전력용 콘덴서(SC: static capacitor)에 대해서..

[위알로]

전력용 콘덴서(SC: static capacitor)에 대해서..

전력용 콘덴서는 선로의 역률을 개선하기 위하여 설치된다. 전력용 콘덴서를 진상용 콘덴서라고도 한다.

1) 콘덴서의 부속기기

 가) 방전 코일(DC: discharging coil)

콘덴서를 회로에서 개방하였을 때 전하가 잔류함으로써 일어나는 위험의 방지와 재투입할 때 콘덴서에 걸리는 과전압의 방지를 위하여 방전장치가 사용된다.

방전장치에는 방전코일과 방전저항의 2종류가 있으며, 보통 대용량은 방전코일이 사용되고, 소용량에는 방전저항이 많이 사용된다.

방전 장치는 고압의 경우 개폐 후 5초 이내에 50[V]이하로 하고 저압의 경우는 3분에 75[V] 이하로 방전시킬 수 있는 성능을 갖추어야 한다. 콘덴서가 부하와 직결(전압강하 보상용)하여 똑같이 개폐될 경우에는 부하의 회로를 통하여 방전할 수 있으므로 방전장치가 불필요하다.

 나) 직렬 리액터(SR: series reacter)

역률 개선용으로 콘덴서를 사용하면 회로의 전압이나 전류 파형의 왜곡을 확대하는 수가 있고, 때로는 기본파 이상의 고조파를 발생하는 수가 있다. 이러한 고조파의 발생으로 나타나는 문제점을 보완하고, 콘덴서 투입시 돌입전류를 억제하기 위하여 콘덴서용 직렬 리액터를 설치한다. 직렬 리액터 용량은 콘덴서 용량의 6[%]정도이고, 대체로 뱅크 용량이 500[kVA] 이상인 경우에 설치한다.

2) 콘덴서의 용량을 구하는 방법

전력부하는 일반적으로 저항 R과 유도성리액턴스 XL의 조합으로 이루어져 있어 전압과 전류는 그 임피던스에 의해 cos θ 만큼의 위상차를 나타낸다. 이를 역률이라 한다.

그리고, 수전 변압기의 무효전력을 보상하기 위한 콘덴서 용량을 확보하도록 규정하고 있으며, 용량 산정은 다음 표와 같다.

변압기 용량[kVA]	콘덴서 용량[kVA]
500 이하	변압기 용량 × 5[%]
500 ∼ 2000	변압기 용량 × 4[%]
2000 이상	변압기 용량 × 3[%]

                  콘덴서의 용량산정

예제)

어떤 공장에서 정격용량 300[kVA]의 변압기에 역률 70[%]의 부하 300[kVA]가 접속되어 있다. 지금 합성 역률을 90[%]로 개선하기 위하여 전력용 콘덴서를 접속한다면 부하는 몇[kW] 증가시킬 수 있겠는가?

[답] 역률 개선 전의 유효전력 P1= 300×0.7 = 210[kW]

역률 개선 후의 유효전력 P2= 300×0.9 = 270[kW]

따라서 270-210 = 60[kW]의 부하 용량을 증가 시킬 수 있다.

 

콘덴서의 제현상 및

     설치․운용에 관한 기술(4)

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  콘덴서의 자동제어 방식

  콘덴서의 자동제어에는 특정 부하의 개폐신호에 의한 제어, 프로그램 제어, 무효전력제어, 그리고 전압, 전류 및 역률제어가 있으며, 특정 부하의 개폐신호에 의한 제어 및 타임 스위치에 의한 프로그램 제어는 매우 간단하고 경제적이나 효율적인 자동역률제어가 곤란하다.

  ￭ 프로그램 제어방식

  일정 시간대에서 무효전력을 예측할 수 있는 경우 타임 스위치에 의한 콘덴서를 개폐하는 방식으로 간편하고 저렴하나 부하변동을 예측할 수 없는 경우에는 부적당하다.

  ￭ 역률제어

  이 방식은 부하의 역률을 검출회로에 의해 측정하여 그 값을 초기 설정값과 비교하여 지상이 되면 콘덴서를 투입하고 진상이 되면 제거하는 방식으로 가격이 비교적 고가이기는 하나 부하상태에 대한 적응력이 높은 장점이 있다.

  ￭ 무효전력제어

  이 방식은 회로의 무효전력을 측정하여 초기에 설정한 값과 비교하여 콘덴서를 투입․제거하는 방식으로 설비비가 저렴하고 간단하여 최근에 많이 이용된다.

  상기방식 중 마이크로 프로세서를 사용하여 부하변동에 따른 역률변화에 대응해서 자동으로 콘덴서군을 개폐함으로써 역률개선 및 진상 역률방지 등 전력사용 합리화에 기여하는 역률조절방식에 대하여 B사 제품을 중심으로 소개해 본다.

