23편 – 동기발전기의 전압변동률과 단락비(SCR)의 의미

동기발전기는 전력 계통에서 일정한 전압과 주파수를 유지하는 핵심 설비이며, 이러한 안정성을 평가하는 대표적인 지표가 바로 전압변동률과 단락비이다. 전기기사 시험에서는 이 두 개념을 단순 공식 암기가 아니라, 서로 어떤 관계를 가지고 있으며 실제 운전에 어떤 영향을 미치는지를 묻는 문제가 반복적으로 출제된다.

 

 

따라서 개념의 정의부터 물리적 의미, 그리고 실무적 해석까지 함께 이해하는 것이 매우 중요하다.

전압변동률이란 발전기가 무부하 상태에서 정격 부하 상태로 변화할 때, 단자 전압이 얼마나 변하는지를 나타내는 지표이다. 일반적으로 발전기는 부하가 연결되면 전기자 반작용과 내부 임피던스의 영향으로 단자 전압이 감소하게 된다. 이때 무부하 전압과 정격 부하 전압의 차이를 백분율로 나타낸 것이 전압변동률이며, 발전기의 전압 유지 능력을 평가하는 기준이 된다. 전압변동률이 작을수록 부하 변동에 따른 전압 변화가 적어 안정적인 전원으로 평가된다.

 

동기발전기의 전압변동률은 여자 전류의 크기와 부하의 역률에 따라 크게 달라진다. 특히 역률의 영향이 매우 큰데, 지상 역률 부하에서는 전기자 반작용이 감자 작용을 일으켜 전압 강하가 커지고, 전압변동률이 증가하는 경향을 보인다. 반대로 진상 역률 부하에서는 전기자 반작용이 가자 작용을 하여 전압 강하가 작아지거나 오히려 전압이 상승하는 경우도 발생한다. 이 때문에 동일한 발전기라도 부하의 성질에 따라 전압 특성이 크게 달라지며, 시험에서는 역률에 따른 전압변동률의 증감을 묻는 문제가 자주 출제된다.

 

단락비, 즉 SCR(Short Circuit Ratio)는 동기발전기의 내부 리액턴스를 간접적으로 나타내는 중요한 지표이다. 단락비는 정격 전압을 발생시키는 데 필요한 여자 전류와, 정격 전류가 흐르도록 단락시켰을 때 필요한 여자 전류의 비로 정의된다. 이 값은 발전기의 동기 리액턴스와 반비례 관계에 있으며, 단락비가 크다는 것은 내부 리액턴스가 작고 전압 변동에 강하다는 것을 의미한다.

 

단락비가 큰 동기발전기는 부하 변동 시 전압 안정성이 뛰어나고, 계통 연계 운전에서 병렬 운전이 용이하다는 장점을 가진다. 또한 단락 사고 발생 시 과도 현상이 완만하게 나타나 계통 안정도 측면에서도 유리하다. 반면 단락비가 작은 발전기는 구조가 비교적 간단하고 제작 비용이 낮다는 장점이 있지만, 전압 변동이 크고 안정성이 떨어져 대규모 전력 계통에는 적합하지 않다. 이러한 특성 비교는 서술형 문제에서 단골로 등장하는 포인트이기도 하다.

 

전압변동률과 단락비는 서로 밀접한 관계를 가지고 있다. 일반적으로 단락비가 클수록 전압변동률은 작아지는 경향을 보인다. 이는 내부 리액턴스가 작아 부하 변화에 따른 전압 강하가 감소하기 때문이다. 따라서 전기기사 시험에서는 “단락비가 큰 발전기의 특성” 또는 “전압변동률이 작은 발전기의 조건”과 같은 형태로 두 개념을 함께 묶어 출제하는 경우가 많다. 이때 단락비, 내부 리액턴스, 전압 안정성의 연결 관계를 정확히 이해하고 있어야 혼동 없이 문제를 해결할 수 있다.

 

결론적으로 동기발전기의 전압변동률은 외부에서 관측되는 전압 안정성을 나타내는 지표라면, 단락비는 발전기 내부 특성을 나타내는 지표라고 볼 수 있다. 이 두 요소를 함께 이해하면 동기발전기의 설계 의도와 운전 특성을 입체적으로 파악할 수 있으며, 전력 계통에서 왜 특정 발전기가 사용되는지에 대한 근본적인 이해로 이어진다. 전기기사 수험생이라면 이 장을 통해 단순 계산 문제를 넘어, 동기발전기의 성능을 평가하는 눈을 기르는 것이 목표가 되어야 한다.