목차(진상용 콘덴서)
진상용 콘덴서
❓진상용 콘덴서란
- 전기설비에서 전등, 전열부하는 역률이 좋으나 유도성부하(방전등, 용접기, 유도전동기 등)에 의해 역률이 나빠서 전력손실 및 전압강하 증가 및 전압변동의 원인이 되며, 전기요금이 증가하기 때문에 부하와 병렬설치하여 역률을 개선하는 콘덴서(용량성부하)
- 콘덴서가 생성하는 진상 전류가 유도성 부하의 지상 전류를 상쇄하여 역률을 1에 가깝게 만들어줍니다.
1️⃣작동원리
1)콘덴서의 원리
- 전력부하는 R과 X에 의하여 cosθ만큼 위상차가 발생하고 이를 역률이라한다
\[\cos\theta=\frac{유효전력}{피상전력}=\frac{P}{S}=\frac{I^2R}{I^2Z}=\frac{R}{Z}\]
- 부하에 Xc를 접속하면 IL과IC가 서로 상쇄되어 역률이 개선된다.
2)콘덴서 용량
\[Q_c=Q_0-Q_1\]
\[Q_C=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)\]
\[=P(\sqrt{\frac{1}{\cos^2\theta_1}-1}-\sqrt{\frac{1}{\cos^2\theta_2}-1})[kVA]\]
2️⃣콘덴서의 구성요소
1)진상 콘덴서(SC,Static Capacitor)
진상 콘덴서는 유도성 부하가 많은 전력 시스템에서 역률을 개선하여 전력 손실을 줄이고, 전압 안정도를 높이는 역할을 합니다. 콘덴서가 생성하는 진상 전류가 유도성 부하의 지상 전류를 상쇄하여 역률을 1에 가깝게 만들어줍니다.
2)방전코일(DC,Discharge Coil)
- 설치목적: 콘덴서 잔류전압방전, 콘덴서 수명연장
- 원리
- 방전 코일은 높은 인덕턴스를 가지고 있어 콘덴서에 축적된 에너지를 천천히 방출시킵니다. 콘덴서가 방전되면서 발생하는 높은 전압을 낮추어 안전하게 방전시킵니다.
- 방전 코일에 의해 발생되는 전자기 유도 작용으로 콘덴서의 잔류 전압을 안전하게 소모시킵니다.
- 용량 :
- 고압은 5초이내 50[V]이하로 방전할수있는 용량
- 저압은 3분이내 75[V]이하로 방전할수있는 용량
3)직렬리액터(SR,Series Reactor)
- 설치목적 : 고조파 발생을 억제, 공진현상방지, 콘덴서보호
- 원리
- 직렬 리액터는 인덕턴스 성분을 가지므로 고주파 성분인 고조파 전류의 흐름을 방해합니다. 즉, 고조파 전류에 대한 임피던스를 증가시켜 고조파 전류의 흐름을 제한합니다.
- 또한, 콘덴서와 직렬로 연결되어 공진 주파수를 높여 공진 현상 발생 가능성을 낮춥니다.
- 장점: 간단하고 경제적인 방법으로 고조파를 효과적으로 억제할 수 있습니다.
- 단점: 모든 고조파를 완벽하게 제거할 수 없으며, 시스템 임피던스를 증가시켜 전압 강하를 유발할 수 있습니다
4)직렬리액터 용량산정
제5고조파를 억제하기위한것
\[5\omega L \gt \frac{1}{5\omega C}\]
\[\omega L\gt\frac{1}{25\omega C}=0.04\frac{1}{\omega C}\]
- 따라서 4[%]의 직렬리액터가 필요하나 주파수변동이나 경제적인 측면에서 6[%]의 직렬리액터 기준으로 선택하면 된다
제3고조파를 억제하기위한것
\[3\omega L \gt \frac{1}{3\omega C}\]
\[\omega L\gt\frac{1}{9\omega C}=0.11\frac{1}{\omega C}\]
- 따라서 11[%]의 직렬리액터가 필요하나 주파수변동이나 경제적인 측면에서 13[%]의 리액터가 적당하다
3️⃣콘덴서 설치방법
1)수전단 모선에 집합설지
- 무효전력변화에 신속한 대응이 가능
- 경제적이며 유지관리가 용이
- 역률 개선효과는 떨어진다
2)부하 측에 분산 설비
- 가장 이상적이고 효과가 크다
- 비용이 많이들고 면적이 필요하다
3)수전단 모선과 부하측에 분산 설치
- 수전단 모선의 단점을 보완하는 방법
4️⃣역률 개선방법
1)발전기
- 발전기는 자동역률조정장치를 내장하고 있어 발전기 출력허용범위내에서 여자전류를 조정하여 단자전압 유지 및 지상, 진상 무효전력을 조정하여 역률을 제어
2)동기조상기
(Synchronous Condenser)
- 정의: 동기전동기를 무부하 또는 경부하 상태에서 운전하여 계통에 무효전력을 공급하거나 흡수함으로써 전압을 조정하고 역률을 개선하는 장치입니다.
- 원리: 동기전동기의 계자전류를 조절하여 과여자 또는 부족여자 상태를 만들어 무효전력을 공급하거나 흡수합니다.
- 장점:
- 연속적인 무효전력 조정이 가능합니다.
- 과도현상에 대한 대처 능력이 우수합니다.
- 기존의 동기전동기 기술을 활용할 수 있습니다.
- 단점:
- 초기 투자비가 높습니다.
- 크기가 크고 무게가 무거워 설치 공간이 많이 필요합니다.
- 유지보수 비용이 상대적으로 높습니다.
- 기동 시간이 오래 걸립니다.
