소소한 POWER SYSTEM

요즘 전력 시스템에서 가장 주목받고 있는 기술로는 Smart Grid Technology를 생각해 볼 수 있다. 우선 스마트 그리드란 전력의 공급과 소비에 있어서 실시간으로 쌍방향 정보 전달이 가능한 전력 시스템이라고 볼 수 있다. 기존의 우리가 사용하는 전력 시스템은 일반적으로 발전소에서 전력을 생산한 뒤 산업단지나 개인의 소비자에게 일방적으로 즉 한 방향으로만 전력을 전달하는 형태를 생각해 볼 수 있다.

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하지만 기술이 발전함에 따라서 전력의 이동을 매우 빠르게 측정할 수 있으며, 이로 인해 공급자는 소비자에게 실시간으로 정확한 장소에 필요한 순간에만 전력을 전달할 수 있게 되고 소비자는 전기의 값이 상대적으로 저렴한 새벽시간대에 전력을 미리 구매해 가정용 배터리 같은 곳에 전력을 저장해두고 후에 쓸 수 있게 되는 시스템이다.

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이러한 시스템의 장점은 우리나라가 겪었던 2011년의 정전사태같은 blackout 현상에 대비할 수 있게 되며 태양열, 풍력 같은 재생에너지의 활용 또한 매우 커지게 된다.

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재생에너지의 활용이 커질 수 있는 이유 중 하나는 현재 재생에너지는 매우 깨끗한 에너지로 미래의 석유를 대체할 자원으로 꾸준히 주목을 받아 왔지만, 간헐적인 에너지 생산 덕에 주요 에너지원으로는 사용에 제약을 받아 왔다.

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하지만, 스마트 그리드가 활성화된다면 재생에너지의 에너지 생산 가능 시점에 배터리 같은 저장 공간에 에너지를 저장할 수 있게 되고 소비자나 산업단지에서 이러한 에너지를 활용 가능하게 된다.

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하지만 이러한 스마트 그리드도 몇 가지 단점을 가지게 되는데 첫 번째로는 매우 비싼 시스템 구축 비용을 예로 들 수 있다. 최첨단 기술이 들어가는 시스템이기 때문에 시스템 구축에 있어서 고 비용 발생을 피할 수 없는 부분이다. 또 다른 문제점은 정보 안정성 문제이다. 실시간 정보 교환을 기반으로 한 시스템으로써 소비자의 개인 정보가 노출된 가능성이 존재하게 된다.

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분명, 여러 문제점들이 존재하는 신 전력 시스템이지만 고갈되어 가는 석유자원과 환경 오염을 생각하면 미래에 반드시 실현되어야 하는 전력 시스템이라고 생각한다.

출처:

[1] I. Colak, S. Sagiroglu, G. Fulli, M. Yesilbudak, and C. F. Covrig, “A survey on the critical issues in smart grid technologies,” Renewable and Sustainable Energy Reviews., vol. 54, pp. 396–405, 2016.

[2] R. Miceli, “Energy management and smart grids,” Energies, 2013.

space charge는 절연물체 중간부분에 전하들이 공간적으로 분배되있는 것을 일컫는다. 완벽한 절연체는 존재 하지 않기 때문에 어떠한 절연 물질이더라도 충분하게 높은 전계에 노출되면 절연 파괴 과정을 시작하게 된다. 만약 절연체가 완전한 절연 파괴 전계보다 약한 전계에 노출된다면 절연체에 존재하는 소수의 분자들만 이온화 과정을 거치게된다.

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자유 전자들은 (+)극성의 전극으로 이동하게 되고 이온화된 분자들은 제자리에 머무르려는 성향을 가지게 되지만 (전자의 이동 보다 상대적으로 느리기 때문), 결국에는 (-)극성의 전극으로 이동하게 된다.

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이러한 (+)이온과 (-)전자들의 이동현상은 "공간전하(space charge)"의 영역을 구축하게 된다. 즉, (+)극성의 전극 주변은 (-)의 극성 전자(전자의 과잉현상)들로 충전(밀집)되게 되고, (-)극성의 전극 주변은 (+)극성의 이온((+)이온의 과잉현상)들로 충전(밀집)되게 된다.

