11. 배전 계통의 구성 – Kyungchul's Home

제11장 배전 계통의 구성

『최신 송배전공학』(송길영) 441~474쪽 정리 · 오래된 규정은 KEC 기준으로 보완

굵게(노랑) = 중요 용어

빨강 굵게·밑줄 = 가장 중요

연보라 기울임 = 단점·위험·주의

★★★~★ = 빈출도

초록 상자 = 최신 보완

보라 상자 = 예제

주황 상자 = 현장 점검

11.1 배전 선로의 개요

배전 선로 = 발전소 또는 배전용 변전소에서 수용 장소까지 직접 이어지는 전선로. 배전 선로로 수용가에 전력을 공급하는 것을 배전(distribution)이라 한다.

①송전 계통 끝의 배전용 변전소에서 송전 전압을 고압 배전 전압(현재 22.9kV)으로 낮춰 여러 회선으로 인출
②선로 곳곳의 배전 변압기(전주 위에 많아서 주상 변압기)로 다시 낮춰 저압 배전선(220/380V)에 연결

그림 ① 배전 계통의 구성

1) 배전 선로의 특징

①넓은 지역에 흩어진 다수의 수용가에 직접 나누어 공급
②선로가 짧고 저전압·소전력, 회선 수가 많음
③각 선로 전류가 불평형인 경우가 많음
④대부분 시가지 도로 위 → 교통·건축물·도시 미관, 화재·풍수해 등 비상시 보안까지 고려

2) 전압의 구분 ★★★

책은 옛 「전기설비기술기준 제3조」(저압 AC 600V / DC 750V 이하)로 되어 있음 → 현재 KEC 기준으로 바꿔 정리.

구분	교류(AC)	직류(DC)
저압	1kV 이하	1.5kV 이하
고압	1kV 초과 ~ 7kV 이하	1.5kV 초과 ~ 7kV 이하
특고압	7kV 초과 (교류·직류 공통)

[최신 보완]

전압 구분은 KEC 111.1(2021년 시행) 기준. 따라서 22.9kV 배전선은 법규상 ‘특고압’이다. 책과 현장에서 관습적으로 “고압 배전선”이라 부르는 것과 구분해서 기억할 것.

표준전압·허용범위(전기사업법 시행규칙 별표 3): 110V ±6V, 220V ±13V, 380V ±38V, 주파수 60Hz ±0.2Hz

3) 우리나라 배전 전압의 변천

	1970년대까지	현재
고압선	3.3kV(일부 6.6kV) 비접지 3상 3선식	22.9kV-Y 3상 4선식, 중성선 다중 접지
저압선	전등 100V 단상 2선식, 동력 200V	220/380V 3상 4선식

승압 이유: 부하 증가에 따른 전압 개선·전력 손실 경감 + 대규모 수요 증가에 대응한 공급 능력 증강.

[최신 보완] 책에는 “과도기로 110V, 110/220V 등이 혼재하나 곧 220/380V로 통일될 전망”이라고 되어 있으나, 110V→220V 승압 사업은 이미 끝나 현재 일반 수용가는 220V(단상), 동력은 380V(3상)로 공급된다. 3.3/6.6kV 고압 배전도 22.9kV-Y로 사실상 통일되었다.

11.2 고압 배전 계통의 구성

11.2.1 급전선, 간선 및 분기선 ★★

선로 전류의 크기에 따라 세 부분으로 나눈다.

구분	내용
급전선(feeder) = 궤전선	배전 변전소(발전소) → 배전 간선까지의 선로. 도중에 부하가 일체 접속되지 않음 (배전 구역까지의 ‘송전선’ 역할)
간선	부하 분포에 따라 직접 배전하거나 분기선을 내는 부분. 발·변전소의 모선에 해당. 분기선·주상 변압기가 많이 붙고 대부분 가공선
분기선 = 지선	간선에서 갈라져 변압기(말단 부하)까지 가는 부분
궤전점	급전선과 간선의 접속점

그림 ② 급전선·간선·분기선

①소도시·촌락: 급전선 없이 변전소에서 바로 간선을 인출하는 경우가 많음
②도시: 인출 회선이 많아지므로 급전선을 수용 지점 근처까지 시설 → 간선에 공급
③급전선 회선이 많아지면 변전소 인출구가 복잡해지고, 한 회선의 사고가 다른 회선으로 확산될 우려 → 지중선 또는 가공 케이블 사용

11.2.2 고압 배전선의 구성 ★★★

가공 고압 배전선은 수지식, 환상식, 망상식 3가지.

그림 ③ 고압 배전선의 3가지 구성

1) 수지식(방사상식)

발·변전소에서 인출된 배전선이 부하 분포에 따라 나뭇가지 모양으로 분기선을 내며 각 방면으로 가는 방식. 예전 우리나라 배전선은 대부분 이 방식.

장점
수요 증가 때마다 간선·분기선을 연장·증강하기 쉬움 (구성 단순, 경제적)

단점
사고 시 다른 계통으로 전환할 수 없어 정전 불가피
전압 변동·전력 손실이 큼

2) 환상식(루프식)

배전 간선을 하나의 환상선(루프)으로 구성하고 수요 분포에 따라 임의 장소에서 분기선을 내는 방식.

