[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ①전력계통 사고편

[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ①전력계통 사고편

대학생신재생에너지기자단 23기 김용대

 

본 '대신기와 맞춰보는 전력 퍼즐' 시리즈는 전력 분야와 관련된 기초적인 개념에 대해 다룬다.
해당 시리즈의 첫번째 기사는 '전력계통 사고'이다.

국내외 전력계통 사고 사례 및 원인, 대응조치에 대해 살펴보고,
재생에너지가 증가함에 따라 전력계통 사고와 어떤 연관이 있을지 알아보자.

 

[전력계통 사고란 무엇인가?]

[자료 1. 2003년 미국, 캐나다 북동부 정전 피해지역]

출처 : 전력거래소

전력계통 사고란 발전소, 변전소, 송전선로 등에서 고장이나 이상 현상이 발생하여 전력 공급이 중단되거나 불안정해지는 상황을 의미한다. 사고의 원인은 선로의 절연이 파괴된 것으로, 선로에 직접 번개가 치거나 바람에 의해 선로 간 단락되는 등이 있다. 이에 대비하여 대부분의 전력계통의 경우 퓨즈 및 재폐로기, 차단기와 같은 보호장치들이 마련되어 있지만 고장전류가 사라지지 않고 지속적으로 발생할 경우 계전기가 이를 감지해 차단기를 동작시킨다. 이를 흔히 '정전'이 발생했다고 부른다.

대표적인 해외 사례로는 2003년 미국 북동부 대정전 사태가 있다. 미국과 캐나다 전력계통이 상호 연결된 구조에서 발생한 사고로, 일부 송전선이 과부하로 인해 차단되면서 여파가 계통 전체로 확산했다. 이 사고로 인해 약 263개의 발전 설비가 정지되면서 미국에선 40~100억 달러의 경제적 손실이 발생했다. 우리나라에서도 2023년 12월에 울산 정전 사태가 발생한 적이 있었다. 당시 개폐기의 절연 장치 고장으로 인해 약 2시간 동안 정전이 발생했는데, 이로 인해 약 15만 세대가 불편을 겪어야 했다.

전력계통 사고는 자주 발생하는 것은 아니지만 언제, 어디서 일어날지 모르기 때문에 보호조치를 적절히 대비하지 않으면 그 피해가 대규모로 확산 수 있다. 특히 24시간 전력이 필요한 의료시설 및 데이터센터와 같은 수요처의 경우 전력 공급이 끊긴다면 더욱 치명적이다.

 

[전력계통 사고 종류]

전력계통에서 발생할 수 있는 대표적인 사고 유형은 다음과 같다.

1. 단락 사고

단락사고는 전력계통에서 두 도체 간의 저항이 급격히 낮아져 과도한 전류가 흐르는 사고로, 발생 위치와 형태에 따라 여러 유형으로 나눌 수 있다.

[자료 2. 전력계통 사고 유형]

출처 : Fourfaithpower

1선 지락 단락(Line-to-Ground Fault)은 하나의 상이 대지와 접촉하여 발생하는 단락으로, 가장 빈번히 발생하는 사고 유형이다. 고장 전류는 상대적으로 작지만, 특정 구간에서 발생하면 전체 시스템에 큰 영향을 줄 수 있다. 주로 나무 접촉, 절연체 노후화, 동물 침입 등이 원인으로 작용하고, 고장 전류가 대지로 흐르면서 보호 장치를 작동시킨다. 이때 지락 사고가 장기화면 다른 상들로 고장이 확산 위험이 있다.

선간 단락(Line-to-Line Fault)은 두 개의 상이 단락이 발생하는 사고로, 강풍이나 나무가 전선에 접촉하면서 발생한다. 이때 전압 불균형을 일으켜 부하에 영향을 미치고, 보호 장치가 빠르게 작동하지 않으면 장비 손상이 커질 수 있다. 만약 선간 단락 상태에서 두 개의 상이 대지와 접촉할 경우 2선 지락 단락(Double Line-to-Ground Fault)으로 이어지는데, 1선 지락 단락보다 고장 전류가 훨씬 크고 더 위험하다. 이 역시 보호 장치가 신속히 작동하지 않으면 전압 불균형이 심화하고, 계통 불안정을 일으켜 다른 구간으로 고장이 확산할 가능성이 있다.

