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[역률개선을 위한 제어기술 및 대책 2]
고압수전설비에 설치되는 진상 콘덴서 용량의 적정화
진상 콘덴서란 역률이 낮은 부하의 역률을 개선하는 방법으로 이용되는 콘덴서이며, 역률 개선용 콘덴서라고도 부른다. 진상콘덴서는 배전계통 전체의 역률 개선에 많은 기여를 해왔으나, 부하용량에 대해 과잉으로 설치되어 페란티 효과에 따른 적정전압 유지곤란 및 무효전류에 의한 배전선 손실 증가라고 하는 문제들이 표면화되기 시작했다. 이에 본고에서는 수전설비 용량에 따른 바람직한 진상 콘덴서 설비의 예, 진상 콘덴서 용량의 선정 및 역률 적정화를 위한 대책에 관해 알아본다.
번역·정리 김대근 기자 고압수전설비에 설치되는 진상 콘덴서(이하 SC라고 약칭)는 일반적으로 뒤진 역률인 부하에 대해 수전점에서의 역률을 개선시키는 것을 목적으로 설치되며, 배전계통 전체의 역률 개선에 크게 기여해왔다. 그러나 SC용량이 계약전력에 대해 과잉인 경우가 많은 점이나 경부하시에도 계속 접속된 채로 있는 경우가 많기 때문에 경부하 시에는 과잉의 앞선 전류를 발생시키고 있다. 그리고 현재에는 대부분의 고압수전설비에 SC가 설치되어 있기 때문에 과도한 앞선 전류에 의해 고압배전계통의 역률이 앞서게 됨으로써 아래와 같은 문제들이 표면화되고 있다. ① 고압배전계통에서 송전단 전압보다 수전단 전압이 상승하는 페란티 효과(Ferranti effect)에 의해 전압상승이 발생한다. 또 배전용 변전소의 변압기에서도 탭이 적정하게 동작하지 못 하는 상황이 발생하여 적정전압의 유지가곤란해진다. ② 고압배전계통 전체에서 무효전류가 증대하여 전력손실이 증가한다. 지금까지 전력회사는 특히 문제가 두드러지게 나타나는 배전용 변전소 뱅크 또는 고압배전계통에 대해 자동전압조정장치 및 분로 리액터 설치 등을 통해 국소적으로 대응을 해 왔다. 그러나 향후 정보화 사회의 진전과 더불어 전력품질 향상에 대한 사회적 요구 및 신에너지(태양광발전설비, 풍력발전설비 등)의 연계수 증가에 따른 역조류 발생 등이 예상되며, 향후 문제가 심각화될 우려가 있다. 이러한 상황에 입각하여 일본 (사)전기협동연구회에서는「배전계통 역률문제 대응 기술전문위원회」가 조직되어 △배전계통 및 고압수전설비의 역률 측정 △SC설비의 설계방법 및 시설상태 조사 △역률 적정화 대책의 검토 등이 이루어졌다. 그리고 그 결과가 전기협동연구 제66권 제1호「배전계통에서의 역률문제와 그 대응」으로서 발간되었다. 그 중에서 기술된 수전점과 부하의 역률, SC용량의 적정화 등에 관하여 그 개요를 소개한다. 배전계통의 역률 일본 전국에서 233회선의 배전선을 대상으로 고압배전계 통의 역률을 측정한 결과, 중부하 기간에서는 85%, 경부하 기간에서는 94%의 배전선의 평균역률이 앞서있음을 확인할 수 있었다.([그림 1, 2] 참조) 또 공업지역에서는 하루 중 앞선 역률의 배전선 비율이 중부하 기간에서 61%, 경부하 기간에서는 76%나 되는 등 시간대에 제한 없이 앞선 역률이 빈번하게 나타남을 확인하였다. 한편, 주상변압기에서 변압기 2차측의 역률을 측정한 결과, 저압배전계통의 역률은 전 기간을 통해 뒤져 있으며, 고압배전계통의 역률이 앞서 있는 원인은 고압수전설비에 있는 것으로 추정되었다.
