1. 서 론

수력설비는 발전출력의 크기에 따라 대수력, 중수력, 소수력, 마이크로 및 피크급으로 분류하고 있다^(1,2). 소수력은 발전출력이 1,000~10,000㎾급에 해당되는 것으로 하천이나, 상수도 시설의 유입구 또는 하수처리장의 방류수 시설 그리고 화력 발전소 냉각수 방출 장소 등에서 적용이 가능하다^(3,4,5).

유량과 낙차에 의해 발생한 운동에너지를 전기에너지로 변환하기 위해서는 발전기를 이용한다. 이때 사용하는 발전기로는 동기발전기와 유도발전기 등이 있다. 유도발전기는 튼튼하고, 시스템이 간단하여 경제적이며, 유지보수가 쉬어 출력용량이 크지 않는 곳에서는 적용 기회가 점차 커지고 있다^(6,7,8).

수력발전에는 주로 농형 유도발전기가 많이 적용되고 있다. 이 유도발전기는 유도전동기와 마찬가지로 기동할 때 기동전류에 해당되는 높은 전류에 의해 배전 계통에 전압강하를 일으키는 단점을 갖고 있다^(3,4). 전압강하는 기기의 정상적인 동작을 어렵게 할 수 있으므로 허용범위 이내로 제한하여야 한다^(3,4). 전압강하를 분석할 때 가장 중요한 것은 전압강하를 일으키는 대상설비와 발전기의 정확한 조사와 분석이 매우 중요하다.

본 연구에서는 발전기와 연결하는 변압기, 가공 및 지중 배전선로, 연결된 부하의 크기, 그리고 변전소의 변압기 용량과 각 임피던스에 대한 정확한 자료 반영으로 예상되는 기동전류에 의한 전압강하의 크기와 허용범위를 분석하였다.

2. 소수력 발전 설비 구성도

수차에 유입된 유량과 낙차에 의해 얻어진 기계적 에너지가 유도발전기를 거쳐 전기적 에너지로 변환하면 수용가에 전력을 공급할 수 있다⁽³⁾. 수차에 유입되는 유량과 낙차는 풍력에너지와 달리 변화가 적으므로 전력변환장치를 사용하지 않고서도 안정된 전력을 생산할 수 있어 유도발전기를 최근에 많이 적용하고 있다[3~8].

그림 1은 변전소, 지중 및 가공 배전선로, 부하, 변압기 그리고 유도발전기로 구성한 소수력 발전 계통도이다⁽³⁾. 유도발전기의 1차는 690V의 저압이지만, 변압기를 통해 22.9㎸의 특고압으로 변환시켜 배전계통에 연결하여 전력을 공급할 수 있도록 구성되어 있다⁽⁹⁾. 그림 1에서 배전선로에서의 전압측정위치는 수용가 부하가 연결된 곳은 $L_{0}\sim L_{4}$ 구간으로 설정하였고, 발전기의 단자에서도 실시하였다.

수용가에 필요한 전력을 공급하기 위해 변전소(S/S)에서 지중 및 가공 배전선로(D/L)를 거치는데 도심지는 지중선로로 구성되어 있고, 도심지를 벗어난 외곽의 경우 가공선로로 구성되어 있다. 그림 1과 같이 변전소에서 발전기까지의 총 거리는 11㎞이고, 도심구간은 1㎞이고, 배전선로는 10㎞로서 약 2㎞ 지점마다 역률 0.9인 2,000㎾의 부하가 4곳으로 총 8,000㎾를 공급 할 수 있도록 구성하였다. 배전선로의 끝에는 1,500㎾의 유도발전기를 설치하였다. 변전소의 변압기는 3권선 변압기로 용량은 100MVA이고, 유도발전기에 연결한 변압기는 2MVA를 적용하였다.

