강현구
(Hyun-Koo Kang)
†iD
-
(Department of Electrical and Electronic Engineering, Hannam University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Distribution System, Electric Utility Act, IEC 60038, KS C 0501, Supply Voltage
1. 서 론
전력계통을 운영하는 전기사업자뿐만 아니라 전기를 사용하는 전기사용자 모두에게 전기의 품질은 전력공급설비와 전기사용기기 사용의 안전 및 적절한 성능을
보장하기 위해 매우 중요한 요소이다[1]. 일반적으로 전기의 품질은 전압의 크기와 주파수로 정의할 수 있는데, 배전계통의 경우 전기사용자에 제공하는 공급전압의 크기를 적절한 범위 이내로
유지하는 것이 전기사업자의 중요한 책무 중에 하나이다[2]. 이에 따라, 우리나라뿐만 아니라 세계 각국에서는 전기사업자가 지켜야하는 공급전압에 대한 유지범위와 관련된 기준을 가지고 있으며, 국제적으로도 이와
관련된 표준이 있다.
공급전압 유지범위에 관한 국제표준(IEC)은 230/400V ±10%로 규정되어 있으며, 우리나라의 경우 한국산업표준(KS)에서 공칭전압의 크기만
달리하고 유지범위는 동일한 형태인 220/380V±10%로 규정하고 있다[3,4]. 반면에, 우리나라의 전기사업법에서는 220V±6% 및 380V±10%로 상전압과 선간전압의 유지범위를 달리 설정하고 있다[2]. 전기사업법은 우리나라의 전기사업자가 반드시 지켜야하는 사항으로, 한전과 같은 우리나라의 전기사업자는 국제표준 대비 상대적으로 협소한 범위의 전압을
반드시 유지해야만 하는 등 배전계통 설계 및 운영에 있어 제약사항으로 작용할 수 있다.
따라서 본 논문에서는 우리나라에서 상이하게 정하고 있는 한국산업표준과 전기사업법의 공급전압에 관한 기준을 검토하고 이를 국제표준에 따라 변경하였을
때 미치는 영향에 대해 살펴보고자 한다. 이를 위해 먼저, 배전계통에서 지켜야하는 전압에 대한 국제표준을 비롯하여 국·내외 관련 규정 현황과 동향을
살펴보았다. 또한 우리나라에서 현재 운영되고 있는 각 기준의 배경을 살펴보고 이로 인한 제약사항 및 개선 필요성 검토를 진행하였다. 마지막으로, 우리나라의
전기기술분야에서 추진하고 있는 국제표준화 기조를 고려하여 공급전압 유지범위를 국제표준을 준용하여 운영하는 방안과 이에 따라 국내 전기사용기기에 미치는
영향과 분산형전원의 배전계통 수용용량 확대 효과 등을 검토하였다.
2. 배전계통의 전압 기준
2.1 공급전압과 사용전압
배전계통의 전압은 측정지점과 측정방법에 따라 측정 결과가 다르다는 특징이 있다. 따라서 각 표준에서는 전압에 대한 측정기준을 별도로 제시하고 있다.
먼저, 전압의 측정지점에 따라 공급전압(supply/service voltage)과 사용전압(utilization voltage)으로 나누어 볼 수
있다[3-5]. 공급전압은 수용가에 전력을 공급하는 계량기 앞단인 공급단자에서 측정한 전압으로, 전기사업자는 이에 대한 규정에 따라 전압을 유지할 필요가 있다.
사용전압은 전기사용자가 전기용품을 사용하는 사용단자에서 측정한 전압으로, 전기용품의 안전한 사용을 위해서는 이를 고려할 필요가 있다. 전압에 관한
표준에서는 일반적으로 공급전압의 유지범위를 중심으로 규정하고 있다. 사용전압의 범위는 공급단자에서의 전압변동뿐만 아니라 소비자의 설비 내에서 발생하는
전압강하가 발생할 수 있으므로, 이를 고려하여 상한은 공급전압 상한과 동일하고 하한은 공급전압 하한보다 내선 전압강하(우리나라의 경우, 4% 이내)만큼
더 넓은 범위 안에서 전기용품의 사용에 지장이 없어야 함을 명시하고 있다[3-5].
그림. 1. 공급전압과 사용전압의 측정지점
Fig. 1. Measuring point of supply voltage and utilization voltage
각 표준에서 규정하고 있는 공급전압은 표 1에 나타낸 바와 같이 공통적으로 정상운전조건 하에서 측정한 공급단자의 전압을 기준으로 하고 있다. 전압의 크기는 일반적으로 측정전압의 실효값을 대상으로
하고 있다. 구체적인 측정시간에 관한 사항은 미국과 영국의 경우 10분 평균을 기준으로 하고 있으나 다른 표준에서는 구체적인 측정시간을 명시하지 않는
등, 각 표준마다 다르게 적용되고 있다. 따라서 본 논문에서는 측정시간에 관한 사항은 고려하지 않고 공급단자에서 측정한 계통의 정상상태 조건에서의
전압의 실효값 즉, 공급전압을 기준으로 배전계통의 전압 기준을 살펴보고자 한다.