①결합 개폐기: 고장 시에만 자동 폐로해서 반대쪽에서 전력을 공급하는 역할
②결합 개폐기를 평상시 개방 → 상시 개로 루프 / 평상시 폐로 → 상시 폐로 루프
③좌우 양쪽에서 공급 → 고장 구간 분리가 쉬움, 전류 통로에 융통성 → 전력 손실·전압 강하가 수지식보다 작음
④보호 방식이 복잡해지고 설비비가 비쌈
⑤용도: 비교적 수용 밀도가 큰 지역의 고압 배전선

3) 망상식(network system)

배전 간선을 그물(망상)으로 접속하고, 망 안의 여러 접속점에 급전선을 연결한 방식 = 네트워크 방식.

①환상식보다 무정전 공급 신뢰도가 더 높음
②유럽·미국 대도시에서 널리 채택
③건설비가 비싸고 특별한 보호 장치가 필요

[최신 보완]

현재 한전 가공 배전선은 선로를 여러 구간으로 나누고(다분할) 이웃 선로와 상시 개방된 연계점을 두는 다분할 다연계 방식으로 운영한다 → 운전은 방사상, 고장 시 연계 개폐기로 다른 선로에서 공급하는 “상시 개로 루프”의 발전형.

배전 자동화(DAS): 자동화 개폐기를 원격 조작해서 고장 구간만 분리하고 건전 구간은 다른 선로로 빠르게 역송한다. 고장 구간 분리는 변전소 차단기(재폐로) → 리클로저 → 섹셔널라이저 → 선로 퓨즈 순의 보호 협조로 이루어진다.

11.2.3 고압 지중 배전 계통의 구성 ★★

대도시 등 부하 고밀도 지역에서 확대되고 있는 지중선 방식. 4가지로 나눈다.

그림 ④ 고압 지중 배전 계통의 4가지 방식 (■ 차단기)

방식	특징
방사상 방식	①변전소에서 1회선 인출해 수용가 공급 ②경제적 ③신규 부하 증설이 쉬움
예비선 절체 방식	①서로 다른 변전소(뱅크)에서 본선과 예비선 인출 ②상시 본선 공급 → 고장·공사 시 예비선으로 절체 ③절체할 때 순간 정전 ~ 단시간 정전 발생 ④개폐기 절체 방식: 자동·원격·수동
환상 공급 방식	ㄱ. 순수 환상: 동일 변전소 동일 뱅크에서 2회선으로 상시 공급(설비 고가). 고장 시 고장 구간 양측 계전기로 차단기 동작 → 건전 선로로 무정전 공급 ㄴ. 개방 환상: 두 계통을 연계하고 부하 중심점을 상시 개방 운전. 고장점 탐색·개폐기 조작 방식에 따라 정전 시간이 좌우됨
스포트 네트워크 방식	①공급 신뢰도: 1회선 케이블이나 변압기가 고장 나도 2차 병렬 모선으로 무정전 공급 ②선로 이용률: 환상 공급 50[%] → 3회선 네트워크 67[%] ③전압 변동률: 변압기 2차측 병렬 운전으로 부하 분담 균일 → 전압 변동 적음

[최신 보완] 선로 이용률이 왜 50 → 67%인가?
1회선이 고장 나도 남은 회선이 전체 부하를 감당해야 하므로, 정상 시 1회선이 낼 수 있는 부하는 $$\text{이용률}=\frac{n-1}{n}\qquad(\text{2회선 환상: }\tfrac12=50\%,\ \ \text{3회선 네트워크: }\tfrac23\approx67\%)$$

n : 공급 회선 수

11.3 저압 배전 계통의 구성

저압 배전선 구성: 방사상 방식(일반적), 저압 뱅킹 방식, 저압 네트워크 방식 3가지.

11.3.1 방사상 방식

변압기 뱅크 단위로 저압 배전선을 시설해 그 변압기 용량 범위의 수요를 공급, 부하가 늘면 나뭇가지 모양으로 간선·분기선을 추가.

장점
구성이 단순, 공사비 저렴

단점
전압 변동·전력 손실이 크고, 사고 시 정전 범위가 넓어 신뢰성이 낮음

11.3.2 저압 뱅킹 방식 ★★★

동일 고압 배전선에 접속된 2대 이상의 배전 변압기의 저압측 간선을 병렬 접속하는 방식. (고압측은 같은 상, 2차측만 서로 연락) — 미국에서 널리 사용, 비교적 대용량 변압기의 2차측에 적용.

1) 장점 (2차측 수지식 대비)

①변압기 공급 전력을 서로 융통 → 변압기 용량 저감
②전압 변동 및 전력 손실 경감 (플리커 경감)
③부하 증가에 대한 탄력성 향상
④고장 보호 방식이 적당하면 공급 신뢰도 향상(정전 감소)

2) 단점 — 캐스케이딩(cascading) ★★★

캐스케이딩 = 변압기 또는 선로의 사고로 뱅킹 내 건전한 변압기의 일부 또는 전부가 연쇄적으로 회로에서 차단되는 현상.
원인: 1차 퓨즈·2차 퓨즈 등 보호 장치가 적당하지 않아 사고가 고장 구간 양단에서 즉시 분리되지 않고 범위가 확대됨

3) 대책 — 구분 퓨즈와 보호 협조

①변압기 1차측에 퓨즈, 인접 변압기를 잇는 저압선 중간에 구분 퓨즈(또는 차단기) 설치
②변압기·저압선 고장 시 1차측 퓨즈 + 양측 구분 퓨즈가 끊어져 그 구간 수용가만 정전
③구분 퓨즈는 변압기(1차) 퓨즈보다 먼저 끊어져야 함 (협조가 안 되면 사고 확대)

그림 ⑤ 저압 뱅킹 방식의 보호 장치와 협조

책 그림 12.11에는 선상(線狀) 뱅킹과 루프상 뱅킹 2가지가 있다(저압선을 일직선으로 잇느냐, 고리로 잇느냐의 차이).