3. 동작 특성 분석

본 연구에서는 그림 1과 같은 계통에서 1,500㎾의 농형 유도발전기 2대를 22.9㎸ 배전선로 말단에 시설한 것으로 설정하였다. 해석에 사용한 3상 10극 1,500㎾ 농형 유도발전기의 파라미터는 표 6과 같고, 기동시 높은 전류에 의해 발생하는 전압강하는 전자계 과도해석 프로그램(EMTP)을 이용하여 분석하였다⁽¹¹⁾.

유도발전기가 배전선로 연결될 때 기동전류에 의해 발생하는 전압강하를 분석하기 위해 2대를 순차적으로 기동하였다.

그림 8은 유도발전기 1대만을 기동하여 배전선로에 연결할 때 전력 및 역률의 변화를 나타낸 것이다. 시간 1초에서 기동하여 동기속도 이상이 되기 전에 전동기 운전영역을 거치고서 동기속도 이상이 되었을 때는 발전기 운전영역으로 바뀌는 것을 알 수 있다. 기동하는 과정에서 무효전력이 유효전력보다 높고, 유효전력은 전동기 운전영역과 발전기 운전영역에서 서로 반전되는 것을 알 수 있다. 그래서 역률이 반대로 된다. 역률이 반대로 됨이 바로 수차에 의한 운동에너지가 발전기를 통해 계통으로 전력이 전달된다. 발전기 운전영역에서의 유효전력이 -1,435㎾이고, 무효전력이 459.36kvar이므로 역률은 0.95가 된다. 여기서 유효전력이 마이너스 부호인 것은 전원측과 반대로 발전기의 전력이 배전선로로 공급됨을 의미한다.

그림 9는 유도발전기 1대만을 기동하여 배전선로에 연결할 때 회전속도와 토크의 변화를 나타낸 것이다. 스위치를 투입한 이후 2초 이상 경과하여 동기속도(720rpm) 이상으로 되었을 때 토크는 전동기로 운전할 때와는 반대로 부(-)의 영역에서 약 19,459Nm 정도가 되었다.

먼저 변전소에서 배전선로의 수용가에 8,000㎾의 부하를 공급하고 있을 때 유도발전기 1대를 기동할 때 배전선로의 각각의 위치에서 전압과 기동시의 전류 및 발전기 저압에서의 전압강하를 분석하였다.

그림 10은 발전기 1대만을 기동한 경우 기동전류와 발전기 단자에서의 전압강하를 나타낸 것이다. 기동하는 동안에 흐르는 전류는 5,872A로 정격전류(1,310A)의 4.46배의 전류가 흐르고, 이때 전압은 660V에서 460V로 약 200V 정도의 전압강하가 발생하므로 전압 강하율은 30% 이다. 이와 같이 높은 전압강하가 발생할 경우 발전기의 저압모선에 다른 부하를 연결할 때 기기의 정상적인 동작이 어려울 수 있다.

유도발전기를 배전선로에 연결할 때 문제가 될 수 있는 부분이 바로 기동 전류에 의한 전압강하가 배전선로에서 전압강하율의 허용범위를 초과하는지에 대한 것이다⁽¹⁵⁾.

그림 11은 그림 10과 같은 기동전류가 흐를 때 그림 1과 같은 배전선로의 각 위치에서의 전압강하를 나타낸 것이다. 유도발전기를 기동하는 순간에는 일시적인 전압강하가 나타난다. 변전소로 부터 선로길이가 길어질수록 전압강하가 높게 나타남을 알 수 있다.

표 7은 유도발전기 1대만을 기동한 경우 그림 1과 같은 배전선로의 각 위치와 발전기 단자의 전압강하를 나타낸 것이다. 변전소에서 배전선로의 선로길이가 길어질수록 전압강하는 증가하지만 배전선로 전압강하 10% 허용범위를 초과하지는 않는다. 그러나 발전기 단자에서의 전압강하는 30% 정도로서 발전기 단자와 같은 모선에 다른 설비를 추가할 경우에는 기기가 정상적인 동작이 어려울 정도로 전압강하가 크게 나타남을 알 수 있다. 다음은 두 번째로 변전소에서 배전선로의 수용가에 8,000㎾의 부하를 공급하고 있을 때 유도발전기 2대를 순차적으로 기동할 경우 배전선로의 각 위치에서의 전압과 발전기 저압에서의 전압강하를 분석하였다.

