3. 전력용콘덴서

전력용콘덴서 일반사항

역율개선의 원리	전력용콘덴서의 종류	진상콘덴서의 특성	역율개선 전력기기	진상콘덴서 설치대상
용량의 계산	전기기기의 역율	설치방법	설치시 주의사항	자동제어방식
방전코일	직렬리액터	설치효과	기술기준사항

전력용콘덴서의 발전과정

최초의 콘덴서는 독일에서 1746년 라이덴 병(Leiden jar)이라는 이름으로 만들어 졌으며, 1930년경 함침유와 절연지를 유전체로 한 유입콘덴서가 제조되어 송배전계통의 역률개선, 전압조정을 위하여 동기조상기 대신 사용하게 되었다.
1940년대 후반에는 불연성 절연유인 PCB 가 개발되어 함침유로 사용되었으나, 환경공해와 인체에 해로운 영향을 끼치므로 1970년대 후반 제조가 금지되었다.
1970년대 이전까지는 유전체로 절연지, 전극으로 알루미늄 Foil을 사용, 고지공으로 건조하여 절연유를 함침하였으나, 플라스틱 필름류의 가공기술이 발달함에 따라 극히 얇은 폴리프로필렌 필름을 절연지와 함께 유전체로 사용하게 되었고, 이로 인하여 콘덴서의 유전손실의 감소, 부피의 감소와 중량감소를 실현하게 되었다.

가. 역율개선의 원리

전력부하는 일반적으로 저항과 유도성 리액턴스로 이루어져 있으며, 전압과 전류는 저항과 리액턴스의 임피던스에 의하여 위상차(cosθ)가 발생하게 되고 이 위상차를 역율이라 한다. 따라서 역율을 보상하기 위하여 부하와 병렬로 진상용 콘덴서를 설치하면 콘덴서에 흐르는 전류는 회로에 흐르는 전류보다 앞서기 때문에 유도성 리액턴스에 흐르는 전류와 상쇄되어 역율이 개선된다.

역율개선 분석도

나. 전력용 콘덴서의 종류

전력용 콘덴서는 송배전회로에서 널리 이용되며, 직병렬 콘덴서 외에도 결합콘덴서(C,P,D 에 사용), 필터용 콘덴서(교류, 직류 변화회로의 필터), 고주파 발진용, 차단기 분압용 등도 널리 사용되고 있으나, 여기에서는 직,병렬콘덴서만을 설명한다.

분 류	용도,효과
병렬 콘덴서	일반적으로 송배전선로에 연결된 부하는 유효전류 뿐만 아니라 상당한 무효전류를 필요로 하며, 합성된 전류가 선로에 흐르므로 선로의 전압강하를 증대시키고, 손실을 증가시키며 이에 따른 전력설비의 이용률도 저하한다. 이에 대하여 부하와 병렬로 콘덴서를 접속하면 진상무효전류를 공급하므로 부하의 역률이 개선된다. 역률개선, 전압강하개선, 설비용량의 실질적 증가, 변압기 및 선로의 손실경감, 전력요금의 경감.
직렬콘덴서	직렬콘덴서는 장거리 송전선로에 설치하여 선로의 유도성 리액턴스를 보상하여 전압강하를 경감하기 위한 것으로 장거리 송전선로의 중간에 1개소 또는 몇 개소에 콘덴서를 직렬로 삽입한다. 선로의 합성리액턴스 X=X_L-Xc로 감소한다. 이는 선로의 등가적인 길이가 짧아지는 것과 같다. 따라서 직렬 콘덴서는 송전전압에 비하여 지나치게 긴 선로에 사용하는 것이 효과적이며, 작동이 신속하고, 부하변동에 대하여 자율적이므로 전기로와 같이 빈번하게 변동되는 부하가 있는 회로의 전압맥동개선에 효과적이다. 또한, 직렬콘덴서는 선로의 리액턴스를 변화시킬뿐 이므로 부하의 역률개선에는 효과가 없으며, 수전단의 전압을 항상 일정하게 유지할 수는 없다. 직렬콘덴서는 현재 한국전력에서는 사용하지 않고 있으며, 송전선로가 긴 미국, 스웨덴, 뉴질랜드 등과 같은 곳에서 주로 초고압선로에 적용하고 있다. 직렬콘덴서 설치시의 특징 전압강하보상, 수전단의 전압변동경감, 송전용량증대, 선로의 정태 안정도 증가, 전력조류제어, 부하의 역률이 나쁜 선로일수록 효과가 좋다. 즉 시동이 빈번한 부하가 연결된 선로에 적용하는 것이 좋다. 효과가 부하의 역률에 좌우되어 역률변동이 큰 선로에는 적당하지 않다. 변압기의 자기포화와 관련된 철공진, 선로개폐기 단락고장시의 과전압발생, 유도기와 동기기의 자기여자 및 난조 등의 이상현상을 일으킬 수가 있다.
결합콘덴서	전력선 반송전화용 Coupling콘덴서
Surge Absorber	서지전압저감, 변압기 1,2차 혼촉사고 방지.
필터용 콘덴서	전력변환회로의 필터용
고조파 방지용	발진회로, 유도로 등의 고조파 흡수
기타	ACB분압용, 방전가공장치용