11.3.3 저압 네트워크 방식 ★★★

배전 변전소의 동일 모선에서 2회선 이상의 급전선으로 공급하고, 2대 이상의 배전 변압기 2차측(저압측)을 망상으로 연결해서 각 수용가는 이 네트워크에서 분기해 공급받는 방식.

그림 ⑥ 저압 네트워크 배전 방식 (네트워크 프로텍터 = 역류 개폐 장치)

장점 — 어느 회선이 사고 나도 다른 회선에서 무정전 공급

①무정전 공급 → 공급 신뢰도 높음
②플리커·전압 변동률 적음
③전력 손실 감소
④기기 이용률 향상
⑤부하 증가 적응성 좋음
⑥변전소 수를 줄일 수 있음

단점

①건설비가 비쌈
②특별한 보호 장치(네트워크 프로텍터)가 필요

1) 스포트 네트워크(spot network) 방식 ★★★

네트워크 방식을 간소화한 것. 22.9kV 배전용 변전소에서 2회선 이상(주로 3회선)의 배전선으로 수전해서 도심 고층 빌딩·큰 공장 같은 부하 밀도가 높은 대용량 집중 부하에 적용. 1회선이 사고 나도 다른 건전 회선에서 자동으로 수전하는 무정전 방식으로 신뢰도가 매우 높다.

①22.9kV측 수전용 차단기를 생략하고, 대신 변압기 저압측에 네트워크 프로텍터를 보호 장치로 사용
②네트워크 프로텍터가 여러 사고에 대한 동작 책무를 맡아 사고 구간을 자동·정확하게 분리 → 부하에 무정전 공급

그림 ⑦ 스포트 네트워크 기기 배치도

보호 계전기 번호: 51 과전류, 51G 지락 과전류, 67 전력 방향, 78 위상, 84 전압
※ 책 그림에는 ’74’로 인쇄되어 있으나 범례는 ’78(위상)’이라 범례를 따름.

2) 네트워크 프로텍터의 기능 ★★ (책 예제 12.10)

고압측 기기(고압 배전선·네트워크 변압기)의 사고나 작업 정전으로부터 저압 네트워크를 보호. 구성: 프로텍터 차단기 + 네트워크 계전기 + 프로텍터 퓨즈.

ㄱ.역전력 차단 특성: 고압 배전선 사고·작업 정전 시, 건전 회선 → 저압 네트워크 → 네트워크 변압기 고압측으로 전류가 역류 → 이를 검출해 프로텍터 차단기 트립
ㄴ.차전압 투입 특성: 고압 배전선 복구(작업 종료)로 변압기 2차 전압이 회복되면 네트워크 모선 전압과 비교해 프로텍터 차단기를 자동 투입

[최신 보완] 일반적으로 네트워크 계전기의 특성은 위 2가지에 무전압 투입 특성(네트워크 모선이 무전압일 때 1차측 전압이 들어오면 투입)을 더해 3가지로 정리한다.

11.3.4 수전 방식·인입 방식·수전 설비 (책 예제 12.2~12.3)

수전 전압은 수전 용량·지리적 조건을 고려해 전력회사와 협의해 정하며, 전압이 높을수록 품질·신뢰도는 좋아지지만 건설비가 비싸진다.

1) 고압 수용가의 인입 방식과 책임 분계점 ★★

전력회사 설비와 수전 설비의 경계에 책임 분계점을 둔다. 분계점부터 부하측 설비의 공사·유지·운용 보안 책임은 수전 설비 설치자(= 전기안전관리자가 관리할 범위)에게 있다.

그림 ⑧ 고압 수용가의 인입 방식과 책임 분계점

방식	내용
가공 인입	전력회사 가공 인입선에서 인입할 때: 수용가 구내에 수용가가 전주(1호주)를 세워 가공선 또는 지중 케이블을 연결 → 여기를 책임 분계점으로 함. 1호주에 GR 부착 PAS(또는 PGS)
지중 인입	전력회사 지중 인입선에서 인입할 때: 수용가 구내에 설치한 고압 캐비닛 안에서 수용가측 고압 인입 케이블을 접속 → 여기를 책임 분계점으로 함. 캐비닛에 GR 부착 UGS

[최신 보완]

요즘 22.9kV 가공 인입구에는 PAS 대신 ASS(자동 고장 구분 개폐기)를 많이 쓴다. ASS는 수용가 내부 사고 시 한전 변전소(리클로저)가 차단·재폐로하는 무전압 순간에 스스로 개방해서, 사고가 한전 선로로 번지는 파급 사고를 막는다. (PAS·ASS 모두 “고장 전류를 직접 차단하는 차단기가 아니다”라는 점이 핵심)

지중 인입은 지중용 개폐기(UGS, 자동형은 AISS 등)를 쓴다. 세부 설치 기준(용량별 적용 기기)은 최신 한전 「기본공급약관」·설계기준을 확인할 것.

2) 고압 수전 설비의 구성 기기 ★★★

수전 설비는 수전 부분 → 변압기 부분 → 2차 모선 이후 저압 부분으로 구성된다.

