[진상콘덴서의 역할 및 설치] 진상콘덴서 설치

개요

진상(進相)콘덴서란 문자 그대로 '콘덴서를 사용해 상(相)을 전진(進)시키는 설비'를 뜻한다. 그런데 진상콘덴서를 왜 전기설비에 설치하는 것일까?
일반적으로 알려져 있는 바로는 역률을 개선하기 위해서지만 상을 전진시키는 것과 역률 개선에는 어떤 관계가 있을까? 또 역률을 개선하면 어떤 이점이 있을까? 진상콘덴서의 최종 설치 목적은 '무효전력 저감'과 '고조파 전류 흡수'가 되겠지만 본고에서는 이러한 질문 순서에 따라 설명하고자 한다.

무효전력

진상콘덴서의 설치 목적 중 하나가 '무효전력 저감'이므로 여기서는 먼저 무효전력에 대해 간단히 언급한다. 일반 전기기기는 전력회사로부터 받은 전력(피상전력)을 100% 유효하게 사용하지 않고 수 %의 전력을 그대로 돌려보내고 있다. 이를 무효전력이라고 부르며, 실제로 아무 일에도 쓰이지 않았기 때문에 전기 사용요금에는 부과되지 않는다.
하지만 일단 전기기기까지 보내져 온 것이기 때문에 운송비(여분의 설비 투자나 전력 손실 등)가 발생하며, 수요가까지의 운송비는 전력회사 부담이지만 수요가 구내의 운송비는 수요가가 부담하고 있다. 따라서 이러한 불필요한 운송비를 절약하기 위해서는 무효전력을 줄이는 것이 중요하다.

진상 · 지상이란

서두에서 콘덴서를 사용해 상을 전진시킨다고 했지만 이와 반대로 일반 전기설비에는 모터 등 상이 늦는 기기가 많다. 상이 늦다고 하는 것은 <그림 1>과 같이 전압파형에 대해 전류파형이 뒤쳐진 상태를 가리키며 이러한 경우를 '지상(遲相)', 반대로 전압파형에 대해 전류파형이 앞서는 경우를 '진상(進相)'이라고 부른다.
<그림 2>와 같이 앞서 있는 전압과 전류의 상 사이의 차이를 단축시키는 것이 진상콘덴서의 역할이다. 그렇다면 왜 전압에 전류의 상을 접근시켜야 할까?

역률 개선

실은 <그림 3>과 같이 전압과 전류의 차이(위상차)가 무효전력의 크기를 나타내며, 전압에 전류의상을 가까이 하면 할수록 무효전력은 적어진다. 또한 전압과 전류의 차이를 각도로 나타낸 것이 역률각이며, 역률계는 이 각도를 나타낸다. 역률계에서는 전압과 전류의 위상차가 0일 때 역률 1.0으로 표시된다. 역률이 1.0일 때 무효전력 0이라는 이상적인 상태가 되며 '전류의 상을 전진시킨다 ⇒ 무효전력이 감소한다 ⇒ 역률이 개선된다'가 되는 것이다. 덧붙여 역률은 유효전력/피상전력으로 구할 수 있다.

역률 개선의 이점

역률을 개선했을 때의 이점으로 첫째는 앞에서도 서술한대로 운송비 삭감을 들 수 있다. 예를 들어 부하용량이 1,000㎾인 수요가에서 역률이 1.0인 경우 주 변압기의 용량은 1,000㎾ ÷ 1.0 = 1,000㎸A가 되지만, 역률이 0.8인 경우에는 1,000㎾ ÷ 0.8 = 1,250㎸A가 돼 설비 투자에 여분이 들게 된다(주 변압기의 용량 계산에서 부하율 등은 모두 무시했다).
또한 전력 손실도 전류의 2승에 비례하기 때문에 계산하면 역률이 0.8인 쪽이 역률 1.0보다 약 1.56배 전력 손실이 증가한다.
또 다른 이점은 전기요금의 할인이다. 이는 앞서말한 전력회사 부담의 운송비와 관련이 있는 것으로, 전력회사로서도 운송비는 삭감하고 싶은 대상이지만 각 수요가의 역률에 따라 크게 좌우된다. 그래서 역률을 개선한 수요가에 대해서는 전기요금을 할인해 주고 있다. 일반적인 전기요금은 기본요금+전력량 요금이며, 기본요금의 계산식은 다음과 같다.

즉, 역률이 85%라면 할인 대상이 아니지만 역률이 90%라면 기본요금에서 5%가 할인이 된다. 반대로 역률이 80%인 경우에는 기본요금에 5%의 할증요금이 가산된다. 또한 기본요금의 계산식은 지상역률일 때에 사용되며, 진상역률의 경우에는 역률 100%로 계산하기 때문에 수요가에서는 역률 100%를 목표로 유지해야 하며, 조금 앞선 방향으로 가는 것도 괜찮다. 다만 지나치게 앞서면 수요가 내의 전압이 상승해 기기에 악영향을 초래하므로 실제로는 지상 98%~진상 98% 정도로 관리하는 수요가가 대부분이다.

