깨달았다. 이 지식을 사용하여 그는 1886년 그레이트배링턴에서 여러 가정과 기업에 서비스를 제공하는 다중 전압 변압기 기반 교류 전력 시스템을 구축했다. 그러나 이 시스템은 주로 발전 문제로 인해 신뢰할 수 없고 단명했다.. 그럼에도 불구하고 이 시스템을 기반으로 웨스팅하우스는 그해 후반에 에디슨 회사와 경쟁하여 AC 변압기 시스템을 설치하기 시작했다. 1888년, 웨스팅하우스는 니콜라 테슬라의 다상 AC 유도전동기 및 변압기 설계 특허를 취득했다. 테슬라는 웨스팅하우스 일렉트릭 코퍼레이션에서 1년 동안 자문했지만 웨스팅하우스 엔지니어들이 작동 가능한 다상 모터 및 송전 시스템을 개발하는 데 4년이 더 걸렸다.Carlson, W. Bernard (2013). Tesla: Inventor of the Electrical Age, Princeton University Press, pp. 115,159,166-167

1889년까지 전력 산업은 번성했고, 전력 회사들은 미국과 유럽에 수천 개의 전력 시스템(직류 및 교류 모두)을 건설했다. 이 네트워크들은 효과적으로 전등을 제공하는 데 전념했다. 이 시기에 토머스 에디슨과 조지 웨스팅하우스 회사 간의 경쟁은 어떤 형태의 송전(직류 또는 교류)이 우월한지에 대한 선전 캠페인으로 발전했는데, 이는 "전류 전쟁"으로 알려진 일련의 사건이다. 1891년, 웨스팅하우스는 텔류라이드에 100마력 동기식 전동기를 구동하고 전등을 공급하도록 설계된 최초의 주요 전력 시스템을 설치했다. 대서양 건너편에서는 미하일 돌리보-도브로볼스키와 샤를스 외젠 랑셀로 브라운이 라우펜암네카르에서 프랑크푸르트암마인까지 프랑크푸르트 전기 공학 전시회를 위해 최초의 장거리() 고전압(15kV, 당시 기록) 3상 송전선을 구축했다. 여기서 전력은 램프를 밝히고 워터 펌프를 작동시키는 데 사용되었다. 미국에서는 에디슨 제너럴 일렉트릭이 주요 AC 경쟁사인 톰슨-휴스턴 전기 회사에 인수되어 제너럴 일렉트릭을 형성하면서 AC/DC 경쟁이 끝났다. 1895년, 오랜 의사 결정 과정 끝에 교류가 송전 표준으로 선택되었고, 웨스팅하우스는 나이아가라 폭포에 애덤스 No. 1 발전소를 건설했으며, 제너럴 일렉트릭은 버팔로에 11kV의 전력을 공급하는 3상 교류 전력 시스템을 구축했다.

전력 시스템의 발전은 19세기 이후에도 계속되었다. 1936년, 수은 아크 밸브를 사용하는 최초의 실험적인 초고압직류송전(HVDC) 선이 스커넥터디와 메카닉빌 사이에 건설되었다. HVDC는 이전에 직렬 연결된 직류 발전기 및 모터(튀리 시스템)를 통해 달성되었지만, 이는 심각한 신뢰성 문제에 시달렸다. 일반적인 전력 사용에 적합한 최초의 고체 금속 다이오드는 1928년 TeKaDe의 에른스트 프레서가 개발했다. 이는 알루미늄 판에 셀레늄 층을 도포한 것이었다.
1957년에 제너럴 일렉트릭 연구 그룹은 전력 애플리케이션에 적합한 최초의 사이리스터를 개발하여 전력 전자공학의 혁명을 시작했다. 같은 해에 지멘스는 고체 정류기를 시연했지만, 고체 장치가 HVDC의 표준이 된 것은 1970년대 초반에 GE가 사이리스터 기반 HVDC의 최고 공급업체 중 하나로 부상하면서였다.
1979년, 지멘스, 브라운 보베리 & 씨(Brown Boveri & Cie), AEG를 포함하는 유럽 컨소시엄은 카보라 바사에서 요하네스버그까지  이상 확장되어 533kV에서 1.9GW를 전송하는 기록적인 HVDC 링크를 실현했다.

최근에는 정보통신기술(ICT) 분야의 혁신을 전력공학 분야로 확장하면서 많은 중요한 발전이 이루어졌다. 예를 들어, 컴퓨터의 발전은 부하 흐름 연구를 보다 효율적으로 수행할 수 있게 하여 전력 시스템 계획을 훨씬 더 잘 할 수 있도록 했다. 정보 기술 및 통신 기술의 발전은 또한 전력 시스템의 스위치기어 및 발전기를 효과적으로 원격 제어할 수 있도록 했다.