그림 ⑨ 고압 수전 설비 단선 결선도(간략화)

책 그림 12.18을 간추려 다시 그림. 책에는 PC(고압 컷아웃)로 50kVA 이하 콘덴서·변압기를 여는 분기, 전류계(A)·전류계 절체 개폐기(AS) 등도 있다. 케이블 인입이면 ZCT를 VCT 앞(케이블 부분)에 두기도 한다.

구성 기기 (기호)	기능
변압기(T), 전력 수급용 계기용 변성기(VCT=MOF), 계기용 변압기(VT), 변류기(CT), 영상 변류기(ZCT)	전압·전류를 변압·변류
고압 차단기(CB), 고압 교류 부하 개폐기(LBS), 단로기(DS), 배선용 차단기(MCCB), 퓨즈(PF, F)	전압·전류를 개폐·차단
과전류 계전기(OCR), 지락 계전기(GR), MCCB, 퓨즈(PF, F)	회선의 고장·이상 검출
전압계(V), 전류계(A)	전압·전류 측정
피뢰기(LA)	뇌서지 등 과전압 침입 방지
진상 콘덴서(SC)	역률 개선

[최신 보완]

ㄱ.DS(단로기)는 부하 전류를 끊을 수 없다 → 반드시 CB(LBS)를 먼저 열고 DS를 연다(투입은 반대 순서: DS → CB).
ㄴ.22.9kV-Y 계통 피뢰기는 보통 정격 18kV, 접지선 탈락 장치(Disconnector) 붙은 것을 쓴다.
ㄷ.소용량은 차단기 대신 LBS+PF(PF가 단락 보호)로 보호하며, 수전 전체를 이렇게 구성한 것이 간이 수전 설비(22.9kV-Y 1,000kVA 이하에서 사용). PF는 1상만 끊어지면 결상(단상 운전) → 전동기 소손 우려 → 결상 계전기 등 대책 필요.

11.4 배전 선로의 전기 방식

11.4.1 고압 배전 선로의 전기 방식

예전 고압 배전선 3.3kV, 6.6kV, 22kV 3상 3선식 → 1차 배전 전압 승압 정책으로 22.9kV로 통일.

1) 3상 3선식(중성점 비접지 방식)

①배전선에서 가장 많은 지락 사고 때 지락 전류가 작다는 장점
②변전소 주변압기 2차측 Δ결선, 주상 변압기 동력용은 주로 V결선

그림 ⑩ 3상 3선식(중성점 비접지 방식) 고압 배전 선로 (옛 3.3kV 방식)

고압측(3.3kV)은 어디에도 접지가 없고, 접지는 주상 변압기 저압측 1단자에만 한다(고·저압 혼촉 시 저압측 전위 상승 방지). 지금의 22.9kV-Y 다중 접지(그림 ⑪)와 비교해서 볼 것.

2) 3상 4선식(중성점 접지 방식) ★★★

변전소 주변압기 2차측을 Y결선해 중성점을 접지. 중성선 대지 이용 방식, 중성선 단일 접지 방식, 공통 중성선 다중 접지 방식 등이 있다.

중성선 접지 방식의 단점: 1선 지락 = 1상 단락과 같아 지락 전류가 큼 → 통신선 유도 장해 우려, 고·저압 혼촉 시 저압선 전위 상승이 높아질 우려

그림 ⑪ 3상 4선식 다중 접지 고압 배전 선로 (22.9kV-Y)

ㄱ. 22.9kV-Y의 상전압 $$E=\frac{V}{\sqrt3}=\frac{22.9}{\sqrt3}\fallingdotseq 13.2\ [\mathrm{kV}]$$

E : 상전압(중성선–상) [kV]
V : 선간 전압 [kV]

13.2kV 상전압은 변압기 중간 탭을 이용하면 기존 6,600V·3,300V 계통과의 연계가 쉬운 이점이 있다. 단상 공급(한 상 + 중성선)도 13.2kV로 가능.

[최신 보완] 현재 한전 배전 표준 = 22.9kV-Y 3상 4선식 중성선 다중 접지. 다중 접지 중성선의 접지 간격·접지 저항 기준은 KEC의 “25kV 이하 특고압 가공전선로” 조항에 있다. 다중 접지 중성선에는 퓨즈·차단기를 넣지 않는다(중성선이 끊기면 위험).

3) 승압의 효과 ★★★ (책에 없는 중요 공식 정리)

ㄴ. 3상 선로 손실 ★★★ $$P_l=3I^2R=3\left(\frac{P}{\sqrt3\,V\cos\theta}\right)^2R=\boxed{\frac{P^2R}{V^2\cos^2\theta}}$$

P_l : 선로 손실 [W]
P : 부하 전력 [W]
I : 선전류 [A]
R : 전선 1가닥의 저항 [Ω]
V : 선간 전압 [V]
cosθ : 부하 역률

전압을 n배로 올리면 (다른 조건 같을 때):

항목	관계	전압 n배일 때
전력 손실·전압 강하율	$\propto \dfrac1{V^2}$	$\dfrac1{n^2}$배
전선 단면적(같은 손실)	$\propto \dfrac1{V^2}$	$\dfrac1{n^2}$배
공급 전력(같은 손실률)	$\propto V^2$	$n^2$배
송전 거리(같은 전력·손실)	$\propto V^2$	$n^2$배
전압 강하	$\propto \dfrac1{V}$	$\dfrac1n$배