표 1. 공급전압의 측정조건에 관한 표준
Table 1. Standard for measurement conditions of supply voltage
규정
|
계통상태
|
측정지점
|
측정방법
|
KS C 0501[4]
|
정상상태
|
공급단자
|
실효값
|
IEC 60038[3]
|
정상상태
|
공급단자
|
실효값
|
ANSI C84.1[5]
|
정상상태
|
공급단자
|
10분 평균 실효값
|
BS EN 50160[6]
|
정상상태
|
공급단자
|
10분 평균 실효값
|
2.2 국제표준 및 국내·외 현황
배전계통의 공급전압은 전력공급설비의 사양뿐만 아니라 하위 계통에 접속된 모든 전기기기의 정격과 성능에 영향을 미치기 때문에 국제적으로나 국가적 차원에서
그 크기와 유지범위 등을 규정하고 있다. 먼저, 국제표준인 IEC 60038:IEC standard voltages에 따르면, Edition 6.2(’02.7월)에서
220/380V와 240/415V를 표준전압에서 제외하면서 이러한 전압을 공칭전압으로 사용하고 있는 국가 또는 전력계통은 그림 2와 같은 과도기간을 거쳐 최종적으로 230/400V±10%로 운영할 것을 권장하였다[7]. 이후, Edition 7.0(’09.6월)에서는 이러한 권고사항에 대한 결과로 유럽을 포함한 많은 국가에서 220/380V 및 240/415V
전력계통이 230/400V로 변경하여 운영하게 되었음을 명시하였다[3]. 이러한 IEC의 공급전압에 관련된 표준화 활동은 ’89년 CENELEC(유럽 전기 표준화 위원회)에서 협의한 사항을 반영한 것으로 국가별로 공칭전압과
유지범위가 상이한 것으로 인한 비효율성을 줄이기 위해 진행된 것이다. 따라서 IEC에서 공칭전압 및 유지범위에 관한 권고사항이 제시되기 이전부터 유럽
주요 국가들은 표 2에 나타낸 바와 같이 자발적으로 공급전압에 관한 국가표준을 변경하는 등 국제표준화에 일찍이 참여할 수 있었다.
그림. 2. IEC 60038 Edition 6.2의 권장사항(상전압 기준)
Fig. 2. Recommendations of IEC 60038 Edition 6.2(based on phase voltage)
표 2. 유럽 주요국의 공급전압 관련 국가표준 동향
Table 2. Trends of national standards for supply voltage in European countries
국가
|
공칭전압 및 유지범위
|
기존
|
과도
|
최종
|
영국
|
240V±6%
|
(’95년)
230V(-6%~+10%)
|
(’10년)
230V±10%
|
독일
|
220V±6%
|
(’87년)
230V(-10%~+6%)
|
(’03년)
230V±10%
|
이탈리아
|
220V±6%
|
(’98년)
230V(-10%~+6%)
|
(’12년)
230V±10%
|
한편, 각 국가별로 운영되고 있는 공급전압의 크기나 유지범위에 관한 규정은 크게 ‘법적규정’과 ‘국가표준’으로 나누어 설명할 수 있다. 먼저, ‘법적규정’은
한 국가 내에서 법적인 제재력을 가지고 있고 전기사업자가 의무적으로 준수해야 하는 규정으로, 우리나라의 경우 산업통상자원부령으로 전기사업자에게 의무적으로
규정하고 있는 전기사업법 시행규칙 제18조(전기의 품질기준)가 이에 해당한다[2]. 다음으로 ‘국가표준’은 법적규정과 달리 원칙적으로 강제성이 없으며 사회적 편의 또는 효율 향상을 목적으로 정한 것이다. 이는 해당 표준에 가치를
두는 사업자들이 자발적으로 준수하는 사항이며, 우리나라에서 공급전압의 유지범위와 관련된 국가표준은 한국산업표준 KS C 0501이다[4].
