본고는 건축전기설비의 설계 시 「자동 역률 조정」에 관한 유의사항을 정리한 것이다. 「자동 역률 조정」은 역률을 개선하는 것을 목적으로 계획되는데, 전력회사의 배전망에 대한 영향도 고려해야 하기 때문에 건물 내의 전기설비만을 취급하는 것이 아닌, 전력회사 측 배전망과의 관계에 대해서도 충분히 검토할 필요가 있다. 즉, 양쪽의 균형이 적절하게 이루어진 설계를 실현하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 본고에서는 처음에 「자동 역률 조정」에 대한 개요를 서술하고, 다음으로 그 목적 및 효과를 정리해 마지막에 설계 시 유의사항에 대해 기술한다.
번역·정리 김대근 기자
자동 역률 조정이란
「자동 역률 조정」이란 말 그대로 「자동」으로 「역률을 조정한다」라는 의미이지만, 구체적으로는 「역률 개선을 목적으로 진상 콘덴서를 전원계통에 투입하거나 분리하는 것」을 말한다. 이 일련의 제어를 실행하는 장치가「자동역률 제어장치」(Automatic Power Factor Controller)이며,「APFC」 및 디바이스 번호(장치 번호)「55」로 표시된다. 기능적으로는 진상 콘덴서와 조합하여 사용된다.「자동」으로 역률을 조정하는 방법으로는 이 외에 타이머에 의한 방법이 있다. 건물의 전력 부하 패턴을 토대로 전력 부하가 큰 시간대에만 진상 콘덴서를 투입하고, 부하가 적어지는 시간대에는 분리하는 제어를 실행하는 방법이다. 이 방법은 실제 역률을 계측하여 제어를 하는 것이 아니기 때문에 전력 부하 패턴에 예상치 못한 상황이 발생하면 역률 개선 효과가 떨어지게 된다. 또「자동」이 아닌,「수동」에 의한 방법도 생각해볼 수 있으나, 최근에는 거의 채용되고 있지 않다. 역률 개선을 위해 진상 콘덴서는 설치하나, 투입 및 분리를 실행하는 장치를 설치하지 않고, 통상 투입만 하는 설비도 있다. 이것은 진상 콘덴서를 설치하여 역률을 개선하고자 하는 의도는 있지만, 건물 측의 전력부하 패턴에 관계없이 전원계통에 일정량의 진상 콘덴서가 계속 접속된 상태가 되어 그 결과, 전력회사의 배전망에 큰 영향을 미치게 된다.
자동 역률 조정의 목적과 효과
자동 역률 조정의 목적
자동 역률 조정의 목적은 앞에서도 설명했듯이「역률을 개선」하는 것이다. 이「역률 개선」이란 어떠한 것을 가리키고 있는 것인지에 대해 전기설비학회의「전기설비용어 사전」에서는 다음 아래와 같이 설명을 하고 있다.
역률개선 Power Factor Improvement
전동기 등 리액턴스 부하의 어떤 회로에서 뒤진(지상遲相) 무효전력을 병렬로 연결한 콘덴서의 앞선(진상進相) 무효전력에 의해 상쇄시켜 피상전력을 줄이는 것, 역률을 1에 접근시켜 선로의 전력손실 및 전압강하를 경감시킬 수 있다.
「역률을 개선한다」는 것은 「역률을 1에 접근시킨다」는 것이며, 무효전력을 최대한 작게 하는 것이다. 원래 무효전력이 발생하지 않는 부하(예를 들어 전기히터)에는 이러한 대응이 필요 없지만, 다른 수많은 전기설비·전기기기는 리액턴스를 가지고 있기 때문에 전원계통의 역률 개선은 매우 중요하다.
자동 역률 조정의 효과
자동 역률 조정의 효과는「역률을 개선」함으로써「전력손실」 및 「전압강하」를 경감할 수 있다는 점이다. 배전설비의 역률이 1에 접근하면 전력손실도 전압강하도 경감시킬 수 있기 때문에 예를 들면 배선 사이즈를 작게 할 수 있거나, 전원설비에서 먼 부하로의 전력공급이 용이해진다는 효과가 있다. (본고에서 대상으로 하는 전원설비는 고압(6.6kV)에서의 수전설비를 상정한 것이다) 현재, 전력회사의 공급규정에서는 역률 개선에 따라 전력요금의 할인 혜택을 받는 것이 가능하다. 이것은 전력회사 측 배전설비에서의 전력손실 경감에 협조하고 있는 것으로 평가되기 때문이다.
