전력용콘덴서의 구성과 특성

가. 구성

콘덴서는 적당한 두께(0.0006~0.030mm)의 폴리프로필렌 필름과 콘덴서 절연지와 알루미늄호일(두께 0.007~0.060mm)을 번갈아 겹쳐 감아올린 것을 소자로 하여 이 소자를 수십개의 직병렬로 접속한 후 용기에 넣어 진공 건조 후 절연유(천연광유, 방향족 탄화수소계)를 함침한 것이다.

또 수평배열된 콘덴서 소자의 조합으로 그림 2 에서와 같이 각 소자별 개별 휴즈를 설치하여 콘덴서 내부 고장시 내장 휴즈가 즉시 동작하여 해당 소자를 회로로부터 분리시키는 기능을 갖게 되며, 고장 지속에 따른 아크 전극간의 아크 발생으로 분해 가스 압력이 콘덴서 용기의 팽창과 용기파열에 의한 고장확대 및 화재를 예방할 수 있는 휴즈 내장콘덴서가 사용되기도 한다.

휴즈차단 원리

단위 콘덴서 내 소자에서 고장 발생시 각 소자에 설치된 금속재질의 내장휴즈는 소자를 구성하고 있는 전극간의 유전체의 절연파괴가 발생함과 동시에 병렬로 연결된 소자그룹의 방전현상이 고정 소자를 폐회로로하여 정격전류의 15~20배의 순간 전류상승을 일으키게 된다. 이러한 순간 전류상승은 수 사이클 범위내에서 고장소자측 내장퓨즈를 용단시키며. 단위 콘덴서의 내부 구성 회로로부터 고장 소자를 분리하게 된다. 건전 소자는 수 msec 이내에 재충전이 이루어지게 된다.

단위콘덴서 내의 병렬 구성소자의 수는 고장 소자 분리에 따른 용량 변화 및 건전 소자의 전압 분배상 전압 상승분을 고려하여 콘덴서의 수명에 영향을 미치지 않는 범위내에서 결정된다.

1. 유전체

금속전극의 절연에 사용되는 유전체는 개량을 거듭하여 유전체 손실이 0.3[watt/kVAR]에 이르게 되었으며, 이는 콘덴서 체적과 손실을 줄이는 핵심을 이루고 있으며, 표면구조는 절연유의 함침을 돕기 위하여 요철구조로 되어 있다.

(1) 전역용 콘덴서용 유전체에 요구되는 특성

현재는 내저압 특성이 우수하고 유전손실이 극히 적은 2축 연신 폴리프로필렌 필름이 사용되고 있다.

절연내력이 높을 것
균일도가 클 것
유전체 손실이 작을 것
유전율이 높을 것
열적, 화학적으로 안정할 것
함침 후 전기적으로 안정될 것
적당한 인장의 세기와 신축률을 가질 것.
가격이 저렴할 것

(2) 유전체의 종류

절연지 : 크라프트지
필름 : 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리에스터계, 불소계, 염소계, 질소계
합성절연지 : 절연지 + 필름

2. 전극

과거에는 주석이 사용되었으나, 현재는 전기적, 기계적면에서 성능이 우수한 완전소둔, 건조, 고밀도의 알루미늄박이 전력용 콘덴서의 전극으로 사용되고 있다.
전극의 edge에서의 전계집중으로 인한 절연파괴를 방지하기 위해 알루미늄박을 레이저로 절단하거나 전극 끝을 그림4와 같이 만들기도 한다.

3. 함침재(절연유)

(1) 전력용 콘덴서용 함침재에 요구되는 특성

절연파괴전압 높을 것
비유전율이 높을 것(2.3~2.7)
전압에 대한 안정도가 양호할 것
고유저항이 높을 것
유전체 역률이 낮을 것(손실과 관계됨)
함침온도에서 유동성이 좋을 것
물리적, 화학적으로 안정될 것
응고점이 낮을 것
인화점이 높을 것
진공함침에 따른 침투성이 좋고, 온도변화에 따른 공극 생성이 없어야 한다.