표 3은 우리나라를 포함하여 주요 국가별로 운영되고 있는 법적규정과 국가표준 현황을 살펴본 결과이다. 영국의 경우, 국가표준은 IEC에서 제시한 공급전압의
표준을 따르고 있으나 법적규정은 현재 공칭전압 및 유지범위 변경의 과도기간을 거치고 있는 것으로 판단된다. 영국의 법적규정이 과도적 기간임을 고려한다면,
각 국가의 법적규정은 해당 국가의 국가표준을 따르는 것이 일반적이다. 또한, 다른 국가에서는 일반적으로 상전압과 선간전압의 유지범위를 동일하게 사용하고
있으나, 우리나라의 경우 선간전압은 법적규정과 국가표준이 동일한 것에 반해 상전압은 각각 ±6%와 ±10%로 상이하다는 특징이 있다.
표 3. 국내·외 공급전압 유지범위 규정
Table 3. Supply Voltage Regulations
국가
|
공칭전압(V)
(상/선간전압)
|
유지범위(%) (상전압/선간전압)$^{1)}$
|
법적규정
|
국가표준
|
대한민국
|
220/380
|
±6/±10[2]
|
±10[4]
|
일본
|
100/200
|
±6/±10[9]
|
-$^{2)}$
|
영국
|
230/400
|
-6~+10%[10]
|
±10[6]
|
독일
|
230/400
|
±10[11]
|
±10[12]
|
$^{1)}$상전압과 선간전압의 유지범위가 동일한 경우는 하나로 표기함
$^{2)}$일본의 경우, 별도의 국가표준이 존재하지 않음
3. 국내 공급전압 기준 현황
3.1 국내 공급전압 기준의 배경
우리나라의 공급전압 유지범위에 관한 법적규정과 국가표준이 상이한 이유를 살펴보기 위해 각 기준에 관한 제·개정 이력을 살펴보았다. 먼저, 우리나라의
법적규정인 전기사업법의 모태는 1932년 공포된 ‘조선전기사업령’으로 알려져 있으며, 그 세부 시행규칙인 ‘조선전기공작물규정’은 1933년에 제정되었다[13]. 여기에는 공급전압의 유지범위에 대해 구체적으로 명시하고 있지는 않았다. 하지만, ‘조선전기사업령’ 제17조에서 ‘공급점에서 유지해야 하는 전압은
조선총독이 정함’이라 명시한 것으로 미루어 보아 우리나라의 공급전압 유지범위는 일본으로부터 직접적으로 영향을 받았다고 볼 수 있다[14]. 따라서 해방 이후 1961년 제정된 우리나라의 전기사업법과 1974년 제정된 동법 시행규칙에서도 일본 전기사업법에서 규정한 공급전압 유지범위를
준용하였을 것으로 추정할 수 있다. 특히, 표 4에 나타낸 우리나라의 전기사업법 시행규칙의 제·개정이력을 살펴보면, 1974년 제정 당시 일본 전기사업법의 유지범위 기준과 유사한 특징을 보이며,
이후 승압 과정에서도 상전압과 선간전압에 해당하는 공칭전압이 변경되면서 유지범위의 크기는 달라졌으나, 퍼센트 단위로 볼 때 각각 ±6%와 ±10%로
일관되게 적용되어 왔음을 알 수 있다.
한편, 우리나라의 국가표준인 한국산업표준(KS C 0501)은 1968년 최초 제정 당시에는 공칭전압의 크기만 기술하였고, 2004년 개정시 처음으로
유지범위에 관한 사항이 포함되었다. 이 개정본은 IEC 60038 Edtion 6.2(‘02.7월)을 우리나라 실정에 맞도록 수정하여 반영한 것으로
최근 공급전압뿐만 아니라 다양한 분야에 해당하는 기술표준의 국제표준화 동향에 따른 결과라 볼 수 있다. 국제표준에서는 220/380V 계통 국가도
점차 230/400V±10%로 운영할 것으로 권장하였으나, 우리나라의 국가표준에서는 현재 사용하고 있는 공칭전압(220/380V)을 고려하여 전압의
크기는 수정하지 않았다. 다만, 공급전압의 유지범위를 기술하면서 국제표준과 동일하게 ±10% 이내로 제시하였고 전압 크기에 관한 표준으로 IEC 60038의
표준 공칭전압에서 삭제된 220/380V를 다시 포함할 것을 요청하겠다고 명시하였다[15]. 결과적으로 현재 KS C 0501에서는 IEC 60038과 전압의 크기는 다르지만, 전압의 변동범위를 공칭전압의 ±10% 이내로 제한하고 있으며,
상전압과 선간전압 모두 동일한 유지범위를 가지고 있다.