나-1. 진상콘덴서의 규격 및 특성

1. 설치장소 : 옥내외 병용

2. 주위온도 : -20℃~+50℃(24시간 평균 45℃ 이하)

3. 일반적인 성능

최대사용전압 : 정격전압의 115% 이하(24시간 평균 110% 이하)
최대사용전류 : 고주파를 포함할 경우에는 135% 과전류까지 허용
용량허용차 : 정격치에 대하여 -5 ~ +10% (at 20℃)
손실 : 0.1% 이하(at 20℃)
온도상승 : 25deg 이하(at 35℃ 정격전압)
油密性 : 80℃ 항온조中에서 일전온도에 달할 때까지 가열하여 새지 않음
절연저항 : 단자일괄과 케이스간 1000[㏁]이상(at 20℃)
절연기준 : BIL 60,125[㎸]
적용규격 : KSC 4802
직렬리액터 : L = 6% 공용

4. 특성

정전용량변화율-온도특성
손실-온도특성
유전정접-실부하 가전시간특성

다. 역률개선용 전력기기의 종류

1. 동기 조상기

동기전동기를 부하에 병렬 접속하여 무 부하로 운전하여 여자전류를 조정하므로 부하역률 조정.

2. 진상용 콘덴서

동력부하를 주대상으로 하여 종합역률 95%를 목표로 한다.

단기형 : 200kVA 이하로서 Case형
집합형 : 200kVA 이상으로서 Tank형

3. 단 위

저압용 : μF
고압용 : KVA

라. 콘덴서 설치대상

1. 저압측에 부설하는 경우 (Bank 또는 단독)

콘덴서의 설치위치는 부하측에 설치하는 것이 그 효과가 극대화할 수 있으며, 다음의 부하에는 부하측에 설치하는 것이 유리하다.

용량이 큰 전동기를 운전하여 역률변동이 심한 경우.
계절부하 등의 운전상태에 따라 역률 변동이 심한 경우.
선로의 길이가 길어 전력손실이나 전압강하가 심한 경우.

2. 고압측에 부설하는 경우 (Bank)

수전점의 역율 유지로 전력요금의 절감효과가 있으나 역율 개선으로 인한 효과(손실경감, 전압강하 보상, 설비의 여유도 증가)는 없다.

