전력용 콘덴서

[황상연]

전력용 콘덴서

전력용 콘덴서(SC: Static Capacitor)는 선로의 역률을 개선하기 위해 설치되며, 진상용 콘덴서라고도 한다.

1. 콘덴서의 부속기기

가. 방전코일(DC: Discharging Coil)

콘덴서를 회로에서 개방하였을 때 전하가 잔류함으로서 일어나는 위험의 방지와 재투입 하였을 때 콘덴서에 걸리는 과전압의 방지를 위하여 방전장치가 사용된다.

방전장치에는 방전코일과 방전저항의 2종류가 있으며, 보통 대용량은 방전코일이 사용되고 소 용량에는 방전저항이 사용된다.

방전장치는 고압의 경우 개폐 후 5초 이내에 50v 이하로 하고 저압의 경우는 3분에 75v 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. 직렬리액터(SR: Series Reacter)

역률개선용으로 콘덴서를 사용하면 회로의 전압이나 전류파형의 왜곡을 확대하는 수가 있고, 때로는 기본파 이상의 고조파를 발생하는 수가 있다. 이러한 고조파의 발생으로 나타나는 문제점을 보완하고 콘데서 투입 시 돌입전류를 억제하기 위하여 콘덴서용 직렬리액터를 설치한다. 직렬리액터 용량은 6% 정도이고 대체로 뱅크용량이 500㎸a 이상인 경우에 설치한다.

2. 콘덴서의 용량을 구하는 법

전력부하는 일반적으로 저항 R과 유도성 리액턴스 XL의 조합으로 이루어져 있어 전압과 전류는 그 임피던스에 의해 Cosθ 만큼의 위상차를 나타낸다. 이를 역률이라 한다.

그리고 수전변압기의 무효전력을 보상하기 위한 콘덴서 용량을 확보하도록 규정하고 있으며, 용량산정은 다음과 같다.

변압기 용량(㎸a) 관련 콘덴서 용량(㎸a)는 500 이하 = 변압기 용량 × 5%

                                                                         500~2000 = 변압기 용량 × 4%

                                                                         2000 이상 = 변압기 용량 × 3%

(예) 정격용량 300㎸a의 변압기에 역률 70%의 부하 300㎸a가 접속되어 있다. 지금 합성역률을 90%로 개선하기 위하여 전력용 콘덴서를 접속한다면 부하는 몇 ㎾를 증가시킬 수 있는가?

(답) 역률개선 전의 유효전력 P1 = 300×0.7 = 210㎾

     역률개선 후의 유효전력 P2 = 300×0.9 = 270㎾

     따라서 270-210=60㎾의 부하용량을 증가시킬 수 있다.

- 콘덴서의 자동제어 방식

콘덴서의 자동제어는 특정부하의 개폐신호에 의한 제어, 프로그램제어, 무효전력제어, 그리고 전압, 전류 및 역률제어가 있으며 특정부하의 개폐신호에 의한 제어 및 타임스위치에 의한 프로그램제어는 매우 간단하고 경제적이나 효율적인 자동역률제어가 곤란하다.

◆ 프로그램 제어방식

일정시간대에서 무효전력을 예측할 수 있는 경우 타임스위치에 의한 콘덴서를 개폐하는 방식으로 간편하고 저렴하나 부하변동을 예측할 수 없는 경우에는 부적당하다.

◆ 역률 제어방식

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.

◆ 무효전력 제어방식

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

◆ 자동역률조정기(APFCR : Auto Power Factor Control Relay)

자동역률조정기는 선로에 흐르는 전류 및 전압을 CT, PT로 측정하여 이를 마이크로프로세서에 입력하고 프로그램된 출력신호는 운전회로를 통해 소형 릴레이를 동작시켜 전력콘덴서의 개폐기를 개폐시키는 방식으로 역률조정기에 의해 목표역률을 설정하면 유효전력과 무효전력에 의한 실제역률과의 차이를 제로에 가깝도록 조절한다.