표 4. 우리나라 전기사업법 시행규칙의 제·개정이력
Table 4. Revision history of Electric Utility Act of Korea
공칭
전압
|
일본
|
전기사업법 시행규칙
|
1943년
|
1974년
|
1991년
|
1997년
|
100V
|
101V±6V$^{1)}$
|
101V±6V$^{1)}$
|
|
|
110V
|
|
|
110V±6V$^{1)}$
|
110V±6V$^{1)}$
|
200V
|
202V±20V$^{2)}$
|
202V±20V$^{2)}$
|
202V±20V$^{2)}$
|
|
220V
|
|
220V±13V$^{1)}$
|
220V±13V$^{1)}$
|
220V±13V$^{1)}$
|
380V
|
|
380V±38V$^{2)}$
|
385V±38V$^{2)}$
|
380V±38V$^{2)}$
|
$^{1)}$상전압에 해당하는 것으로 공칭전압 대비 ±6%
$^{2)}$선간전압에 해당하는 것으로 공칭전압 대비 ±10%
3.2 국내 공급전압 기준의 제약사항
국가표준에서 공급전압의 유지범위를 상전압과 선간전압 모두 ±10%로 규정하였다 하더라도, 한전과 같은 전기사업자는 법적규정에서 규정하고 있는 상전압(±6%)과
선간전압(±10%)의 유지범위 기준을 지켜야할 의무가 있다. 여기에서는 국내 전기사업자에게 적용되고 있는 전기사업법 시행규칙에 따른 유지범위를 기준으로
제약사항 및 개선 필요성에 대해 검토하였다.
먼저, 국내 법적규정의 상전압 유지범위(±6%)는 일본 전기사업법으로부터 영향을 받았다. 일본에서 1943년 제정하여 현재까지 사용하고 있는 유지범위
기준은 전압변동이 기기에 미치는 영향을 고려하여 결정한 것이다. 특히, 동력용 부하 공급을 위한 선간전압(또는 삼상전압)과 달리 전등용 부하 공급을
위한 상전압(또는 단상전압)을 ±6%로 설정한 이유는, 당시 전등용 부하로 많이 사용하던 백열전구의 전압에 따른 수명 특성(전압변동 6% 초과시 수명
감소)을 고려한 것이다. 하지만, 최근 백열전구는 환경적인 요인 등으로 인해 우리나라뿐만 아니라 세계적으로 생산 및 수입 금지 조치가 이루어지고 있다.
따라서 상전압의 유지범위 설정시 더 이상 백열전구의 전압특성을 고려하지 않아도 되므로, 국내 법적규정의 상전압 유지범위를 국제표준에 비해 협소하게
운영하는 것에 대해 검토할 필요가 있다.
또한, 일본의 배전계통은 3상3선식 비접지 계통으로 구성되어 있다. 저압계통은 양전압 공급방식을 사용하고 있으며, 그림 3과 같이 단상2선식, 단상3선식, 3상3선식 방식으로 공급하고 있다. 이러한 공급방식에 따르면, 100V를 사용하는 고객과 200V를 사용하는 고객에게
각각 별도의 변압기와 공급선로를 통해 전원을 공급하게 된다. 이와 같은 특징으로 인해 200V 고객에게 공급하는 선로의 길이를 상대적으로 길게 구성할
수 있는 등 현장의 공급전압 관리시, 상전압과 선간전압의 유지범위를 달리 설정한 것이 유의미할 수도 있다. 하지만, 일본의 공급방식과 달리 우리나라는
3상4선식 접지 계통을 사용하고 있으며, 저압계통의 경우 단상2선식 또는 3상4선식으로 구성하고 있다. 이 때, 3상4선식 저압계통은 동일한 변압기와
공급선로를 통해 단상부하와 삼상부하에 전원을 공급하는 형태로 운영하고 있다. 따라서 단상부하에게 공급하는 상전압을 ±6%로 유지하기 위해서는 반드시
선간전압도 ±6%로 유지해야만 하는 제약이 존재한다. 결과적으로 우리나라와 일본을 제외한 모든 국가에서 전기적인 특성에 따라 상전압과 선간전압의 유지범위를
동일하게 규정하고 있는 것을 고려한다면, 국내 법적규정에서 상전압과 선간전압의 유지범위를 달리 규정하고 있는 것에 대한 재고가 필요하다.