  자동 역률조정기 (APFCR : Auto-Power Factor Control Relay)

  자동 역률조정기는 선로에 흐르는 전류 및 전압을 CT, PT로 측정하여 이를 마이크로 프로세서에 입력하고, 스위칭 프로그램된 출력신호는 운전회로를 통해 소형 릴레이를 동작시켜 전력 콘덴서의 개폐기를 개폐시키는 방식으로 역률조정기에 의해 목표역률을 설정하면 유효전력과 무효전력에 의한 실제역률과의 차이를 제로에 가깝도록 C/K 비율에 맞추어서 COSø = -0.8～1～+0.9까지 조절한다.

  여기서 C/K 비율은 무효전력에 의해 변화되는 릴레이의 스탭을 조정하는 것으로 C/K 값은 아래와 같이 산출된다.

  C/K = 0.66

  주 PC = 콘덴서 단계용량(kVAR)

     V = 공급전압(KV)

     K = CT의 변류비

  (계산 예)

a. 콘덴서 단계용량 : 500μF (9.124 kVAR)

b. 공급전압 : 220V(0.22KV)

c. CT의 변류비 : 300/5(60)

C/K=

    =

    = 0.263

 그림 1, 2는 자동 역률조정기 (B사 제품)의 외관 및 결선도를 나타낸 것이다.

  

커넥션다이어그램

그림2. 결선도

  자동 역률조정기 설치시 주의사항

  ￭ 역률조정기가 정확히 동작하기 위해서는 아래와 같이 PT와 CT의 위치가 매우 중요하다. 즉, CT와 PT는 메인 역률을 감지할 수 있는 장소(주차단기 하단)에 설치해 주고 CT와 PT의 상이 서로 겹치지 않도록 해야 한다.

  ․ CT의 극성을 정확히 맞추어 결선할 것.

  ․ PT의 상을 정확히 맞추어 결선할 것.

  ․ CT의 상과 PT의 상을 중복시키지 않을 것.

  CT : R상 → PT : S-T상

  CT : S상 → PT : R-T상

  CT : T상 → PT : R-S상

  만일 CT의 K, L 단자가 바뀌면 역률조정기는 선로상태와 반대로 동작한다. 반드시 메인 역률계와 APFCR의 역률계가 같은 값을 지시하는가 확인하고 어느 한쪽으로 APFCR의 역률계가 치우쳐 있으면 CT의 단자 및 CT 전류를 체크해야 한다.

  ￭ CT 및 PT는 반드시 메인 역률을 감지할 수 있는 장소에 설치하고 콘덴서의 메인 브레이커 밑에 설치하면 안된다. 커패시티브 로드 상태만 감지되므로 동작하지 않는다.

  콘덴서의 보호 및 트러블 대책

  진상 콘덴서는 자체의 절연 신뢰성이 높은 정지기기이므로 트러블 발생이 적고 역률개선의 메리트에 의해 그 설치량이 증가하고 있다.

  그러나 최신 파워 일랙트로닉스 장비가  도입됨에 따라 고조파 부하가 증가하고 특히 개폐 과도현상이나 고조파 트러블을 중심으로 설비내 기기의 고장․계통이상 등과 같은 트러블 건수가 증가하는 경향이 있다.

  특히, 계통과의 상호작용으로 인한 고장 또는 일반기기에의 파급 등과 같은 계통 이상현상은 진상 콘덴서 특유의 문제점이라 할 수 있다.

  계통이상에 대한 보호

  ￭ 과전압 보호

  콘덴서는 사용중에 항상 전부하 상태로 운영되며 계통전압이 상승하면 전압제곱에 비례하여 과부하가 된다. 따라서 전압이 상승할 경우 차단기를 개방해야 한다. 검출 장치는 모선 PT에 한시형 과전압 계전기를 설치하며 정정범위는 115～120%가 일반적이다.

  ￭ 저전압 보호

  계통 저전압은 적극적인 보호목적은 없으나 다음과 같은 문제가 있기 때문에 저전압 계전기를 설치하여 콘덴서를 계통으로부터 분리하는 것이 바람직하다.

  ∙전압회복시에 무부하 상태에서 콘덴서만 계통에 연결되어 진상용량의 과다 및 모선전압의 상승을 유발하여 위험하게 된다.

  ∙전압 회복시에 무부하 변압기와 콘덴서가 동시에 투입되어 콘덴서 단자전압이 비정상적으로 상승한다.

  따라서 저전압 계전기는 순시 전압강하에 동작하지 않도록 한시형을 사용하여 통상전압의 50% 정도에 정정하는 것이 보통이다.