콘덴서의 보호 및 트러블 대책

진상콘덴서는 자체의 절연신뢰성이 높은 정지 기기이므로 트러블 발생이 적고 역률개선의 메리트에 의해 그 설치량이 증가하고 있다.

그러나 최근 파워 일랙트로닉스 장비가 도입됨에 따라 고조파부하가 증가하고 특히 개폐 과도현상이나 고조파트러블을 중심으로 설비 내 기기의 고장 및 계통이상 등과 같은 트러블 건수가 증가하는 경향이 있다.

특히 계통과의 상호작용으로 인한 고장 또는 일반기기에의 파급 등과 같은 계통 이상 현상은 진상콘덴서 특유의 문제점이라 할 수 있다.

계통이상에 대한 보호

◆ 과전압 보호

콘덴서는 사용 중에 항상 전 부하상태로 운영되며 계통전압이 상승하면 전압의 제곱에 비례하여 과부하가 된다. 따라서 전압이 상승할 경우 차단기를 개방해야 한다. 검출장치는 모선PT에 한시형 과전압 계전기를 설치하며, 정정범위는 115~120%가 일반적이다.

◆ 저전압 보호

계통 저전압은 적극적인 보호목적은 없으나 다음과 같은 문제가 있기 때문에 저전압계전기를 설치하여 콘덴서를 계통으로부터 분리하는 것이 바람직하다. 전압회복 시에 무부하 상태에서 콘덴서만 계통에 연결되어 진상용량의 과다 및 모선전압의 상승을 유발하여 위험하게 된다.

전압회복 시에 무부하변압기와 콘덴서가 동시에 투입되어 콘덴서 단자전압이 비정상적으로 상승한다. 따라서 저전압계전기는 순시 전압강하에 동작하지 않도록 한시형을 사용하여 통상전압의 50% 정도에 정정하는 것이 보통이다.

콘덴서 내부 이상에 대한 보호

◆ 모선부분의 사고

  가) 단락사고 : 일반적으로 유도원판형 과전류계전기를 사용하며 최소동작전류를 정격전류의 150% 정도로,

        한시는 상위 계전기와의 협조를 고려한다.

    (1) 한시요소 : 고압용 콘덴서는 직렬리액터가 있는 경우 정격전류의 120%까지 견딜 수 있도록 제작되므로

       이 값에 맞게 정정하여 콘덴서 돌입전류에서 동작하지 않도록 레벨을 선정한다.

    (2) 순시요소 : 고압콘덴서는 계통의 말단이므로 최소 고장에도 동작하도록 하되 콘덴서의 돌입전류를 고려

       하여 정격전류의 500% 이상에서 동작하도록 한다.

  나) 지락사고 : 지락보호는 계통의 중성점접지방식, 사고점 저항 등에 따라 사고양상이 다르나 일반적으로 보호방식을 결정하는 데는 일반 전기설비보호의 경우와 같다.

◆ 콘데서 부분의 사고

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

◆ 콘덴서 설비의 고장내용 및 보호장치

진상콘덴서 자체는 정지기기이고 구조도 매우 간단하므로 기기고장이 극히 적지만 방전코일은 그 대부분이 선간에 삽입되어 있어 고장이 발생한 경우에 영향은 일반적으로 크다.

◆ 고압콘덴서의 폭발사고 보호

콘덴서는 알루미늄박을 절연물로 센드위치한 구조로서 콘덴서 용량을 증가시키기 위해 전극의 면적을 크게하여 전극간의 거리를 좁힌다. 극판간 거리를 좁히는 것은 절연물의 두께를 엷게하는 것이 되어 콘덴서는 절연에 대해 약해진다. 그 결과 콘덴서 내부소자의 단부(端部)가 어떠한 원인으로 절연이 파괴되면 그때 발생한 아크에 의해 소자가 순차적으로 파괴되어 발생가스가 증가하고 드디어 내부압력이 상승하여 콘덴서 케이스의 내압력을 넘으면 폭발하는 것이다.