(2) 함침재의 종류

광유계절연유 : 1종 1호
방향족 탄화수소계 절연유 : DDB, DIPN, PXE(국내제쟉사 주로사용) 등이 있다.
실리콘유 : 6종
Estr 유

나. 콘덴서의 특성

콘덴서 소자는 유전체와 절연유의 복합체로서 그 특성은 전극간의 절연층에 포함된 잔류수분, 가스 등을 포함하며, 이들 수분이나 가스는 재료의 진공, 건조, 탈기 처리조건에 의해 크게 좌우된다. 콘덴서의 특성으로는 정전용량, 절연저항, 절연내력, 전력손실, 온도상승, 수명 및 기계적성질 등을 고려하여야 한다.
특히, 특성의 열화에는 잔류수분, 가스, 사용중 외기의 흡수가 큰 영향을 미친다. 콘덴서의 전기적 특성은 함침재 및 유전체에 따라 틀리고 특히 일정의 함침재를 사용한 경우라도 절연층의 밀도에 따라 특성에 변화가 생긴다.

1. 정전용량

정전용량은 콘덴서의 단자에서 측정되는 수치로서 온도와 주파수의 변화에 대하여 통상 일정한 값이 요구된다. 절연유를 함침 처리한 필름 콘덴서의 정전용량과 온도특성은 온도변화에 대하여 부의 균배 특성을 갖고 있으며, 온도계수는 -1.2 X 10^-4 정도이다.
정전용량은 쉐링브리지(유전체손실 측정가능), 용량브리지 및 전압전류계법으로 측정하며 휴대용 용량계로 측정하기도 한다

2. 절연저항

절연저항은 유전체의 성능을 표시하는 지수로서 전기기기 절연성능의 척도이다. 콘덴서의 절연저항치는 정전용량에 대한 기하학적 수치에 의해 좌우되고, 정전용량과 절연저항의 곱을 CR값(ΩF)이라 하는데, 콘덴서의 형상과 크기에 관계없이 전기적 특성을 알 수 있다.

절연저항치		d : 콘덴서의 전극간 거리 d[m] ε : 콘덴서의 유전율[F/m] ρ : 콘덴서의 저항률[Ω-㎝]
정전용량

CR 값은 재료의 고정 정수로서 저항률 ρ와 유전률ε의 관계에 의해 결정된다. ε은 동일재료를 사용하는 콘덴서에서는 일정하고 온도의 변화에 일반적으로 적은 변화를 나타낸다. 일반적으로 1000V 메거를 사용하여 1,000㏁ 이상이어야 한다.

3. 절연내력

전기기기에서 치명적인 고장은 절연파괴이므로 절연내력이 전기기기에 있어서 가장 중요한 특성이라고 할 수 있다.
전력용 콘덴서 소자의 절연파괴는 절연층의 한 부분에 절연파괴가 발생하더라도 반드시 즉시 전극간의 완전파괴로 이행하는 것이 아니고, 통상 상당시간 동안 전압에 견디고나서 완전히 파괴가 발생한다. 이 시간은 절연층의 균일성이 클수록, 점도가 클수록, 또 두께가 증가할수록 길어진다.
절연층의 매수를 증가하면 소자 내부 절연층의 절연내력은 거의 비례적으로 상승하나 전극단의 절연내력은 별로 증가하지 않는다. 따라서 콘덴서소자는 전극단의 영향과 절연층의 불균일성에 의한 영향이 평형하게 되는 매수로 구성하게 된다.
그림 8에서 소자에 교류전압을 인가시 전극단에서 함침유가 분해하여 가스를 발생하는 전압과 절연층의 두께 관계를 고려할 때 절연층의 매수를 증가하더라도 소자로소의 절연내력은 전극단에 좌우됨을 알 수 있다.