이러한 현상의 문제점은 (+)극성의 전극 주변의 전자들은 (+)극성의 전극으로 바로 뛰어들고 싶어하는 성향을 갖게 된다. 다시 말하면 전하 영역(charged regions)의 간격이 줄어들게 되게 때문에 부분적으로 전계의 강도(electric field strength) 가 증가하게 된다. 다시 말하면 절연체과 전극사이에서, 전하(charge)가 이동할 가능성을 높이게 된다.

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출처:https://www.quora.com/Whats-space-charge-with-regard-to-high-voltage-insulation

이번엔 파워 트랜스포머의 절연이란 무엇인지 알아보고 트랜스포머의 어떠한 기술들이 적용되어있는지 예를 들어 알아보려 한다.

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A) Transformer Insulation (트랜스포머 절연)

파워 트랜스포머와 관련된 절연 시스템은 액상 또는 가스 같은 유동체로 고형의 물체와 함께 구성된다. 페트롤륨 기반의 오일이 파워 트랜스포머의 절연체로 1880년대부터 1970년대까지 사용되었고 당시에 사용되던 미네랄 오일의 가연성의 문제를 해결하기 위해 도입되었다. 그리고 현재는 오일뿐만 아니라 발화점이 높은 유동체 (e.g. 실리콘, 발화점이 높은 탄화수소, chlorinated benzens, chlorofluorocarbons)들이 사용된다.

가스를 기반으로 하는 절연 시스템은 질소, 공기, 플루오르 성의 기체(fluorogases)들을 포함한다. 플루오르 성의 기체가 사용되는 이유 중 첫 번째는 가연성을 피하기 위함이고 두 번째로는 내부 오류로부터 발생하는 이차적인 문제를 제한하기 위함이다. 어떤 트랜스포머들은 끓는점이 낮은 액체들을 사용하기도 한다 (e.g. 액상화된 프레온). 프레온 액상은 가열된 열을 2 phase 쿨링 시스템으로 전달되는 과정에서 냉매로 쓰인다.

코어 파트와 코일 부분에 있어서, 절연(insulation)은 크게 major insulation 과 minor insulation으로 구분된다. Major insulation과 minor insulation에 해당하는 부분들은 다음과 같다.

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Major insulation:

- high voltage winding

- low voltage winding

- core winding

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Minor insulation:

- Coil의 일부분

- 설치 구조의 따른 winding 부분

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마지막으로 권회간 절연(turn insulation)은 도체의 각 가닥을 절연하거나 그룹 지어진 통째를 절연하는 방법에 해당한다.

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B) Oil-insulated Transformer (절연유 트랜스포머)

적은 비용, 높은 절연 내력, 우수한 열전달 특성, 절연 고 응력(dielectric overstress)부터의 회복력 같은 장점들은 미네랄 오일이 절연물질로 널리 사용될 수 있게 해준다. 또 전열에는 고형의 절연물질과 함께 사용되어 절연유가 가지고 있는 단점들이 보완될 수 있다.

Major Insulation에 포함되는 것은 얇은 나무로 이루어진 pressboard (wood-based paperboard)의 격막이며 이 격막은 오일의 공간의 따라 변한다.

(Image: https://www.indiamart.com/proddetail/oil-transformer-press-board-19077217373.html)

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오일의 유전율은 2.2이며 고체 형태의 유전율은 보통 4.0 정도에 해당하기 때문에 오일에서의 유전 응력(dielectric stress)는 pressboard의 유전 응력보다 더 높고 디자인 구조는 보통 호일 안의 응력에 의해 제한된다.

트랜스포머에 감겨있는 전도체의 절연은 에나멜이나 특수종이 (나무 또는 나일론 베이스)가 될 수 있다. 전도체에 직접적으로 사용하는 절연은 호일 안에 있는 잠재적으로 유해한 streamer를 억제하며 구조의 강도를 증가시킬 수 있다. 다시 말하자면, 유전 응력(dielectric strength)의 제한은 보통 오일의 유전 응력이다.