그림. 3. 일본의 저압계통 공급방식
Fig. 3. Low-voltage system in Japan
한편, 한전의 ‘배전전압관리 업무지침’에 따르면 특고압선로와 저압선로 각각 10% 전압강하 한도 이내로 운영하게 되어 있다[16]. 설비별 전압강하 한도만 고려하여 배전계통의 전압 프로파일을 도식화하면, 그림 4(a)와 같이 한 개의 배전선로에 연계된 저압계통에서 경험할 수 있는 최대전압과 최소전압의 차이는 최대 20%p가 발생하게 된다. 이러한 배전선로의 전압강하
문제를 해소하고자 설비별 전압강하 한도와 함께 전압강하 5% 이후 지점의 배전용변압기 탭을 12,600탭으로 설정하고 있다. 배전용변압기 탭 설정을
고려하였을 때 저압계통에서 발생할 수 있는 최대전압과 최소전압의 차이는 최대 15%p이다. 이러한 전압크기의 최대 차이는, 법적규정에 따른 상전압의
유지범위 기준(±6%)을 준수하기 위해서는 말단부의 저압선로를 설계한도 대비 여유롭게 설계하거나 별도의 전압제어기기를 설치하는 등 설비계획 및 계통운영시
고려해야할 사항이 많아질 수밖에 없다. 또한, 그림 4(b)에 나타낸 배전용변압기 탭 설정에 따른 전압관리는 해당 선로의 중부하시를 고려한 것으로 경부하시에는 전압강하 저감에 따라 전압강하 5% 지점에서 과전압을
경험할 수 있는 등 공급전압의 적정범위 유지가 어려울 수 있다. 이러한 문제는 현재 우리나라의 배전계통 전압관리체계를 개선하여 해결해야 할 문제이기도
하지만, 국내 법적규정이 선간전압과 달리 상전압의 유지범위를 국제표준보다 협소하게 규정하고 있는 것에 대한 검토도 필요한 것이기도 하다. 즉, 국내
상전압의 유지범위 기준을 국내 선간전압 또는 국제표준 수준(±10%)으로 변경한다면, 배전계통의 전압운영범위가 20%p로 확대되어 그림 4(a)와 같이 설비별 전압강하 한도만 고려하여도 공급전압의 적정범위 유지에 큰 문제가 없는 등 전기사업자의 전압관리를 현 체계 안에서 용이하게 할 수 있기
때문이다.
그림. 4. 우리나라 배전계통의 전압관리체계
Fig. 4. Voltage management strategy of distribution system in Korea
마지막으로 공급전압의 유지범위는 배전계통에 연계하는 분산형전원의 연계용량에도 영향을 미칠 수 있다. 최근 우리나라는 환경적인 문제 외에도 정부의 신재생에너지
확대 정책에 의해 배전계통에 분산형전원 연계가 크게 증가하고 있다. 분산형전원이 배전계통에 연계하기 위해서는 한전의 ‘분산형전원 배전계통 연계 기술기준’에
의하여 연계 적절성을 검토한다. 이러한 기술검토 중 하나가 적정전압유지 여부에 관한 사항이며, 이는 분산형전원의 연계로 인해 해당 계통의 전압이 유지범위
기준(220V±6%)을 적절하게 지킬 수 있는지 판단하는 것이다. 배전계통에 연계된 분산형전원은 일반적으로 과전압 문제를 야기하여 전압기준 상한 초과로
인한 분산형전원의 연계용량 제약이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하고자 전압문제를 야기하는 신규 분산형전원을 대상으로 능동전압제어장치를 시설하고
있지만, 분산형전원의 기설치된 개소가 많은 배전선로에서는 적용하지 못하는 등 분산형전원 연계용량 제약을 충분히 해결하고 있지는 못하고 있다.
4. 국내 공급전압 기준의 국제표준화 영향
4.1 국내 공급전압 기준의 국제표준화 방안
우리나라의 공급전압 기준의 법적규정인 전기사업법 시행규칙은 국제표준뿐만 아니라 국가표준인 KS C 0501와 비교해도 상전압의 유지범위가 협소하게
운영되고 있다. 여기에서는 앞에서 검토한 국내 공급전압 기준으로 인한 제약사항 등을 요약하고 이와 관련하여 고려할 사항 등을 살펴보고자 한다. 먼저,
국내 법적규정에서 요구하고 있는 유지범위 기준은 일본의 전기사업법을 준용하였으나 당시 많이 사용하던 백열전구의 전압특성을 더 이상 고려하지 않아도
되는 현 시점에서 상전압의 유지범위를 ±6%로 제한하는 것은 반드시 필요한 사항이 아니다. 또한, 우리나라의 전압공급체계와 저압공급방식을 고려하였을
때 상전압의 유지범위(±6%)와 선간전압의 유지범위(±10%)를 달리 규정할 필요는 없으며, 단상과 삼상의 유지범위 기준은 특별한 이유가 없으면 다른
국가들과 마찬가지로 동일한 값으로 규정하는 것이 좋다. 마지막으로, 국제표준과 전압의 유지범위뿐만 아니라 공칭전압의 크기를 달리 운영하는 것은 국내
전기사용기기뿐만 아니라 전력공급설비의 국내 산업의 보호무역으로 작용할 수 있지만 반대로 생산 및 수출에 제약으로 작용할 수 있으므로 국가적 차원의
효용성을 고려할 필요가 있다.
