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1 / 18 발전소에서 콘센트까지 왼쪽 발전소에서 만든 전기는 거의 그 순간 오른쪽 집의 전등에 닿습니다. 단계마다 붙은 표에 그 자리의 전압과 전류가 나오고, 주황색 구슬은 전류가 앞뒤로 오가는 모습을 60배 느리게 보여 줍니다. 위쪽 단추로 장면 여덟 개를 더 열 수 있습니다.
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01 발전소에서 콘센트까지 왼쪽 발전소에서 만든 전기는 거의 그 순간 오른쪽 집의 전등에 닿습니다. 단계마다 붙은 표에 그 자리의 전압과 전류가 나오고, 주황색 구슬은 전류가 앞뒤로 오가는 모습을 60배 느리게 보여 줍니다. 위쪽 단추로 장면 여덟 개를 더 열 수 있습니다.
02 발전기는 1분에 3,600번 돕니다 증기가 터빈을 돌리면 같은 축의 발전기도 함께 돕니다. 극이 두 개인 발전기는 1초에 60번 돌아야 60 Hz가 나옵니다. 모형의 발전기 전압은 22 kV라서, 500 MW를 보내려면 전류가 약 13,100 A나 흘러야 합니다.
03 승압 변압기가 전압을 높입니다 탱크 안의 저압 코일은 굵은 선 5회, 고압 코일은 가는 선 78회입니다. 전압은 감은 수의 비만큼 올라가고(22 kV에서 345 kV까지 1 : 15.7), 전류는 같은 비율로 줄어듭니다. 송전 전압 슬라이더를 움직이면 오른쪽 코일의 감은 수도 따라 바뀝니다.
04 같은 전력을 낮은 전압으로 345 kV에서는 500 MW를 보내는 데 837 A가 필요하고, 저항 3 Ω인 송전선에서 6.3 MW(1.26 %)를 잃습니다. 지금 슬라이더는 154 kV입니다. 전류가 1,875 A로 늘어 손실이 31.6 MW, 다섯 배가 되므로 전선이 더 뜨거워지고 더 처집니다. 22.9 kV까지 내리면 손실이 보낸 전력보다 커집니다. 송전선이 길거나 전선이 가늘면 저항이 커지고 손실도 커집니다.
05 변전소에서 22.9 kV로 낮춥니다 변압기가 345 kV를 22.9 kV로 낮추고, 차단기를 거쳐 여러 배전선으로 나눠 보냅니다. 우리나라에서는 중간에 154 kV를 한 번 더 거치는 경우가 많은데, 모형에서는 뺐습니다. 이 모형의 배전선 한 회선은 6.25 MW, 약 158 A를 실어 나릅니다.
06 주상 변압기가 220 V를 만듭니다 배전선 세 가닥끼리의 전압은 22.9 kV이지만, 한 가닥과 아래쪽 중성선 사이는 13.2 kV입니다. 전봇대의 변압기는 한 가닥과 중성선 사이에 연결되어 13,200 V를 220 V로 낮춥니다. 감은 수의 비는 60 : 1입니다.
07 벽 콘센트의 220 V, 60 Hz 콘센트 전압은 1초에 60번 +311 V와 −311 V 사이를 오가고, 220 V는 그 실효값입니다. 우리나라 규정이 허용하는 범위는 198~242 V입니다. 계기판 그래프에 3주기, 50밀리초가 나옵니다.
08 수요가 공급보다 많으면 주파수가 내려갑니다 수요가 방금 560 MW로 뛰었는데 발전기는 아직 500 MW에 맞춰져 있습니다. 모자라는 전력은 돌고 있는 회전자의 운동 에너지에서 나오므로 회전이 느려지고, 주파수가 59.6 Hz 가까이 떨어집니다. 조속기가 출력을 올리면 59.825 Hz에서 자리를 잡습니다. AGC를 켜면 60 Hz로 돌아옵니다.