Heavy paper winding 은 보통 winding으로부터 오는 leads에 사용된다. 이 경우에는, 도체의 표면(높은 응력)부터 멀리(상대적으로 낮은 응력)까지 접점을 이동시킴으로써 오일에서 절연은 응력을 줄이는 역할을 한다. 다시 언급하자면, 오일 안에서의 응력은 사용될 절연 페이퍼의 양을 결정하며 열과 관련돼서 필수 절연을 위한 최소한의 전도체 사이즈를 설정한다.

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C) Askeral-Insulated Transformers

(Askeral: 합성, 내화성, 염소처리된 탄화수소 그룹의 일종으로 절연 유체로 사용되었음)

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이 형태의 트랜스포머는 절연유 트랜스포머 (oil-insulated transformer)와 유사한 구조를 공유한다. 상대적으로 유전율이 높은 askeral 물질은 유전 응력을 고체물질로 전달하는 것을 용이하게 한다.

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Askeral 물질은 과도한 유전 응력으로부터 회복력에 있어서 제한된 능력을 보유하기 때문에 균일하지 못한 절연내력 (dielectric field)에서는 절연강도가 제한될 수밖에 없다. Askeral 물질은 대게 3.4kV 이상의 동작 전압에서는 잘 사용되지 않는다.

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Askeral은 매우 잘 용해되는 용제 (solvent)이기 때문에 물질에 부패가 일어나게 되면 환경이나 인체에 매우 해롭기 때문에 1970년대 중반 이후로 이 트랜스포머의 제조를 완전히 멈추었다.

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D) Fluorogas-Insulated Transformers

(플루오르화 가스 절연 트랜스포머)

플루오르화 된 가스들은 대게 질소나 공기에 비하여 더 강한 절연내력을 보유하고 있다. 비록 플루오르화 된 가스들의 열전도 특성이 오일에 비해 떨어지더라도, 질소나 공기보다는 더 좋다 (플루오르화 된 가스들은 질소나 공기에 비해 밀도가 높다).

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어떤 물질의 절연내력이나 열전도 능력은 압력이 과 함께 증가한다. 예를 들면, 플루오르화 가스 절연 트랜스포머에 3 atm gage 압력을 가하면 오일이 가지고 있는 유전 응력(dielectric stress)의 수치만큼 접근할 수 있다. 그리고 이러한 gas를 활용한 절연은 고체 형질의 절연체들(barrier, layer, disk insulation, turn insulation, lead insulation)과 함께 사용되면서 절연 능력이 보강될 수 있다. 다시 말하면, 절연유로 트랜스포머의 절연 기술을 적용하는 것과 비슷하다고 이야기할 수 있다.

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Fluorogas-insulated transformer의 장점은 높은 온도에서 절연유 트랜스포머보다 경제적이라는 점이다. 그리고 앞서 언급한 바와 같이 고형의 절연물질과 함께 사용이 가능하다고 하였는데, 다시 말하면 플루오르화 절연 가스는 고형체의 절연물질에 적합하다는 점인다. 여기에 해당하는 고형의 물질들은 glass, asbestos(석면), mica (운모), 고온의 수지(resins), ceramic (세라믹) 등이 포함된다. 플루오르화 된 절연 가스들은 인접해있는 고 형체의 절연체의 비해서 몇 배는 더 높은 유전 응력(dielectric stress)을 가지게 된다.

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E) Nitrogen and Air-Insulated Transformers

질소와 공기로 절연된 트랜스포머는 보통 34.5kV 또는 그보다 낮은 동작 전압으로 제한되어 있다. 공기로 절연된 트랜스포머는 청정지역에 종종 위치되어 있으며 대기로 통풍시킨다. 하지만 오염지역에서는 봉인된(sealed) 건설이 요구되며, 질소는 보통 1 atm의 압력과 조금 상승된 동작 온도에서 사용된다.

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출처:https://www.electricityforum.com/td/utility-transformers/transformer-insulation

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Power Transformer

파워 트랜스포머는 하나의 회로에서 다른 회로로 전력을 전달하는 전기적 장치로 전자기 유도의 원리(electromagnetic induction)를 사용하며 주파수의 변화 없이 사용 가능하다. 다시 말하면 파워 트랜스포머는 전기적 회로에서 발전기와 주요 분배 시스템 사이의 전기적 에너지 전달의 기능을 담당하고 있으며 배전 시스템 (distribution system)에서는 step up 과 step down voltage 기능을 담당한다.