3)전력용콘덴서
- 부하와 병렬로 진상용 콘덴서를 설치하면 콘덴서에 흐르는 전류 IC가 회로에 흐르는 IL보다 위상이 앞서기 때문에 서로 상쇄되어 역률이 개선
- 동지조상기와 비교하여 전력손실 및 건설비가 싸다
- 연속제어가 불가능하며 큰 돌입전류가 발생
4)SVC : 정지형 무효보상전력장치
5)정지형 동기조상기
(Static Synchronous Compensator, STATCOM)
- 원리 :
GTO사이리스터와 직류충전용 콘센서를 구성하여 PWM방식을 이용하여 전압, 전류의 크기와 위상을 신속하게 조절하여 진상, 지상 무효전력까지 연속적으로 세밀한 제어를 하는 콘덴서이다.
- 장점
- 진상~지상무효전력까지 연속적인 제어가 가능하다
- 기계적인 동작부가 없어 조작 신뢰도가 높고 잡음 및 소음이 적다.
- 대용량의 전력용 콘덴서나 리액터가 필요하지 않아 설치면적이 작다(SVC의 70%)
- 단점
- 초기 투자비가 다소 높습니다.
- 전력용 반도체 소자의 고장 시 시스템 전체에 영향을 미칠 수 있습니다.
5️⃣역률 개선효과
1) 콘덴서 투입 전
- 전력계통에서는 부하가 필요로 하는 유효전력(전류)과 무효전력(전류)을 모두 발전기가 공급하고 있는 경우에 해당한다.
- 송전선로를 통해서 유효 및 무효분의 합성전류가 흐른다.
- 이와 같은 방식으로 운전되는 계통은 선로의 전류가 불필요하게 증가되므로, 송전선로 손실 및 변압기 등의 손실의 증가로 송전손실이 증가하게 된다.
- 또한 전류의 증가로 전압강하가 증가하게 되어 수전단 전압을 일정하게 유지하기 곤란하게 된다.
- 부하가 필요로 하는 유효전력의 공급은 발전기를 통해서 이뤄져야 하지만, 무효전력의 공급은 반드시 발전기가 공급할 필요는 없다.
2) 콘덴서 투입 후
- 부하모선에 콘덴서를 투입하게 되면, 부하가 필요로 하는 무효전력의 일부분을 전력용 콘덴서가 공급하고 나머지만 발전기가 공급하도록 운전하는 방식
- 이렇게 운전하게 되면 콘덴서 설치점 이전의 선로전류가 감소되어 송전손실 및 전압강하가 저감되는 큰 이점이 발생
- 그러므로 부하측에 전력용 콘덴서의 시설은 전력회사 측면에서 선로부담을 줄여주고, 전압강하를 저감시켜 수전단 전압을 일정하게 유지시키는 것이 보다 용이
- 전력회사 입장에서는 유효전력으로 요금을 징수하는 방식이므로, 역률이 0.9(지상), 0.95(진상)이하인 경우에 페널티 요금을 징수하는 방식으로, 수용가 측에서 부하역률을 개선하도록 유도
6️⃣콘덴서 설치효과
- 역률 개선: 시스템의 역률을 향상시켜 전력 손실을 줄이고, 전압 안정도를 높입니다.
- 전력 설비 용량 감소: 필요한 발전기 용량을 감소시켜 투자 비용을 절감할 수 있습니다.
- 전력 품질 향상: 전압 변동을 줄여 전력 품질을 향상시킵니다.
1)전력손실 저감
선로손실 감소
- 전력
\[P_{W1}=\sqrt3 VI\cos\theta[kW]\]
- 정격전류
\[I=\frac{P}{\sqrt3 V\cos\theta}[A]\]
- 전력손실
\[P_t=3I^2 R=3(\frac{P}{\sqrt3 V\cos\theta})^2R[kW]\]
역률이 높아지면서 전류가 감소하여 손실이 경감된다.
변압기의 손실 감소
\[P_l=I^2R[kW]\]
2)설비 여유용량 증가
- 역률이 개선되면 부하전류가 감소하여 같은 설비에서도 설비용량에 여유가 생긴다
- 즉, 변압기용량을 늘리지 한고도 부하 증설이 가능하다
여유용량
\[S_0-S_1=P(\frac{1}{cos\theta_0}-\frac{1}{\cos\theta_1})[kVA]\]
증설가능 부하
\[\Delta P=S_0\cos\theta_1-P[kW]\]
(1) 유효전력이 일정한 경우
\[\cos\theta_0=\frac{P}{S_0}\to S_0=\frac{P}{\cos\theta_0}\]
\[\cos\theta_1=\frac{P}{S_1}\to S_1=\frac{P}{cos\theta_1}\]
(2) 역률개선 후 전용량을 공급하는 경우(), 유효전력 공급의 증가
\[\cos\theta_1=\frac{P+\Delta P}{S_0}\to P+\Delta P\]
\[=S_0\cos\theta_1\to \Delta P=S_0\cos\theta_1 -P\]
3)전압강하 저감
- 역률이 개선되어 전류가 감소하면 삽입모선의 전압을 상승시키는 효과가 있어 상승값만큼 전강하가 억제된다.
\[V=\frac{Q_c}{Q_rc}\]
4)전기요금 경감
(한전의 전기공급규정에 의해)
(1) 주간 시간대(08~22시)
- 지상역률이 90%에 미달하는 경우: 지상역률 60%까지 매 1%당 기본요금의 0.5% 추가
- 지상역률이 90%를 초과하는 경우: 지상역률 95%까지 매 1%당 기본요금의 0.5% 감액
(2) 심야 시간대(22~08시)
- 진상역률이 95%에 미달하는 경우: 진상역률 60%까지 매 1%당 기본요금의 0.5% 추가
5)부하역률 개선
7️⃣역률 자동제어방식
1)회로도
2) 자동역률제어기 방식
- 자동 역률조정기는 선로에 흐르는 전류 및 전압을 CT, PT로 측정하여, 역률을 계산하고, 그 역률이 설정값과 비교하여 지상이 되면 콘덴서를 투입하고, 진상이 되면 제거하는 방식으로 자동으로 제어하는 방식을 말한다.