 전력의 기초 
섬네일|3상 교류 애니메이션

전력은 두 가지 양, 즉 전류와 전압의 곱이다. 이 두 가지 양은 시간에 따라 변동할 수 있으며(AC 전력) 또는 일정한 수준으로 유지될 수 있다(DC 전력).

대부분의 냉장고, 에어컨, 펌프 및 산업 기계는 AC 전력을 사용하지만, 대부분의 컴퓨터 및 디지털 장비는 DC 전력을 사용한다(주 전원에 연결된 디지털 장치는 일반적으로 AC를 DC 전력으로 변환하는 내부 또는 외부 AC 어댑터를 사용한다). AC 전력은 전압 간 변환이 쉽고 브러시리스 기계로 생성 및 활용할 수 있다는 장점이 있다. DC 전력은 디지털 시스템에서 유일하게 실용적인 선택으로 남아 있으며, 매우 높은 전압에서 장거리 전송하는 것이 더 경제적일 수 있다(HVDC 참조).All About Circuits [Online textbook], Tony R. Kuphaldt et al., last accessed on 17 May 2009. (also here )

교류 전력의 전압을 쉽게 변환하는 능력은 두 가지 이유로 중요하다. 첫째, 전력은 더 높은 전압으로 장거리에 걸쳐 손실이 적게 전송될 수 있다. 따라서 발전이 부하와 멀리 떨어진 전력 시스템에서는 발전 지점에서 전력 전압을 높이고 부하 근처에서 전압을 낮추는 것이 바람직하다. 둘째, 대부분의 가전 제품이 사용하는 것보다 더 높은 전압을 생산하는 터빈을 설치하는 것이 종종 더 경제적이므로, 전압을 쉽게 변환하는 능력은 이러한 전압 불일치를 쉽게 관리할 수 있음을 의미한다.

고체 소자는 반도체 혁명의 산물로, DC 전력을 다른 전압으로 변환하고, 브러시리스 DC 기계를 구축하며, AC와 DC 전력 간 변환을 가능하게 한다. 그럼에도 불구하고, 고체 기술을 사용하는 장치는 종종 전통적인 장치보다 비싸기 때문에 AC 전력은 여전히 널리 사용된다.

 전력 시스템의 구성 요소 
 공급원 
섬네일|세계 전력의 대부분은 여전히 이와 같은 석탄 화력 발전소에서 생산된다.

모든 전력 시스템에는 하나 이상의 전원 공급원이 있다. 일부 전력 시스템의 경우 전원 공급원이 시스템 외부에 있지만 다른 시스템의 경우 시스템 자체의 일부이다. 이 섹션의 나머지 부분에서는 이러한 내부 전원 공급원에 대해 설명한다. 직류 전력은 배터리, 연료전지 또는 태양 전지로 공급될 수 있다. 교류 전력은 일반적으로 터빈 발전기라고 하는 장치에서 자기장 내에서 회전하는 로터에 의해 공급된다. 터빈의 로터를 회전시키는 데 사용되는 다양한 기술이 있는데, 화석연료(석탄, 가스 및 석유 포함) 또는 원자력을 사용하여 가열된 증기부터 낙하하는 물(수력 발전)과 바람(풍력 발전)까지 다양하다.

로터가 회전하는 속도는 발전기 극의 수와 결합하여 발전기가 생산하는 교류 전류의 주파수를 결정한다. 예를 들어, 국가 전력망과 같은 단일 동기 시스템의 모든 발전기는 동일한 속도의 부분 배수로 회전하므로 동일한 주파수에서 전류를 생성한다. 시스템의 부하가 증가하면 발전기는 해당 속도로 회전하는 데 더 많은 토크를 필요로 하며, 증기 화력 발전소에서는 이를 구동하는 터빈에 더 많은 증기가 공급되어야 한다. 따라서 사용된 증기와 소모된 연료는 공급된 전기 에너지 양과 직접적으로 관련된다. 기어 없는 풍력 터빈과 같은 전력 전자공학을 통합하거나 HVDC 링크와 같은 비동기 연결을 통해 그리드에 연결된 발전기의 경우 예외가 존재한다. 이러한 발전기는 전력 시스템 주파수와 독립적인 주파수에서 작동할 수 있다.