마. 콘덴서용량의 계산

1. 계산에 의한 방법

cosθ1 : 개선 전 역율
cosθ2 : 개선 후 역율

중부하시의 역률실측(15분간격 5회이상측정 하여 가장 낮은 값 채택)후 계산식에 의해 결정

설계시 : 개개의 부하조사후 부설

1-1. KVA와 ㎌의 환산

단상 및 3상 Y결선의 경우
3상 △ 결선일 경우

2. 도표에 의한 방법

콘덴서 용량산출표 보기

콘덴서 용량계산 도표

3. 수전변압기 용량에 의한 결정

변압기 용량	콘덴서 용량
500kVA 이하	변압기용량의 5%
501~2000kVA 이하	변압기용량의 4%
2000kVA 초과	변압기용량의 3%

바. 전기기기의 역률

유도전동기 : 60~80%
용접기 : 40~90%
조명기구 : 70~100%
아크로 : 80~85%

사. 콘덴서의 설치방법

모선 또는 개별기기와 병렬로 접속한다.

1. 설치방식

1-1. 개별식(저압의 경우)

가장효과적이고 종합설비비가 커지지만 가장 효과적인 방법이다.

1-2. 집합식(고압의 경우)

모선에 일괄하여 설치하는 방법으로 , 효과가 떨어지나 경제적이고, 보수점검이 간단하다.

1-3. 집합 및 개별식

개별식과 집합식의 단점을 보완한 방법.

1-4. 고압측에 Bank로 부설하는 경우

단상용으로 Y결선하며, 경제성이 좋고 보수상에 유리하다.
용량결정은 중부하시 실측역률을 산정하여 용량을 결정하며, 15분 간격으로 5회이상 측정하여 가장 낮은 값으로 선정한다.

2. 뱅크의 구성

필요 콘덴서 용량을 구한 후 콘덴서 용량의 분할여부를 검토하여야 하며, 역률개선과 함께 경제성을 감안하여 검토하여야 한다.
일반적으로 콘덴서 뱅크는 아래에 의하나 부하의 변동에 능동적으로 대처할 수 있도록 Base 용량을 가급적 크게하고, 변동부하에 대응하는 용량의 콘덴서로 역율의 변동에 대처하는 것이 유리하다.

300KVA 이하로서 부하변동이 작은 경우 : 1뱅크
300~600KVA : 2뱅크 또는 그 이상으로 분할하여 역률을 조정한다.
600 KVA초과 : 3뱅크 이상으로 분할하여 부하변동에 대응하도록 조정한다.

3. 전압별 상수,용량의 선정

20kv이하의 경우
회로전압과 같은 정격전압을 가진 3상 또는 단상의 단위콘덴서를 병렬로 접속하여 사용하고,
직,병렬의 결선변경에 의하여 20kv, 10kv 양용으로 할 경우에는 단상을 사용한다.

66kv회로의 경우
19kv단상콘덴서 2개를 직렬접속하고, 이것을 Y결선한다.
이 경우 콘덴서는 절연애자 위에 올려놓고 대지에 대한 절연은 애자에 부담시킨다.

아. 콘덴서 설치시 주의사항

1. 콘덴서 용량이 부하설비의 무효 분 보다 많지 않게 한다.

2. 주위온도 상승에 주의하고 필요시 환기설비 설치

3. 콘덴서 개폐시 나타나는 특이한 현상을 고려한다.

투입시 돌입전류로 변류기 2차회로에 과전압 발생.
투입시 모선에 순시 전압강하 발생.
개방시 극 간 회복전압에 의한 재 점호 현상 발생.
유도 전동기의 자기여자로 인한 고 전압 발생.
계통에 콘덴서 접속시 전압, 전류파형 왜곡 확대 및 고조파 발생원인
- 콘덴서회로 투입시 전원측 리액턴스로 LC공진이 생겨 고조파 확대. 즉, 콘덴서 삽입시의 용량성 때문에 확대된다.

4. 콘덴서용 개폐기 설치시 주의사항

4-1. 차단기

차단기는 전류절단현상이 없는 것을 사용.
Power Fuse로 설계하지 않을 것.

