개념 한 쪽
배전선의 형태는 전력을 부하까지 보내는 결선 방식과 선로의 배치 형태를 함께 다루는 개념이다. 단상 2선식, 단상 3선식, 3상 3선식, 3상 4선식, 루프 배전방식이 대표적인 형태로 나온다. 같은 전력을 보내더라도 방식에 따라 전선 총량, 전압강하, 전력손실, 신뢰도가 달라진다.
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출제기준 단원 「배전선의 형태」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 승압 시 공급전력 배수 판단 | 1 | 전압 승압비와 같은 손실 조건에서 공급전력이 몇 배가 되는지 가린다 |
| 균일 분포 부하 손실 비 판단 | 1 | 부하가 균일하게 퍼질 때 전력손실이 말단 집중의 얼마인지 가린다 |
| V결선 승압기 출력 전압 계산 | 1 | 낮아진 전원 전압에서 직렬 권선 유기전압과 승압 후 전압을 계산한다 |
배전선의 형태는 배전방식의 결선과 선로 배치를 구분하는 개념으로 다룬다. 단상 2선식은 두 가닥으로 부하에 전력을 보내는 기본 형태이고, 단상 3선식은 110/220V처럼 두 전압을 함께 쓰는 형태로 설명한다. 3상 3선식과 3상 4선식은 3상 전력을 보내는 형태이고, 루프 배전방식은 배전선을 고리 모양으로 연결하는 도시형 배치 형태로 구분한다.
단상 2선식과 3상 3선식은 같은 조건에서 공급전력의 비가 달라진다. 선간전압과 부하역률, 선로손실과 전선중량, 배전거리가 모두 같은 조건에서 두 방식의 공급전력 비는 √3/2가 된다. 전선중량이 같으면 3상 3선식 각선의 저항은 단상 2선식의 3/2배가 되고, 선로손실을 같게 두는 조건에서 전류비가 정해져 이 비가 나온다.
단상 3선식은 평형 부하에서 중성선 전류가 0이 되는 성질을 이용한다. 110V 단상 2선식 저압배전선로를 110/220V 단상 3선식으로 바꾸고 부하의 크기와 공급전압을 일정하게 하며 부하를 평형시켰을 때, 전선로의 전압강하율은 변경 전의 1/4이 된다. 2선식의 전압강하가 2IR이라면, 3선식 평형 상태에서는 가선 전류가 I/2이고 전압강하는 IR/2가 되어 비율이 1/4로 줄어든다.
전선 총량은 단상 2선식을 100%로 두고 비교한다. 단상 3선식은 37.5%, 3상 3선식은 75%, 3상 4선식은 33.3%가 된다. 이 비교는 선간전압과 공급전력, 전력손실과 배전거리가 같고 중성선의 굵기가 외선과 같다는 조건에서 성립한다.
루프 배전방식은 배전선을 환상으로 연결해 양방향에서 공급하는 형태이다. 전압변동과 전력손실이 적고, 고장 구간을 분리해 나머지 구간을 계속 송전할 수 있어 신뢰도가 높다. 대신 전선비가 비싸고 보호계전기가 복잡하며 증설과 변경이 쉽지 않아 도시의 부하 밀집 지역에 알맞다. 농촌 적합, 전선비 절감, 증설 용이는 수목식(방사식) 배전의 장점으로 구분한다.
대표 계산은 승압과 V결선 승압기로 정리한다. 고압 배전선로의 선간전압 3300V를 5700V로 올리고 같은 전선으로 전력손실을 같게 하면, 승압비는 5700/3300≈1.73이고 공급전력은 전압비의 제곱인 약 3배가 된다. 같은 전선과 같은 손실 조건에서 전압을 k배로 올리면 공급전력은 k²배가 되는 원리를 적용한다.
정격이 1차 6600V, 2차 220V인 단상 변압기 두 대를 V결선 승압기로 써서 6300V의 3상 전원에 붙이는 경우를 계산한다. 직렬 권선의 유기전압은 220×6300/6600≈210V가 되고, 승압된 전압은 6300+210=6510V가 된다. 실제 1차 전압이 정격보다 낮으면 2차 권선 전압도 그 비율만큼 줄어든다고 본다.
고압 배전선로의 선간전압을 3300V에서 5700V로 승압하는 경우, 같은 전선으로 전력손실을 같게 한다면 약 몇 배의 전력을 공급할 수 있겠는가?
정답 ③ · 문제는 동일한 전선에서 선간전압을 3300V에서 5700V로 높일 때 동일한 전력손실 수준을 유지하면 공급 가능한 전력이 몇 배가 되는지를 묻고 있다. 전력손실이 같다는 조건에서 송배전 가능한 전력은 전압비의 제곱에 비례하므로 승압비 a = 5700/3300 ≈ 1.7277이고 이의 제곱은 약 2.98로 대략 3배가 된다.
같은 전선·같은 손실 조건의 승압에서 공급 전력은 전압비의 제곱: (5700/3300)² ≈ 3배.
선로의 부하가 균일하게 분포되어 있을 때 배전선로의 전력손실은 이들의 전부하가 선로의 말단에 집중되어 있을때에 비하여 어느 정도가 되는가?
정답 ③ · 문항은 부하가 선로에 균일 분포할 때 전력손실이 말단에 집중된 동일 총부하 상황에 비해 얼마인지 묻는다. 균일 분포에서는 선로를 따라 전류가 선형적으로 감소하므로 손실은 전류 제곱의 적분 결과로 말단 집중 부하의 1/3이 된다.
부하가 균일 분포하면 전류가 선로를 따라 줄어 손실은 말단 집중 부하의 1/3이 된다.
정격 전압 1차 6600V, 2차 220V의 단상 변압기 2대를 승압기로 V결선하여 6300V의 3상 전원에 접속하면 승압된 전압은 약 몇 V 인가?
정답 ③ · 문제는 V결선으로 승압할 때 승압량을 계산하는 문제로, 변압기 권비와 실제 전원 전압 비례로 직렬로 겹쳐지는 전압을 고려해야 한다. 220V 측 권선의 유기전압은 220×(6300/6600) = 210V가 되고 이 값을 기존 6300V에 더하면 약 6510V가 되므로 6510V가 승압된 전압이다.
V결선 승압기는 직렬 권선 전압 220×(6300/6600)=210V를 더해 6300+210=6510V가 된다.
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