극이 공급되는 방식에 따라 교류 발전기는 가변적인 수의 상 전력을 생산할 수 있다. 상의 수가 많을수록 전력 시스템 작동 효율이 높아지지만, 시스템의 인프라 요구 사항도 증가한다. 전력망 시스템은 동일한 주파수에서 작동하는 여러 발전기를 연결한다. 가장 일반적인 것은 50Hz 또는 60Hz의 3상이다.

전원 공급 장치에는 다양한 설계 고려 사항이 있다. 이러한 고려 사항은 명확한 것부터 시작된다. 예를 들어, 발전기는 얼마나 많은 전력을 공급할 수 있어야 하는가? 발전기 시동에 허용되는 시간은 얼마인가(일부 발전기는 시동에 몇 시간이 걸릴 수 있다)? 전원 공급 장치의 가용성은 허용 가능한가(일부 재생 에너지는 태양이 비치거나 바람이 불 때만 사용할 수 있다)? 보다 기술적인 측면으로는 다음과 같은 것들이 있다. 발전기는 어떻게 시동해야 하는가(일부 터빈은 모터처럼 작동하여 자체 속도를 높이는 경우 적절한 시동 회로가 필요하다)? 터빈의 기계적 작동 속도는 얼마이며 결과적으로 필요한 극 수는 얼마인가? 어떤 유형의 발전기가 적합하며(동기 또는 비동기) 어떤 유형의 로터(농형 로터, 권선형 로터, 돌극형 로터 또는 원통형 로터)가 필요한가?

 부하 
섬네일|토스터는 가정에 나타날 수 있는 단상 부하의 좋은 예이다. 토스터는 일반적으로 110~260볼트에서 2~10암페어를 끌어오며 약 600~1200와트의 전력을 소비한다.

전력 시스템은 기능을 수행하는 부하에 에너지를 전달한다. 이러한 부하는 가전 제품부터 산업 기계까지 다양하다. 대부분의 부하는 특정 전압을 기대하며, 교류 장치의 경우 특정 주파수와 상 수를 기대한다. 예를 들어, 주거 환경에서 발견되는 가전 제품은 일반적으로 국가 표준에 따라 110볼트에서 260볼트(상-접지) 사이의 전압에서 50Hz 또는 60Hz로 작동하는 단상이다. 더 큰 중앙 집중식 에어컨 시스템의 경우 예외가 있는데, 이는 효율적으로 작동하기 위해 이제 종종 삼상이기 때문이다. 모든 전기 가전 제품은 또한 장치가 소비하는 전력량을 지정하는 와트 정격을 가지고 있다. 언제든지 전력 시스템의 부하가 소비하는 순 전력량은 공급 장치가 생산하는 순 전력량에서 송전 손실을 뺀 것과 같아야 한다.Electricity around the world, Conrad H. McGregor, April 2010.What are amps, watts, volts and ohms?, HowStuffWorks.com, 31 October 2000. Last accessed: 27 June 2010.

부하에 공급되는 전압, 주파수 및 전력량이 기대치에 부합하도록 하는 것은 전력 시스템 엔지니어링의 큰 과제 중 하나이다. 그러나 유일한 과제는 아니며, 유용한 작업을 수행하기 위해 부하가 사용하는 전력(유효 전력이라고 함) 외에도 많은 교류 장치는 교류 전압과 교류 전류가 약간 동기화되지 않도록 하므로 추가 전력량을 사용한다(무효 전력이라고 함). 무효 전력은 유효 전력과 마찬가지로 균형을 이루어야 하며(즉, 시스템에서 생산된 무효 전력은 소비된 무효 전력과 같아야 함) 발전기에서 공급될 수 있지만, 종종 커패시터에서 이러한 전력을 공급하는 것이 더 경제적이다(자세한 내용은 아래 "커패시터 및 리액터" 참조).

부하와 관련된 최종 고려 사항은 전력 품질과 관련이 있다. 지속적인 과전압 및 저전압(전압 조정 문제)과 시스템 주파수의 지속적인 편차(주파수 조정 문제) 외에도 전력 시스템 부하는 다양한 시간적 문제에 의해 악영향을 받을 수 있다. 여기에는 전압 강하, 처짐 및 상승, 과도 과전압, 깜박임, 고주파 노이즈, 위상 불균형 및 불량한 역률이 포함된다.Brief power quality tutorials for engineers , PSL, accessed 21 August 2010. 전력 품질 문제는 부하에 대한 전력 공급이 이상적인 상태에서 벗어날 때 발생한다. 전력 품질 문제는 특수 산업 기계 또는 병원 장비의 경우 특히 중요할 수 있다.