4. 콘덴서의 내부 코로나 방전

콘덴서 내부의 코로나 방전은 콘덴서에 인가되는 전압에 의거 불규칙 혹은 규칙적으로 전극단부의 상태와 금속 돌기부분을 중심으로 발생되는 것으로 생각 할 수 있다. 코로나 방전의 특성분류를 하면 아래와 같다.

(1) 초기 코로나

콘덴서에 인가되는 전압에 의거 연속적으로 미세하게 발생되어 전극단부에서의 절연유의 국부 파괴까지 이르게 되는 것을 말한다.

(2) 특성 코로나

인가전압이 상승함에 따라 갑자기 코로나가 발생 증대되어 위험한 수준까지 연속적으로 발생되는 것을 말한다. 초기 코로나에서 절연유의 분해 가스가 파괴와 직접 결부되어지고 초기코로나와 특성코로나는 밀접한 관계로 상당한 주의를 요한다.
콘덴서에 교류전압을 인가하는 경우에 관측할 수 있는 코로나는 그림7과 같다.

초기 코로나 혹은 특성 코로나는 교류 전압 파형의 0점 직전에서 다음파형의 반파의 최고점까지 계속된다. 이러한 코로나 방전은 공간 전하의 이동에 따른 영향으로 전극단과 유전체의 여면에 크게 나타나게 된다.

(3) 콘덴서의 V-t 특성

일반적으로 절연물의 파괴 전압은 전압 인가 시간이 길어짐에 따라 점차적으로 저하하게 되고, 특히 전력용 콘덴서 유전체에서 V-t 특성이 중요하게 취급되는 것은 전극단 부분의 고전계 형성에 따른 절연유가 국부파괴를 야기하게 되고, 유전체 표면의 전하축적 현상이 교류 인가 전압의 반 Hz 마다 국부방전을 장시간 일으키는 동안 유전체의 완전파괴에 도달하게 된다.

5. 전력손실

(1) 유전체 손실

콘덴서의 발생열량은 유전체 손실이 대부분을 차지하고 있다. 이상적인 콘덴서에 교류전압을 인가하는 경우 전압 E, 전류 Io의 위상차는 90도가 된다, 그러나 실제의 콘덴서에서는 전류와 전압의 위상차는 90도 보다 작게 된다. 이것은 전압과 동상의 전류(저항성분의 전류)가 흐르게 되어 유전체중의 전력손실은 발생시킨다.

유전체 손실 : W = EIcosθ δ : 유전체의 손실각 cosθ≒tanδ라 하면 tanδ : 유전정접

W ≒ E2ωCtanδ 이다.
유전정접의 값은 동일 재료에서 주위온도, 인가전압, 주파수에 따라 그림9와 같이 나타난다.

(2) 전극손실

전극손실은 유전체 손실에 비해 매우 적으나 구출선(Tap)의 수량 및 배치 위치 그리고 전극의 단면적 등 여러 요인의 영향을 받아 손실이 변하게 된다.

(3) 총손실

정격용량에 의한 백분율로 표시하여 0.35% 이하이어야 한다.

6. 온도상승

전력용콘덴서는 유전체손실, 전극의 저항손실 및 방전저항 내장에 따른 손실 등에 따라 콘덴서의 온도 상승한도가 정해진다. 콘덴서에서 발생되는 열은 외함 표면을 통해 방출하게 되고 내부에 축적된 열은 온도상승분으로 작용하여 수명과 깊은 함수관계를 가진다.

온도상승(heat Run) = 손실(VAR × tan δ × 0.86) / 유효방열면적

온도상승값은 보통 10~15℃ 가량이 적당하다.

7. 전위경도(V/mm)

콘덴서의 체적은 유전체의 유전류에 역비례하고 전위경도의 제곱에 역비례한다, 그러나 유전체의 유전율은 동일재료하에서는 변화가 불가능하기 때문에 전위경도에 따라서 체적의 크기가 좌우된다고 볼 수 있다. 일반적으로 실제 계산치보다 전위경도는 낮게 적용된다(콘덴서의 젖극 면적이 매우 크기 때문에 면적 효과를 고려함)