09 도는 발전소, 돌지 않는 발전소 석탄, 원자력, 가스, 수력은 무거운 발전기를 전력망과 같은 박자로 돌립니다. 쇠바퀴는 그 회전에 저장된 에너지(관성 상수 H, 초)를 보여 줍니다. 풍력, 태양광, 배터리는 인버터로 이어져 회전 질량을 보태지 않습니다. 인버터 비율을 높이면 발전기가 빠졌을 때 주파수가 더 빨리 떨어집니다.
10 여름 하루 수요는 새벽에 가장 낮고 오후에 가장 높습니다. 우리나라 최고 기록은 2024년 8월 20일의 97.1 GW입니다. 태양광 30 GW를 더하면 한낮 기둥이 노랗게 바뀌고, 가장 가파른 증가가 해 질 무렵으로 옮겨 갑니다.
11 오리 곡선 태양광이 60 GW인 선선한 봄날에는 다른 발전소가 맡을 수요가 한낮에 푹 꺼졌다가 해가 지면 가파르게 솟습니다. 캘리포니아 계통운영기관은 이 모양을 오리라고 불렀습니다. 저녁의 급증은 몇 시간 안에 가스와 수력이 메워야 합니다.
12 발전기가 떨어지면 80 GW 전력망에서 1,400 MW 발전기가 방금 떨어졌습니다. 처음 몇 초는 돌고 있는 모든 기계의 회전 질량만 주파수를 버티고, 이어 조속기가 예비력을 보탭니다. 모형에서는 약 8초 뒤 59.67 Hz 근처가 바닥입니다. 배터리를 더해 59.8 Hz 위로 지켜 보세요.
13 변압기 속 철심은 맴돌이 전류가 작도록 얇은 강판을 쌓아 만듭니다. 다리마다 저압 코일 바깥에 고압 코일이 감겨 있고, 모두 절연유에 잠겨 열을 방열기로 보냅니다. 모형의 1,000 MVA 변압기는 80 % 부하에서 약 3.1 MW를 잃어 효율이 약 99.6 %입니다.
14 애자, 복도체, 처짐 345 kV 애자련은 유리 원판 20개로 전선을 철골에서 2.9 m 떼어 놓습니다. 한 상에 전선 네 가닥을 쓰면 표면 전계가 약 10 kV/cm로, 맑은 날 코로나가 시작되는 21.6 kV/cm보다 한참 낮습니다. 전선을 80 °C로 데우면 400 m 경간의 처짐이 10.5 m에서 약 13.6 m로 늘어납니다.
15 비 오는 날의 765 kV 765 kV 애자련은 원판 40개, 길이 5.8 m입니다. 비가 오면 코로나 시작 값이 약 14.5 kV/cm로 내려가, 한 상에 여섯 가닥을 써도 15 kV/cm라 젖은 선로가 빛나고 지직거립니다. 초고압 선로가 굵은 복도체를 쓰고도 비 오는 날 웅웅거리는 이유입니다.
16 바다 밑 직류 제주 제1연계선은 1998년부터 해남에서 직류 180 kV를 보냅니다. 그만큼 긴 교류 케이블은 자기 정전 용량을 충전하는 데 정격의 상당 부분을 씁니다. 이 모형에서 154 kV 교류 케이블은 약 150 km에서 정격이 찹니다. 육상에서는 변환소 비용 때문에 약 700 km부터 직류가 이득입니다.
17 고장 하나, 또 하나 고장으로 내륙–도시 선로가 끊깁니다. 그 전력이 다른 길로 몰려 내륙–댐 선로가 한계를 넘고, 약 18초 뒤 보호 장치가 그 선로를 끊습니다. 그다음 선로도 이어집니다. 운영자처럼 제때 「부하 10 % 차단」을 누르면 연쇄가 멈춥니다.
18 우리 집 분전반 분기마다 차단기가 따로 있습니다. 전기포트, 전자레인지, 밥솥, 에어프라이어를 한꺼번에 켜면 잠시 뒤 20 A 주방 차단기가 떨어집니다. 누전차단기는 나가는 전류와 돌아오는 전류를 비교해 30 mA 차이에 떨어집니다. 노란 시험 버튼을 눌러 보세요. 바로 떨어져야 정상입니다.