그림 9는 유도발전기 1대만을 기동하여 배전선로에 연결할 때 회전속도와 토크의 변화를 나타낸 것이다. 스위치를 투입한 이후 2초 이상 경과하여 동기속도(720rpm) 이상으로 되었을 때 토크는 전동기로 운전할 때와는 반대로 부(-)의 영역에서 약 19,459Nm 정도가 되었다.

먼저 변전소에서 배전선로의 수용가에 8,000㎾의 부하를 공급하고 있을 때 유도발전기 1대를 기동할 때 배전선로의 각각의 위치에서 전압과 기동시의 전류 및 발전기 저압에서의 전압강하를 분석하였다.

그림 10은 발전기 1대만을 기동한 경우 기동전류와 발전기 단자에서의 전압강하를 나타낸 것이다. 기동하는 동안에 흐르는 전류는 5,872A로 정격전류(1,310A)의 4.46배의 전류가 흐르고, 이때 전압은 660V에서 460V로 약 200V 정도의 전압강하가 발생하므로 전압 강하율은 30% 이다. 이와 같이 높은 전압강하가 발생할 경우 발전기의 저압모선에 다른 부하를 연결할 때 기기의 정상적인 동작이 어려울 수 있다.

유도발전기를 배전선로에 연결할 때 문제가 될 수 있는 부분이 바로 기동 전류에 의한 전압강하가 배전선로에서 전압강하율의 허용범위를 초과하는지에 대한 것이다⁽¹⁵⁾.

그림 11은 그림 10과 같은 기동전류가 흐를 때 그림 1과 같은 배전선로의 각 위치에서의 전압강하를 나타낸 것이다. 유도발전기를 기동하는 순간에는 일시적인 전압강하가 나타난다. 변전소로 부터 선로길이가 길어질수록 전압강하가 높게 나타남을 알 수 있다.

표 7은 유도발전기 1대만을 기동한 경우 그림 1과 같은 배전선로의 각 위치와 발전기 단자의 전압강하를 나타낸 것이다. 변전소에서 배전선로의 선로길이가 길어질수록 전압강하는 증가하지만 배전선로 전압강하 10% 허용범위를 초과하지는 않는다. 그러나 발전기 단자에서의 전압강하는 30% 정도로서 발전기 단자와 같은 모선에 다른 설비를 추가할 경우에는 기기가 정상적인 동작이 어려울 정도로 전압강하가 크게 나타남을 알 수 있다. 다음은 두 번째로 변전소에서 배전선로의 수용가에 8,000㎾의 부하를 공급하고 있을 때 유도발전기 2대를 순차적으로 기동할 경우 배전선로의 각 위치에서의 전압과 발전기 저압에서의 전압강하를 분석하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 소수력에서 유도발전기를 배전선로에 연결할 때 기동하는 순간에 발생하는 높은 전류에 의한 전압강하가 전압강하율의 허용 범위 이내에 들어가는지를 검토한 것이다. 변전소 변압기를 3권선으로 적용하고, 배전선로에 연결된 부하와 지중 및 가공전선로를 구성 조건을 그대로 적용하여 발전기 단자에서와 배전선로의 위치에 따른 전압강하를 분석하였다. 1,500㎾의 농형유도발전기를 기동하여 배전선로에 적용할 때 발전기 저압 단자에서는 약 30%의 전압강하가 발생하지만, 배전선로에서는 10% 이내로 계통 연결할 때 허용하는 범위 안에 운전이 가능함을 확인하였다. 그러나 발전기 저압 모선에서는 전압강하가 높기 때문에 민감한 설비를 운전하고자 할 때 전압강하를 줄일 수 있는 대안이 필요하다.

본 연구결과는 향후 배전선로에 유도발전기를 적용할 때 전압강하에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있을 것이다.