- 이 방식은 부화의 변화에 대한 적응력이 높은 방식으로 자동역률제어에 대부분 이 방식을 채용한다.
3) 프로그램 제어방식
- 원리: 미리 설정된 시간에 따라 콘덴서를 투입하거나 차단합니다.
- 장점: 간단하고 경제적인 방법입니다.
- 단점: 시스템의 변화에 유연하게 대응하기 어렵습니다.
4) 특정부하 개폐신호 제어방식
- 무효전력 소비량이 많고, 소비량이 일정한 특정부하로 지정하여 그 부하의 개폐장치의 개폐신호에 의해서 전력용 콘덴서를 개폐하는 제어방식으로 가장 경제적인 방법이다.
5) 무효전력 제어방식
- 원리: 시스템의 무효 전력량을 측정하여 콘덴서의 투입 및 차단을 결정합니다.
- 장점: 무효 전력을 직접 제어하여 시스템의 역률을 정확하게 유지할 수 있습니다.
- 단점: 무효 전력 측정 오차에 민감할 수 있습니다.
6) 모선의 전압제어 방식
- 원리: 시스템의 전압을 측정하여 설정된 기준값과 비교하고, 전압이 낮으면 콘덴서를 투입하고, 높으면 차단합니다.
- 장점: 시스템의 전압 안정도를 유지하는 데 효과적입니다.
- 단점: 부하 변동에 따라 전압이 민감하게 변할 수 있어 오동작 가능성이 있습니다.
7) 부하전류 제어 방식
- 원리: 전류크기와 무효전력의 관계가 일정한 곳에서 시스템의 전류를 측정하여 콘덴서의 투입 및 차단을 결정합니다.
- 말단부하 개선에 적합함
- 장점: 부하 변동에 따른 콘덴서의 투입 및 차단을 빠르게 수행할 수 있습니다.
- 단점: 전류의 위상각을 고려하지 않으면 오동작할 수 있습니다.
8) 역률 제어 방식
- 원리: 시스템의 역률을 측정하여 설정된 기준값과 비교하고, 역률이 낮으면 콘덴서를 투입하여 역률을 개선합니다.
- 장점: 시스템의 전체적인 효율을 높이는 데 효과적입니다.
- 단점: 역률 측정 오차에 민감할 수 있습니다.
8️⃣문제점
1)과보상시 문제점
송전단 전압(Vs)와 부하전력을 일정한 상태에서 역률이 개선된 지상운전(I0), 완전보상된 역률이 1.0인 운전(I1), 과보상 된 진상운전(I2)의 경우를 단계별로 페이저도를 그려서 나타내면 다음과 같다. 부하전류가 보다 증가하며, 수전단 전압(Vr)도 점점 증가함을 알 수가 있다.
1)송전손실 증가
- 역률을 개선하면 손실 저감량은 증가하지만, 컨덴서를 과보상하면 손실 저감량이 작아진다.
- 즉, 손실 저감량이 (-)가 되어 도리어 손실이 증가하는 결과를 초래한다
2)모선의 전압이 상승(전압변동폭의 증대)
- 선로의 전압강하
\[V=E_s-E_r=I(\cos\theta +X\sin\theta)\]
\[=RP_L+XQ_L[\%]=RP_L+X(Q_L-Q_C)\]
- 즉, 콘덴서를 설치하면 전압강하를 억제시키는 작용이 있는데 경부하 시에 과보상하면 도리어 모선전압이 과상승하여 자체의 과부하 및 부하에도 영향을 준다
3)고조파 왜곡의 증대
- 야간의 경부하 시에 콘덴서를 삽입한채로 사용하면 고조파 왜곡이 커서 콘덴서의 고장 및 다른 기기의 손상 및 오동작을 초래
4) 회전기의 자기여자현상 발생
- 충전전류에 의해서 유도전동기, 발전기의 자기여자로 과전압 발생
5) 전기요금 상승
- 진상역률 0.95미만이 될 경우 전기요금 상승의 요인이 됨
2)콘덴서의 잔류전하와 과도현상
1) 투입시 현상
돌입전류발생
콘덴서 회로를 투입할 때, R-L-C 직렬회로로 투입시 과도진동현상에 의하여 전압위상에 따라서 큰 돌입전류가 흐른다. 이 돌입전류의 크기와 주파수는 다음과 같다.
- 최대 돌입전류 배수
\[=I_c\times(1+\sqrt{\frac{X_c}{X_L}})\]
- 주파수 배수
\[=f\times\sqrt{\frac{X_c}{X_L}}\]
콘덴서 투입시 큰 돌입전류가 발생되는데, 최대 돌입전류 배수는 100이상으로 나타나는 경우도 있으며 그 지속시간은 매우 짧게 나타난다. 그러므로 직렬리액터를 직렬로 삽입하여야 된다.
돌입전류의 저감을 위해서 직렬리액터를 삽입해야 되며, 콘덴서 용량의 6%를 직렬로 삽입한 경우, 돌입전류배수는 5배이고, 주파수는 4배로 진동하게 된다.
\[I_{st}=(1+\sqrt\frac{100}{6})\times I_c ≃5I_c\]
\[f_n=\sqrt{\frac{100}{6}}\times f=4f[Hz]\]
※ 과도한 돌입전류에 의해서 변류기의 2차회로의 손상, 전력퓨즈의 용단 등의 문제를 초래할 우려있음을 주의하자.