4-2. 개폐기

고압의 경우 : 유입개폐기,(일반적으로 고압 전자접촉기가 사용된다)
특고압의 경우 : COS(퓨즈대신 동선 2.6mm 이상 직결)

5. 콘덴서 발주시 고려사항

용량,전압,상수,사용장소(옥외,옥내),용도(부하의 종류),납입장소,납기,기타희망사항

자. 콘덴서 자동제어방식

1. 콘덴서 장동제어방식별 특징

제어방식	적용	특징
수전점 무효전력에 의한 제어	모든 변동부하	부하의 종류에 관계없이 적용 가능하나, 순간적인 부하변동에 지연기능 부여
수전점 역률에 의한 제어	모든 변동부하	동일 역률이라 할지라도 부하의 크기에 따라 무효전력의 크기가 다르므로 적용하지 않음
모선전압에 의한 제어	전원 임피던스가 크고 전압변동률이 큰 계통	역률개선의 목적보다 전압강하를 억제할 것을 주목적으로 적용하는 경우로서, 전력회사에서 채용
프로그램에 의한 제어	하루 부하변동이 일정한 곳	시간의 조정과 조합으로 기능 변경이 가능하며, 조작이 간편하다.
부하전류에 의한 제어	전류의 크기와 무효전력의 관계가 일정한 곳.	변류기 2차측 전류만으로 적용이 가능하여 경제적인 방법이다. 단,부하의 변화에 대한 정확한 조사가 필요하다
특정부하 개폐에 의한 제어	변동하는 특정부하 이외의 무효전력이 거의 일정한 곳	개폐기 접점신호에 의해 동작하므로 가장 경제적인 방법이다.

2. 목표무효전력의 계산(예 : Fuji Electric Co. QC10형)

차. 방전코일(D·C : Discharge Coil)

개방시 잔류전하를 저압에서는 3분 이내에 75V 이하로, 고압에서는 5초 이내 50V이하로 방전(내선규정)하여 재투입시 과전압을 방지하고 잔류전하로 인한 재해를 방지하도록 하여야 한다. 단, 부하와 직접 접속된 경우에는 예외로 할 수 있다.

카. 직렬리액터(S·R : Series Reactor)

전력용 콘덴서를 역률개선용으로 시설하는 경우 콘덴서의 용량리액턴스는 주파수에 역비례하여 변환한다. 그러므로 전원전압이 고조파분을 포함하면 고조파전류(발생원인은 변압기의 첨심 자기포화에 의한 것이 가장 크고, 정류기, 인버터 등 전력변환장치에 기인한다.)의 영향이 크게 나타나서 전압과 전류의 파형이 왜형파가 된다. 특히, 대용량의 콘덴서 설치시에는 전원측으로 고조파 전류가 흘러 전압, 전류 파형을 왜곡시켜 변압기에 소음발생, 콘덴서투입시의 돌입전류, 계전기류의 오 동작 및 전기기기의 절연파괴를 유발한다. 따라서 역률개선용 콘덴서를 설치하는 경우에는 파형개선을 위하여 직렬리액터를 설치하는 것을 검토하여야 한다.(콘덴서 개폐시의 돌입전류에 의한 영향도 해결된다.) 일반적으로 3상회로에 포함되어 있는 고조파의 크기는 제5고조파 > 제7고조파 > 제11고조파의 순이다.

발생된 고조파는 콘덴서 회로의 투입에 의해 전원측 리액턴스와 콘덴서 리액턴스에 의해 LC공진에 의해 확대되며,
[ 이 공진 주파수(f₀)는 콘덴서와 인덕턴스의 크기로 결정된다.() ] 회로의 고조파 전압은 콘덴서를 삽입하면 콘덴서의 용량성 때문에 확대되고, 콘덴서에 유입하는 고조파전류는 기본파에 겹쳐서 흐르게 된다.

