역률이란?

[황상연]

1. 역률이란?

피상전력에 대한 유효전력의 비율을 역률이라 한다. 이는 전기기기에 실제로 걸리는 전압과 전류가 얼마나 유효하게 일을 하는가? 하는 비율을 의미한다.

2. 전력이란?

전압과 전류의 곱(W = V Χ I)

  가. 유효전력 - 교류에서 회로 중 코일이나 콘덴서 성분에 의해 전압과 전류사이에 위상차가 발생하므로 실제로

                     유효하게 일을 하는 전력(유효전력)은 전압 Χ 전류(피상전력)가 아니고 전압과 동일방향 성분만

                     큼의 전류(전류 Χ COS Q)만이 유효하게 일을 하게된다.

                     따라서 유효전력 = 전압 Χ 전류 Χ COS Q 이며 COS Q를 역률이라 한다.

  나. 무효전력 - 전압과 90도 방향 성분만큼의 전류(전류 Χ SIN Q)와 전압의 곱으로서, 기기에서 실제로 아무

                     일도 하지 않으면서(전력소비는 없음) 기기의 용량 일부분만을 점유하고 있는데 SIN Q를 무효율

                     이라 한다.

3. 역률의 크기와 의미

  가. 역률이 큰경우 - 역률이 크다는 것은 유효전력이 피상전력에 근접하는 것으로서

    1) 부하측(수용가)에서 보면 같은 용량의 전기기기를 최대한 유효하게 이용하는 것을 의미하며

    2) 전원측(공급자)에서 보면 같은 부하에 대하여 적은 전류를 흘려보내도 되므로 전압강하가 적어지고

        전원설비의 이용효과가 커지는 이점이 있다.

  나. 역률이 작은 경우 - 위 와의 반대되는 불이익이 있다.

4. 역률저하의 원인

  가. 유도전동기 부하의 영향 - 유도전동기는 특히 경부하일 때 역률이 낮다.

  나. 가정용 단상 유도전동기와 기동장치에 코일을 사용하는 방전등의 보급에 의한 역률저하.

  다. 주상변압기의 여자전류의 영향.

5. 역률개선 효과

  가. 전력회사 측면 - 전력계통 안정, 전력손실 감소, 설비용량의 효율적 운용, 투자비 절감

  나. 수용가 측면

    1.) 역률개선에 의한 설비용량의 여유증가 - 역률이 개선됨으로서 부하전류가 감소하게 되어 같은 설비로도

         여유가 생기게 된다. 즉, 설비용량을 더 늘리지 않고도 부하의 증설이 가능해진다.

    2) 역률개선에 의한 전압강하 경감 - 역률을 개선하면 선로전류가 줄어들게 되므로 선로에서의 전압강하는

        경감된다.

    3) 역률개선에 의한 변압기 및 배전선의 전력손실 경감 - 배전선 및 변압기에 전류가 흐르면

        PL = 3 Χ 12 Χ R 의 손실이 발생한다.

       역률개선에 의해 무효전력이 감소하므로 이 전력손실이 경감된다.

  4) 역률개선에 의한 전기요금 경감 - 전력수용가의 부하역률을 개선하면 그만큼 전력회사는 설비합리화가

      이루어지기 때문에 수용가의 역률개선을 촉진하는 목적으로 기본요금에 역률할증제도를 실시화고 있다.

     - 우리나라의 전기요금 제도는 역률이 90%에 미달한 역률만큼 전기요금을 추가하는 역률할증제도를

        적용하고 있다.

     - 역률을 개선함으로서 전기요금이 그만큼 절약된다.

6. 콘덴서가 필요한 이유

오늘의 전력수요는 세계의 산업화 추세와 함께 급격히 증가하는 추세를 보이고 있다.

변압기 및 전동기의 코일, 형광등, 아아크로, 등 거의 대부분의 부하는 유도성이기때문에 불가피하게 무효전력을 수반하게 된다,

따라서 전력을 공급하는 선로 즉, 발전소에서는 송배전 변전소를 경유하여 수용가에 이르기 까지 비효율적인 과잉전류가 흐르게 되는데 결과적으로 장거리 선로의 열손실, 저역률 선로 및 변압기에 과부하를 초래하게 된다. 콘덴서는 이것과 반대되는 위상의 용량성 무효전력을 효과적으로 발생시켜 변압기 및 선로의 무효전력을 쉽게 제서할 수 있기 때문에 가장 보편화 되어있는 역률 보상장치이다. 또한 타 장치에 비해 정지기기로서 수명이 반영구적이며 취급이 쉬울뿐만 아니라 뛰어난 경제성을 갖고있다.

7. 전력용 콘덴서를 부하와 함께 시설할 경우 장점

    (콘덴서를 모터나 기타 유도성부하에 접속 할 경우)

전력요금을 절감할 수 있다.

개별 모터선로의 손실을 경감시킨다.

강압용 변압기의 손실을 경ㄹ감한다.

모터선로의 전압변동율을 개선시킨다.

단일 선로내의 부하의 증가를 가능하게 한다.

주어진 부하량에서 역률을 개선시켜 동(copper)량을 절감할 수 있다.

설비의 신증설에 맟춰 필요한 콘덴서를 쉽게 추가 접솔할 수 있다.