모선전압강하
2) 개방시 현상
재점호에 의한 과전압
콘덴서에는 단자전압의 위상보다 90°앞선 진상전류가 흐르기 때문에 콘덴서 개방시에 전류영점에서는 전원전압의 최대인 Vm이고 선로에는 이 전압이 충전되어 잔류한다. 개방후 1/2 주기 후에는 차단기의 극간에는 2Vm인 전압이 걸려서 절연회복이 충분하지 못하여(극간의 개리가 충분하지 못한 상태) 재점호가되고 잔류전압이 급격히 전원전압으로 되돌아가려고 하는 과도 진동현상이 발생되어 최대 3Vm에 이르는 과도 이상전압이 발생된다. 오른쪽 그림처럼 제동작용이 없는 경우 재점호가 계속해서 일어나서 3Vm, 5Vm, 7Vm……. 으로 높은 이상전압이 발생되지만, 실제는 회로저항, 코로나 등에 의해서 제동작용이 생겨서 대지전압의 최대 3.5배 이상 4배를 초과하는 경우는 없다.
유도기의 자기여자
3)방전코일 설치
- 설치목적
콘덴서 개방 시 전하가 잔류하면서 일어나는 위험을 방지하고 투입 시 걸리는 과전압을 방지하기 위해
- 설치용량
고압은 5초이내 50[V]이하 방전하고, 저압은 3분이내 75[V]이하로 바언의 용량이어야 한다.
3)콘덴서의 열화원인과 대책 및 보호방식
1)온도
주위온도 상승이 최고온도 46도, 일평균535도 연평균 25도 초과시 수명단축
- 발열기기(변압기등)와 200[㎜]이상이격
- 복수설치 시 100[㎜]이상이격 상시부설치300[㎜]
2)전압
정격전압의 최고 115%, 일평균110%초과시 수명단축
- 앞선 역률이 없도록 한다
- 유도전동기 여자용량 이하로 콘센서 설치
- 완전히 개방후 재투입
- 개로 시 재점호 방지용 차단기(VCB, GCB)사용
3)전류
고조파전류, 돌입전류에 의한 과전류로 수명단축
정격전류의 135[%]이내
- 직렬리액터 설치
- 용량 : 제5고조파는 6[%], 제3고조파는 13[%] 사용
9️⃣콘덴서 뱅크 개폐장치의 구비조건
1) 투입시 과도한 돌입전류에 견딜 것
2) 개방시 TRV에 견디며, 재점호를 발생시키지 않을 것 -> 개방속도 빠를 것
3) 전기적, 기계적으로 다빈도 개폐성능을 갖출 것
4) 내구성이 좋으며, 경제적일 것
🔟콘덴서 보호방식
콘덴서 내부소자가 파괴되면 과전류에 의하여 내부 아크열, 절연유 분해로 내압상승하고 결국 용기나 부싱이 파괴된다
1)압력 스위치 방식 (Pressure Switch)
- 콘덴서 소자의 절연파괴 시 내압 상승에 따른 용기변형은 압력스위치 또는 마이크로 스위치로 검출하여 차단기 개방
- 장점: 구조가 간단하고 비용이 저렴합니다.
- 단점: 고장 발생 초기에는 압력 상승이 미미할 수 있어 감지가 늦어질 수 있습니다..
- LeadCut보호방식(내압보호용 접점방식)
콘덴서 절연파괴 시 내부 압력이 상승하게 되어 외함이 변형을 일으켜 보호장치가 동작하는 방식 - ARN Switch보호방식(마이크로 스위치 보호방식)
콘덴서 외함의 팽팡변위를 검출하여 고장을 판별하는 방식이다
2)중성점 전위 검출(NVS: Neutral Voltage Sensor)
- Single Star 방식
콘덴서 3대를 Y결선하여 대칭되는 Y결선한 저항과의 중성점 전압차를 검출하여 차단기를 트립시키는 방식 - Double Star방식
Double Star로 결선된 콘덴서의 중성점간 전압차를 검출하는 것으로 그 원리는 Single Star방식과 동일합니다.
3)중성점 전류검출(NCS: Neutral Current Sensor)
- 원리: 콘덴서 내부 소자를 Y-Y 결선하여 중성점 간에 전류 검출 코일을 삽입하고, 콘덴서 내부 고장 시 이 코일이 여자되어 동작하는 접점이 내장되어 있습니다. 이 접점이 동작하면 부하 전원을 차단하거나 개폐기를 작동시켜 고장 발생 부분을 격리시킵니다.
- 장점: 검출 속도가 빠르고 동작이 확실하며, 회로 전압의 변동, 직렬 리액터의 유무, 고조파의 영향을 받지 않습니다.
- 단점: 초기 투자 비용이 다소 높습니다.
4)OpenDelta보호방식
- 각상의 방전 코일 2차측을 OpenDelta로 결선한 것으로 일반적으로 22.9[kV]계통에 적용
- 보호계전기가 동작한 경우 상을 직접 찾아야 함
\[V_{RY}=\frac{2V_C}{3P(S-1)+2}\]
5)온도 감지 방식
- 원리: 콘덴서 내부의 온도 상승을 감지하여 고장을 판별하는 방식입니다. 열전대 또는 서미스터 등을 사용하여 온도를 측정하고, 설정 온도를 초과하면 보호 회로를 작동시킵니다.
- 장점: 과열로 인한 고장을 효과적으로 방지할 수 있습니다.
- 단점: 온도 상승 속도가 느려 고장 발생 초기에는 감지가 늦어질 수 있습니다.
6)부분 방전 감시 장치
- 원리: 콘덴서 내부에서 발생하는 부분 방전 신호를 측정하여 고장을 예측하는 방식입니다.
- 장점: 고장 발생 초기 단계부터 감지할 수 있어 예방 정비에 효과적입니다.
- 단점: 설치 비용이 높고, 측정 및 분석이 복잡합니다.
