| 사진은 도쿄도 하치오지시에 있는 신타마변전소 |
1. 개요
變電所 / Substation S/S.발전소와 수요처 사이에서 전기를 적절히 조정하여 송전, 배전 과정에서의 전력 손실을 줄이기 위해 존재하는 시설이다.
2. 목적에 따른 종류
2.1. 승압 변전소[1]
발전소에 가까운 승압 변전소에서는, 발전소 소내 전력으로 사용하기 위한 소내 변압기를 거친 나머지 전력을 승압시켜 송전하여 송전 도중의 전력 손실을 줄인다.[2] 보통 발전소에서 10~20kV가 출력되며 승압변전소를 통해 송전전압으로 승압시킨다. 현재 대한민국에서는 배전용 22.9kV, 송전용 154kV, 기간송전용으로 345kV와 765kV를 사용한다.2.2. 강압 변전소
2.2.1. 1차 변전소
승압 변전소(발전소)와 2차 변전소 사이에 위치한 1차 변전소에서는 송전된 전력을 받아 2차 변전소에서 받을 수 있는 전압으로 낮춘 뒤 주변 2차 변전소로 배전한다.대한민국의 경우 발전소에서 승압된 765kV나 345kV를 각각 345kV와 154kV로 강압시켜 2차변전소로 송전하게 된다.
대형 플랜트나 공장, 철도는 공급용량이 매우 크기 때문에 1차, 2차 변전소에서 강압된 전력을 그대로 가져와 자사 수배전설비를 통해 변압하여 사용하는 경우가 많다.[3]
2017년 여름 정전사고를 일으킨 영서변전소[4]가 1차변전소에 해당하는 345kV변전소이다. 1차변전소가 고장을 일으키니 1차변전소에 링크되어 있는 하위 154kV변전소도 다같이 정전이 되면서 피해가 막대해진 것. 관련기사, 관련기사2
2.2.2. 2차 변전소
수요처에 가까운 2차 변전소에서는 1차 변전소에서 받은 154kV의 전압을 배전용으로 쓰는 주상변압기[5]나 패드변압기[6]가 받을 수 있는 22,900V로 낮추어 배전한다. 2차 변전소 관할 지역 안에서 불의의 사고가 발생할 경우 변전소 내 25.8 차단기가 동작해 해당 배전선로를 차단하여 국부적인 정전이 변전소내 정전, 더 넓게 블랙아웃으로 번지지 않도록 한다. 이게 제대로 안 되어서 블랙아웃으로 번진 사례가 꽤 많다.[7]3. 형태에 따른 변전소
3.1. 옥외철구형
최상단의 사진속 신타마 변전소가 옥외철구형식이다.일반적으로 변전소하면 떠오르는 변전소. 철탑과 포우스트에 절연애자를 매달아 전선을 고정시키고 부싱을 통해 필요한 차단기나 변압기 등 필요한 기기에 접속되는 방식이다. 토목공사만 한 후 철탑만 세우고 선만 연결하면 되므로 가장 효율적이다. 그러나 충전부가 노출되어 있으므로 인명피해가 날 가능성이 높고 사고 시 복구에도 시간이 걸리는 편이다. 또한 습도나 염도가 높은 해안가 등의 환경에서는 설비가 염해를 입을 가능성이 있다. 전압이 높아질수록 충분한 절연거리가 확보되어야 하므로 충전부 간 거리가 멀어지고 이에 따라 필요부지가 많아진다. 자동화가 덜되어 있기에 대부분의 옥외철구변전소는 직원이 상주하는 유인변전소로 운영된다. 1980년대 이전까지 대한민국의 변전소 전부가 옥외철구방식이었다.
대부분 아래에 언급된 GIS변전소로 바뀌었으나 비용 등의 문제로 몇 곳이 남아 있다.
3.2. GIS형
Gas-Insulated Switch gear 의 약자로 말그대로 가스절연개폐장치, 즉 절연물질로 SF6(육불화황)가스를 이용한 장치이다.앞서 말한 옥외철구방식은 피복없는 나전선을 사용하게 되는데 이때 공기를 절연매개로 절연한다. 하지만 공기라는 게 절연내력이 그렇게까지 좋지 않을뿐더러 습도 등에도 영향을 받기에 전선간의 단락(합선)을 방지하려면 선간 간격이 클 수밖에 없다. 그러다보니 변전소 면적이 커지게 되는데 이렇게 되면 비용증대로 이어진다. 이러한 까닭에 개발된 것이 GIS다.
원통의 중앙에 전선을 심고 SF6가스를 채워주게 되면 SF6의 우수한 절연성으로 선간 거리를 줄일수 있게되는 것이다. 선간거리가 줄어들면 변전소 부지도 줄어드므로 비용을 절감할수 있게 된다. 또한 충전부가 통 내부에 있으므로 환경에 의한 영향도 거의없고 인명사고도 없다. 다만 가격이 급상승 하게 되는데 이는 필요부지의 감소로 상쇄된다고 한다.