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대부분의 파워 트랜스포머의 수명은 약 30년으로 추정되며 전달하려는 전력의 양의 따라 Small power transformer, medium power transformer, 그리고 large power transformer로 구분될 수 있다.

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● Small Power Transformer: 500~7500KVA

● Medium Power Transformer: 약 100MVA

● Large Power Transformer: 100MVA 이상

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앞에 열거된 파워 트랜스포머는 보통 전압의 변화를 통해 전력을 전달하게 되는데, 만약 한쪽 사이드에서 Low voltage, high current를 보유하고 있다면 다른 쪽 사이드에서는 같은 전력의 양을 가지고 있기 위해 High Voltage, low current의 형태를 보유하게 된다. 이 원리는 페러데이의 전자기 유도 법칙을 기반으로 이루어진다.

Power Transformer Design (파워 트랜스포머의 구성)

파워 트랜스포머의 골격은 얇게 라미네이트 되어있는 합금으로 디자인되어있으며 core 또는 shell 타입으로 구성된다. 그리고 이 트랜스포머의 골격은 전도체에 의해서 둘러싸여 있으며 둘러싸여 있는 방식에 따라 single phase 또는 three phase로 나뉘게 된다.

Three 1-phase 트랜스포머는 한 쪽의 경사면(bank)에 문제가 발생할 때 지속적인 작동을 유지하기 위해 각각의 경사면(bank)이 분리되어있어야 한다. 반면에 single 3phase transformer(core, shell 타입 모두 포함)는 안쪽의 경사면에 문제가 발생하면 동작을 멈추게 된다. 3 phase transformer는 설치비용과 공간이 적게 들고 상대적으로 높은 효율성을 가진다.

트랜스포머의 골격은 탱크 안에 있는 연소 지연 오일에 집중되어 있다. 그리고 오일탱크 상단부에 위치한 conservatory는 증가된 오일이 다시 감소되게끔 하는 역할을 한다. 그리고 탱크 옆면에 charger of the load taps은 high voltage-low current 권선의 수를 변화시켜 향상된 전압 컨트롤을 가능하게 한다.

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탱크 부분의 Bushing은 전도체들이 바깥쪽 부분의 자극을 일으키지 않고 탱크로 출입을 용이하게 만든다. 그리고 파워 트랜스포머는 섭씨 65도 이하로 존재하는 동안은 파워 트랜스포머의 자체 전력 등급보다 조금 높은 등급에서도 동작이 가능하다. 또한 파워 트랜스포머는 쿨링팬과 함께 설치되는데 이 쿨링팬의 역할은 트랜스포머의 코어 부분의 온도를 계기 온도 (indicated temperature) 밑으로 감소시키기 위함이다.

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Transformer Specification (트랜스포머 사항)

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파워 트랜스포머는 single phase 또는 three phase의 형태로 제작 될 수 있으며 파워 트랜스포머가 설치될 때는 많은 고려 사항들이 수반된다. 파워 트랜스포머의 사양에는 다음의 항목들이 포함된다.

-최대 전력 등급 (Maximum Power Rating)

-최대 이차 전류 등급(Maximum Secondary Current Rating)

-최대 전압 등급(Maximum Voltage Rating)

-추입력 타임 (I/O type)

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예시)

*3 Phase (삼상)

*주파수 (Frequency): 50Hz 또는 60Hz

*주요 전압 (Primary Voltage): 22.9 kV

*이차전압(Secondary Voltage): 6.6/3.3kV

*탭 전압 (Tap Voltage): 23.9-R22.9-21.9-20.9-19.9kV

*Vector Dd0, Dyn11, etc.

Power Transformer Applications(파워 트랜스포머의 응용)

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파워 트랜스포머는 높은 전력 레벨에서 전압을 변화시킬 수 있는 기능이 있기 때문에 현재 많은 전력 시스템에서 사용 된다. 이러한 응용은 송전 및 배전을 포함하며 이미 많은 산업 스케일의 파워플랜트에서 응용된다.