7)전압차동 방식
- 각상의 방전코일 2차측 전압을 검출하여 과전압계전기를 동작시키는 원리이다. 콘덴서 내부 소자가 1개만 고장나도 신속하게 고장전압이 검출이 가능
8)차전압 검출 방식
- 방전코일 2차측 불평형 전압을 검출하여 과전압계전기를 동작시키는 원리이다. 콘덴서 내부 소자가 1개만 고장나도 신속하게 고장전압이 검출이 가능
9)한류퓨즈에 의한 보호방식
- 소자 파괴에서 단락전류 발생 시 이를 차단하는 방식으로 한류효과가 있고, 1/4사이클정도에서 차단한다
- 선정시 고려사항
- 콘덴서 정격전류의 1.5배 이상의 전류를 통전 가능
- 콘덴서 정격전류의 70배 전류가 0.002초간 흘러도 용단되지 않을것
- PF의 최대 차단I²t < 콘덴서 케이스내I²t
- 용량 : PF의 보호는 콘덴서 정격용량 50[kvar] 이하에 적합
※ 전압강하 저감을 수식으로 증명
① 전압강하(ΔV)
\[\Delta V=I(R\cos\theta+X\sin\theta)\]
\[=\frac{P_r\cdot R+Q\cdot X}{V_r}\]
\[=\frac{P_r\cdot R+P_r \tan\theta\cdot X}{V_r}\]
② 역률 개선전과 역률 개선후의 전압강하 비교
⦁역률 개선 전 역률 및 전압강하 : cosθ1, ΔV1
⦁역률 개선 전 역률 및 전압강하 : cosθ2, ΔV2
\[\Delta V_1-\Delta V_2=\frac{P\cdot R\cdot+P_r\tan\theta_1\cdot X}{V_r}\]
\[-\frac{P_r\cdot R+P_r\tan\theta_1\cdot X}{V_r}\]
\[=\frac{P_r X}{V_r}(\tan\theta_1-\tan\theta_2)\]
\[[\tan\theta_1-\tan\theta_2]\gt0 이므로,\]
\[\Delta V_1 \gt \Delta V_2가 된다.\]
\[∴전압강하 감소\]
전압강하 경감률
① 전압강하 경감률(ε)
\[\epsilon=\frac{\Delta V_1-\Delta V_2}{V_r}=\frac{P_r X}{V^2_r}(\tan\theta_1-\tan\theta_2)\]
\[=\frac{Q_c X}{V^2_r}\]
② 모선의 단락용량(S)
\[P_s=\frac{V^2_r}{X}\]
③ 전압강하 경감률과 콘덴서 용량 및 단락용량과의 관계
\[\epsilon=\frac{Q_c}{P_s}\]
목차(진상용 콘덴서)
진상용 콘덴서
💯기출문제
○AFG01.고압 콘덴서 설비의 내부 고장보호장치에 대해서 설명하시오
고압 콘덴서 내부 고장의 종류
- 절연 파괴: 콘덴서 내부의 절연체가 파괴되어 지락이 발생하는 경우
- 부분 방전: 콘덴서 내부에 공기층이나 불순물이 존재하여 부분 방전이 발생하는 경우
- 과열: 과도한 전류 흐름이나 냉각 불량으로 인해 콘덴서가 과열되는 경우
○AFG02.Statcom적용의 효과를 3가지이상 열거하시오
STATCOM(Static Synchronous Compensator)은 정지형 동기 조상기를 의미하며, 전력 시스템의 무효 전력을 조절하여 전압 안정도를 향상시키고, 전력 품질을 개선하는 장치입니다. STATCOM 적용 시 얻을 수 있는 주요 효과는 다음과 같습니다.
1. 전압 안정도 향상
- 무효 전력 보상: STATCOM은 필요에 따라 무효 전력을 빠르게 공급하거나 흡수하여 시스템의 전압을 안정적으로 유지합니다. 특히, 부하 변동이 심한 지역이나 장거리 송전선에서 전압 붕괴를 방지하는 데 효과적입니다.
- 전압 변동률 감소: STATCOM은 전압 변동률을 감소시켜 전력 설비의 수명을 연장하고, 전력 품질을 향상시킵니다.
2. 전력 품질 개선
- 고조파 감소: STATCOM은 고조파를 발생시키지 않고 오히려 고조파를 흡수하여 시스템의 고조파 레벨을 낮춥니다. 이는 전력 설비의 수명을 연장하고, 통신 시스템에 대한 간섭을 줄이는 효과가 있습니다.
- 플리커 감소: STATCOM은 플리커(flicker) 현상을 감소시켜 조명 품질을 향상시키고, 사용자의 불편을 해소합니다.
- 전압 불균형 개선: STATCOM은 상 간의 전압 불균형을 개선하여 전력 설비의 수명을 연장하고, 모터의 효율을 향상시킵니다.
3. 시스템 안정도 향상
- 감태도 개선: STATCOM은 시스템의 감태도를 개선하여 시스템의 안정도를 향상시킵니다. 특히, 대규모 발전기의 계통 연계 시 안정도 확보에 기여합니다.
- 단락 전류 감소: STATCOM은 단락 전류를 감소시켜 보호 계전기의 동작 신뢰도를 향상시키고, 설비의 손상을 방지합니다.
4. 블랙 스타트 기능
- 계통 복구: 정전 등으로 인해 계통이 정지된 경우, STATCOM은 자체적으로 무효 전력을 공급하여 계통을 재기동하는 데 필요한 전압을 확보할 수 있습니다. 이는 계통 복구 시간을 단축하고, 시스템의 안정적인 운전에 기여합니다.
5. 전력 시장 참여
- 무효 전력 시장: STATCOM은 무효 전력 시장에 참여하여 수익을 창출할 수 있습니다. 시스템의 무효 전력 수요에 따라 유연하게 운전하여 전력 시스템의 효율을 향상시킬 수 있습니다.
●AFG03 SMPS의 종류 및 역률개선회로에 대하여 설명하시오
SMPS (Switching Mode Power Supply) 개요
SMPS는 스위칭 소자를 이용하여 입력 전원을 고주파로 끊었다 붙였다 하면서 원하는 전압과 전류를 얻는 전원 공급 장치입니다. 일반적인 선형 전원 공급 장치에 비해 높은 효율과 소형화가 가능하여 다양한 전자 기기에 널리 사용되고 있습니다.