공급전압에 관한 법적규정을 변경하는 것은 전기사업자뿐만 아니라 전기사용자 및 전기사용용품에 미치는 경제·사회적 효용성 등 다양한 각도로 상세한 검토가
필요한 사항이다. 하지만, 본 논문에서는 우리나라와 유사한 전압규정을 사용하였던 독일과 이탈리아(220/380±6%)가 IEC 권고안처럼 과도기간을
거쳐 최종적으로 230/400V±10%로 변경한 것처럼, 우리나라의 공급전압에 관한 법적규정이 표 5와 같이 국제표준을 반영하였을 때 전기사용기기와 분산형전원 연계용량에 미치는 영향 등을 제한적으로 검토하고자 한다. 표 5에 나타낸 1단계는 IEC에서 제안한 과도기간의 유지범위인 230/400V(-10%~+6%)과 허용전압의 크기는 동일하지만 현재 사용하고 있는 공칭전압의
크기(220/380V)를 유지하기 위해 제안한 것이다.
표 5. 공급전압 유지범위의 국제표준화 방안
Table 5. International standardization of supply voltage regulations
단계
|
공칭전압
(V)
|
유지범위
(%)
|
허용전압 범위
(V)
|
비고
|
현재
|
220/380
|
±6 / ±10
|
207~233 / 342~418
|
-
|
1
|
220/380
|
-6~+10
|
207~242 / 357~418
|
단상/삼상 단일화
|
2
|
230/400
|
±10
|
207~253 / 360~440
|
국제표준 부합화
|
4.2 전기사용기기 영향 검토
공급전압의 변동은 전기사용기기에 있어 다양한 형태로 영향을 미칠 수 있기 때문에, 전기사용자가 사용하는 전기용품의 안전성 및 성능에 관한 검토가 필요하다.
공급전압의 변동이 전기사용기기에 미치는 영향을 검토하기 이전에, 공급전압과 사용전압과 관련된 국제표준, 국가표준 및 법적규정을 살펴보면 다음의 표 6과 같다.
표 6. 공급전압과 사용전압 관련 규정 현황
Table 6. Regulations of supply voltage and utilization voltage
분류
|
공급전압
|
사용전압
|
국제
표준
|
IEC
60038
|
230V±6%
400V±10%
|
각 전기사용기기별,
요구성능 및 시험기준 존재
|
국가
표준
|
KS C 0501
|
220V±10%
380V±10%
|
상동 (IEC 준용)
|
법적
규정
|
전기사업법
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220V±6%
380V±10%
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전기용품 및
생활용품 안전관리법
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IEC 준용 (시험기준)
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사용전압과 관련된 전기사용기기에 관한 우리나라의 국가표준은 국제표준(IEC)을 준용하고 있으며, 이에 따라 전기사용기기에 요구하고 있는 성능 및 시험기준이
동일하다. 특히, 전기사용기기에 대한 법적규정인 전기용품및생활용품안전관리법의 대상이 되는 전기사용기기들에 대한 시험기준도 이미 국제표준의 시험기준을
준용하고 있다. 따라서 현재 우리나라에서 전기사용기기에 관련된 국가표준 및 법적규정이 모두 국제표준을 따르고 있으므로, 공급전압에 관한 법적규정을
국제표준과 같은 형태로 변경해 가더라도 전기사용기기 관련 규정을 추가적으로 변경할 필요는 없을 것으로 예상된다.
이와 같이 전기사용기기 관련 규정 변경은 불필요하더라도 공급전압 유지범위의 변경이 현재 국내에서 사용 중인 전기사용기기 사용에 문제가 없는지에 관한
검토는 필요하다. 이에 따라 표 5에 제시한 전압의 국제표준화 방안대로 공급전압의 크기가 변경되었을 때 삼상기기에 비해 허용전압의 상한이 크게 확대되는 단상 전기용품에 대해 미치는
영향에 대해 검토하기 위하여, KC 인증시험 항목에 준하여 입력전압을 상승시키며 안전, 효율 및 수명 등에 관해 시험하였다[17]. 시험은 가전기기/전동기/배선기구/등기구 등 국내에서 KC 인증시험을 받고 있는 41종의 전기사용기기를 대상으로 하였으며, 입력전압으로 220V+6%
(=233V)는 현재, 220V+10% (=242V=230V +6%)는 1단계, 220V+15% (=253V=230V+10%)는 2단계의 공급전압
유지범위 상한의 단계적 확대에 따른 단상 전기용품 사용의 적절성 여부 검토를 목적으로 진행하였다. 표 7의 시험결과에 따르면 유도전동기의 경우 220V+15% 입력시 권선의 상승온도 허용기준(80K)을 약 5K 정도 초과하는 것 외에는 입력전압을 상승시켰을
때 우려할만한 문제점이 발견되지 않았다. 시험의 현실적 제약으로 일부 단상 전기용품에 대해서만 검토하였지만, 표 5의 공급전압 1단계 상한 확대는 전기사용기기에 미치는 영향이 미비할 것으로 판단되며 2단계 상한 확대를 위해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 예상된다.