[예제 11.4]

배전 전압을 $\sqrt3$배 하였을 때 같은 전력 손실률로 보낼 수 있는 전력은 몇 배?

$$P_l’=\frac{\sqrt3\,I’R}{V’\cos\theta}=\frac{\sqrt3\,IR}{V\cos\theta}=P_l\ \Rightarrow\ \frac{I’}{I}=\frac{V’}{V}=\sqrt3$$ $$P’=\sqrt3\,V’I’\cos\theta=\sqrt3(\sqrt3V)(\sqrt3I)\cos\theta=3P$$

→ 3배 ($P\propto V^2$ 이므로 $(\sqrt3)^2=3$)

P_l : 전력 손실률(손실 전력 / 공급 전력)
P, P′ : 승압 전·후 공급 전력 [W]
V, V′ : 승압 전·후 선간 전압 [V]
I, I′ : 승압 전·후 선전류 [A]
R : 전선 1가닥 저항 [Ω], cosθ : 역률

[예제 11.5]

선간 전압을 3.3kV → 6.6kV로 높였을 때, 같은 전선·같은 전력·같은 전력 손실이면 송전 거리는 몇 배?

$$\frac{I_1}{I_2}=\frac{V_2}{V_1}=\frac{6.6}{3.3}=2,\qquad 3I_1^2R_1=3I_2^2R_2\Rightarrow\frac{R_2}{R_1}=\left(\frac{I_1}{I_2}\right)^2=4$$ $$R=\rho\frac{l}{A}\ (\rho,A\ \text{같음})\Rightarrow \frac{l_2}{l_1}=\frac{R_2}{R_1}=4$$

→ 4배 (거리 $\propto V^2$)

V₁, V₂ : 승압 전·후 전압 [kV]
I₁, I₂ : 승압 전·후 전류 [A]
R₁, R₂ : 승압 전·후 전선 저항 [Ω]
ρ : 저항률 [Ω·m], A : 단면적 [m²], l : 길이 [m]

11.4.2 저압 배전선 ★★★

종래 단상 2선식 100V(전등), 3상 3선식 200V(동력) → 전압 강하·전력 손실 경감을 위해 3상 4선식 220/380V로 승압. 승압 과도기에는 110/220V 양용 단상 3선식도 사용. 계통 방식은 전등·저압 동력 모두 수지상(방사상)이 표준.

그림 ⑫ 저압 배전선의 4가지 전기 방식

구분	표준 전압[V]	단상 2선식	단상 3선식	3상 3선식	3상 4선식
저압	110	110	110	–	110/220
	220	220	220	–	–
	380	220	–	220	220/380
	440*	–	440*	–	–

표 11.3 우리나라의 배전 방식(책 표 12.3 발췌) · * 부득이한 경우 외에는 사용하지 않는 전압

1) 단상 2선식

①전선 2가닥, 전등용 저압 배전에 가장 많이 쓰임
②전선 수가 적어 가선 공사 간단·공사비 저렴
③변압기 저압측 1단자를 접지 → 고·저압 혼촉 시 저압선 전위 상승 방지

2) 단상 3선식 ★★★

주상 변압기 저압측 2개 권선을 직렬로 하고, 그 중간점에서 중성선을 끌어내 3가닥으로 배전. 중성선–외선 간 110V(전등), 양 외선 간 220V(전등·동력).

장점 (단상 2선식 대비)

①평형 부하일 때 전압 강하·전력 손실 1/4로 감소
②소요 전선량이 적음
③110V 외에 220V 부하도 사용 가능

단점

④부하가 불평형이면 부하 전압도 불평형
⑤중성선이 단선되면 불평형 부하일 때 부하 전압에 심한 불평형 발생(가벼운 쪽이 거의 2배 ≒ 2V로 상승)
⑥중성선과 외선이 단락되면 단락되지 않은 쪽 부하 전압이 이상 상승

대책: 저압선 말단에 밸런서(balancer) 설치 → 전압 불평형 경감.

그림 ⑬ 단상 3선식 중성선 단선 시 전압 불평형(계산 예)

그림 ⑬의 수치는 이해를 돕기 위해 직접 계산한 예: 110V 정격 100W → R = 110²/100 = 121Ω, 1kW → 12.1Ω. 직렬 전류 220/133.1 ≈ 1.65A → 100W쪽 ≈ 200V, 1kW쪽 ≈ 20V. (저항은 일정하다고 가정)

3) 3상 3선식

3상 교류를 전선 3가닥으로 배전. 단상 부하는 전체적으로 상평형이 되도록 조합·접속에 주의. 배전 변압기 2차 결선은 3종류:

ㄱ.Δ결선: 단상 변압기 3대, 비교적 용량이 클 때 많이 사용
ㄴ.V결선: 변압기 2대로 쓰다가 부하가 늘면 1대 증설해 Δ결선으로
ㄷ.Y결선: 특수한 경우에만 사용

세 결선 모두 주상 변압기 저압측 1단자를 접지. 단상 변압기 대신 3상 변압기를 쓰기도 함.

