[진상콘덴서의 역할 및 설치] 고압 진상콘덴서의 고조파 제어 대책

개요

고압 진상콘덴서는 수전부하의 역률을 개선하고 변전소 및 수전소의 전압을 적절히 하는 동시에 역률 할인료 등의 측면에서 이용되고 있다. 한편, 이 고압 진상콘덴서는 전력계통 고조파를 확대시키는 전기적 특성이 있기 때문에 이에 대한 대책으로 '진상콘덴서에 직렬 리액터를 설치하는 방법(흔히 L설치라고 한다)'이 적용되고 있다. 여기서는 이와 관련해 전력계통 고조파의 실상, 고조파 억제 대책의 개요, 직렬 리액터에 관한 고조파 억제책, 실무상의 유의사항 등에 대해 설명하고자 한다.

전력계통 고조파의 실상

1. 전력계통 고조파의 실측 예
<그림 1>은 전력계통에서의 고조파 분포 상황에 대해 지금도 자주 이용되고 있는 실측 예를 나타낸 것이다. 이 고조파 실측은 20년도 전에 일본전기협동연구회(이하, 전협연)의 고조파대책전문위원회안에서 참가한 전체 전력이 거의 동일한 시기에 일어난 귀중한 것으로서 현재도 전력계통 고조파의 실상 설명에 사용되고 있다(전협연 제46권 제2호 발췌).
4일간의 측정 기간 동안 전압 계급에 관계없이 대체로 같은 크기를 보였으며, 1일 단위로 살펴봐도 동일한 변화를 반복하고 있다. 여기서는 종합 전압왜형률만 나타냈으며, 제5차 왜형률이 가장 크고 계속해서 제7차와 제3차로 이어진다.

2. 고조파 환경 목표 수준 고찰
<그림 2>는 당시 전협연의 검토 중에 제시된 '고조파 허용 수준에 관한 기본적 고찰'의 일부를 나타낸 것이다. 즉, 고조파 발생 분포(발생 측)와 감수성분포(트러블 등의 영향을 받는 측)를 이용해 고조파 허용 수준(고조파 환경 목표 수준)을 설정하고자 하는 의견이 제기됐다.
구체적으로는 <그림 1>의 실측 결과와 장해 실황, 경제성 등을 종합적으로 감안해 특별고압계통에서는 3%(종합 전압 왜형률), 고압 배전계통에서는 5%(종합 전압 왜형률)를 고조파 환경 목표 수준으로 정했다. 이 수치는 당시보다 이미 수년 전(지금으로부터 약 30년 전)에 대략적인 표준으로서 이용되고 있던 값이어서 큰 반대 없이 받아들여졌다.
그 후 동향에 대해 조금 보충 설명을 하면, 이 환경 목표 수준을 장기간에 걸쳐 지켜나갈 수 있도록 ▲ 발생 원칙 대책 ▲ 영향을 받는 측의 대책 ▲ 트러블 발생 시나 기술면에서의 상호 협력 등 이른바 고조파 대책의 기본적이고 구체적인 구상들이 제기돼 현재의 고조파 대책으로 이어졌다. 이번 주제이기도 한 '고압 진상콘덴서의 직렬 리액터'의 고조파억제 대책에 대해서도 논의가 이루어졌으며, 그 결과를 바탕으로 '직렬 리액터 용량 및 고조파 내량'의 방향성이 제시됐다. 구체적인 수치 및 대응은 일본전기협회를 중심으로 한 연구를 통해 가이드라인의 통달(1994년 10월), 지침 제정(1995년 10월)등으로 이어졌으며, 직렬 리액터류에 대해서는 1998~2000년에 걸쳐 규격 개정이 이루어졌다.
한편, 가이드라인의 경우 '가전 · 범용품 관계'가 JIS화 되고 '고압 혹은 특별고압 수요가'로 범위를 좁힌 가이드라인이 마련됐다(2004년 1월 제정, 원자력안전 · 보안원).
실무에 적용되고 있는 고압 수전설비 규정은 JEAC8011-2008로서, 조금씩 수정을 거듭해 오늘에 이르고 있다.

고조파 억제 대책의 개요

1. 전체적인 흐름
<그림 3>에 고조파 발생에서부터 대책 강구에 이르기까지를 다음과 같은 순서로 간단히 나타냈다.

① 고조파 발생원(TV 등의 가전 범용품, 6상 정류기의 고조파 전류 등)
   ※ 참고 : 고조파 전류는 일반 발전기나 R, L, C(선형) 회로에서는 발생하지 않고 다이오드나 트랜지스터 등 비선형 회로에서 발생한다.
② 이들 고조파의 함유율(예를 들어 TV는 제5고조파 전류로 보고 기본파의 60% 정도, 6상 정류기는 같은 제5고조파로 보고 기본파의 20% 정도)
③ 전력계통의 발생 상황(제5차 고조파가 대부분이며 다음으로 제7차 및 제3차 등)
④ 대책 강구

이처럼 발생원에는 많은 고조파 차수가 존재한다.
그러나 전력계통에서 보면 제5차가 대부분을 차지하는데, 그 이유는 제3차는 66㎸/6㎸ 변압기 등의 3차 권선(△ 회로)에 환류하며 제7차보다 높은 차수는 주변의 정전용량(C)에 흡수되기 때문인 것으로 설명된다.
대책 강구는 다음과 같이 요약할 수 있다.