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초기에 언급한 바와 같이 파워 트랜스포머는 고전압의 송전 네트워크에서 step-up 또는 step-down 전압을 위해 사용되며 이러한 파워 트랜스포머의 대게의 목적은 공전의 과부하(heavy load)에 있어서 중점을 둔다.

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배전 트랜스포머와 비교하였을 때 대게의 파워 트랜스포머는 규모가 매우 큰 편이다. 그리고 파워 트랜스포머는 배전 트랜스포머 (전력 생산 변전소, 송전 변전소 모두 사용) 와 다르게 송전 변전소에서만 사용되기 때문에 소비자와 직접적인 연결이 없으므로 트랜스포머 부하(load)의 변동이 적은 편이다.

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또한 파워 트랜스포머는 송전에 있어서 step-up 장치로 사용되기 때문에 (I^2)*R 손실을 감소시킬 수 있다.

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파워 트랜스포머는 주로 코어 파트의 사용을 위해 디자인되어 있으며 대게 B-H curve의 변곡점(knee point) 근방에서 작동하게 된다. 이러한 성질은 코어의 양을 상당 부분 줄일 수 있게 된다. 그리고 기본적으로 파워 트랜스포머는 높은 부하에서 그에 상응하는 copper loss 와 iron loss를 가진다.

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출처:https://www.elprocus.com/power-transformer-design-with-specifications/

전기적 에너지의 송전 및 배전은 직류와 함께 시작되었다고 이야기할 수 있다. 1882년에 독일 Miesbach 지역과 Munich 지역의 50km를 잇는 2kV DC 트랜스미션 라인이 도입되었지만 그 당시에는 소비 전압과 더 높은 DC 트랜스미션 전압의 현실화는 오직 rotating DC 기계장치에 의해서만 가능하였다.

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AC 시스템에서의 전압의 변환은 상당히 간단하며 AC 변압기는 높은 파워 레벨과 높은 절연 레벨의 사용을 용이하게 하고 전력의 손실 또한 낮다. 그리고 AC 시스템은 상대적으로 간단하며 적은 유지 비용을 필요로 한다. 나중에 서술하겠지만 Three phase의 동기발전기(Synchronous Generators)는 모든 측면에서 DC 발전기보다 상당히 이점이 많다고 알려져 왔으며 이러한 이유들 때문에 파워 시스템의 초기 모델은 AC system을 기반으로 도입되어 발전되어 왔다. 그리고 이러한 발전은 사람들에게 전기적 에너지를 송전함에 있어서 유일한 모델이라고 인식되었지만 기술이 발전함에 따라 AC transmission link의 단점들이 계속해서 발견되어 왔으며 이를 보완하기 위해 DC technology의 발전을 촉진시켰다.

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현재 High-Voltage AC Transmission System이 직면한 문제들은 다음과 같다.

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◆오버헤드라인 (Overhead line: 가공 전선로) 또는 케이블이 가지고 있는 Inductive 그리고 capacitive 한 요소들은 AC system에서 전력의 전송량과 전송거리에 있어서 제한을 두게 만든다.

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◆그리고 이러한 제한들은 특히 케이블과 관련해서 더욱더 심하게 여겨지는데, 전력 전송량에 따라서 시스템의 주파수, 전력손실, 전송 가능한 거리가 40~100km 범위로 제한되며 대게는 충전 전류 (the charging current)에 의해서 제한된다.

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◆만약 두 개의 AC system이 서로 다른 주파수를 사용하고 있으면 이 두 시스템의 직접적 연결은 불가능하다.

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◆그리고 만약 두 개의 AC sytem이 설사 같은 주파수를 사용하고 있더라도 시스템의 불안정성과 원치 않는 전력의 흐름으로 인해 AC sytem 끼리의 직접적 연결은 상당히 어려운 문제이다.

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이러한 HVAC의 단점들은 HVDC 기술의 발전의 필요성을 느끼게 하였다. HVDC와 HVAC system의 사용을 결정함에 있어서 기술적, 비용적, 또는 환경적 요인들이 존재하지만 여기서는 기술적인 장점에 대해서만 이야기하려 한다.

그렇다면 HVDC system이 가지고 있는 기술적인 장점들은 무엇일까?

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첫 번째로는 DC 링크(link)는 설사 AC 시스템들이 주파수나 네트워크가 동일하지 않더라도 이 AC 시스템들 사이에 위치함으로써 전력의 전달을 가능하게 만든다.