진상콘덴서의 설치 위치

두 가지 이점 가운데 어느 것을 주안점으로 두느냐에 따라 진상콘덴서의 설치 위치가 바뀌게 된다.
<그림 4>의 ⒜와 같이 콘덴서가 없을 경우 무효전력은 그대로 전력회사로 돌아가지만, <그림 4>의 ⒝, ⒞와 같이 진상콘덴서를 설치하면 부하의 지상역률과 콘덴서의 진상역률이 같을 경우 서로 상쇄해 전력회사로 돌아가는 무효전력이 없어진다. 이때 콘덴서를 저압에 설치한 ⒝의 경우와 고압에 설치한 ⒞의 경우를 살펴보면, 변압기의 손실분만큼 ⒝쪽이 훨씬 경제적이라고 할 수 있다.
이는 변압기로부터 2차 측 케이블에 의한 전력 손실에 대해서도 같으며, 결국 지상역률의 발생원인부하 바로 근처에 콘덴서를 설치하는 것이 가장 바람직하다는 결론에 이른다. 단, 이는 부하가 하나일 때의 이야기다. 기기가 여러 대 있을 때 각각의 기기마다 콘덴서를 설치하게 되면 비용이 증가하는 것은 물론, 설치 공간을 확보하는 데도 어려움이 따른다. 이것은 ⒝, ⒞에 대해서도 마찬가지로 변압기가 1대라면 ⒝가 단연 경제적이겠지만, 변압기가 여러대일 경우에는 반드시 ⒝가 유리하다고 할 수 없다.
또한 ⒝의 방법이라면 변압기의 여자전류에 의한 지상 분을 상쇄하는 것을 어렵기 때문에 소규모의 전기설비를 제외하고는 대부분 고압 측에 콘덴서가 설치되어 있다. 최근에는 두 가지 이점 모두를 살리기 위해 고압 · 저압 양쪽에 콘덴서를 적당히 설치하는 경우가 늘고 있다.

진상콘덴서의 설치 대수

콘덴서 설치 대수는 부하에 대해 자세히 모를 경우 일반적으로 3상 변압기 용량의 1/3 용량의 콘덴서 설비를 설치하는 것이 보통이지만, 1/3 용량의 콘덴서 1대를 설치하면 된다는 것은 아니다. 하루 중 부하 운전 상태는 수시로 변화하며, 이에 따라 무효전력도 변화한다. 즉, 무효전력을 0에 가깝도록 하기 위해서 필요한 콘덴서 용량도 바뀌어야 한다.
그래서 1/3 용량을 더욱 세분화 해 부하 운전 상태에 맞춰 단계적으로 투입하고, 역률을 항상 이상적인 상태로 유지하도록 하는 방법이 채용된다. 이때 자동으로 콘덴서의 ON/OFF를 제어하는 것을 자동 역률 제어기라고 한다. 그러나 모든 전기설비에 자동 역률 조정기가 장비돼 있는 것은 아니며, 소규모 설비에서는 콘덴서 자체가 1대로 투입된 경우도 자주 있다. 이 경우 야간 등에는 설비가 경부하가 되므로 콘덴서가 투입된 채라면 역률이 지나치게 앞서기 때문에 주의가 필요하다. 이와 같이 야간에 경부하가 되는 것은 미리 알고 있다면 타이머 제어로 야간에만 콘덴서를 개방하는 운영 방법도 있다.

고조파 흡수

여기서는 고조파 흡수를 목적으로 진상콘덴서를 설치하는 경우에 대해 이야기하고자 한다. 흔히 진상콘덴서는 고조파에 의한 공진 등을 방지하기 위해 리액터를 직렬로 삽입하지만 이로 인해 특정 차수의 고조파에 대해 상당한 저임피던스가 되는 경우가 있다. 예를 들어 콘덴서 용량에 대해 6% 용량의 리액터를 삽입하면 제5고조파에 대한 임피던스가 낮아지게 된다(계산상 제4고조파 근처가 0Ω이 된다). 따라서 6% 리액터를 삽입한 진상콘덴서에는 제5고조파 전류가 흘러 들어가기 쉬우며, 이 성질을 역으로 취하는 경우가 있다. 일반적으로 일정규모 이상의 수요가에서는 구내에서 발생하는 고조파 전류가 전원계통 측에 유출되는 것을 억제해야 하며 계약전력량에 비례한 유출 상한치가 고조파 억제 대책 지침에 규정되어 있다. 이때 자가용 전기설비로부터의 유출량 상한치를 넘기는 것이 제5고조파 전류일 경우 진상콘덴서로 흡수시켜 규정치를 통과할 수 있다. 이것이 진상콘덴서를 설치하는 두번째 목적이다. 다만 고조파 흡수만을 목적으로 설치할 경우에는 진상콘덴서라고 하지 않고 패시브필터라고 부른다. 엄밀히 말해 패시브 필터는 역률개선을 위한 기기가 아니라 고조파 흡수를 위해 제작된 것으로, 세부적으로는 진상콘덴서 설비와는 약간 다르지만 근본적인 구성은 동일하다. 또한 패시브 필터는 리액터 용량의 비율에 따라 흡수할 수 있는 차수에 차이가 있기 때문에 차수마다 전용 패시브 필터가 제작되고 있다.

마무리

최근 전기기기는 일진월보(日進月步) 하고 있으며, 고효율 제품이 나오고 있다. 또한 정보기기 중에서는 진상역률 제품도 많으며, 역률 개선의 방식도 조금씩 바뀌고 있다. 자가용 전기설비를 리뉴얼 할 때는 경제적인 설비가 되도록 콘덴서 설비에 대해서도 충분한 검토를 해야 한다.