① 고조파 환경 목표 수준은 특고계통 3%(종합), 배전계통 5%(종합)로 한다.
② 장기적으로 이 환경 수준을 넘지 않도록 고조파 전류의 발생을 억제한다.
③ 구체적으로 가전 · 범용품은 생산 단계에서 약 25%를 목표로 삭감한다. 특별 · 고압 배전계통의 특정 수요가에 대해서는 신 · 증설의 단계에서 약 50%로 개별 실시한다.
④ 영향을 받는 기기의 고조파 내량은 환경 목표 수준이상으로 한다.

고압 진상콘덴서에는 직렬 리액터를 설치하며(용량 6%로 고조파 전압을 억제하는 방향으로 한다), 고조파 내량도 환경 목표 수준 이상으로 한다(구체적으로는 제5차에 대한 내량을 35% → 55%로 향상). 이 용량 6%와 내량 55%가 중요한 숫자이다.

2. 고조파 트러블 개요
고조파 전압 · 전류에 의한 트러블은 여러 가지를 들 수 있다. 발생 건수를 살펴보면 일반 전력계통에서 고압 진상콘덴서 자체와 그 직렬 리액터에 관한 것이 압도적으로 많다. 물론 위에서 논한 것처럼 여러 대책이 강구돼 '트러블 발생 건수'나 '(원인불명이나 대책을 둘러싼) 트러블 발생 시의 혼란'등은 감소 경향에 있다.
그러나 한편으로는 고조파 현상으로 오인한 전기적 현상이 증대하고 있어 고조파에 관한 지식 및 트러블에 대한 대응력 필요성이 오히려 강조되고 있다.
아래에는 고조파 등 여러 가지 전기 현상의 영향을 받기 쉬운 기기 · 장치에 대해 간단히 열거해 두었다. 소위 고조파에 기인하는 것으로 보이는 트러블이 사실은 다른 종류의 것인 경우도 있다.

① 고조파 전류에 의한 열적 장해
   - 진상콘덴서 및 그 직렬 리액터의 과열, 이음(굋音), 소손 등
② 보호계전기의 오동작 등
   - 정지형 보호계전기, 배전용 차단기, 누전차단기 등의 오동작
③ 효율 저하, 수명 저하, 손실의 증가
   - 변압기의 철손 · 동손 증가와 수명 저하, 유도기 · 동기기의 효율 저하 등
④ 파형의 왜형에 의한 영향
   - 계기 면으로의 영향, 위상 제어를 하는 제어회로의 오동작 등

직렬 리액터에 관한 고조파 제어

1. 직렬 리액터에 장해가 일어나기 쉬운 이유
<그림 4>는 L 설치 콘덴서의 계산 예를 나타낸 것으로, 이를 참고로 장해가 많은 이유를 몇 개 열거하면 다음과 같다.

① 전체적으로 L이 없는 콘센트가 많다.
② 부하가 적어지는(R의 옴 값이 큼) 한편, L이 없는 콘덴서의 개방이 적어(C가 많음) 조건에 따라서는 5차 전압이 확대되기 쉬워진다.
③ 이러한 가운데 근소한 양의 L 설치 콘덴서가 들어오면 L의 내량이 낮은 경우 장해가 발생하기 쉽다(옛날 타입의 내량은 V₅가 3.5% 상당이기 때문에 영향을 받기 쉽지만, 새로운 타입은 V₅가 5.5% 상당으로 실제 손해가 없다).

2. 직렬 리액터에 관한 규격 개정 개요
규격 개정의 동향을 간단히 소개한다.

① JIS C 4620 큐피클식 고압 수전설비(1998년 3월)
   - 직렬 리액터 설치를 원칙으로 한다(L 설치로 고조파 전압 자체를 저하).
② JIS C 4902 고압 및 특별고압 진상용 콘덴서와 부속기기(1998년 3월)
   - 고압 배전계통에 직렬 접속하는 설비를 高내량 사양으로 표준화
    · 제5차 고조파 전류 함유율 55% 이내(舊35% 이내)
③ JIS C 4901 저압 진상콘덴서(2000년 7월)
   - 위 ②와 동일하게 취급
④ 가이드라인 등의 동향은 앞에서 논한 대로이며 생략한다.

* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

<표 1>은 직렬 리액터의 종별과 고조파 내량에 대한 것이다. 지금까지의 기술에서 알 수 있듯이 리액터 6%(허용전류 종별 Ⅰ)는 개정 전의 것이며, 리액터 6%(허용전류 종별 Ⅱ)는 개정 후의 것이다.
6%[참고]와 13%[참고]는 문자 그대로 참고로서 나타냈다(국지적인 대응으로 취급한 예가 있음).

실무상의 유의사항

<그림 5>에 트러블 사례를 나타냈다.
자세한 설명은 생략했지만 저압 측에 진상콘덴서(50㎸A, L 없음)를 증설했을 때 <그림 5>와 같이 제7차 고조파 흡수가 쉬워졌음을 알 수 있다(<그림 5>에 나타난 대로 50㎸A 기준으로 환산하고 차수를 바꿔가며 확인함으로써 산출할 수 있다).

마무리

지금까지 고압 진상콘덴서와 직렬 리액터의 고조파 억제 대책에 주력해 설명했다. 최근에는 인버터기기의 광범위한 활용과 변압기 여자 돌입전류(Inrush Current)의 증대, 분산형 전원의 진전 등으로 고조파 문제는 한층 복잡해졌다. 지면 관계상 충분한 설명이 이루어지지 못했지만 조금이라도 도움이 되길 바란다.