 도체 
섬네일|캘리포니아의 부분 절연 중전압 도체

도체는 발전기에서 부하로 전력을 전달한다. 그리드에서 도체는 송전 시스템에 속하는 것으로 분류될 수 있으며, 이는 발전소에서 부하 중심까지 높은 전압(일반적으로 69kV 이상)으로 많은 양의 전력을 전달하거나, 부하 중심에서 인근 가정 및 산업으로 낮은 전압(일반적으로 69kV 미만)으로 적은 양의 전력을 공급하는 배전 시스템에 속하는 것으로 분류될 수 있다.Marshall Brain, "How Power Grids Work", howstuffworks.com, 1 April 2000.

도체 선택은 비용, 전송 손실, 인장 강도와 같은 금속의 다른 바람직한 특성과 같은 고려 사항을 기반으로 한다. 알루미늄보다 저항이 낮은 구리는 한때 대부분의 전력 시스템에서 선택되는 도체였다. 그러나 알루미늄은 동일한 전류 운반 용량에 대해 비용이 저렴하며 이제 종종 선택되는 도체이다. 가공 전차선 도체는 강철 또는 알루미늄 합금으로 보강될 수 있다.Practical Applications of Electrical Conductors, Stefan Fassbinder, Deutsches Kupferinstitut, January 2010.

외부 전력 시스템의 도체는 가공 또는 지하에 설치될 수 있다. 가공 도체는 일반적으로 공기 절연이며 자기, 유리 또는 고분자 절연체에 지지된다. 지하 송전 또는 건물 배선에 사용되는 케이블은 가교 폴리에틸렌 또는 기타 유연한 절연체로 절연된다. 도체는 일반적으로 유연성을 높이고 설치를 용이하게 하기 위해 연선으로 제작된다.Naval Engineering Training Series (Figure 1.6), U.S. Navy (republished by tpub.com), 2007.

도체는 일반적으로 주변 조건보다 주어진 온도 상승에서 운반할 수 있는 최대 전류에 대해 정격이 지정된다. 도체를 통해 전류가 흐르면 열이 발생한다. 절연 도체의 경우 정격은 절연에 의해 결정된다.Conductor ampacity, All About Circuits, Tony R. Kuphaldt et al., 2000. 나동선의 경우 정격은 도체의 늘어짐이 허용할 수 없는 지점에서 결정된다.

 커패시터와 리액터 
섬네일|빅토리아 멜버른 템플스토 변전소에 설치된 동기 조상기

일반적인 AC 전력 시스템에서 부하의 대부분은 유도성이다. 즉, 전류가 전압보다 뒤쳐진다. 전압과 전류가 위상차가 있기 때문에 무효 전력이라고 하는 "가상의" 형태의 전력이 발생한다. 무효 전력은 측정 가능한 일을 하지 않지만, 매 주기마다 무효 전원과 부하 사이에서 앞뒤로 전송된다. 이 무효 전력은 발전기 자체에서 제공될 수 있지만, 종종 커패시터를 통해 제공하는 것이 더 저렴하다. 따라서 커패시터는 전력 시스템의 전류 수요를 줄이기 위해(즉, 역률을 높이기 위해) 유도성 부하 근처(즉, 현장 변전소에 설치되지 않은 경우 가장 가까운 변전소)에 배치되는 경우가 많다.

리액터는 무효 전력을 소비하며 긴 송전선에서 전압을 조절하는 데 사용된다. 경부하 조건에서 송전선의 부하가 서지 임피던스 부하보다 훨씬 낮을 때 리액터를 스위칭하여 전력 시스템의 효율을 실제로 향상시킬 수 있다. 전력 시스템에 직렬로 설치된 리액터는 전류 유입을 제한하기도 한다. 따라서 작은 리액터는 커패시터 스위칭과 관련된 전류 유입을 제한하기 위해 항상 커패시터와 직렬로 설치된다. 직렬 리액터는 또한 고장 전류를 제한하는 데 사용될 수 있다.

커패시터와 리액터는 회로 차단기에 의해 스위칭되며, 이는 상당한 계단형 무효 전력 변화를 초래한다. 이에 대한 해결책은 동기 조상기, 정적 VAR 보상기 및 STATCOM 형태이다. 간단히 말해, 동기 조상기는 무효 전력을 생성하거나 흡수하기 위해 자유롭게 회전하는 동기 전동기이다.B. M. Weedy, Electric Power Systems Second Edition, John Wiley and Sons, London, 1972,  page 149 정적 VAR 보상기는 회로 차단기 대신 사이리스터를 사용하여 커패시터를 스위칭하여 단일 주기 내에 커패시터를 스위칭하고 스위칭할 수 있도록 한다. 이는 회로 차단기 스위칭 커패시터보다 훨씬 더 정교한 응답을 제공한다. 정적 동기 보상기는 전력 전자공학만 사용하여 무효 전력 조정을 달성함으로써 이를 한 단계 더 발전시킨다.

