진상용 콘덴서


진상용 콘덴서

http://ftz.kr/2021/02/3489/

전기설비에서 전등, 전열부하는 역률이 좋으나 방전등, 용접기, 유도전동기 등은 역률이 나빠서 전력손실 및 전압강하 증가 및 전압변동의 원인이 되며, 전기요금이 증가하기 때문에 부하와 병렬로 전력용 콘덴서를 설치하여 역률을 개선해야 한다.

1)콘덴서의 원리

  • 전력부하는 R과 X에 의하여 cosθ만큼 위상차가 발생하고 이릉 역률이라 한다
\[\cos\theta=\frac{유효전력}{피상전력}=\frac{P}{S}=\frac{I^2R}{I^2Z}=\frac{R}{Z}\]
  • 부하에 Xc를 접속하면 IL과IC가 서로 상쇄되어 역률이 개선된다.

2)콘덴서용량

\[Q_C=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)\] \[=P(\sqrt{\frac{1}{\cos^2\theta_1}-1}-\sqrt{\frac{1}{\cos^2\theta_2}-1})[kVA]\]

콘덴서의 구성요소

콘덴서 설치와 고조파 확대

1)방전코일(DC)

  • 설치목적 : 콘덴서 개방시 전하가 잔류하면서 일어나는 위험을 방지하고 투입시 걸리는 과전압을 방지하기 위한 목적
  • 용량 : 고압은 5초이내 50[V]이하 방전하고, 저압은 3분이내75[V]이하로 방전의 용량이어야 한다.

2)직렬리액터(SR)

  • 설치목적 : 고조파 발생을 억제하기 위한 목적
  • 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

콘덴서 설치방법

1)수전단 모선에 집합설지

  • 경제적이며 유지관리가 용이
  • 무효전력변화에 신속한 대응이 가능
  • 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

역률 개선방법

1)발전기

  • 발전기는 자동역률조정장치를 내장하고 있어 발전기 출력허용범위내에서 여자전류를 조정하여 단자전압 유지 및 지상, 진상 무효전력을 조정하여 역률을 제어하다.

2)동기조상기

  • 동기전동기를 계통에 접속하여 여자전류를 조정하여 계통의 전압과 역률을 조정한다
  • 연속제어가 가능하다
  • 회전기로 전력손실 및 건설비가 비싸다

3)전력용콘덴서

  • 부하와 병렬로 진상용 콘덴서를 설치하면 콘덴서에 흐르는 전류 IC가 회로에 흐르는 IL보다 위상이 앞서기 때문에 서로 상쇄되어 역률이 개선된다
  • 동지조상기와 비교하여 전력손실 및 건설비가 싸다
  • 연속제어가 불가능하며 큰 돌입전류가 발생한다

4)SVC : 정지형 무효보상전력장치

5)STATCON : 정지형 콘덴서

  • 원리 :
    GTO사이리스터와 직류충전용 콘센서를 구성하여 PWM방식을 이용하여 전압, 전류의 크기와 위상을 신속하게 조절하여 진상, 지상 무효전력까지 연속적으로 세밀한 제어를 하는 콘덴서이다.
  • 특징
    • 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%)

역률 개선효과

1) 콘덴서 투입 전

전력용콘덴서설치효과
전력용콘덴서설치효과
  • 위의 전력계통에서는 부하가 필요로 하는 유효전력(전류)과 무효전력(전류)을 모두 발전기가 공급하고 있는 경우에 해당한다.
  • 그러므로 긴 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

  • 위의 계통처럼 부하모선에 콘덴서를 투입하게 되면, 부하가 필요로 하는 무효전력의 일부분을 전력용 콘덴서가 공급하고 나머지만 발전기가 공급하도록 운전하는 방식이다.
  • 이렇게 운전하게 되면 콘덴서 설치점 이전의 선로전류가 감소되어 송전손실 및 전압강하가 저감되는 큰 이점이 발생된다.
  • 그러므로 부하측에 전력용 콘덴서의 시설은 전력회사 측면에서 선로부담을 줄여주고, 전압강하를 저감시켜 수전단 전압을 일정하게 유지시키는 것이 보다 용이해 진다.
  • 전력회사 입장에서는 유효전력으로 요금을 징수하는 방식이므로, 역률이 0.9(지상), 0.95(진상)이하인 경우에 페널티 요금을 징수하는 방식으로, 수용가 측에서 부하역률을 개선하도록 유도하고 있다.

콘덴서 설치효과

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

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)

  • 고객의 역률이 90[%]에서 60[%]까지 미달하면 기본요금의 매1[%]당 0.2[%]식 할증을 한다
  • 고객의 역률이 90[%]에서 95[%]까지 초과하면 기본요금의 매1[%]당 0.2[%]할인을 적용한다

5)부하역률 개선

과보상 시 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.

콘덴서_과보상시문제점

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 초래한다

4) 회전기의 자기여자현상 발생

  • 충전전류에 의해서 유도전동기, 발전기의 자기여자로 과전압 발생

5) 전기요금 상승

  • 진상역률 0.95미만이 될 경우 전기요금 상승의 요인이 됨

※ 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

\[\epsilon=\frac{Q_c}{P_s}\]

3) 설비용량의 여유 증가

콘덴서_설비용량의여유증가

역률이 개선되면 동일한 유효전력에, 무효분 전력공급(무효분 전류)이 저감되어 설비용량에 여유가 증가된다.