8. 전력용 콘덴서의 설치목적

A) 무효전력 보상

전력용 콘덴서에 의해 무효전력을 보상하게 되면 전압강하의 개선과 계통의 손실저감. 발전설비의 무효전력 부담의 저감과 계통의 안정도를 향상시킬 수 있다.

결정된 용량성의 무효전력은 부하의 근접개소에 접속하는 것이 일반적이나 중부하 및 배전계통의 경우에는 선로의 중간에 시설하게 된다.

B) 전압제어

 콘덴서를 계통에 접속하면 접속점으로부터 발전기까지 전류의 위상이 진상으로 작용하게 됨으로 계통의 역률이 낮을 경우 콘덴서가 무효전류를 상쇄 감소시킴으로서 결과적으로는 전 계통의 저항성 전압강하와 무효성의 전압강하를 보상시키게 된다.

일반적으로 광범위한 배전계통의 전압강하를 개선시키기 위해서는 콘덴서 뱅크 군을 다수 집합하여 변전계통에 설치 사용한다. 이와는 반대로 배전반에 개별로 분리하여 소용량을 다수 설치하게 되면 필요에 따라 해당 지역의 일정 고객에 대한 전압을  선별하여 보상할 수 있다.

콘덴서 뱅크는 전 송전선로의 전압을 보상하기 위해 배전계통에 설치하게 되며, 설치된 콘덴서 뱅크는 군별로 분리되어 최대부하 시간이나 전압이 규정치 이하로 낮아지게 되는 기간에 맞춰 투입되고 경붛라 기간이나 고전압 조건에서는 개로가 되도록 사용하고 있다.

(C) 계통용량의 증대

배전계통에 전력용 콘덴서를 설치하므로서 설비용량을 증대시키는 것은 큰 장점이 될 수 있다.

특히 부하용량이 증가할 경우 피상전력량을 줄임으로서 향후 증설되는 부하량에 대해서도 기존의 설비용량 만으로도 수용능력을 갖기에 충분하다.

(D) 계통의 전력손실 저감

송전계통과 배전계통에 전력용 콘덴서를 설치함으로서 계통의 전력손실을 크게 저감시킬 수 있는데 이는 콘덴서를 설치함으로서 그 설치점으로부터 발전소에 이르기까지 전류량을 현저히 감소시킬 수 있기 때문이다. 전력손실은 바로 전류의 제곱에 비례하기 때문에 전류의 경감은 곧바로 막대한 손실의 저감효과를 가져오게 되며, 이러한 이유에서 콘덴서는 부하의 근접개소에 설치하는 것이 좋다.

(E) 전력요금의 절감

공장단위나 대단위 산업현장에서는 피상전력 단위의 요금체계를 적용하고 있다.이 경우 전력용콘덴서를 사용함으로서 피상전력을 감소시키면 전력요금의 경감을 가져올 수 있다.

9. 콘덴서에 의한 역률개선

콘덴서에 의한 역률을 개선한다는 것은 이미 다 알고있는 내용으로서 계통에 접속된 지상역률의 부하전류를 콘덴서를 병렬로 접속하여  모선에서 진상역률을 취하게 함으로서 부하에 의한 지상전류를 보상하여 목적하는 역률을  얻는 약률개선에 있어 가장 간단한 설비를 적용하는 기법이다.

계통에서 지상전류를 필요로하는 부하에는 여자전류를 필요로하는 변압기 및 유도전동기가 대표적이다.

또한 지상전류가 없으면 교류전력계통은 성립될 수 없기 때문에 반드시 필요하지만 너무 크게되면 전압강하가 커지고 전력손실도 크게 되므로 적절한 방법을 사용하여 이를 보상하여야 하는데 이러한 보상기기 중 가장 값이 저렴하고 유지보수도 간편하며 운전도 매우 편리한 콘덴서가 전력회사가 아닌 수용가에서 가장 보편적으로 적용되는 설비이다.

(1) 역률보상에 적용되는 기기

역률보상에 적용되는 대표적인 기기에는 다음과 같은 종류가 있다.

가. 동기조상기(Synchronous Condenser)

이는 우리가 잘 아는 동기전동기를 무부하로 운전하면서 그 유명한 여자전류와 역률의 관계를 나타내는 V곡선의 특징을 이용하여 여자전류를 조성하여 진상에서부터 지상까지를 연속적으로 조정할 수 있는 가장 우수한 설비이다. 하지만 회전기로서 경제적인 면에서 불리하므로 한국전력과 같은 전력회사가 아니면 적용하기가 쉽지 않은 단점이 있다. 다시 한번 말하면 동기조상기란 무부하로 운전되는 동기전동기라고 ㅇ달아놓기 바란다.

(2) 콘덴서

특별한 설명은 필요없을 것이나 콘덴서의 가장 큰 단점은 연속적인 보상이 안된다는 것과 오직 진상전류 만을 취한다는 것이다.

(3) SVC (Static Var Compensator)

전력전자 부품의 신뢰성 향상과 기술의 급속한 발전을 배경으로 회전기인 동기조상기의 단점을 보완하고자 콘덴서와 리액터를 적절히 조합하여 필요에 따라 SCR을 이용하여 상에서 지상까지를 연속적으로 조정할 수 있도록 한 역률개선용 전력전자 설비로서 이미 미국에서는 오래전부터 광범위하게 적용되고 있고 우리 한국전력에서도 이미 실전배치가 되어 있다.