발전소 터빈 건물, 보일러 건물, 굴뚝입니다. 속 보기를 켜면 안의 터빈과 발전기가 보입니다. 터빈과 발전기 증기 터빈과 발전기가 한 축으로 이어져 있습니다. 빨간 표시가 회전을 보여 주는데, 3,600 rpm인 실제 2극 발전기보다 60배 느립니다. 승압 변압기 기름이 찬 탱크와 방열판입니다. 옆에는 저압 부싱이, 위에는 긴 고압 부싱이 있습니다. 철심과 코일 철심 한쪽 다리에 굵은 선이 5회, 다른 쪽에 가는 선이 여러 회 감겨 있습니다. 감은 수의 비가 전압을 정합니다. 345 kV 송전탑 철골 격자 탑에 3상 회로 두 개가 걸려 있고, 맨 위의 가공지선 두 가닥이 낙뢰를 받아 냅니다. 애자련 자기 원판을 줄줄이 이어 전선을 철탑에서 떼어 놓습니다. 전압이 높을수록 줄이 길어야 합니다. 송전선 가운데 강선을 넣은 알루미늄 전선입니다. 모형에서는 I²R 발열이 커질수록 빛나고 더 처집니다. 변전소 변압기 345 kV를 배전용 22.9 kV로 낮춥니다. 차단기와 모선 고장이 나면 차단기가 눈 깜짝할 사이에 배전선을 끊습니다. 22.9 kV 배전선 콘크리트 전봇대의 완금에 세 상의 전선이 있고, 그 아래에 중성선이 걸려 있습니다. 주상 변압기 한 상과 중성선 사이에 연결되어 13.2 kV를 받아 220 V를 내보냅니다. 집과 전력량계 전봇대에서 온 인입선이 벽의 전력량계로 들어옵니다. 콘센트 둥근 구멍 두 개와 옆쪽 접지 단자가 있고, 220 V 60 Hz가 나옵니다. 석탄 화력발전소 보일러동, 터빈동, 줄무늬 굴뚝, 옥내 저탄장입니다. 증기 터빈이 큰 회전 질량을 보탭니다. 원자력 발전소 돔 모양 격납 건물과 터빈동입니다. 거의 언제나 정격 가까이 운전합니다. 가스 복합화력 가스 터빈 두 대의 뜨거운 배기로 뒤쪽 보일러에서 증기를 만듭니다. 옆에 LNG 탱크가 있고, 빨리 켤 수 있습니다. 수력 발전소 아치형 댐, 호수, 수압관 두 개, 댐 아래 발전소입니다. 풍력 단지 풍력 발전기 세 대입니다. 날개는 돌지만 인버터를 거쳐 연결되므로 전력망은 회전 질량을 느끼지 못합니다. 태양광 발전소 기울여 세운 패널 줄과 인버터입니다. 움직이는 부분이 없습니다. 배터리 저장장치 리튬이온 전지를 담은 컨테이너와 전력 변환장치입니다. 눈 깜짝할 사이에 응답합니다. 시간별 수요 한 시간에 하나씩, 기둥 24개입니다. 파란색은 급전해야 하는 수요, 위의 노란색은 태양광이 채우는 몫입니다. 공급 수준 원자력, 석탄, 수력, 기타 발전소에 켜 둔 가스를 더한 공급 높이에 놓인 초록 유리판입니다. 도시 해가 지면 창문에 불이 켜집니다. 수요가 집으로 옮겨 가는 시간입니다. 주파수계 58~62 Hz 눈금판입니다. 초록은 정상 범위 59.8~60.2 Hz, 빨강은 모형에서 부하 차단이 시작되는 59.0 Hz 아래입니다. 운전 중인 발전기 계속 도는 터빈 발전기입니다. 처음 몇 초는 회전자가 주파수를 버티고, 이어 조속기가 예비력만큼 출력을 올립니다. 탈락하는 발전기 1,400 MW 발전기로, 대형 원전 한 기 정도입니다(모형 값). 「발전기 탈락」을 누르면 계통에서 떨어집니다. 