4.3 분산형전원의 연계용량 검토
3.2절에서는 배전계통의 분산형전원 연계용량 증가시 과전압 문제 발생 및 공급전압 유지범위 상한 초과 우려로 인한 분산형전원의 연계용량 제약이 발생할
수 있음을 살펴보았다. 여기에서는, 표 5와 같은 공급전압 유지기준의 상한 확대시 분산형전원 연계점에서의 과전압 이슈 저감에 따른 배전계통의 분산형전원 연계 증가 효과를 간략하게 검토하였다.
그림. 5. 상정 배전선로 개요도
Fig. 5. Overview of the test distribution network
분산형전원의 최대 연계용량은 연계하는 배전선로의 토폴로지, 주변압기 송출전압, 최소부하량 및 분산형전원의 연계 위치 등에 따라 달라진다. 따라서 여기에서는
대상 배전선로를 다음과 같이 상정하여 검토를 진행하였다. 먼저, 그림 5와 같이 긍장을 각각 20 km와 30 km인 배전선로에서 각 노드 간 거리를 각각 2 km 와 3 km로 균등하게 상정하였다. 또한, 한전의 ‘변전소
운전실적 관리시스템(SOMAS)’으로부터 추출한 주변압기 송출전압과 최소부하량 등을 참고하여, 국내 배전선로에 일반적으로 적용할 수 있는 송출전압(1.01
p.u.)과 최소부하량(2.5 MW, 90% 지상역률) 값을 사용하였다. 송출전압은 변전소 CB 2차측(0번 노드) 전압으로 설정하였고, 최소부하량은
10개의 노드(1번~10번 노드)에 균등하게 분포되었다고 가정하였다. 분산형전원의 최대 연계용량 산정에는 openDSS를 사용하여 1번~10번 노드에
균등분포 연계된 경우와 분산형전원 연계에 따른 과전압 문제의 최악조건인 10번 노드에만 분산형전원이 설치된다고 가정한 말단집중 연계된 경우로 나누어
검토하였다. 각각의 사례검토에서는 상전압의 상한값이 표 5의 허용전압 범위에 따라 233/242/253V인 경우에 대해, 각 노드에 연계되는 분산형전원의 용량을 1 kW씩 증가시키며 해당 배전선로에서 전압상한을
초과하는 과전압 문제가 발생하지 않는 분산형전원의 최대 연계용량을 산정하였다. 이 때, 최근 분산형전원 연계에 따른 전압상한을 초과하는 문제시 사업자
부담으로 요청하고 있는 능동전압제어장치 적용에 따른 분산형전원의 역률제어 등 전압에 대한 별도의 제어는 없다고 가정하였다.
표 7. 단상 전기용품에 관한 입력전압 변동 시험(220V+6/10/15%) 결과
Table 7. Input voltage test result for single phase electric appliances(220V+6/10/15%)
전동기,
전열기
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전동공구,
단상유도전동기
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교류어댑터,
변압기,
전자식스위치
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LED,
형광등
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단상유도전동기
(콘덴서기동형)
|
단상유도전동기
(운전형)
|
LED
|
형광등
|
안전시험
(입력시험, 내습성시험, 누설전류시험, 플러그방전시험)
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안전시험
(입력시험, 온도상승시험, 내전압시험)
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안전시험
(출력전압시험, 온도상승시험, 내전압시험, 정상동작시험, 절연저항시험)
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안전시험
(온도상승시험, 내전압시험, 절연저항시험)
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효율시험
(정격출력시험)
|
효율시험
(정격출력시험)
|
효율시험
수명시험
|
효율시험
수명시험
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전 범위
적합
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유도전동기 +15% 인가시 온도상승 부적합
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전 범위
적합
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전 범위
적합
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전 범위
적합
|
전 범위
적합
|
전 범위 적합
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전 범위 적합
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표 8. 분산형전원 연계 가능 용량 검토 결과
Table 8. Hosting capacity analysis result of distribution energy resources
긍장 (km)
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상전압 상한값(V)
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분산형전원 연계 가능 용량(kW)
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균등분포 연계시