  콘덴서 내부 이상에 대한 보호

  ￭ 모선부분의  사고

  ․ 단락사고 : 일반적으로 유도원판형 과전류 게전기를 사용하며 최소 동작전류를 정격전류의 150% 정도로, 한시는 상위 계전기와의 협조를 고려한다.

  (a) 한시요소 : 고압용 콘덴서는 직렬 리액터가 있는 경우 정격전류의 120%까지 견딜 수 있도록 제작되므로 이 값에 맞게 정정하여 콘덴서 돌입전류에서 동작하지 않도록 레벨을 선정한다.

  (b) 순시요소 : 고압 콘덴서는 계통의 말단이므로 최소 고장에도 동작하도록 하되, 콘덴서 돌입전류를 고려하여 정격전류의 500% 이상에서 동작하도록 한다.

  ․ 지락사고 : 지락보호는 계통의 중성점 접지방식, 사고점 저항 등에 따라 사고양상이 다르나 일반적으로 보호방식을 결정하는 데는 일반 전기설비 보호의 경우와 같다.

  ￭ 콘덴서 부분의 사고

  콘덴서 내부소자의 절연파괴, 단선 등이 있으며 이의 검출방법은 구성소자의 전압을 비교하여 단선, 단락 등 소자내부에 이상이 발생하면 차전압을 검출한다. 이 방식은 원리적으로 고조파, 계통 불평형 등의 영향을 받지 않아 신뢰도가 높다.

  콘덴서 설비의 고장내용 및 보호장치

  진상 콘덴서 자체는 정지기기이고 구조도 매우 간단하므로 기기고장이 극히 적지만, 방전 코일은 그 대부분이 선간에 삽입되어 있어 고장이 발생한 경우에 영향은 일반적으로 크다. 표 1에 콘덴서 및 부속기기에 대한 고장형태 및 원인을 비교적 상세하게 나타냈으며, 표 2는 기기고장에 따라 동작이 예상되는 보호장치를 나열하였다.

 표 1. 고장형태 및 원인

구성기기	고장형태	원        인
콘덴서	내부소자 절연파괴	․설계․제조 불량    ․성능저하 ․주위온도 과대      ․모선전압 과대 ․과도전압 침임(외래 서지, 개페 서지 등)
	내부지락	․내부소자 절연파괴 확대
	외부단락․지락	․단자이완 국부과열  ․부싱 표면 오손 ․동물(쥐, 고양이 등)접촉
	오일누설	․제조불량           ․케이스 부식 ․기계적 진동․충격
직렬리액터	과열소손	․과대전류 유입 (기본파나 고조파)
	코일층간단락 (레어쇼트)	․직렬 리액터 2차측 단락사고로 전자기계력에 의한 코일․철심변형
	내부지락	․건식 : 습기침입 ․유입식:유면저하, 절연유 산화 또는 열화
	외부단락․지락	․콘덴서와 동일
	오일 누설	․콘덴서와 동일
방전코일	내부단락	․유면저하에 의한 선간단락
	내부지락	․직렬 리액터와 동일
	외부단락․지락	․콘덴서와 동일
	오일 누설	․콘덴서와 동일
개폐기, 차단기		․개폐빈도 과다로 기계적 부분 이완

표 2. 기기고장에 의해 동작하는 보호장치

고장기기	동작하는 보호장치
콘덴서	․전력 퓨즈 ․내부고장 검출장치 (내압식 보호용 접점, 전기적 검출 Ry 등) ․과부하 과전류 검출 Ry ․지락검출 Ry
직렬 리액터	․온도이상 검출 Ry ․내부고장 검출장치 ․방압 밸브 ․지락검출 Ry
방전 코일	․과전류 검출 Ry ․전력퓨즈 ․콘덴서용 내부고장 검출장치 (전기적 Ry) ․지락검출 Ry

  회로현상과 보호장치의 동작

  진상 콘덴서는 그 특성에 의해 개폐 과도현상, 정상 운전 중의 고조파 이상현상을 발생하기 쉽고 이 때문에 진상 콘덴서 설비구성 기기뿐 아니라 다른 부하나 기기에도 악영향을 미치는 일이 있다. 표 3은 회로현상에 따른 이상발생 내용과 동작하는 보호장치를 회로현상별로 구분하여 나타내었다.