SMPS의 종류
- 강압형(Step-Down, Buck Converter)
교류 전원의 전압을 낮춰서 직류 전원으로 변환하는 방식입니다. 노트북, 스마트폰 등의 모바일 기기에서 많이 사용됩니다. - 승압형(Step-Up, Boost Converter)
교류 전원의 전압을 높여서 직류 전원으로 변환하는 방식입니다. LED 조명, 태양광 발전 시스템 등에서 사용됩니다. - 벅-부스트(Buck-Boost)
강압과 승압을 모두 할 수 있는 방식입니다. 자동차의 배터리 충전기, DC-DC 컨버터 등에서 사용됩니다. - 플라이백 컨버터 (Flyback Converter): 절연형 컨버터로, 입력과 출력이 전기적으로 절연되어 있습니다.
- 포워드 컨버터 (Forward Converter): 플라이백 컨버터와 유사하지만, 트랜스포머의 1차측과 2차측이 동시에 에너지를 전달합니다
- 풀 브리지 컨버터 (Full Bridge Converter): 높은 출력 전력을 얻기 위해 사용되는 컨버터입니다.
역률 개선 회로
SMPS는 비선형 부하 특성으로 인해 역률이 낮아지는 문제가 있습니다. 이를 해결하기 위해 역률 개선 회로가 사용됩니다.
- 수동형 역률 개선 (Passive PFC):
- 커패시터: 선행 전류를 흘려 역률을 개선합니다.
- 인덕터: 지상 전류를 흘려 역률을 개선합니다.
- 단점: 부하 변동에 따라 역률 개선 효과가 달라지고, 고조파 발생 문제가 발생할 수 있습니다.
- 능동형 역률 개선 (Active PFC):
- 벅형 PFC: 입력 전압을 따라가면서 거의 사인파 형태의 입력 전류를 만들어 역률을 높입니다.
- 부스트형 PFC: 벅형 PFC와 유사하지만, 입력 전압보다 높은 출력 전압을 얻을 수 있습니다.
- 장점: 높은 역률을 얻을 수 있으며, 고조파 발생을 줄일 수 있습니다.
○AFG04무효전력의 의미에 대하여 설명하시오
○전력용콘덴서 자동제어방식의 종류와 특징을 설명하시오
●AFG05 교류회로에서 임피던스의 개념과 진상 또는 지상이 발생하는 이유를 설명하시오
진상과 지상
- 진상(Leading):
- 전류가 전압보다 위상이 앞서는 현상입니다. 주로 용량성 부하(콘덴서)가 많을 때 발생합니다.
- 지상(Lagging):
- 전류가 전압보다 위상이 뒤지는 현상입니다. 주로 유도성 부하(코일)가 많을 때 발생합니다.
진상과 지상이 발생하는 이유
- 유도성 부하:
- 코일은 전류의 변화를 방해하려는 성질이 있습니다. 따라서 전압이 변화하면 전류는 전압 변화에 뒤쳐져 흐르게 됩니다. 이것이 지상 현상이 발생하는 이유입니다.
- 용량성 부하:
- 콘덴서는 전압의 변화에 반대하는 방향으로 전류를 흘리려는 성질이 있습니다. 따라서 전압이 변화하면 전류는 전압 변화에 앞서 흐르게 됩니다. 이것이 진상 현상이 발생하는 이유입니다.
진상과 지상의 영향
- 역률: 진상 또는 지상 현상은 역률을 낮춥니다. 역률이 낮아지면 전력 손실이 증가하고, 설비 용량을 효율적으로 활용하지 못하게 됩니다.
- 전압 변동: 진상 또는 지상 현상은 전압 변동을 유발하여 시스템의 안정성을 저해할 수 있습니다.
○AFG06 수변전설비 중 콘덴서 설치에 의한 역률 개선원리를 설명하시오
왜 역률 개선이 필요할까요?
- 전력 손실 감소: 낮은 역률은 전력 손실을 증가시켜 전기 요금 상승을 야기합니다.
- 설비 용량 증가: 낮은 역률은 설비 용량을 초과하게 만들어 설비 투자 비용이 증가합니다.
- 전압 강하: 낮은 역률은 전압 강하를 유발하여 전력 품질을 저하시킵니다.
콘덴서를 이용한 역률 개선 원리
- 유도성 부하: 대부분의 산업용 부하는 모터 등 유도성 부하가 많아 전류가 전압보다 위상이 뒤지는 지상 현상이 발생합니다.
- 콘덴서의 역할: 콘덴서는 전류가 전압보다 위상이 앞서는 진상 성분을 발생시킵니다.
- 역률 개선 과정:
- 유도성 부하에 병렬로 콘덴서를 연결하면 콘덴서에서 발생하는 진상 전류가 유도성 부하에서 발생하는 지상 전류와 상쇄됩니다.
- 상쇄된 결과, 전체 회로의 역률이 개선되어 유효 전력의 비율이 높아지게 됩니다.
콘덴서 설치 효과
- 전력 손실 감소: 무효 전류 감소로 인해 전력 손실이 줄어듭니다.
- 전압 상승: 전압 강하를 줄여 전압 안정도를 향상시킵니다.
- 설비 용량 증가: 기존 설비의 용량을 더 효율적으로 활용할 수 있습니다.
- 전기 요금 절감: 전력 손실 감소로 인해 전기 요금을 절감할 수 있습니다.
콘덴서 설치 시 주의사항
- 용량 선정: 부하의 종류, 크기, 운전 조건 등을 고려하여 적절한 용량의 콘덴서를 선정해야 합니다.
- 설치 위치: 콘덴서는 일반적으로 부하에 가까운 곳에 설치하는 것이 효과적입니다.
