계통 고장시 전류와 전압의 변화(전류위상 아주 쉽게 이해하기)

우리나라 전력계통에 고장이나면 전압과 전류는 어떤 변화양상을 가질까? 학부시절 매우 궁금했던 내용이었는데 지금에서야 아주 쉽게 이해할 수 있지만 그 당시에는 명확하게 이해가 가지 않았다.

결론부터 이야기하면 일반적으로 고장이 발생하면 전압은 줄어들고, 전류는 커진다. 고장난 지점으로 전압전하가 빠져나가기 때문에 전압은 줄어들고, 이 빠져나가는 전하를 메꿔주기 위해 더 많은 전하들이 이동 해 올 것이다. 이것이 바로 전류가 커지는 이유이다. 그렇기에 고장지점에서 멀어지면 멀어질 수록 전압과 전류의 변화는 적다는 것도 이해할 수 있다.

그런데, 우리나라는 AC 계통을 사용하고 있다. AC는 DC와 달리 '인덕터'와 '커패시터'의 역할을 하는 저항체가 있는데, 이 두가지 저항체가 전류를 느리게 만들기도 하고, 빠르게 만들기도 한다. 인덕터와 커패시터의 임피던스 성분은 각각 임피던스 평면의 90도, -90도를 가지고 있지만, I=V/R에 의해 이 임피던스에 흐르는 전류의 경우 반대의 값을 가지게 된다.(분모이므로) 즉, 인덕터는 임피던스 평면 상 90도의 성분을 가지지만 인덕터에 흐르는 전류는 전압보다 -90도의 위상을 가지게 되는 것이다. 반대로 커패시터는 임피던스 평면 상 -90도의 성분을 가지되 커패시터에 흐르는 전류는 전압보다 90도 빠른 위상을 가지게 되는 것이다. 아 참, 여기서 '빠르다' '느리다'의 기준은 시계를 연상하면 좋다. '12시'는 '3시'보다 90도 '빠르다'고 표현할 수 있는 셈이다.

우리나라 계통은 수 많은 철탑과 지중선로들로 서로 이어져 있다. 그렇기에 병렬로 연결되어 임피던스(저항)이 아주 작다. 그렇기에 고장이 나지 않는 평상시에는 I=V/Z 중 Z성분에 송전 임피던스 보다는 수전단측의 '저항'성분이 대부분이다. 그러므로 I=V/R이라고 표현할 수 있으며, 전압과 저항의 위상이 동위상이므로 전류의 위상도 같다. 즉 전압, 저항, 전류 모두 0위상이라고 볼 수 있다.

다만, 송전선로에 고장이 발생하면 I=V/Z 중 Z성분 중 R값이 빠지게 된다. 그렇기 때문에 I(전류)가 커지는 것이다. 그런데 송전선로의 특성 상 구리선과 같은 'L'성분이 대부분이라 I=V/L이라고 표현할 수 있으며, 전압보다 저항이 90도가 빠르고, 전류는 -90도의 위상을 가진다고 볼 수 있다.