표 3. 회로현상에 의한 이상과 보호장치의 동작

현   상	이상의 내용	동작하는 보호장치
콘덴서 투입 과도현상	․CT 2차회로의 섬락 ․전력 퓨즈 용단 ․사이리스터 변환기의 제어 실패나 전류 실패	전력퓨즈, 과전류 Ry
고조파 이상	․직렬 리액터의 소손 ․콘덴서 투입불능 ․이상음 발생 ․직렬 리액터의 분류	과전류 Ry, 온도 이상검출 Ry 전력퓨즈, 결상 Ry 불평형 Ry
과진상 (전압상승 과대)	․변압기나 모터의 소리 증가 ․전압계 지시값 과대	과전압 Ry, 온도 이상검출 Ry
재점호 현상	․CT 2차회로의 섬락 ․모선기기의 절연파괴	과전류 Ry

  트러블 발생시의 대책

  진상 콘덴서 설비에서의 기기고장이나 회로현상에 의한 보호장치의 동작에 대해 설명하였는데 실제로 보호장치가 동작했을때의 대책은 표 4와 같다.

표 4. 회로현상 트러블의 대책

현    상	대        책
투입시의 돌입 전류	․직렬 리액터의 추가
투입시의 순시 전압강하	․직렬 리액터의 추가, 리액턴스 증가,   공심형 리액터 채용 등
계통 공진에 의한 고조파 이상확대	․일부의 콘덴서용 직렬 리액터의 리액턴스 교환
정상적인 고조파전류 과대유입	․교류 필터 설치 ․고조파 내량이 있는 콘덴서 설치
재점호 현상	․개폐기를 문제가 없는 것으로 교환

  고압 콘덴서의 폭발사고 보호

  콘덴서는 알루미늄박을 절연물로 샌드위치한 구조로 콘덴서 용량을 증가시키기 위해 전극의 면적을 크게 하여 전극간의 거리를 좁힌다. 극판간 거리를 좁히는 것은 절연물의 두께를 엷게 하는 것이 되어 콘덴서는 절연에 대해 약해진다. 그 결과 콘덴서의 내부소자의 단부(端部)가 어떠한 원인으로 절연파괴되면 그때 발생한 아아크에 의해 소자가 순차적으로 파괴되어 발생 가스가 증가하며 드디어 내부압력이 상승하여 콘덴서 케이스의 내압력을 넘으면 폭발하는 것이다.

  콘덴서의 외함변형(부풀음) 원인과 팽창도의 표준은 표 5와 같다.

 이에 대한 폭발방지 대책으로 콘덴서 케이스의 팽창이나 절연유의 누유 등을 일상 점검해야 하나, 가장 간편한 방법으로 그림 6과 같이 콘덴서 케이스가 표준팽창 범위를 넘었을 때 리미트 스위치가 동작하여 경보를 발생하도록 하면 콘덴서 폭발을 어느 정도 방지할 수 있다. 또한, 콘덴서 전용의 한류형 전력 퓨즈를 설치하면 콘덴서의 소자가 파괴되어 전류가 증대된 시점에서 회로를 차단하므로 폭발사고 확대를 방지 할 수 있다

표 5. 콘덴서 외함변형 원인

콘덴서용량(kVA)	부풀림값(㎜)
10-30	15
50	20
75-100	25
150이상	30

변 형 원 인	팽 창 도  표 준
․주위온도 과대 ․제작결함 및 내부이상 ․고조파전류 유입 ․과전압 ․외력에 의한 외함손상	외함의 측면에 부풀음은 없는가 팽창도의 표준

  결언

  콘덴서는 역률개선에 의한 전력절감 및 기본요금 경감혜택으로 설비의 합리적인 운용측면에서 반드시 필요한 설비이다. 그러나 실제 현장에서는 콘덴서 및 부속기기에 대한 적용기술의 이해부족으로 설비개선을 망설이고 있고, 또한 잘못 적용하면 기기고장, 계통이상 등의 트러블 확대요인으로 작용하는 경우가 있다.

  특히, 콘덴서 또는 직렬 리액터의 용량 변경이나 사이리스터 응용기기의 증가로 인한 개폐 과도현상이나 고조파 트러블 등은 계통과의 상호작용으로 고조파가 증폭되어 사고가 확대될 수 있다. 또한, 콘덴서에 과전압 및 고조파 전류유입, 절연열화로 외함이 부풀어 폭발하는 경우도 고압 콘덴서에서 가끔 볼 수 있는 현상이다.

  이와 같이 진상 콘덴서 고유의 회로현상에 의하여 발생하는 제반 트러블 현상 및 설비 개조시 등에는 반드시 콘덴서 설비를 포함한 전력계통 전체에 대한 정확한 진단과 해석, 고조파 실측 등을 통해 트러블 및 사고확대를 미연에 방지할 수 있다고 본다.

  끝으로 본 콘덴서에서 일어날 수 있는 제 현상 및 설치․운용에 관한 기술적인 접근해석이 전기설비설계나 현장에서 근무하고 있는 전기 담당자들에게 현재까지 의문시되어 오던 기술적인 문제해결에 도움이 되길 바라면서, 차후에 현장실무와 밀접한 또 다른 기술해설로 독자들과 대면하고자 한다.