 전력 전자공학 
섬네일|right|이 외부 가정용 AC-DC 전원 어댑터는 전력 전자공학을 사용한다

전력 전자공학은 수백 와트에서 수백 메가와트에 이르는 전력량을 스위칭할 수 있는 반도체 기반 장치이다. 비교적 간단한 기능에도 불구하고 작동 속도(일반적으로 나노초Switching Characteristics of Thyristors During Turn-On , [electricalandelectronics.org], April 9, 2009. 단위)는 기존 기술로는 어렵거나 불가능했을 광범위한 작업을 수행할 수 있음을 의미한다. 전력 전자공학의 고전적인 기능은 정류, 즉 AC-DC 전력 변환이다. 따라서 전력 전자공학은 AC 소스에서 공급되는 거의 모든 디지털 장치에 어댑터(벽에 꽂는 방식) 또는 장치 내부 부품으로 발견된다. 고전력 전력 전자공학은 HVDC 시스템에서 장거리 전송을 위해 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 데도 사용될 수 있다. HVDC는 매우 장거리(수백에서 수천 킬로미터)의 유사한 고전압 AC 시스템보다 경제적이라는 것이 입증되었기 때문에 사용된다. HVDC는 주파수 독립성을 허용하여 시스템 안정성을 향상시키므로 상호 연결에도 바람직하다. 전력 전자공학은 AC 출력을 생성해야 하지만 본질적으로 DC 출력을 생성하는 모든 전원 공급 장치에도 필수적이다. 따라서 태양광 발전 설비에 사용된다.

전력 전자공학은 또한 훨씬 더 이색적인 용도로 광범위하게 사용된다. 이들은 모든 현대 전기 및 하이브리드 차량의 핵심이며, 모터 제어 및 브러시리스 모터의 일부로 사용된다. 전력 전자공학은 사실상 모든 현대 가솔린 차량에서도 발견된다. 이는 자동차 배터리만으로는 자동차 수명 동안 점화, 에어컨, 내부 조명, 라디오 및 대시보드 디스플레이를 제공하기에 불충분하기 때문이다. 따라서 주행 중에 배터리를 재충전해야 하는데, 이는 일반적으로 전력 전자공학을 사용하여 이루어진다.

일부 전기 철도 시스템은 DC 전력을 사용하므로 전력 전자 장치를 사용하여 그리드 전력을 기관차에 공급하고 종종 기관차 모터의 속도 제어에도 사용한다. 20세기 중반에는 정류기 기관차가 인기를 끌었는데, 이들은 전력 전자 장치를 사용하여 철도 네트워크의 AC 전력을 DC 모터가 사용할 수 있도록 변환했다. 오늘날 대부분의 전기 기관차는 AC 전력으로 공급되고 AC 모터를 사용하여 운행되지만, 적절한 모터 제어를 위해 여전히 전력 전자 장치를 사용한다. 정류 외에도 모터 제어 및 시동 회로를 돕기 위한 전력 전자 장치의 사용은 다양한 산업 기계에서 전력 전자 장치가 나타나는 이유이다. 전력 전자 장치는 심지어 현대 주거용 에어컨에도 나타나며 가변 속도 풍력 터빈의 핵심이다.

 보호 장치 

섬네일|right|분전반 피더를 보호하기 위해 변전소에 일반적으로 설치되는 다기능 디지털 보호 계전기
전력 시스템에는 고장 시 부상이나 손상을 방지하기 위한 보호 장치가 포함되어 있다. 가장 전형적인 보호 장치는 퓨즈이다. 퓨즈를 통해 흐르는 전류가 특정 임계값을 초과하면 퓨즈 소자가 녹아 결과적으로 발생하는 간격에 아크를 생성한 후 소멸되어 회로를 차단한다. 퓨즈는 시스템의 약한 지점으로 만들 수 있으므로 회로를 손상으로부터 보호하는 데 이상적이다. 그러나 퓨즈에는 두 가지 문제가 있다. 첫째, 작동 후 퓨즈는 재설정할 수 없으므로 교체해야 한다. 이는 퓨즈가 원격지에 있거나 예비 퓨즈가 없는 경우 불편할 수 있다. 둘째, 퓨즈는 사람이나 동물에게 치명적일 수 있는 전류보다 훨씬 많은 전류를 허용하므로 대부분의 전력 시스템에서 유일한 안전 장치로는 일반적으로 부적절하다.