자동 역률 조정의 설계
자동 역률 조정의 설계에 대해
자동 역률 조정을 설계하는 경우의 일반적인 순서는 다음 아래와 같다.
(APFC에 의한 제어의 경우)
① 목표 역률을 결정한다.
② 목표 역률을 위해 필요한 진상 콘덴서의 용량을 산출한다.
③ 진상 콘덴서의 위치(고압측인지, 저압측인지)를 결정한다.
④ 진상 콘덴서의 단기 용량(1대의 용량)과 수를 결정한다.
이 중에서 중요한 것은 진상 콘덴서 용량과 그 단기 용량의 산정이다. 기존에 이미 전기설비가 있어서 그 역률 및 운전방법을 알고 있는 경우는 그것을 기초로 결정할 수가 있지만, 신축 건물의 경우는 기초가 되는 데이터를 상정하지 않으면 안 된다.‘ 이 용도의 건물이라면 이 정도의 전기설비가 있어야 하고, 그 몇 퍼센트가 리액턴스를 가지는 부하이며, 개선 전의 역률은 어느 정도이며, 운전시간은 어느 정도 소요된다’라고 하는 구체적인 내용을 상정을 할 필요가 있다. 이것은 어디까지나 상정하는 것이기 때문에 실제와 어긋나게 되는 것은 불가피한 일이지만, 이 상정이 크게 달라져 버리면 건물 준공 후의 역률 개선에 영향을 미치게 된다. 그 의미에서 실제로 건물이 준공된 이후에 진상 콘덴서의 용량 및 제어방법을 재검토하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
콘덴서 용량의 결정 시 자주 사용되는 방법에 3상 부하(또
는 3상 변압기) 용량 합계의 1/3의 용량이라고 하는 방법이 있다. 어디까지나 개산치(槪算値)를 산출하는 방법이지만, 최근 전기설비의 진보(개발) 및 설비의 형태 등을 고려하면 이 방법에서의 용량 산출은 큰 수치가 나오는 경우가 많은 것으로 보인다. 이 방법에 의해 산출된 용량에 대해서는 어디까지나 개산치로 취급해야 한다.
자동 역률 조정의 설계 예
① 저압 콘덴서의 예
저압측에 콘덴서를 설치하여 자동 역률 조정을 실시한 예를 [그림 1]에 나타냈다. 저압측에 콘덴서를 설치하는 경우는 원칙적으로 변압기 2차측에 APFC를 설치해 콘덴서를 제어한다. 부하와 보다 가까운 곳에서 역률을 조정할 수 있다는 장점이 있지만, 규모가 커지면 제어가 복잡해지고, 수전점에서의 역률을 어떻게 보상할지에 대한 검토가 필요하다. 비교적 규모가 작은 경우에 적합한 방법이다.
② 고압 콘덴서의 예
고압측에 콘덴서를 설치하여 자동 역률 조정을 실시한 예를 [그림 2]에 나타냈다. 고압측에 콘덴서를 설치하는 경우는 APFC를 수전점에 설치해 콘덴서를 제어한다. 수전점에서의 역률 제어가 되기 때문에 전력회사의 요금할인 제도의 대상이 되는 역률을 조절할 수 있다. 단, 건물 내의 부하로부터는 먼 곳에서의 제어가 되므로 실제 건물 내 부하의 전력손실 및 전압강하의 경감에 대해서는 그다지 유효하지 않다. 이와 관련해서는 별도 부하측에서의 대응이 필요하다.