3상 단락(Three-Phase Fault)은 세 개의 상(Phase)이 동시에 단락되는 사고로, 전력계통에서 발생할 수 있는 사고 중 발생확률이 낮지만, 가장 심각한 유형이다. 이 경우 높은 고장 전류가 발생해 시스템 전체에 큰 영향을 미치며, 보호 장치가 즉각 작동하지 않으면 과부하와 장비 손상이 심화할 위험이 있다. 3상 단락은 주로 변전소 기기 손상, 송전선의 큰 손상, 또는 번개 등의 외부 충격으로 발생한다.

2. 과전압 사고

과전압 사고는 전력 계통의 전압이 허용 한계를 초과하여 발생하는 사고로, 이로 인해 설비에 과도한 전압이 인가되어 절연 파괴와 장비 손상을 초래할 수 있다. 주된 원인으로는 송전선로가 지면에 가까운 지역을 지나갈 때 번개가 치거나, 송전선로의 무부하 운전으로 인한 선로 전압 상승이 있다.

3. 주파수 불균형 사고

주파수 불균형 사고는 전력 계통 내 발전량과 부하 간의 불균형이 발생하여 주파수가 급격히 변동하는 사고를 의미한다. 이 사고는 발전소 고장이나 부하 급증과 같은 상황에서 발생할 수 있다. 발전소가 갑자기 고장 나거나 정지할 경우, 공급되는 전력이 급격히 감소하여 주파수가 낮아질 수 있다. 반대로 과잉 발전으로 인해 발전소의 전력 공급이 급증하게 되면, 전력 수요가 이를 따라가지 못해 주파수가 상승할 수 있다. 특히 전력계통은 같은 주파수로 동기화 되어있기 때문에 주파수 불균형이 발생하면 전력 설비에 심각한 문제를 일으킬 수 있다.

 

[전력계통 보호 장치]

전력계통 보호 장치는 사고를 사전 감지하고, 사고 발생 시 피해를 최소화하는 데 중요한 역할을 한다. 대표적인 보호 장치로는 계전기, 차단기, 변압기 보호 장치, 주파수 조정 장치 등이 있다.

[자료 3. 전력계통 보호장치 구성]

출처 : 클래스놈

1. 보호계전기 및 차단기

계전기는 전력계통에서 전류, 전압, 주파수 등의 고장이나 이상 상태를 감지하고, 설정된 기준에 따라 보호 장치를 동작시키는 장치이다. 예를 들어, 과전류 계전기는 회로에서 흐르는 전류가 설정된 임곗값을 초과할 경우 이를 감지하여 고장이 발생한 구간만 차단기를 작동시킨다. 이로 인해 과전류로 인한 설비 손상이나 화재와 같은 2차 피해를 예방할 수 있다. 하지만 주 보호 계전기가 동작하지 않을 경우를 대비해 후비보호 계전기를 함께 설정하여 보호 협조의 기능을 수행할 수 있도록 구성되어 있다.

2. 변압기 보호 장치

변압기 보호 장치는 변압기의 상태를 실시간으로 감지하여 고온이나 과전류 등의 상황에서 차단하는 기능을 수행한다. 변압기는 권선비에 따라 전압을 높이거나 낮출 수 있는 전력 계통의 핵심장비로, 한 번 손상이 발생하면 교체하는 데 비용과 시간의 부담이 크기 때문에 보호가 필수적이다. 주로 변압기의 온도, 전류, 냉각 유체의 유속 등을 모니터링하고, 이상이 발생할 경우 자동으로 경고를 발생시키고 차단 조치를 취해 장비 손상과 화재 위험을 줄인다.