첫 번째 문제는 회로 차단기의 사용으로 해결된다. 회로 차단기는 전류 흐름을 차단한 후 재설정할 수 있는 장치이다. 약 10kW 미만을 사용하는 최신 시스템에서는 일반적으로 소형 회로 차단기가 사용된다. 이 장치는 트립을 시작하는 메커니즘(과전류 감지)과 전류 흐름을 차단하는 메커니즘을 단일 장치에 결합한다. 일부 소형 회로 차단기는 전자기 원리에만 의존하여 작동한다. 이러한 소형 회로 차단기에서 전류는 솔레노이드를 통해 흐르며, 과전류가 발생하는 경우 솔레노이드의 자기 인력은 회로 차단기의 접점을 강제로 열기에 충분하다(종종 트립 메커니즘을 통해 간접적으로).

고출력 애플리케이션에서는 고장을 감지하고 트립을 시작하는 보호 계전기가 회로 차단기와 분리되어 있다. 초기 계전기는 이전 단락에서 언급된 것과 유사한 전자기 원리에 따라 작동했지만, 디지털 보호 계전기는 전력 시스템의 판독값을 기반으로 트립 여부를 결정하는 애플리케이션별 컴퓨터이다. 다른 계전기는 다른 전력 시스템 보호 방식에 따라 트립을 시작한다. 예를 들어, 과전류 계전기는 어떤 상의 전류가 특정 임계값을 초과하면 트립을 시작할 수 있지만, 한 세트의 차동 계전기는 그들 사이의 전류 합이 접지로 전류가 누출될 수 있음을 나타내면 트립을 시작할 수 있다. 고출력 애플리케이션의 회로 차단기도 다르다. 접점이 강제로 열릴 때 형성되는 아크를 소멸시키기에는 더 이상 공기가 충분하지 않으므로 다양한 기술이 사용된다. 가장 널리 사용되는 기술 중 하나는 접점을 둘러싸는 챔버를 육플루오린화 황(SF6)으로 채우는 것이다. 육플루오린화 황은 유독하지 않으며 우수한 아크 소멸 특성을 가지고 있다. 다른 기술은 참조에서 논의된다.

두 번째 문제, 즉 대부분의 전력 시스템에서 퓨즈가 유일한 안전 장치로서 부적절하다는 문제는 아마도 누전 차단기(RCD)를 사용하여 가장 잘 해결될 수 있을 것이다. 적절하게 작동하는 모든 전기 제품에서는 활성 라인을 통해 제품으로 흐르는 전류가 중성 라인을 통해 제품에서 흐르는 전류와 같아야 한다. 누전 차단기는 활성 및 중성 라인을 모니터링하여 차이를 감지하면 활성 라인을 트립시킨다.How does an RCD work? , PowerBreaker, accessed on 14-Mar-10. 누전 차단기는 각 상에 별도의 중성 라인이 필요하며 피해가 발생하기 전에 정해진 시간 내에 트립할 수 있어야 한다. 이는 대부분의 주거용 애플리케이션에서는 문제가 되지 않는다. 표준 배선은 각 기기에 활성 및 중성 라인을 제공하며(그래서 전원 플러그에는 항상 최소 두 개의 핀이 있음) 전압이 비교적 낮다. 그러나 이러한 문제는 산업과 같은 다른 애플리케이션에서 RCD의 효과를 제한한다. RCD를 설치하더라도 전기에 노출되면 여전히 치명적일 수 있다.

 SCADA 시스템 
대규모 전력 시스템에서는 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA)이 발전기 켜기, 발전기 출력 제어, 유지 보수를 위한 시스템 요소 투입 또는 차단과 같은 작업에 사용된다. 최초의 감시 제어 시스템은 제어되는 설비 근처의 중앙 콘솔에 있는 램프 및 스위치 패널로 구성되었다. 램프는 설비 상태에 대한 피드백을 제공하고(데이터 수집 기능), 스위치는 설비 조정을 가능하게 했다(감시 제어 기능). 오늘날 SCADA 시스템은 훨씬 더 정교하며, 통신 시스템의 발전으로 인해 설비를 제어하는 콘솔은 더 이상 설비 자체 근처에 있을 필요가 없다. 대신, 이제는 데스크톱 컴퓨터와 유사한(동일하지는 않더라도) 장비로 설비를 제어하는 것이 일반적이다. 컴퓨터를 통해 이러한 설비를 제어할 수 있는 능력은 보안의 필요성을 증가시켰다. 이미 이러한 시스템에 대한 사이버 공격으로 인해 전력 시스템에 상당한 혼란이 발생했다는 보고가 있다.Report: hack on Ukraine's power grid , Kim Zetter, WIRED, March 3, 2016.