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

\[\cos\theta_1=\frac{P+\Delta P}{S_0}\to P+\Delta P\] \[=S_0\cos\theta_1\to \Delta P=S_0\cos\theta_1 -P\]

4) 전기요금 경감

(1) 주간 시간대(09~23시)

– 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(23~09시)

– 진상역률이 95%에 미달하는 경우: 진상역률 60%까지 매 1%당 기본요금의 0.5% 추가

콘덴서 설치용량 산출

1) 계산에 의한 방법 → 개선 후 역률은 95% 이상으로

콘덴서_설비용량의여유증가
\[Q_c=Q_0-Q_1[kVA]\] \[Q_c=P(\tan\theta_0-\tan\theta_1)[kVA]\]

전력용 콘덴서의 설치

역률 자동제어방식

1)회로도

콘덴서_단선계통도

부하변동에 따른 전력용 콘덴서를 제어함으로써 항상 높은 역률을 유지하며, 전기설비의 효율적인 사용을 위해 필요한 양만큼의 무효전력을 공급하기 위해서 자동제어방식이 필요하다. 심야 등 경부하시에 콘덴서의 투입으로 인한 배전선, 변압기의 손실이 증가하여 모선전압의 상승을 막기 위해서도 건물의 규모와 용도에 맞는 제어방식이 필요하다.

콘덴서의 자동제어에는 특정부하의 개폐신호에 의한 제어, 프로그램 제어, 무효전력제어, 그리고 자동역률제어가 있으며, 특정부하의 개폐신호에 의한 제어 및 타임 스위치에 의한 프로그램 제어는 매우 간단하고, 경제적이나 효율적인 자동역률제어가 곤란하다.

1) 자동역률제어기에 의한 제어

  • 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.

2) 프로그램 제어방식

  • 일정 시간대에서 무효전력을 예측할 수 있는 경우 타임 스위치에 의한 콘덴서를 개폐하는 방식으로 간편하고 저렴하나 부하변동을 예측할 수 없는 경우에는 부적당하다.

3) 특정부하 개폐신호에 의한 제어

  • 무효전력 소비량이 많고, 소비량이 일정한 특정부하로 지정하여 그 부하의 개폐장치의 개폐신호에 의해서 전력용 콘덴서를 개폐하는 제어방식으로 가장 경제적인 방법이다.

4) 무효전력 제어

  • 일부하 패턴을 가리지 않고 무효전력의 소모량을 측정하여 능동적으로 전력용 콘덴서의 투입량을 결정하는 방식이다.

5) 모선의 전압제어

  • 역률의 개선보다는 모선의 전압을 일정하게 유지하기 위한 것이다. 모선의 전압이 기준값 보다 작을 때 무효전력 공급하고 기준값 이상일 때 무효전력을 흡수하는 운전을 하는 것이다.

콘덴서의 잔류전하와 개폐시 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

콘덴서_개방시현상

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.

콘덴서 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

콘덴서의 열화원인과 대책 및 보호방식

1)열화원인별 대책

  • 온도
    주위온도 상승이 최고온도 46도, 일평균535도 연평균 25도 초과시 수명단축
    • 발열기기(변압기등)와 200[mm]이상이격
    • 복수설치 시 100[]이상이격 상시부설치300[]
  • 전압
    원인 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
  • 전류
    고조파전류, 돌입전류에 의한 과전류로 수명단축
    정격전류의 135[%]이내
    • 직렬리액터 설치
    • 용량 : 제5고조파는 6[%], 제3고조파는 13[%] 사용

콘덴서 보호방식

콘덴서 내부소자가 파괴되면 과전류에 의하여 내부 아크열, 절연유 분해로 내압상승하고 결국 용기나 부싱이 파괴된다

1)한류퓨즈에 의한 보호방식

  • 소자 파괴에서 다락전류 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
콘덴서_외부보호방식

2)보호용 접점방식

  • 콘덴서 소자의 절연파괴 시 내압 상승에 따른 용기변형은 압력스위치 또는 마이크로 스위치로 검출하여 차단기 개방
  • 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.

3)중성점전위검출법

  • 중성점 전압검출(NVS)
    • 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.
콘덴서_중성점전압검출
  • 중성점 전류검출(NCS: Neutral Current Sensor)
    위의 회로의 중성선에 흐르는 전류를 검출하여 차단기를 트립시키는 방식

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)전압차동 방식

  • 각상의 방전코일 2차측 전압을 검출하여 과전압계전기를 동작시키는 원리이다. 콘덴서 내부 소자가 1개만 고장나도 신속하게 고장전압이 검출이 가능

6)차전압 검출 방식

  • 방전코일 2차측 불평형 전압을 검출하여 과전압계전기를 동작시키는 원리이다. 콘덴서 내부 소자가 1개만 고장나도 신속하게 고장전압이 검출이 가능
콘덴서_차압검출방식

사용기기의 선정
사용기기의 선정C(무효전력)

진상용 콘덴서
정지형 무효전력 보상장치


답글 남기기

이메일 주소는 공개되지 않습니다.