자동 역률 조정의 설계상 유의사항
제어의 중요성
자동 역률 조정에서 가장 중요한 사항은 진상 콘덴서를「제어」하는 것이다. 역률 1의 완전한 제어가 가능하면, 가장 좋은 효율로 전력을 공급할 수 있다. 그러나 실제로는 역률 1을 목표로 제어를 해도 1 이하가 되거나 1을 초과하게 된다. 이 제어폭을 가능한 한 1에 접근시켜 낭비가 없는 역률 제어를 하는 것이 중요하다. 구체적인 방법으로서는 자동 역률 조정 장치를 설치하는 것이지만, 진상 콘덴서의 용량 및 대수와 밀접한 관계가 있기 때문에 전체적으로 일관성 있게 설계할 필요가 있다. 진상 콘덴서의 제어에 대한 이미지를 [그림 3]에 나타냈다. 자동 역률 조정 장치에 의한 진상 콘덴서의 투입은 부하변동에 민감하게 반응하여 헌팅(난조)을 발생시키지 않도록 할 필요가 있다. 또, 같은 진상 콘덴서의 투입만으로 기기 열화가 일방적으로 진행되지 않도록 하기 위해 로테이션 방식의 진상 콘덴서의 투입도 고려할 필요가 있다.
진상 콘덴서의 용량
건물 측의 부하는 늘 변동하고 있기 때문에 이에 따라 역률도 늘 변동한다. 여기에 적절하게 대응을 하기 위해서는 진상 콘덴서 전체의 용량이 적절해야함은 물론, 진상 콘덴서 단기의 용량도 적절해야 한다. 앞으로 10Kvar만 있으면 역률이 1이 되는 상황에서 진상 콘덴서의 단기 용량이 100Kvar라고 한다면 그 1대를 투입함으로써 전체 역률이 앞선 역률이 되어 버린다. 역률이 진상이 되면 그 계통의 전압이 상승하여 전기설비 및 전기기기가 과전압 상태가 되어버릴 가능성이 있다. 예를 들어 300Kvar의 진상 콘덴서 용량이 필요한 경우, 진상 콘덴서의 대수를 3대라고 할 때, 아래의 2가지 케이스를 생각해보자.
① 100Kvar×3대…이 경우의 진상 콘덴서 용량의 변화는
100Kvar별로 0·100·200·300Kvar의 4가지가 된다.
② 50·100·150Kvar 각각 1대…이 경우의 진상 콘덴서 용량의 변화는 50Kvar별로 0·50·100·150·200·250·300Kvar의 7가지가 된다.
이와 같이 진상 콘덴서의 전체 용량을 바꾸지 않고, 단기 용량만 바꿈으로써 보다 세밀한 제어가 가능해진다. 진상 콘덴서의 용량에 대해서는 앞서 설명한 3상 부하 용량의 1/3 용량이라고 하는 방법이 상당히 많은 케이스에서 사용되고 있다. 이 방법은 근거가 되는 계산이 존재하지만, 그 전제가 되는 부하율 및 기초가 되는 역률의 수치 등이 현재의 일반적인 건물과는 꽤 상이하다. 최근의 일부 연구에서는 3상 부하 용량의 1/4~1/5 정도의 용량에서도 역률 개선이 충분히 가능한 것으로 나타났다. 역률개선을 위한 진상 콘덴서의 보다 세밀한 제어를 위해서는 부하의 변동에 맞출 수 있도록 진상 콘덴서의 단기 용량의 결정에도 충분한 검토가 필요하다.
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심야의 전력회사 배전망에서 역률이 진상이 되어 전압이 상승하는 현상이 문제가 된 지 꽤 많은 시간이 흘렀다. 진상 콘덴서의 용량이 과대하다는 지적이 곳곳에서 나오고 있지만, 본질적으로는 부하의 변동에 관계없이 진상 콘덴서가 상시 투입되고 있는 것이 문제이며, 이것을 해결하지 않고서는 진상 콘덴서의 용량을 작게 한다 해도 문제는 해결되지 않는다. 과대한 용량의 진상 콘덴서라도 계통에서 분리되어 있으면 전력 배전망에 있어 큰 문제가 되지 않기 때문이다.「역률이 진상」이 되는 현상의 문제 해결에는 진상 콘덴서를「제어하는」것이 중요한 포인트라고 할 수 있다.
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