ㄱ. V결선의 출력·이용률 (책에 없는 중요 공식) ★★★ $$P_V=\sqrt3\,P_1,\qquad \text{이용률}=\frac{\sqrt3\,P_1}{2P_1}=\frac{\sqrt3}{2}\fallingdotseq 0.866,\qquad \text{출력비}=\frac{\sqrt3\,P_1}{3P_1}=\frac1{\sqrt3}\fallingdotseq 0.577$$

P_V : V결선 3상 출력 [kVA]
P₁ : 단상 변압기 1대의 용량 [kVA]
이용률 : 설치한 2대 용량 대비 실제 출력 (86.6%)
출력비 : Δ결선(3대) 출력 대비 V결선 출력 (57.7%)

4) 3상 4선식 ★★★

변압기 2차측을 Y접속하고 중성점에서 중성선을 인출해 3선식 전선 3가닥과 조합 → 2가지 전압을 1회선으로 동시에 공급.

ㄴ. 3상 4선식 선간 전압 $$V=\sqrt3\,E=\sqrt3\times220\fallingdotseq 381\ [\mathrm V]\ (\text{공칭 }380\mathrm V)$$

V : 선간 전압 [V] — 동력용
E : 상전압(중성선–상) [V] — 전등용 220V

현재 우리나라의 220/380V 승압이 바로 이 3상 4선식.

5) 전등 동력 공용 방식(3상 4선식의 특수 결선)

저압 배전선의 일원화. 중성점이 접지된 변압기(공용 변압기)에 단상 부하를, 3상 선간에 동력 부하를 접속. 외국에서 많이 쓰며 110V 부하는 단상 3선식, 3상 부하는 단상 변압기 2대 V결선(또는 Δ결선의 한 권선에 중간 탭)으로 공급.

①공용 변압기에는 전등 전류 I₁ + 동력 전류 I₃가 함께 흐르고, 동력 전용 변압기에는 I₃만 흐름
②따라서 공용 변압기 용량을 동력 전용 변압기보다 크게 한다

6) 전등 수용가 배전 방식 비교

구분	단상 2선식 220V (A)	단상 3선식 110/220V (B)	3상 4선식 220/380V
장점	부하 불평형 없음 저압 선로 단순	경제적(전선량·손실 감소) 장경간 공급 가능	공급 능력 최대 경제적 배전 배전 설비 단순화
단점	전선량·손실 증가 장경간 곤란, 대용량 불가	부하 불평형 중성선 단선 시 이상 전압 → 기기 소손	부하 불평형 동력 기동 시 플리커 중성선 단선 시 이상 전압
비고	소용량·단경간 부하	아파트 등 부하 밀집 지역, 220V 승압 과도 조치	동력·전등 공동 범위 검토, 불평형 방지 대책, 중성선 단선 방지

표 11.4 전등 수용가에 대한 배전 방식의 비교(책 표 12.4 발췌). 책에는 A+B 병행 운용(소용량·단경간은 A, 대용량·장경간은 B) 칸도 있음.

11.4.3 각 전기 방식의 비교 ★★★

배전 전압·배전 거리·전력 손실이 같다는 조건에서 필요한 전선량을 비교. 부하 전압이 2가지 이상이면 최소 전압(단상 3선식은 전압선–중성선 간)을 기준. 역률 1, 다선식은 평형 부하.

ㄱ. 단상 2선식 (기준) $$p=\frac{W_1-W_2}{W_2},\qquad pW_2=2I^2R=2\left(\frac{W_2}{E}\right)^2\frac{\rho L}{S}$$ $$S=2\,\frac{W_2}{E^2}\cdot\frac{\rho L}{p},\qquad \boxed{V_1=2SL=4\,\frac{W_2\,\rho L^2}{E^2p}}$$

ㄴ. 단상 3선식 (평형 → 중성선 전류 0) $$pW_2=2\left(\frac{W_2}{2E}\right)^2\frac{\rho L}{S},\quad S=\frac12\,\frac{W_2}{E^2}\cdot\frac{\rho L}{p}$$ $$\text{중성선 같은 굵기: } V_2=3SL=\frac32\cdot\frac{W_2\rho L^2}{E^2p}=\frac38V_1=\boxed{0.375\,V_1}$$

ㄷ. 3상 3선식 $$I=\frac{W_2}{\sqrt3E},\quad pW_2=3I^2R=\frac{W_2^2}{E^2}\cdot\frac{\rho L}{S},\quad S=\frac{W_2}{E^2}\cdot\frac{\rho L}{p}$$ $$V_3=3SL=\frac34V_1=\boxed{0.75\,V_1}$$

ㄹ. 3상 4선식 (평형 → 중성선 전류 0) $$I=\frac{W_2}{3E},\quad pW_2=3\left(\frac{W_2}{3E}\right)^2\frac{\rho L}{S},\quad S=\frac{W_2}{3E^2}\cdot\frac{\rho L}{p}$$ $$\text{중성선 같은 굵기(안전상): } V_4=4SL=\frac43\cdot\frac{W_2\rho L^2}{E^2p}=\frac13V_1=\boxed{0.333\,V_1}$$

p : 선로 손실률
W₁ : 송전단 전력 [W], W₂ : 부하 전력 [W]
E : 부하 전압 [V] (단상 3선식·3상 4선식은 중성선–전압선 간)
I : 부하 전류 [A]
R : 전선 1가닥의 저항 [Ω]
ρ : 저항률 [Ω·m]
L : 배전 거리 [m]
S : 전선의 단면적 [m²]
V₁~V₄ : 각 방식의 전선 총용적(≒ 총중량) [m³]

그림 ⑭ 각종 전기 방식의 전선량 비교

전기 방식	중성선의 굵기[%]	전선 총중량[%] (단상 2선식 = 100)
단상 2선식	–	100
단상 3선식	100	37.5
단상 3선식	50	31.3
3상 3선식	–	75.0
3상 4선식	100	33.3
3상 4선식	50	29.2

표 11.5 각종 전기 방식의 전선 비교 · 중성선 굵기가 전선과 같으면 100.