주파수 조정용 배터리 방전할 때 초록으로 빛납니다. 모형에서는 약 0.2초 만에 최대 출력에 닿습니다. 부하 구역 건물 세 묶음입니다. 저주파수 단계(59.0, 58.8, 58.6 Hz)마다 한 묶음씩 꺼집니다. 적층 철심 얇은 강판을 쌓은 다리 셋과 위아래 요크입니다. 단을 지어 단면이 거의 둥글고, 자속이 이 길을 따라 돕니다. 저압 코일 안쪽 코일입니다. 굵은 구리선을 적게 감아 큰 전류를 나릅니다. 고압 코일 바깥 코일입니다. 가는 구리선을 여러 번 감은 원판을 쌓고 사이사이에 절연지를 넣었습니다. 탱크와 콘서베이터 앞을 잘라 연 강철 탱크와, 데워진 기름이 팽창할 자리를 주는 위쪽 콘서베이터입니다. 절연유 탱크를 채운 광유입니다. 코일을 절연하고 열을 방열기로 나릅니다. 방열기 양옆의 얇은 판입니다. 데워진 기름이 이 안을 지나며 식어 내려갑니다. 부싱 도체를 뚜껑 밖으로 꺼내는 자기 기둥입니다. 고압용은 길고 저압용은 짧습니다. 탭 절환기 코일의 탭을 바꿔 출력 전압을 몇 % 맞춥니다. 철탑과 완금 아연 도금한 격자 철골입니다. 완금이 한 상의 전선을 철탑 몸통에서 멀리 떼어 놓습니다. 애자련 유리 원판을 줄줄이 이었습니다. 한 개가 약 146 mm이고, 모형은 154 kV에 10개, 345 kV에 20개, 765 kV에 40개를 씁니다. 복도체 한 상에 전선 여러 가닥을 스페이서로 45 cm씩 떼어 놓았습니다(모형 값). 가닥이 많을수록 전선 표면의 전계가 낮아집니다. 코로나 전선 표면의 전계가 공기의 절연 강도를 넘으면 공기가 보랏빛으로 빛나고 지직거리며 전력을 잃습니다. 변환소 양 끝의 밸브 홀이 교류를 직류로, 다시 교류로 바꿉니다. 한쪽에는 교류 개폐소, 다른 쪽에는 직류 평활 리액터가 있습니다. 밸브 홀 안의 반도체 밸브 모듈 탑입니다. 속 보기를 켜면 벽 너머로 보입니다. 해저 케이블 구리 도체, 절연지, 납 피복, 강철 외장으로 된 케이블을 바다 밑에 깔았습니다. 잘린 토막에서 층을 볼 수 있습니다. 섬 풍력 발전기와 마을입니다. 양방향 연계라면 밤에는 전기를 받고, 바람이 남을 때는 내보낼 수 있습니다. 발전소 해안(3,000 MW), 내륙(2,000 MW), 댐(1,000 MW)입니다. 전력망이 갈라지면 조각마다 그 안의 발전소가 닿는 부하를 나눠 맡습니다. 마을 마을 다섯과 공단입니다. 공급하지 못한 비율만큼 창문 불빛이 어두워집니다. 송전선로 부하율에 따라 색을 칠한 선로 12개입니다. 누르면 끊깁니다. 전력은 병렬 경로의 리액턴스에 반비례해 나뉩니다(직류 조류 계산). 분전함 벽에 묻힌 금속 함과 문입니다. 실제 집에서는 안쪽이 덮개에 가려 있습니다. 모선 모든 차단기에 전기를 나눠 주는 구리 막대, 파란 중성선 단자대, 녹황색 접지 단자대입니다. 차단기 메인 차단기(모형 40 A), 노란 시험 버튼이 있는 누전차단기, 분기 차단기 다섯 개입니다. 떨어진 손잡이를 누르면 다시 올라갑니다. 배선과 접지 방으로 올라가는 분기 배선과, 땅속 구리봉까지 내려가는 접지선입니다. 가전 누르면 켜지고 꺼집니다. 초록 불은 전기가 들어가고 있다는 표시입니다.