고압수전설비의 역률 전국에서 100건의 고압수전설비를 대상으로 수전점 및 부하의 역률을 측정한 결과, 자동역률제어장치(이하, APFC로 약칭)를 설치하지 않은 고압수전설비에서는 수전점에서의 역률이 업종 및 계절에 관계없이 앞서 있는 경우가 많고, 그 평균치는 중부하 기간·가동일·주간에서 앞선 72%, 경부하 기간·비가동일·야간에서는 앞선 19%로 나타났다. 이에 대해 APFC를 설치한 고압수전설비에서는 수전점에서의 평균역률이 100%에 가깝고, 평균치는 중부하 기간·가동일·주간에서 앞선 95%, 경부하 기간·비가동일·야간에서 앞선 79%로 나타났다. ([그림 3. 4] 참조) 이러한 결과로부터 고압배전계통의 역률이 앞선 역률이 되는 원인은 APFC를 설치하지 않은 고압수전설비의 과다한 앞선 역률 때문임을 알 수 있었다. 또 부하의 역률을 파악하기 위해 변압기 2차측에서 역률을 측정한 결과, 부하가 가장 많이 가동되는 중부하 기간·가동일·주간에서 부하 전체 역률의 평균치는 산업용 고압수전설비에서 뒤진 88%, 업무용 고압수전설비에서 뒤진 95%로 예상을 뛰어넘어 역률이 개선되고 있음을 확인할 수 있었다.([표 1] 참조) 부하역률이 예상외로 개선되고 있는 이유로서는 부하기기의 인버터화 등을 들 수가 있다.
SC설비의 설계 및 설치 현황
고압수전설비에서 과잉의 앞선 역률이 되는 이유를 명확 하게 하기 위해 전국 64개의 설계회사(전기설비를 설계하는 회사)를 대상으로 한 SC의 설계 방법에 대한 앙케이트(설문조사) 및 전국 1000건의 고압수전설비를 대상으로 한 SC의 설치 현황에 관한 앙케이트 조사를 실시했다. 그 결과, 75%(48개사)의 설계회사에서 SC용량을 3상 변압기 용량의 3분의 1로 선정하는 방법을 사용한다는 것을 알 수 있었다. 또 실제로 설치되고 있는 SC의 용량도 3상 변압기 용량 대비 평균 38%이며, 대체로 3상 변압기 용량의 3분의 1 정도임을 확인할 수 있었다.([그림 5] 참조) 또한 3상 변압기 용량의 3분의 1이라는 것은 3상 변압기의 수요율을 100%로 간주하고, 역률이 뒤진 80%의 부하를 뒤진 95%로 개선시키기 위한 SC의 용량에 상당한다. 그러나 앞에서 기술한 대로 부하역률은 뒤진 80%보다 앞서 있으며, 또 수전설비의 가동 상태를 설문조사 결과의 수요율(=계약전력/설비용량)로 분석한 결과, 평균치는 51%였다.([그림 6] 참조) 그리하여 수요율을 51%로 하고, 뒤진 역률 88%의 부하를 100%로 개선하기 위해 필요한 SC 용량을 산출하면 3상 변압기 용량의 24%가 되며, 현상의 38%는 과잉이라는 사실을 알 수 있었다. 또 과잉 용량의 SC가 설치되어 있어도 APFC 등으로 SC의 용량을 부하변동에 따라 조정하면 고압수전설비의 수전점은 과잉의 앞선 역률이 되지는 않지만, APFC 등의 설치율은 9%로, 보급이 진전되고 있지 않은 실태가 확인되었다.