- 보호 장치: 콘덴서에는 과전류 보호 장치, 과전압 보호 장치 등을 설치하여 안전하게 운전해야 합니다.
- 자동 제어: 부하 변동에 따라 콘덴서의 투입과 차단을 자동으로 제어하는 시스템을 구축하는 것이 좋습니다.
○AFG07 콘덴서 개폐장치에서 요구되는 성능 3가지를 설명하시오
○AFG08 에너지 절약을 위한 역률개선용 진상용 콘덴서(SC)회로에 설치하는 직렬리액터(SR)와 방전코일(DC)의 설치목적과 전자계 에너지의 관점에서 그 기본원리를 약술하고, 진상용 콘덴서의 설치효과를 나열하시오.
전자계 에너지 관점에서의 설명
- 콘덴서: 전기장 에너지를 축적하는 소자입니다. 충전된 콘덴서는 전기장 에너지를 가지고 있으며, 방전 시 이 에너지를 방출합니다.
- 직렬 리액터: 자기장 에너지를 축적하는 소자입니다. 고주파 전류가 흐르면 자기장 에너지를 생성하여 고조파 전류를 억제합니다.
- 방전 코일: 자기장 에너지를 축적하고 방출하는 소자입니다. 콘덴서의 잔류 전압에 의해 자기장 에너지를 생성하고, 이를 다시 전기 에너지로 변환하여 안전하게 방출합니다.
○AFG09 역률 개선용 콘덴서를 채용할때 발생하는 고조파 제거방법을 설명하시오
○AFG10 전력관리를 위한 역률개선용콘덴서의 적정 용량 산출방법에 대하여 설명하시오
○AFG11
전력계통에서 무효전력의 의의와 영향에 대하여 설명하시오
●AFG12역률개선용콘덴서와 함께 설치하여 전압파형을 개선하는 직렬리액터에 대하여 다음을 설명하시오
직렬리액터의 설치목적
직렬리액터의용량
직렬리액터의 고조파에 대한 영향
직렬리액터의 용량과 콘덴서의 단자전압
직렬리액터 설치시 문제점 및 대책
직렬 리액터의 설치 목적
역률 개선용 콘덴서는 시스템의 역률을 개선하여 전력 손실을 줄이고 전압 안정도를 높이는 데 효과적이지만, 고조파 발생 및 공진 현상 등의 문제를 야기할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하고 콘덴서를 보호하기 위해 직렬 리액터를 설치합니다.
- 고조파 억제: 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류가 콘덴서와 공진 현상을 일으켜 시스템에 악영향을 미칠 수 있습니다. 직렬 리액터는 고주파 성분인 고조파 전류의 흐름을 방해하여 고조파를 억제합니다.
- 콘덴서 보호: 콘덴서 투입 시 발생하는 돌입 전류를 억제하고, 고조파 전류로 인한 콘덴서의 과열을 방지하여 수명을 연장합니다.
- 공진 현상 방지: 콘덴서와 시스템 임피던스 간의 공진 발생을 방지하여 과전압을 억제합니다.
- 전압 파형 개선: 고조파 성분을 감소시켜 전압 파형을 개선하고, 전력 품질을 향상시킵니다.
직렬 리액터의 용량
직렬 리액터의 용량은 일반적으로 콘덴서 용량의 4~6% 정도로 선정합니다. 하지만 고조파 성분의 비율에 따라 용량을 조절해야 합니다. 예를 들어, 제5고조파가 많이 발생하는 경우에는 4% 이상, 제3고조파가 많은 경우에는 약 13% 정도의 직렬 리액터를 설치하는 것이 효과적입니다.
직렬 리액터의 고조파에 대한 영향
직렬 리액터는 인덕턴스 성분을 가지므로 고주파 성분인 고조파 전류의 흐름을 방해합니다. 즉, 고조파 전류에 대한 임피던스를 증가시켜 고조파 전류의 흐름을 제한합니다. 이를 통해 콘덴서와 고조파의 공진 현상을 방지하고, 시스템의 전력 품질을 향상시킵니다.
직렬 리액터의 용량과 콘덴서의 단자전압
직렬 리액터의 용량이 증가하면 콘덴서의 단자전압이 상승합니다. 이는 직렬 리액터가 콘덴서 전류의 일부를 차단하기 때문입니다. 따라서 직렬 리액터의 용량을 적절하게 선정해야 콘덴서의 절연 파괴를 방지할 수 있습니다.
직렬 리액터 설치 시 문제점 및 대책
- 전압 강하: 직렬 리액터는 시스템 임피던스를 증가시켜 전압 강하를 유발할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 적절한 용량의 직렬 리액터를 선정하고, 시스템의 전압 조건을 고려해야 합니다.
- 비용 증가: 직렬 리액터 설치에는 추가적인 비용이 발생합니다.
- 설치 공간: 직렬 리액터를 설치하기 위한 충분한 공간이 필요합니다.
직렬 리액터 설치 시 고려 사항
- 시스템의 고조파 특성: 시스템에서 발생하는 고조파의 종류와 크기를 분석하여 적절한 용량의 직렬 리액터를 선정해야 합니다.
- 콘덴서의 용량: 콘덴서 용량과의 조화를 이루어야 합니다.
- 시스템의 전압 조건: 전압 강하를 최소화하기 위해 시스템의 전압 조건을 고려해야 합니다.
- 경제성: 초기 투자 비용과 운영 비용을 고려하여 경제적인 측면에서 최적의 해결책을 찾아야 합니다.
●AFG13 에너지절약을 위한 역률개선용 진상콘덴서(SC)회로에 설치하는 직력리액터(SR)의 설치효과와 용량을 산정하는 방법에 대하여 설명하시오
직렬 리액터(SR) 설치의 목적
- 고조파 억제: 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류가 콘덴서와 공진 현상을 일으켜 시스템에 악영향을 미칠 수 있습니다. 직렬 리액터는 고주파 성분인 고조파 전류의 흐름을 방해하여 고조파를 억제합니다.
