페란티 효과란?
페란티 현상은 송배전 선로에서 수전단의 전압이 송전 단 전압보다 높아지는 현상입니다. 일반 송배전 선로에서 전압 강하 즉, 송전 단 전압보다 수전단의 전압이 더 낮아지는 것이 정상입니다. 그러나 페란티 효과는 장거리 송전선 케이블과 같은 긴 계통과 같은 경우에 전선로에 따라 수전받는 쪽에 전압이 송전단 전압보다 더 커질 수 있습니다. 참고로, 페란티 효과의 유래는 이 현상의 발견자인 영국의 전기 기술자 세바스찬 페란티의 이름을 따서 명명되었습니다.
페란티 효과의 원리
송전 단 전압 Es[V], 수전단 전압을 Er[V], 선로 저항 R[Ω], 선로의 리액턴스 X[Ω], 부하에 흐르는 전류를 I[A] 부의 역률 cosθ이라고 칭합니다. 그러면 이때, 전압 강하 값은 다음의 식으로 산출 할 수 있습니다.
Es - Es = RIcosθ + XIsinθ = I (Rcosθ + Xsinθ) [V]
식을 보면 알 수 있듯이, 이 식은 단상을 나타내고 있습니다. 삼상 교류의 경우에는 전압 강하를 선간 전압으로 표시됩
다. 선간 전압은 3상 전력의 각상의 전위차를 나타냅니다. 각상과 대지 간의 전위차를 상전 압이라고 합니다. 3 상 전력의 경우 선간 전압은 상 전압의 루트 3 배입니다. 그래서 마찬가지로 3 상 전력의 경우 전압 강하 식은 다음과 같이 나타냅니다.
Vs - Vr = 루트3(Es-Er) = 루트3I (Rcosθ + Xsinθ) [V]
페란티 효과의 구조
단상 전원에 모터를 연결한 상태에서 전원과 모터의 거리는 상당히 긴 것으로 가정합시다. 페란티 현상은 이러한 장거리 송전로에서 발생하는 현상입니다. 모터 측이 수요자 설비로 유도성 부하입니다. 이때 일반적으로 전류는 전압과 비교하여 지연되는 상태로 되어 있습니다. 즉 역률이 뒤쳐지고 있다는 말입니다. 역률이란 전력을 효율적으로 사용할 수 있는 비율 의 수를 나타냅니다. 역률은 지상 역률과 진상 역률이 있습니다. 지상 역률은 전류가 전압에 비해 지연되는 상태를 나타냅니다. 진상 역률은 반대로 전류가 전압보다 앞서고 있는 상태를 나타냅니다. 이러한 전기 회로의 경우 전류가 전압에 대해 지연되고 있습니다. 여기서 전력용 콘덴서가 이 역률 개선을 하는 데 사용됩니다.
페란티 효과의 문제
페란티 효과는 실제로 어떤 영향을 전기 계통에 미칠까요? 페란티 효과가 문제가 되는 것은 저압 전로가 아닌 고압 전로에서 발생합니다. 이것이 발생하면 고전압로에 다음과 같은 영향을 미치는 것이 문제가 되고 있습니다.
- 변압기나 모터가 과여자 및 자기 포화가 발생하여 철손 증가 등의 문제가 발생한다.
- 전압의 증가에 따라 절연물 열화가 심화된다.
- 교류 회로의 고주파 문제가 발생할 가능성이 있다.
- 백열등의 수명이 줄어든다.
- 페란티 현상은 선로의 전압이 높고, 전송로의 길이가 길수록, 또 단위 길이 당 정전 용량이 클수록 심해집니다.
해결책
수전단에 분로 리액터를 설치하여 페란티 효과에 의한 과전압을 억제합니다. 배전선로에 동기 조상기를 설치해서 경 부하시에 진상 전류를 흡수하는 방안도 있습니다. ※ 복도체 방식은 페란티 현상의 방지대책이 아닙니다.