앞선 역률이 고압배전계통에 미치는 영향
역률의 측정을 실시한 배전선 중에 173회선의 배전선에 대한 자료들을 이용하여 앞선 역률이 고압배전계통에 미치는 영향을 평가했다. 그 결과, 약 3분의 2의 배전선에서 페란티 효과(Ferranti effect)가 발생하고 있음이 확인되었다. 또 어떤 전력회사의 배전용 변전소 뱅크 전 수량을 대상으로 전압조정의 실태를 조사한 결과, 약 7%의 배전용 변전소 뱅크에서 변압기 탭이 적정하게 동작하지 않음이 확인되었다. 이러한 결과로부터 앞선 역률이 원인으로 적정전압의 유지가 곤란해지고 있음이 분명하게 드러났다. 또 무효전류에 의한 전력손실량을 시뮬레이션으로 산출한 결과, 일본 전국의 배전계통에서 1361GWh/년의 전력손실(CO₂환산으로 50.8만t/년)이 발생하고 있음을 알 수 있었다. 이것은 배전계통 전(全) 손실에서의 약 10%를 차지하며, 39.3만 세대가 1년간 소비하는 전력량, 그리고 1104㎢(도쿄도의 약 절반)의 삼림이 1년간 흡수하는 CO₂의 양에 상당한다.
역률 적정화 대책 검증
역률 적정화 대책으로 들 수 있는 「SC용량의 절감 」,「APFC 제어」 및 「타이머 제어」에 대해 효과 검증을 실시했다.
고압배전계통에서의 검증 결과
<SC용량의 절감> ■ 전압상승의 억제 및 전력손실의 절감에 효과가 있다. ■ 전압 변동폭의 절감에는 효과가 없다.
<APFC 제어> ■ 전압상승의 억제, 전압 변동폭의 절감, 전력손실의 절감에 효과가 있다. ■ SC의 분할수를 늘리면 그 효과도 증가하지만, 4분할 정도에서 효과는 포화된다.
<타이머 제어> ■ 전압상승의 억제, 전력손실의 절감에 효과가 있다. ■ 전압 변동폭의 절감에는 효과가 없다.
고압수전설비에서의 검증 결과 <SC용량의 절감> ■ 무효전력 및 전력손실의 절감에 효과가 있다.
<APFC 제어> ■ 무효전력 및 전력손실의 절감에 효과가 있다. ■ 분할수를 늘리면 무효전력의 절감량도 증가하지만, 일정수에 이르면 효과가 포화된다.
■ 전력손실에 있어서는 분할수를 늘려도 절감효과가 없다.
<타이머 제어>
■ 전력손실의 절감에 있어서는 APFC 제어와 같은 정도의 효과가 있다. ■ 무효전력의 절감에 있어서는 APFC 제어와 같은 정도는 아니지만, 일정량의 효과가 있다.
역률 적정화를 위한 제언 검증결과를 토대로 SC설비의 설계에 대해 이하와 같이 제언한다.
SC의 자동제어 <제언> SC설비의 총 용량별로 [표 2]의 제어를 실시한다. 
SC용량의 선정<제언1> 기존에 많이 이용되어 왔던 ‘3상 변압기 용량의 3분의 1’로 하는 선정방법은 현재의 실태(부하역률, 수요율)에 맞지 않기 때문에 그러한 기준은 사용하지 않는다. <제언2> 부하의 역률을 상정하여 무효전력을 산출하고, SC용량의 설계를 실시한다. <제언3> 부하의 역률을 알 수 없는 경우는 조사연구에서의 측정결과([표 1]의 값)를 이용한다.
수전설비용량에 따른 바람직한 SC설비의 예
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본래 SC는 역률을 적정하게 유지하기 위하여 설치되는 것이었으나, 현재의 부하용량에 대해 과잉으로 설치되어 페란티 효과에 따른 적정전압 유지의 곤란 및 무효전류에 의한 배전선 손실 증가라고 하는 문제들이 표면화되고 있다. 고압수전설비에 종사하고 계신 많은 분들이 이번 소개한 내용에 대해 보다 면밀히 이해하여 고압수전설비의 신설 및 갱신 시 APFC에 의한 SC의 자동제어 및 부하에 따른 SC용량의 산정 검토에 작게나마 도움이 되길 바란다. <Energy News>
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