- 콘덴서 보호: 콘덴서 투입 시 발생하는 돌입 전류를 억제하고, 고조파 전류로 인한 콘덴서의 과열을 방지하여 수명을 연장합니다.
- 공진 현상 방지: 콘덴서와 시스템 임피던스 간의 공진 발생을 방지하여 과전압을 억제합니다.
- 전압 파형 개선: 고조파 성분을 감소시켜 전압 파형을 개선하고, 전력 품질을 향상시킵니다.
직렬 리액터 용량 산정 방법
직렬 리액터의 용량은 일반적으로 콘덴서 용량의 4~6% 정도로 선정합니다. 하지만 고조파 성분의 비율에 따라 용량을 조절해야 합니다. 예를 들어, 제5고조파가 많이 발생하는 경우에는 4% 이상, 제3고조파가 많은 경우에는 약 13% 정도의 직렬 리액터를 설치하는 것이 효과적입니다.
●AFG14 콘덴서 투입 시 발생하는 이상현상에 대하여 설명하시오
●AFG15 전동기 등의 유도성 부하에 의해 저하되는 역률을 개선하기 위하여 설치하는 진상용 콘덴서의 역률개선효과와 용량 산출방법에 대하여 설명하시오
○AFG16 전력용 콘덴서의 개폐현상에 대하여 설명하시오
●AFG17 역률개선용 콘덴서를 적용할 때 발생하는 고조파 장해의 대한 대책으로 직렬리액터를 사용하는 이유를 설명하고 영향이 큰 3,5 고조파 저감을 위한 직렬리액터의 용량을 산정하시오
○AFG18 전력을 공급함에 있어서 한전에서 일정 역률 이상을 요구하고 있다. 역률 보상에 따른이점을 전력회사 측면과 수용가 측면으로 나누어 간략히 설명하시오
○AFG19 병렬커패시터를 그림고 같이 투입할 경우의 효과에 대하여 전류 페이서도와 전압페이서도를 사용하여 설명하시오
○AFG20 전력을 공급함에 있어서 한전에서 일정 역률이상을 요구하고 있다. 역률보상에 따른 이점을 전력회사 측면과 수용가 측면으로 나누어 간략히 설명하시오
●AFG21 고압콘덴서 고장 발생 시 사고의 확대와 파급방지를 위한 고장 검출방식에 대하여 설명하시오
●AFG22 전력용 콘덴서 고장 발생 시 사고의 확대와 파급방지를 위한 고장검출방식에 대하여 설명하시오
●AFG23 전력용 콘덴서 개폐시의 특이사항과 개폐장치에서 요구되는 성능을 설명하시오
○AFG24 열화원인과 대책
●AFG25 역률 개선효과
○AFG26 직렬리액터의 설치목적, 용량 산정, 설치시 문제점과 대책
○AFG27 전력용 콘덴서의 허용 최대 사용전류
○AFG28 콘덴서 내부 소자 보호방식
●AFG29 전력용 콘덴서의 절연열화 원인 및 대책
○AFG30 전력용 콘덴서의 설치 위치에 따른 장단점을 비교 설명하시오
●AFG31 전력용 콘덴서의 내부 고장보호 방식에 대하여 설명하시오
●AFG32 전력용 콘덴서에서 다음을 설명하시오
운전 중 점검항목
팽창원인과 대책
○AFG33 전력회로에서 직렬커패시터와 병렬커패시터 적용시 특성 및 효과에 대하여 설명하시오
○AFG34 전기설비에 역률개선용 전력콘덴서 설치 시 기대효과를 설명하시오
○134.역률개선용 콘덴서 회로에서 직렬리액터 설치 시 문제점 및 대책에 대하여 설명하시오
역률개선용 콘덴서 회로에 직렬리액터를 설치하는 주된 목적은 콘덴서의 돌입전류를 억제하고, 고조파 발생을 완화하여 시스템의 안정성을 확보하는 것입니다. 하지만, 직렬리액터를 설치하면 다른 문제점이 발생할 수도 있습니다.
직렬리액터 설치 시 발생할 수 있는 문제점
- 역률 개선 효과 감소: 직렬리액터는 유도성 성분이므로 콘덴서의 용량성 성분을 상쇄하여 역률 개선 효과를 감소시킬 수 있습니다.
- 전압 강하: 직렬리액터에 전류가 흐르면서 전압 강하가 발생하여 부하에 공급되는 전압이 낮아질 수 있습니다.
- 손실 증가: 직렬리액터 자체에서 발열 손실이 발생하여 시스템 효율을 감소시킬 수 있습니다.
- 비용 증가: 직렬리액터 설치 비용이 추가로 발생하여 시스템 구축 비용이 증가합니다.
문제 해결을 위한 대책
- 적절한 리액터 용량 선정: 시스템의 특성과 요구되는 보호 수준을 고려하여 적절한 용량의 리액터를 선정해야 합니다. 너무 큰 용량의 리액터는 역률 개선 효과를 감소시키고, 너무 작은 용량의 리액터는 충분한 보호 효과를 얻지 못할 수 있습니다.
- 계통 조건 고려: 시스템의 고조파 발생량, 전압 변동률 등을 고려하여 리액터를 설치해야 합니다.
- 보호 계전기 설정: 리액터의 과전류, 과열 등을 감시하고 보호하기 위한 계전기를 적절히 설정해야 합니다.
- 정기적인 점검 및 유지보수: 리액터의 접촉 불량, 단락 등을 주기적으로 점검하고 유지보수하여 안정적인 운전을 보장해야 합니다.
- 대체 방안 검토: 직렬리액터 대신 다른 방식(예: APFR, SVC 등)을 이용하여 역률 개선 및 고조파 억제를 고려할 수 있습니다.
목차(진상용 콘덴서)
진상용 콘덴서
🌐1001M24
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