GIS설비가 개발된 후부터 본격적으로 고압변전소의 옥내화가 시작되었다. 도심지의 고밀도, 고부하 지역에서는 땅값이나 민원등으로 변전소 규모를 확장하거나 수를 늘리는 게 어려우므로 옥내GIS형 변전소가 많이 사용된다. 특히나 최근에와서는 변압기조차도 SF6가스로 절연하는 수준까지 와서 화재위험성도 대폭 감소되어 일반 건물의 지하에 설치하는 경우도 있다. 대표적인것이 도곡동 타워팰리스에 설치된 도곡변전소.
154kV 변전소는 1980년 해외차관으로 처음 GIS를 도입해 토성(현 부산)변전소를 건설한 후 꾸준히 옥내화 사업을 하여 지금은 대부분의 설비가 옥내GIS로 바뀌었고 345kV변전소의 경우 서울 성동변전소를 시작으로 영등포, 신양재, 중부, 남부산변전소 등도 옥내화로 건설되었다.
그러나 SF6 가스는 이산화 탄소보다 훨씬 강력한 온실가스라는 단점이 있으며, 이로 인해 사용을 감축하거나 대체 가스를 찾으려는 시도도 진행되고 있다.
3.3. 변환소
교류 송전은 변압기로 전압 변경이 쉬워 송전 방식으로 많이 사용되지만 표피효과와 용량성, 유도성 리액턴스의 영향을 많이 받으므로 장거리 송전 시에는 고전압 직류[8] 송전을 사용한다. 교류를 고전압 직류로 바꿔서 송전한 다음 반대쪽에서 다시 교류로 바꾸는 방식이다. 이 과정에서 인버터와 컨버터 같은 복잡한 장비를 사용하므로 지상 600km/해저 50km 이상의 장거리 송전이나 계통이 다른 지역과의 연계에 사용한다. 대한민국에는 해남-제주 간 180kV 해저 케이블[9]과 진도-제주 간 해저 케이블[10], 완도-제주 간 150kV 해저 케이블[11]이 HVDC 송전을 사용하고 있다. 해저나 지하의 경우 케이블의 절연 피복과 도체가 외부 환경과 일종의 커패시터를 이루므로 교류손실이 심해 직류송전과 교류송전의 손익분기점이 지상보다 짧다.내륙에서도 HVDC 송전이 공사 중에 있다.
해외에서는 주파수가 다른 지역간 전력 전달을 위해 중간에 송전선이 없는 변환소를 설치하기도 한다. 50Hz 교류를 받아 직류로 만든 뒤 60Hz 교류로 변환하여 보내거나 또는 그 반대로 기능한다. 브라질-아르헨티나 국경이나 동일본-서일본 사이에서 찾아볼 수 있다.
3.4. 전철 변전소
4. 기타
변압기는 쇳덩어리다. 그것도 아주 큰 쇳덩어리로 전압이 올라갈수록 권선수도 많아지고 절연유도 많이 들어가므로 변압기 무게도 무거워진다. 그래서 공장에서 변전소까지 주로 야간에 도로를 폐쇄하는 등의 방식으로 수송하는데 무게도 무게지만 충격에도 약한지라 수송에 아주 애를 먹는다.대한민국의 154kV변전소의 1Bank는 45/60MVA로 정해져있는데 원래 주로 사용했던 3상일괄 45/60MVA[12]급 변압기의 단일 무게는 약 70톤 가까이 된다. 성수대교 붕괴사고 이후 전체하중 40톤 이상의 경우 도로를 보강한 후 운송하거나 우회하는 식으로 법이 까다로워지면서 수송이 어려워지자 23톤 정도의 15/20MVA 단상변압기가 개발되어 각개 운송하여 3상으로 묶어서 현재까지 주로 사용하게 되었다. 3상일괄변압기의 경우 곡형평판화차를 이용해 철도수송을 한 후 모듈트레일러로 육상수송을 하게되는 반면 단상변압기는 저상트레일러로 도로수송이 가능하게 되어 훨씬 빠르고 저렴하게 수송이 가능하다.
345kV 변압기의 경우 1Bank가 500MVA, 1상에 166.7MVA로 변압기 한 대당 100톤 가까이 된다. 그래서 애초에 수송을 고려하여 단상으로 개발되었다.
한창 345kV 변전소를 건설하던 때에는 오로지 도로를 통한 육로수송만을 하였는데 도로보강 및 우회도로 구축에 비용이 급증하자[13] 철도수송을 고려하여 제작하게 되었다. 보통 곡형평판화차를 사용하여 철도수송을 한 후, 모듈트레일러를 이용해 도로수송을 한다.
765kV 변압기는 1Bank에 2000MVA로 일반적인 4Bank급 345kV 변전소 전체 용량급인데 용량만큼 무게도 무시무시하다.
