전력용 콘덴서를 설치하는 목적 3가지를 열거하고 설명하시오
<해설>
1. 개요
역률 개선은 전동기에 전동기에 적정 부하를 거는 것과 선로에 콘덴서를 삽입함으로써 이루어진다.
콘덴서는 삽입된 위치로부터 전원측으로 향하여 역률이 개선되며,
역률이 개선되면 변압기, 선로 등의 저항 손실을 감소시키고, 부하단에서의 전압도 확보된다.
2. 콘덴서 설치 목적
(1) 변압기의 손실저감
변압기의 손실에는 변압기 철심에서 발생하는 철손과 코일에서 발생되는 동손이 있다. 철손은 부하전류에 의하여 변화되지는 않지만, 동손은 부하전류의 자승에 비례하여 증감한다. 따라서 역율을
개선시키면 동손을 크게 줄일 수 있다.
변압기의 손실중 동손이 차지하는 비율을 75(%)라고 하면, 동손 저감량은 다음과 같다.
[kW]
: 변압기효율 [%] : 부하용량 [kW]
변압기의 용량 [kW] 개선전 역률
: 개선후 역률
그림 1에 30[kVA] 변압기 (효율 97%) , 15[kW] 부하의 경우 부하역률과 변압기 손실 관계를 도시하였다.
그림 1. 역률과 변압기 동손의 관계
(2) 배전선의 손실경감
전류가 선로를 따라 흐르게 되면 전선내에는 전류에 의한 손실이
발생한다.
선로손실은
선로손실 = (선로전류 × 선로저항
의 관계에서 전류의 자승에 비례하여 손실이 증가하게 된다
따라서 역률개선을 통하여 선로전류를 줄이면 선로손실을 대폭 줄일수 있음을 알 수 있다.
일반적으로 선로손실 감소량과 역률개선 관계식은 다음과 같다.
[kW]
: 부하의 유효전력[kW]
: 회로전압 [kV]
: 선로의 1상분의 저항 []
그림 2.는 일례로써 선로전압 220V, 15kW 부하, 0.1의 선로저항의 경우 부하역률과 선로손실의 관계를 도시한 것이다.
역률을 개선 하므로써 저감효과가 매우 크다는 것을 알수가 있다.
그림2. 역률과 선로손실의 관계
(3) 설비용량의 여유도 증가
부하에 대한 변압기 용량선정은 부하의 역률과는 무관하게 (전압
전류)에 의하여 결정된다.
따라서 역률이 낮은 부하의 경우 진상콘덴서를 설치하여 역률을 개선시켜 전류를 감소시키면 필요한 변압기용량이 작아지고, 다른 말로 표현하면 변압기에는 여유분이 생기게 되어 그만큼의 새로운 부하를 증설 가능하게 된다.
그림 3. 설비여유도 증가 Vector도
그림 4.는 역률개선에 의하여 증가된 여유분용량을 도시한 것이다.
예로서 역률 70%인 부하 70kW의 전원용량이 충분하다면 역률을 95%로 개선할 경우 부하용량의 여유분은 70kW의 30%에 해당하는 21kW가 된다.
그림 4. 역율개선에 의한 부하의 여유 용량
(4) 전압강하의 개선
일반적으로 부하를 사용하게 되면 선로와 변압기의 저항
,Reactance에 전압강하를 수반하게 되는데 이러한 전압강하가 심하면 전등기구,전동기의 기동을 어렵게 할 뿐 아니라 정격출력을
얻을 수 없어 비능률화를 가져온다.
전압강하는 선로저항 R (변압기의 저항을 포함), 선로 Reactance
(변압기의 Reactance분을 포함)와 부하전류 I ,역율에 의하여 결정되는 것으로써 다음식으로 표현된다.
전압강하는 X가 R보다 클수록, 부하전류가 클수록, 역률이 낮을수록 크게된다.
따라서 진상콘덴서를 설치하여 역률을 개선시키게 되면 부하전류가 감소하고 전압강하가 저감되어 부하는 정격출력을 얻을 수 있고
능률적인 운전을 하게 된다.
그림 5는 선로전압 220V, 15kW 부하에 선로저항 0.1, Reactance 0.2의 경우 부하역률과 전압강하와의 관계를 보여준다.
그림 5. 역률과 전압강하 관계도
큰덴서 설치에 의한 전압상승(즉 전압강하의 경감)은 콘덴서용량과
단락용량의 비로 쉽게 구해진다.
즉
단 : 삽입하는 콘덴서용량[kVA]
: 콘덴서를 삽입하는 모선의 단락용량 [kVA]
가령 모선의 단락용량이 30,000[kVA]이고 여기에 역률개선용으로 투입된 콘덴서용량이 1500[kVA] 였다면 역률개선 결과 선로의 전압강하 경감량 는
로 계산된다.
3. 결론
진상용 콘덴서를 설치할 시 효과는 전원측에 나타난다.
콘덴서 설치는 선로손실을 작게 하는 뜻에서 말단에 설치하는 분산식이 고가이긴 하나 바람직한 방식이다. 중앙식인 고압콘덴서 설치는 경제적 이점이 있으나 배전선로의 손실이 있다.