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말단집중 연계시
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20
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233
|
7,940
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4,494
|
242
|
20,820*
|
12,610*
|
253
|
35,980*
|
27,089*
|
30
|
233
|
7,060
|
4,040
|
242
|
15,850*
|
9,809
|
253
|
25,830*
|
31,438*
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*실제로는, 배전선로별 상시운전용량 제약으로 10 MW로 제한
표 8은 긍장, 전압상한값 및 분산형전원의 연계 분포 형태에 따라 분산형전원의 최대 연계 가능 용량을 검토한 결과를 나타내고 있다. 검토 결과에 따라 전기사업자가
공급전압 유지기준에 따라 제한할 수밖에 없었던 분산형전원의 연계용량이 유지기준 상한 확대를 통해 크게 확대 수요할 수 있음을 확인할 수 있다. 한편,
현재 우리나라의 배전선로가 일반적으로 상시운전용량 10 MW 이내를 기준으로 운영되고 있고, 배전선로별로 최대 연계 가능한 분산형전원 용량도 최대
10 MW로 제한하고 있다. 이와 같은 배전선로별 상시운전용량 제약에 따라 분산형전원의 용량을 10 MW 이상 연계하였을 때 과전압 문제가 발생하지
않다고 하더라도 해당 배전선로에 연계할 수 있는 분산형전원의 최대 연계용량은 10 MW로 제한된다. 최종적으로 본 검토를 통해 분산형전원이 말단에
집중되어 연계되는 특수한 경우가 아닌 일반적인 연계 조건에서 공급전압 상한이 현재 기준인 233V(220V+6%)에서 242V(220V +10%)로
4% 정도 확대된다면, 전기사업자나 분산형전원 사업자의 전압제어에 대한 별도의 투자 없이도 분산형전원을 최대 연계 가능 용량인 10 MW까지 연계할
수 있을 것으로 예상할 수 있다.
5. 결 론
본 논문에서는 전력계통을 운영하고 전기용품을 사용하는데 있어 중요한 배전계통의 공급전압에 관한 국제표준과 국가별로 정하고 있는 법적규정과 국가표준의
동향을 살펴보고, 현재 국제표준과 다른 형태로 운영되고 있는 우리나라의 법적규정인 전기사업법과 국가표준인 한국산업표준의 제·개정 현황을 검토하였다.
또한, 우리나라의 전기사업자가 의무적으로 준수해야 하는 전기사업법에서 상전압과 선간전압의 유지범위 기준을 각각 220V±6%와 380V±10%로 달리
운영하고 있는 것에 따라 발생할 수 있는 제약사항에 관한 검토 결과를 제시하였다. 다음으로, 공급전압 유지범위를 국제표준에 따라 상한을 점차 확대
운영시 전기사용기기에 미치는 영향과 배전계통의 분산형전원 수용용량 확대 효용 등을 검토하였다. 이러한 검토 결과를 통해 국제표준의 권고안에서 220/380V±6%
전력계통을 사용하는 국가들을 대상으로 권장하고 있는 공급전압 크기 및 유지범위에 관한 과도기적 단계인 230/400V(-10%~+6%)에 해당하는
허용전압 범위로 운영하는 것에 대한 가능성 및 효용성을 확인할 수 있었다.
한편, 본 논문에서 제시한 공급전압 유지범위의 국제표준화 방안은 우리나라의 다른 전기기술분야에서 추진하고 있는 국제표준화 기조를 고려하여 제시한 것으로,
실질적으로는 이로 인해 영향을 받는 전기사업자뿐만 아니라 전기사용자 및 전기용품 제조사 등 다양한 관점에서 검토할 필요가 있다. 특히, 본 논문에서
공급전압 상한 확대에 따라 발생할 수 있는 전기사용기기에 미치는 영향을 단상 전기용품에 대한 시험 결과로 검토하였지만 이는 제한적인 범위의 시험이었다는
한계가 있다. 따라서 관련 규정의 변경을 위해서는 공급전압 상한 확대로 인한 전기사업자의 전압관리 비용 저감 및 분산형전원 수용용량 확대, 국제표준화에
따른 효용성 등 긍정적인 효과뿐만 아니라 전기사용기기 및 전기사용요금 등에 미치는 부정적인 영향에 대한 검토가 필요하며, 이에 대한 사회·경제적 편익
산정 등 추가적인 연구가 선행될 필요가 있다.
Acknowledgements
본 논문은 2018년도 한남대학교 학술연구비 지원을 받아 수행된 연구결과입니다.
This paper was supported by 2018 Hannam University Research Fund.
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저자소개
He received the B.S. degree in electrical engineering, and the integrated M.S. and
Ph.D. degrees in electrical engineering and computer science from Seoul National University,
Seoul, Korea, in 2005 and 2013, respectively.
He was a Senior Researcher at Research Institute of Korea Electric Power Corporation
(KEPRI), Daejeon, Korea, from 2013 to 2018.
He is currently an Assistant Professor at Hannam University, Daejeon, Korea.