3. 주파수 조정 장치

주파수 조정 장치는 계통 내 주파수 변동이 발생했을 때 이를 조정해 계통 안정성을 유지하는 장치다. 이는 재생에너지의 비중이 높은 계통에서 특히 중요하다. 주파수는 발전량과 부하 간의 전력 수급 균형에 따라 결정되는 인자이다. 이때 재생에너지의 발전량이 날씨나 환경에 따라 바뀌면서 전력의 공급과 수요가 일치하지 않는 경우가 발생할 수 있고, 이로 인해 주파수 역시 변동할 수 있다. 따라서 주파수 조정 장치는 발전소의 출력이나 부하 조절함으로써 계통 전반의 주파수 안정성을 높인다. 또한 최근에는 배터리 저장 장치(BESS)와 결합하여 빠르고 유연하게 주파수 조정을 수행해 신속한 대응을 가능하게 하고 있다.

 

[재생에너지 설비 확대가 전력계통에 어떤 영향을 미칠까]

전력 계통 사고는 산업과 개인의 생활에 큰 영향을 미치므로, 재생에너지의 비중이 커지는 현시점에서 계통의 안정성 확보는 더욱 중요하다. 특히 태양광, 풍력과 같은 재생에너지는 날씨와 같은 외부 요인에 크게 좌우되기 때문에 발전량 예측이 어렵다. 이러한 불규칙성은 주파수와 전압 변동을 초래할 수 있고, 전력 계통 사고 발생 가능성을 높인다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 재생에너지와 기존 전력원 간의 균형을 유지하는 운영 기술이 필요하다. 예를 들어, 재생에너지의 변동성을 완화하기 위해 주파수 조정용 에너지 저장 시스템(ESS)을 도입하거나, 계통 안정화 장치를 활용하여 주파수 변동을 제어하는 방법이 있다.

또한, 재생에너지의 증가로 인해 인버터와 컨버터와 같은 전력 변환 장치의 사용이 많아지면서 고조파 발생 문제도 고려해야 한다. 고조파는 기본 주파수 외의 다중 주파수가 계통에 유입되는 현상으로, 전력 변환 장치(예: 인버터, 컨버터)의 사용이 주요 원인 중 하나이다. 고조파가 증가하면 장비 과열, 소음 및 오작동과 같은 문제가 발생할 수 있고, 전력 품질에도 부정적인 영향을 미친다. 따라서 고조파 필터와 같은 고조파 억제 장치를 도입하여 전력 품질을 개선하는 노력이 필요하다.

결론적으로 재생에너지 설비 확대를 위한 정책을 이행하기 전에 재생에너지가 계통에 연결되었을 때의 계통 보호 조치를 선행적으로 고려할 필요가 있고, 이를 뒷받침 할 기술이 함께 이루어져 나가야 할 것으로 보인다.

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전력계통에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "끊임없이 주는 복학생 재생에너지, 부담스러운 새내기 전력계통", 16기 김미림, 18기 김민주, 한동근, 19기 권승호,
https://renewableenergyfollowers.org/3339

끊임없이 주는 복학생 재생에너지, 부담스러운 새내기 전력계통

2. "전기를 생산할 수 없는 발전소", 24기 배장민, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4452

전기를 생산할 수 없는 발전소

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참고문헌

[전력계통 사고란 무엇인가?]

1. glover, Thomas J Overbye, Mulukla S.Sarma, Ch.9 Symmetrical Components, 전력계통 해석 및 설계(제6판), 북스힐, 2016.09.

2. 전력거래소, 국ㆍ내외 전력계통 중대고장 사례집, 2010.08.09.,
https://www.kpx.or.kr/board.es?mid=a10502000000&bid=0045&act=view&list_no=51157&tag=&nPage=67

3. "울산 대규모 정전 사태", 위키백과, 2024.07.03.,
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9A%B8%EC%82%B0_%EB%8C%80%EA%B7%9C%EB%AA%A8_%EC%A0%95%EC%A0%84_%EC%82%AC%ED%83%9C

[전력계통 사고 종류]

1. glover, Thomas J Overbye, Mulukla S.Sarma, Ch.10 Unsymmetrical Faults, 전력계통 해석 및 설계(제6판), 북스힐, 2016.09.

[전력계통 보호 장치]

1. glover, Thomas J Overbye, Mulukla S.Sarma, Ch.11 System Protection, 전력계통 해석 및 설계(제6판), 북스힐, 2016.09.