 실제 전력 시스템 
공통 구성 요소에도 불구하고 전력 시스템은 설계 및 작동 방식 모두에서 크게 다르다. 이 섹션에서는 몇 가지 일반적인 전력 시스템 유형을 소개하고 작동 방식을 간략하게 설명한다.

 주거용 전력 시스템 
주거용 주택은 거의 항상 주택을 지나는 저전압 배전선이나 케이블에서 전력을 공급받는다. 이들은 국가 표준에 따라 110볼트에서 260볼트(상대-접지) 사이의 전압으로 작동한다. 몇십 년 전에는 작은 주택에 전용 2심 서비스 케이블(활성 상용 1심, 중성 귀환용 1심)을 사용하여 단상을 공급했다. 활성선은 퓨즈 상자의 주 분리 스위치를 거쳐 집안의 조명 및 가전 제품에 전력을 공급하는 하나 이상의 회로로 분리되었다. 관례적으로 조명 및 가전 제품 회로는 분리되어 있어 가전 제품의 고장이 주거인의 어둠 속에 남겨두지 않는다. 모든 회로는 해당 회로에 사용된 전선 크기에 따라 적절한 퓨즈로 퓨즈 처리되었다. 회로는 활성 및 중성선 모두를 가졌으며 조명 및 전원 소켓은 모두 병렬로 연결되었다. 소켓에는 보호 접지도 제공되었다. 이는 가전 제품이 금속 케이싱에 연결할 수 있도록 제공되었다. 이 케이싱이 전기가 흐르게 되면, 접지 연결이 누전 차단기나 퓨즈를 트립시켜 가전 제품을 다루는 거주자의 감전을 방지한다는 이론이다. 접지 시스템은 지역마다 다르지만, 영국 및 호주와 같은 국가에서는 주 분리 스위치 전 퓨즈 상자 근처에서 보호 접지와 중성선이 함께 접지되었고, 배전 변압기에서 중성선이 다시 한 번 접지되었다.

수년에 걸쳐 주거용 배선 관행에 여러 가지 작은 변화가 있었다. 선진국의 현대 주거용 전력 시스템이 구형 시스템과 다른 가장 중요한 방식 중 일부는 다음과 같다.

 편의를 위해 분전반에는 퓨즈 대신 소형 회로 차단기가 거의 항상 사용된다. 이는 거주자가 쉽게 재설정할 수 있으며, 열자기 유형인 경우 일부 유형의 고장에 더 빠르게 반응할 수 있기 때문이다.
 안전상의 이유로 RCD는 이제 종종 가전제품 회로에 설치되며, 점점 더 조명 회로에도 설치된다.
 과거의 주거용 에어컨은 단상에 연결된 전용 회로에서 전력을 공급받았을 수 있지만, 삼상 전력이 필요한 더 큰 중앙 집중식 에어컨이 이제 일부 국가에서는 일반화되고 있다.
 금속 램프 홀더를 접지할 수 있도록 보호 접지가 이제 조명 회로와 함께 연결된다.
 점점 더 주거용 전력 시스템은 소형 발전기, 특히 태양광 전지를 통합하고 있다.

 상업용 전력 시스템 
쇼핑센터나 고층 빌딩과 같은 상업용 전력 시스템은 주거용 시스템보다 규모가 크다. 대형 상업용 시스템의 전기 설계는 일반적으로 부하 흐름, 단락 고장 수준 및 전압 강하에 대해 연구된다. 이러한 연구의 목표는 적절한 장비 및 도체 크기를 보장하고, 고장 제거 시 최소한의 중단을 야기하도록 보호 장치를 조정하는 것이다. 대규모 상업 시설에는 더 나은 시스템 보호와 효율적인 전기 설치를 위해 주 분전반과 분리된 하위 패널의 질서정연한 시스템이 있을 것이다.