배전 방식과 공칭 전압 (책 표 12.6)

구분	표준 공칭 전압[V]	단상 2선식	단상 3선식	3상 3선식	3상 4선식	회로 최고 전압[V]
저압	110 / 220 / 380 / 440*	110 / 220 / 220 / –	110 / 220 / – / (440)*	– / 200 / – / –	110/220, 220, 220/380	–
고압	6,600	6,600	–	6,600	–	7,200
특고압	22,900	13,200	–	–	13,200/22,900	25,800

표 11.6 배전 방식과 공칭 전압 · * 부득이한 경우 외에는 사용하지 않는 전압. 6,600V 고압 배전은 지금은 거의 쓰이지 않음.

[예제 11.6]

220V 단상 2선식과 220V 3상 3선식에서 배전선 길이·전선 총중량·전력 손실이 같을 때 보낼 수 있는 전력의 비는? (역률 일정)

	단상 2선식	3상 3선식
송전 전력	$P_1=220\,I_1\cos\theta$	$P_3=\sqrt3\cdot220\,I_3\cos\theta$
전선 총중량	$W_1=2wA_1l$	$W_3=3wA_3l$
선로 손실	$P_{l1}=2I_1^2\rho\dfrac{l}{A_1}$	$P_{l3}=3I_3^2\rho\dfrac{l}{A_3}$

$$W_1=W_3\Rightarrow\frac{A_1}{A_3}=\frac32,\qquad P_{l1}=P_{l3}\Rightarrow\frac{I_3^2}{I_1^2}=\frac23\cdot\frac{A_3}{A_1}=\frac49\Rightarrow\frac{I_3}{I_1}=\frac23$$ $$\frac{P_3}{P_1}=\sqrt3\cdot\frac{I_3}{I_1}=\sqrt3\times\frac23=\frac{2}{\sqrt3}\fallingdotseq1.15$$

→ 3상 3선식이 2/√3 ≒ 1.15배 더 보낼 수 있다.

l : 배전선 길이 [m], A : 전선 단면적 [m²], w : 전선의 단위 체적당 중량
I : 선로 전류 [A], ρ : 저항률, cosθ : 역률, 첨자 1 = 단상 2선식, 3 = 3상 3선식

[예제 11.8]

전선 굵기가 같은 3상 3선식 220V와 단상 2선식 110V. 선로 길이·부하 전력·역률이 같을 때 선로 손실의 비는?

$$I_1=\frac{P}{110\cos\theta},\quad I_3=\frac{P}{\sqrt3\cdot220\cos\theta}$$ $$p_{l1}=2I_1^2R=\frac{2P^2R}{110^2\cos^2\theta},\qquad p_{l3}=3I_3^2R=\frac{P^2R}{220^2\cos^2\theta}$$ $$\frac{p_{l3}}{p_{l1}}=\left(\frac{110}{220}\right)^2\times\frac12=\frac18$$

→ 3상 3선식 손실은 단상 2선식의 1/8.

P : 부하 전력 [W], cosθ : 역률, R : 전선 1가닥 저항 [Ω]
I₁, p_l1 : 단상 2선식 전류 [A]·손실 [W] / I₃, p_l3 : 3상 3선식 전류 [A]·손실 [W]

[예제 11.9]

부하 전력·선로 길이·선로 손실이 같을 때, 220/380V 3상 4선식과 110/220V 단상 3선식의 소요 전선 동량 비는? (각 상 평형)

$$\text{같은 전력: }3\times220\times I_4=220\times I_3\Rightarrow\frac{I_4}{I_3}=\frac{220}{660}=\frac13$$ $$\text{같은 손실: }3I_4^2R_4=2I_3^2R_3\Rightarrow\frac{R_4}{R_3}=\frac23\left(\frac{660}{220}\right)^2=6\Rightarrow\frac{A_4}{A_3}=\frac16$$ $$\frac{S_4}{S_3}=\frac43\times\frac{A_4}{A_3}=\frac43\times\frac16\fallingdotseq0.222$$

→ 3상 4선식의 소요 동량은 단상 3선식의 22.2[%]뿐.

첨자 4 = 220/380V 3상 4선식, 3 = 110/220V 단상 3선식
I : 선전류 [A], R : 전선 1가닥 저항 [Ω], A : 전선 단면적 [m²]
S : 전선 동량(가닥 수 × 단면적에 비례) — 4/3은 전선 가닥 수의 비(4가닥/3가닥)

예제 12.7(3상 3선식 Δ부하와 3상 4선식 Y부하의 손실비 = 4/9)은 두 방식의 부하 조건(같은 저항 R을 Δ·Y로 연결 → 부하 전력이 서로 다름) 가정이 애매해서 정리에서 뺌.