또한 AC system과 다르게 inductive 그리고 capacitive 한 요소들이 DC system에서 전력의 전송량 그리고 전력의 전송거리를 결정함에 있어서 제한적 요소로 여겨지지 않는다. 추가적으로 HVDC에서는 skin effect가 존재하지 않기 때문에 전력전송에서 전도체의 단면을 완전하게 사용할 수 있다.

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출처: High Voltage Direct Current Transmission-Proven Technology for Power Exchange (SIEMENS)

https://new.siemens.com/global/en.html

기본적으로 파워시스템의 구성요소는 Generation (전력 생산), Transmission(전송), 그리고 Distribution (배전)으로 구성된다. 이번 부분에서는 Transmission 과 Distribution 시스템에 관해서 이야기해보려 한다.

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● Transmission and Sub-Transmission Systems

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Transmission 과 Sub-transmission (하위 전송)은 메시 구조(Mesh)의 네트워크이기 때문에 한 포인트에서 다른포인트로의 여러 이동 경로가 존재하게 된다. 이렇게 여러 경로가 존재하는 궁극적인 이유는 Transmission 구조의 안정성을 증가시키기 위함이다.

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기본적으로 Transmission 네트워크의 주 목적은 전력 생산 지점으로부터 load point (전력 소비 지점)까지의 고전압 전력 송신을 목적으로 하지만 sub-transmission은 transmission과 반대로 저전압 전력의 단거리 송신을 주요 목적으로 한다. Transmission 네트워크는 132~765kV 그리고 sub-transmission은 주로 34~132 kV의 범위의 해당된다.

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그리고 이러한 transmission, sub-transmission은 다음과 같이 구성되어 있다.

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1. 절연 와이어 또는 절연 케이블

2. 변압기 (전압 레벨을 바꿈)

3. 보호장치 (ex: 서킷 브레이커, 릴레이, 각종 정보 통신 시스템)

4. 트랜스미션 타워나 변전소 같은 물리적 장소.

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● Distribution System (배전 시스템)

Distribution system은 대게 sub-transmission의 하위 레벨의 속한다. Distribution system은 대략적으로 다음과 같이 구성된다.

1. 1차 Distribution 라인 또는 공급장치

2. Distribution 변압기

3. 2차 Distribution 회로

4. 소비자와의 연결 및 미터기

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변전소는 변압기를 포함하고 있으며 변압기를 통해 sub-transmission부터 distribution 레벨까지의 전압을 변화시킨다 (전압 감소). Distribution 전압은 보통 4~34kV에 해당하며 각 변전소에 존재하는 변압기는 최소 하나 혹은 그 이상의 공급장치를 운용하게 된다.

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1차 distribution system은 distribution 변전소부터 distribution 변압기까지 확장되어 있으며 가장 뚜렷한 특징은 주요 공급장치와 측면의 공급장치에서 두드러진다. 주요 공급장치는 변전소와 측면 공급장치는 주요 공급장치와 연결되어있다.

각각의 공급장치는 쇼트서킷 전류로 인한 손상을 방지하기 위해서 서킷 브레이커 (Circuit breaker)나 리클로저(Re-closure) 같은 보호장치들이 설치되어있다. 주요 공급장치는 전력 전달 또는 공급장치의 통제 및 보호를 위해 대게 지하 케이블 또는 오버헤드라인으로 구성되어있다. 이러한 보호장비의 예로는 스위치, 카파 시터, 퓨즈, 전압 조절장치, sectionalizer, 링클 로저, step-down 분배 변압기.

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많은 변압기들은 주요 공급장치와 연결되어 있으며 주요 목적은 전압 레벨을 소비자가 사용 가능한 레벨 (120, 208, 또는 240V) 낮추는 것이다. 분배 전압기는 대게 2차 distribution system에 공급된다.

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추가적으로 전력 소비의 사이즈에 따라서, 소비자의 전력 시스템은 transmission system, sub-transmission system, 1차 distribution system, 또는 2차 distribution system에 배정되어 연결된다.

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출처: http://electricalacademia.com/electric-power/electrical-power-system-components/