1. 직렬 리액터의 용량결정

Y-△ 결선 변압기의 경우
제3고조파는 변압기의 △결선에서 흡수되어 밖으로 나타나지 않기 때문에 제5고조파 이상의 고조파에 대한 대책을 강구하면 된다 : 콘텐서 용량의 6% 선정.
[계산 "예"]

제5 고조파를 소멸시키려면 콘덴서 C에 직렬리액터 L을 접속하여 제 5고조파에 대하여 공진하도록 하면 된다. 그러면 제5고조파는 단락되어 파형의 왜곡을 방지할 수 있다. 또한, 이 이상의 고조파에 대해서는 회로는 유도성 리액턴스로 되기 때문에 파형의 왜곡은 없다.

리액터의 용량결정 근거

따라서

즉, 기본주파수에 대한 콘덴서의 용량 리액턴스의 4%의 유도리액턴스를 가진 리액터를 선정하면 된다. 그러나 실제로는 전원주파수의 변화(저하시 합성리액턴스가 용량성으로 되어 파형이 왜곡된다)를 고려하여 4.5~6%의 리액턴스를 삽입한다.

Y-Y 결선 변압기의 경우
제 3, 5 고조파에 대한 대책강구 : 콘텐서 용량의 13% 선정하며, 보통 용량 500KVA 이상의 콘덴서에 설치한다.

2. 직렬리액터 설치시의 주의사항

적정용량의 콘덴서 산정(콘덴서 단자전압의 상승)
{리액터 6% 를 설치하였을 합성 리액턴스의 감소로 전압과 전류가 각각 6%상승효과가 생기므로 콘덴서용량이 13%의 증가효과를 가져와 진상전류의 증가로 계통에 이상현상(발열)을 유발할 수 있다.}
동일용량의 콘덴서와 조합하여 사용하여야 한다.
- 6KVA 리액터를 콘덴서 100KVA에 접속시 리액턴스가 6%로 되어 제5고조파에 유효하나,
- 50KVA 콘덴서에 접속시에는 (50/100)²·6 = 1.5KVA 가 되어 효과가 없다.
콘덴서 전류가 정격전류의 120% 이상인 경우에는 고조파의 영향을 받고 있으므로 직렬리액터를 설치하여 타 기기에 영향을 주지 않도록 한다.
- {고조파 전류와 콘덴서 충전전류를 합성한 실효치는 정격전류의 135% 이하가 되어야 하고(JIS기준)
콘덴서용 리액터는 제5고조파 전류가 기본파 전류의 35% 이하, 전체 합성전류는 정격전류의 120% 이하가 될 수 있는 용량으로 결정한다.}
모선의 단락전류가 큰 계통 또는 병렬 콘덴서 군이 있는 경우에는 직렬 리액터는 각각의 콘덴서 마다 접속하여야 한다. (콘덴서 투입시 돌입전류가 광대해 지는 것을 방지하기 위함-CT2차측 회로에서 플래시오버 하는 경우가 있다.)
수전단에 설치하는 자동제어 방식으로 투입, 제거가 빈번한 경우에는 제5고조파에 대한 대책을 강구하여야 한다.
고조파 전류의 허용 값은 실질적으로 직렬 리액터에 의해 결정된다.

타. 설치효과

파. 전기설비 기술기준에 의한 보호장치(55조)

1. 전력콘덴서 또는 분로 리액터의 보호장치

뱅크용량(KVA)	고장의 내용	보호장치	기타
500초과 15,000 미만	내부고장, 과전류	자동차단 보호장치	기술기준
15,000 이상	내부고장, 과전류, 과전압	자동차단장치	기술기준
100이하	유입개폐기, 인터럽터 스위치시설		내선규정
50이하	COS 사용가능		내선규정

하. 기 타

초고압 장거리 송전선로에 접속되는 1차 변전소에 병렬리액터를 설치하는 목적은 페란티현상를 방지하는데 있다.