일반적으로 더운 기후에서 상업용 전력 시스템에 연결되는 가장 큰 가전제품 중 하나는 HVAC 장치이며, 이 장치가 적절하게 공급되는지 확인하는 것은 상업용 전력 시스템에서 중요한 고려 사항이다. 상업 시설에 대한 규정은 주거용 시스템에는 적용되지 않는 다른 요구 사항을 상업용 시스템에 부과한다. 예를 들어, 호주에서는 상업용 시스템이 비상 조명 표준인 AS 2293을 준수해야 하며, 이는 주 전원 공급 장치 손실 시 비상 조명이 최소 90분 동안 유지되어야 한다고 요구한다. 미국에서는 국가 전기 규정이 상업용 시스템에 실외 간판 조명을 위해 최소 하나의 20A 간판 콘센트가 설치되어야 한다고 요구한다. 건축법 규정은 비상 조명, 대피, 비상 전력, 연기 제어 및 화재 방지를 위한 전기 시스템에 특별한 요구 사항을 부과할 수 있다.

 전력 시스템 관리 
전력 시스템 관리는 전력 시스템에 따라 다르다. 주거용 전력 시스템 및 자동차 전기 시스템은 종종 고장 시까지 작동된다. 항공에서는 전력 시스템이 가용성을 보장하기 위해 다중화를 사용한다. 보잉 747의 경우 4개의 엔진 중 어느 것이든 전력을 공급할 수 있으며 전원 켜기의 일부로 회로 차단기를 점검한다(트립된 회로 차단기는 고장을 나타냄). 더 큰 전력 시스템은 능동적인 관리가 필요하다. 산업 플랜트 또는 광산 현장에서는 단일 팀이 고장 관리, 증강 및 유지 보수를 담당할 수 있다. 반면 전력망의 경우 관리는 여러 전문 팀으로 나뉜다.

 고장 관리 
고장 관리는 전력 시스템의 신뢰성에 영향을 미치는 문제를 식별하고 수정하기 위해 시스템의 동작을 모니터링하는 것을 포함한다. 고장 관리는 구체적이고 반응적일 수 있다. 예를 들어, 폭풍으로 인해 끊어진 도체를 다시 연결하기 위해 팀을 파견하는 것이다. 또는 시스템 개선에 초점을 맞출 수도 있다. 예를 들어, 빈번한 일시적인 중단(식물, 번개 또는 야생 동물로 인해 발생할 수 있음)에 취약한 시스템 섹션에 재폐로 차단기를 설치하는 것이다.

 유지 보수 및 증강 
고장 관리 외에도 전력 시스템은 유지 보수 또는 증강이 필요할 수 있다. 시스템의 많은 부분이 이 작업 중에 오프라인 상태가 되는 것이 경제적이거나 실용적이지 않은 경우가 많기 때문에 전력 시스템은 많은 스위치로 구축된다. 이러한 스위치는 작업 중인 시스템 부분을 격리하는 동시에 시스템의 나머지 부분이 작동 상태를 유지할 수 있도록 한다. 고전압에서는 두 가지 주목할 만한 스위치가 있다. 단로기와 회로 차단기이다. 회로 차단기는 부하 차단 스위치인 반면, 부하 상태에서 단로기를 작동하면 허용할 수 없는 위험한 아크가 발생한다. 일반적인 계획 정전에서는 격리된 영역 주변의 전력을 재경로 지정하기 위해 회로 차단기가 다시 닫히기 전에 여러 회로 차단기가 트립되어 단로기를 스위치할 수 있도록 한다. 이를 통해 격리된 영역에서 작업을 완료할 수 있다.

 주파수 및 전압 관리 
고장 관리 및 유지 보수를 넘어 전력 시스템에서 주요 어려움 중 하나는 소비된 유효 전력과 손실이 생산된 유효 전력과 같아야 한다는 것이다. 발전 입력이 일정하게 유지되는 동안 부하가 줄어들면 동기 발전기는 더 빠르게 회전하고 시스템 주파수는 상승한다. 부하가 증가하면 반대 현상이 발생한다. 따라서 시스템 주파수는 주로 가변 부하 및 발전을 켜고 끄는 것을 통해 능동적으로 관리되어야 한다. 주파수를 일정하게 유지하는 것은 일반적으로 시스템 운영자의 임무이다.S. Stoft. Power System Economics. IEEE Press, 2002. 주파수가 유지되더라도 시스템 운영자는 다음을 확인하느라 바쁠 수 있다.

 내용주 

 같이 보기 
 전력 시스템 시뮬레이션

 각주 

 외부 링크 
 IEEE Power Engineering Society
 Power Engineering International Magazine Articles 
 Power Engineering Magazine Articles 
 American Society of Power Engineers, Inc.
 National Institute for the Uniform Licensing of Power Engineer Inc.

분류:전력
분류:전력공학