전기안전관리자 점검 포인트

[현장 점검]

ㄱ. 인입부·책임 분계점

①우리 사업장의 책임 분계점(1호주 PAS/ASS, 또는 고압 캐비닛 UGS) 위치를 단선 결선도에 표시해 두기 — 여기부터 부하측이 관리 범위
②PAS/ASS/UGS: 외관(부싱 균열·오손), 조작 핸들 상태, GR(지락) 제어함 동작 표시·전원 확인, 개폐 횟수 카운터
③인입 케이블 헤드: 변색·트래킹 흔적, 열화상 측정으로 접속부 과열 확인
④케이블 차폐층 접지선이 ZCT를 지나는 방식(관통 여부)이 틀리면 GR이 오동작하거나 동작하지 않음 → 시공 상태 확인

ㄴ. 수전 설비(단선 결선도 기기)

①LA: 접지선 연결 상태, Disconnector 분리(탈락) 여부 — 분리되었으면 피뢰기 고장이므로 교체
②PF: 용단 표시 확인, 1상 용단 → 결상 운전으로 전동기 소손 주의 (교체는 3상 동시 권장)
③VCB·OCR·GR: 정기 계전기 시험(정정값·동작 시간), 트립 코일·제어 전원(DC/UPS) 상태
④조작 순서: 정전 시 CB(LBS) 개방 → DS 개방, 복전 시 DS 투입 → CB 투입. DS로 부하 전류 개폐 금지
⑤SC(진상 콘덴서): 외함 부풂·누유, 방전 장치, 경부하 시 과보상(진상) 여부

ㄷ. 저압 3상 4선식(220/380V)

①상별 전류를 측정해 부하 불평형 확인 → 단상 부하를 상별로 재배치
②중성선 전류 측정: 불평형 + 고조파(3고조파는 중성선에 합쳐짐)로 중성선 과열 우려
③중성선 단선·접속 불량 점검(단자 조임, 변색) — 끊기면 일부 220V 기기에 380V 가까운 전압이 걸려 소손
④수전 전압이 220V ±13V, 380V ±38V 범위인지 측정·기록
⑤변압기 2차측 중성점 접지(계통 접지) 저항·접속 상태

ㄹ. 스포트 네트워크·다회선 수전 건물

①네트워크 프로텍터의 역전력 차단·차전압(무전압) 투입 동작 시험
②프로텍터 퓨즈 상태, 회선별 변압기 부하 분담이 고른지 확인
③1회선 작업 정전 시에도 다른 회선으로 네트워크 모선이 살아 있음 → 작업 회선의 프로텍터 개방·역송전 차단 확인 후 작업

⚠ 안전 주의: 특고압(22.9kV) 설비 점검·조작은 절연 장갑·절연화 등 보호구 착용, 검전 → 접지 → 작업 순서를 반드시 지킨다. 다회선·네트워크·환상 계통은 역송전으로 한쪽만 끊어도 살아 있을 수 있으므로 모든 전원측 개방을 확인할 것. 한전 측 설비(분계점 전원측)는 임의로 조작하지 않는다.

최종 정리

1. 배전 선로 개요

①배전용 변전소(154/22.9kV) → 22.9kV-Y 배전선 → 주상 변압기 → 220/380V 수용가
②전압 구분(KEC): 저압 AC 1kV·DC 1.5kV 이하 / 고압 ~7kV / 특고압 7kV 초과 → 22.9kV는 특고압
③급전선 = 부하 없음(궤전선), 간선 = 모선 역할, 분기선 = 지선, 궤전점 = 급전선과 간선의 접속점

2. 고압 배전 계통

①수지식: 간단·경제적, 정전·전압 변동·손실 큼
②환상식: 결합 개폐기(상시 개로/폐로 루프), 손실·전압 강하 작음, 보호 복잡·고가
③망상식: 신뢰도 최고, 대도시
④지중: 방사상 / 예비선 절체(순간 정전) / 환상(순수·개방) / 스포트 네트워크(수전 CB 생략, 프로텍터, 이용률 $\tfrac{n-1}{n}$ = 67%)

3. 저압 배전 계통

①저압 뱅킹: 동일 고압선의 변압기 2차측 병렬 → 장점 많지만 캐스케이딩 → 구분 퓨즈가 1차 퓨즈보다 먼저 끊어지게
②저압 네트워크: 무정전·플리커 적음, 네트워크 프로텍터(역전력 차단·차전압 투입·무전압 투입)
③책임 분계점: 가공 = 1호주(PAS/ASS), 지중 = 고압 캐비닛(UGS) — 부하측은 설치자 책임
④수전 설비: VCT·DS·LA·ZCT·PF·VT·CB·CT·OCR·GR·SC의 역할 구분

4. 전기 방식

①22.9kV-Y 다중 접지: $E=22.9/\sqrt3\fallingdotseq13.2$ kV
②승압 효과: $P_l=\dfrac{P^2R}{V^2\cos^2\theta}$ → 손실 $\propto1/V^2$, 공급 전력·거리 $\propto V^2$ ($\sqrt3$배 승압 → 전력 3배, 2배 승압 → 거리 4배)
③단상 3선식: 손실 1/4, 중성선 단선 시 가벼운 부하쪽 전압 급상승 → 밸런서
④3상 4선식: $\sqrt3\times220\fallingdotseq380$ V, 현재 저압 표준
⑤V결선: 출력 $\sqrt3P_1$, 이용률 86.6%, 출력비 57.7%
⑥전선량(단상 2선식 = 100): 3상 3선 75 / 단상 3선 37.5 / 3상 4선 33.3
⑦3상 3선식(220V)은 단상 2선식(220V)보다 전력 $2/\sqrt3\fallingdotseq1.15$배, 단상 2선식(110V) 대비 손실 1/8