단상변압기조차도 또 2Tank로 나누어 1Bank에 총 6대의 변압기로 구성되는데 변압기 한 대당 총 중량만 265톤, 수송중량은 160톤으로 절대적으로 철도수송이 필요하게 된다. 이 때문에 우크라이나에서 슈나벨 카 라는 특수 수송 화차를 도입, 운용하게 되었다.
| 곡형평판화차를 이용한 변압기 수송 |
| 슈나벨카를 이용한 변압기 수송 |
대한민국의 변전소는 154kv, 345kv, 765kv 로 나뉘어 지는데 보통 154kv 변전소의 용량은 최초 60MVA*2Bank, 최대 4Bank까지 확장가능하고 345변전소는 500MVA씩 2Bank가 기본, 4Bank까지, 765kV는 2000MVA 4Bank까지 확장가능하다. 드물게 5Bank이상도 있는데 이런 곳은 모선을 분리하여 아예 다른 변전소처럼 운영하기도 한다.
변전소는 주요기반시설이므로 지도에 드러나지 않는다. 전력망 자체가 국가중요시설이기에 4계통 이상 3Bank 이상의 변전소는 '나' 급, 3계통 이상 2bank 이상의 변전소는 "다"급 보안시설물로 규정된다. 원자력발전소나 발전용량 300만kW(3000MW) 이상의 발전소는 "가"급 100만kW 이상 발전소나 한강수계주요발전소는 "나" 급으로 분류된다.
발전소야 당연하지만 한강수계발전소는 왜 "나"급이냐면 통상 블랙아웃, 즉 전계통정전이 발생하면 가장 먼저 수력발전소나 양수발전소부터 가동한다. 가장 빠르게 가동할 수 있기에 전계통정전 즉시 수력발전소를 살리고, 화력발전소나 원자력발전소등과 연계된 주요 변전소를 살린후 발전소에도 공급을 하게된다. 이후 발전소가 정상운영되면 지역별로 분리하여 정상운영 한 후 전체계통을 다시 묶게된다. 따라서 한강수계발전소는 수도지역인 경인지역의 정상복구에 가장 핵심적인 시설이기에 보안등급이 높다.
"라"급도 있다. 특별한 보호가 요구되는 기타전력공급시설이라고 한다.
발전소, 송전탑과 더불어 님비현상의 대상이 되는 시설이다.
[1] 승압 변압기다. 발전기에서 나오자마자 승압 변압기를 거쳐 발전소 부지 내 또는 근처에 있는 스위치야드로 송전된다.[2] 송전선로에서의 전력 손실은 전류의 제곱값에 비례하므로 전압을 올려 송전 전력량을 늘린다.[3] 154kV를 송전받아 25,000V로 바꿔주는 철도변전소가 대표적인 예이다. 드물게 포스코나 현대제철 등 전력사용량이 막대한 곳은 154kV도 아니고 345kV를 직접 송전받는다. 다만 도시철도는 직류 1500V라서 22.9kV를 받아서 변압기와 정류기를 통해 직류 1500V로 변환해 쓴다.[4] 사고원인은 154kV모선 측 모선간 차단기의 고장이라고 한다. 일반적으로 변전소는 이중모선을 사용하여 두 모선 중 하나가 고장나도 다른 모선으로 공급받을 수 있게끔 되어있으나 아주 드물게도 모선차단기가 2개 다 동시에 고장이 나버리는 바람에 345kV를 154kV로 변압을 한 전압을 하위변전소에 송전을 할 수가 없는 상황이었다. 30년도 넘은 꽤 오래된 변전소이고 아직 옥외철구형이라 이번 사고를 계기로 전국의 재래식 옥외철구변전소들에 대해 대규모 GIS화사업을 진행한다고 한다.[5] 전봇대에 매달린 원통모양의 기기.[6] 길거리에 한국전력공사가 적혀져있는 철제 박스. 내부에 22,900V를 220/380V로 변압하는 변압기가 있거나 선로를 개폐하는 개폐기가 있다.[7] 보통 사고가 발생하게 되면 일단 전력공급을 중단하는데, 이후 몇 번 전력이 공급되기도 한다. 이는 변전소에서 작은 문제일 때의 얘기고 만약 저러지 않는다면 그날은 전기 안 쓸 각오해야 한다.[8] HVDC: High Voltage Direct Current[9] 해남-제주 #1 HVDC (제주 1연계 해저 케이블)[10] 진도-제주 #2 HVDC (제주 2연계 해저 케이블)[11] 완도-동제주 #3 HVDC (제주 3연계 해저 케이블)[12] 45/60은 OA/FA 일 때 용량이다. 유입자냉식일 때는 40MVA가 최대용량이고 유입풍냉식일 때는 60MVA가 최대 용량이라는 것. 쉽게말해 자연냉각시 45, 공랭냉각기를 켜면 60 용량을 가진다는 것이다.[13] 1980년대 당시 2억 5천만 원 단가 변압기 3대 운송비용이 3억 8천만 원 가까이 될 정도.