전기이중층 커패시터식 무정전 전원장치의 개발

이 원고는 일본 《電氣平論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 전기이중층 커패시터식 무정전전원장치의 개발 순시저하에서 비롯되는 공장설비 메인터넌스 프리·저운전 비용을 추구하는 신형장치 개발 배경 최근 고도정보화 사회의 진전에 따른 IT 관련 기기의 폭발적인 보급과 반도체, 정밀기기 등의 고품질, 고부가가치 제품을 생산하는 공장의 증가와 함께 고객의 순간적 전압저하(이하 순저라고 함)이나 단시간 정전 대책의 필요성이 높아져 가고 있다. 그러나 순저의 일반적인 대책방법으로 도입되고 있는 무정전전원장치나 순저보상장치는 축전부에 납축전지나 전해콘덴서를 사용하고 있어 정기적인 보수점검이나 전지교환(1회/5년 정도)을 요구하고, 축전시의 처리가 필요하거나 보상시간이 짧아(0.1초정도) 순간단전·정전 등 송전이 정지되는 조건에서는 보상불가능 등의 과제가 있다. 이번에 개발한 무정전전원장치는 축전부용에 대용량의 전기이중층 커패시터를 개발한 것으로 순저에서 단시간 정전(2초∼60초)까지의 보상을 가능하게 하고 축전부 메인터넌스프리를 실현시킨 것으로 기존 장치의 과제를 근본적으로 해결했다. 본 장치는 200V 저압 무정전전원장치(저압기)1), 2) 로 이미 2004년 4월부터 용량 50∼120kVA, 2초 보상의 순저보상타입과 60초 보상의 정전보상타입을 공동개발회사에서 판매, 개시했다. 또한 6600V, 용량 500∼2000kVA의 고압 대용량 순저보상장치(고압기)3)에 대해서도 현재 실시중인 고객의 공장에서의 필드시험을 거쳐 2005년 5월에 수주를 개시했다. 전기이중층 커패시터란

커패시터의 축전할 수 있는 능력(정전용량)은 그 전극간 거리에 반비례하고, 전극표면적에 정비례해 증가하는 특징을 갖고 있다. <그림1>에 나타낸 것처럼 전해액 안에 전극을 넣으면 양전극의 표면에 전기이중층이라고 불리는 전해액의 분자가 늘어선 매우 얇은 층이 형성된다. 전기이중층 커패시터는 이 얇은 층을 전극간 절연물로 사용하는 것으로 전극간 거리를 수십 nm로 매우 작게 해 전극에 다공질의 활성탄을 이용해서 전극표면적도 수천㎡/g로 매우 크게 한 것으로 기존의 전해콘덴서의 약 100배의 전기에너지를 축적할 수 있다. 전기이중층 커패시터는 납축전지와 같은 화학반응을 따르지 않고 콘덴서와 같도록 전하의 흡착·이탈로 충방전을 하기 때문에, 반복 충방전에 따른 열화가 매우 적고 15년 이상 메인터넌스나 교환이 불필요한 우수한 특징을 갖고 있다. 또 주요 구성 재료는 활성탄과 유기계 전해액으로 환경에 유해한 중금속 등을 일절 사용하지 않아서 지구환경오염에 부하가 적고 폐기 시 회수처리도 불필요하다. 장치개발 개요 1. 장치 설계 개념 앞에 서술한 바와 같이 전기이중층 커패시터의 우수한 특징을 살려 메인터넌스프리로 저운전비용 장치를 실현할 수 있도록 이하의 설계개념에 기초를 두고 개발을 했다. ·각각의 설비단위로 보상하는 저압소용량기와 공장동 일괄 보상이 가능한 고압대용량기 ·보수점검의 경감, 축전부의 장수명화(대용량 전기이중층 커패시터의 개발) ·대기 시 손실 저감(초고속절환스위치의 개발, 상시 상용 급전방식의 채용) ·과부하내량의 향상(반도체와 기계식의 하이브리드스위치의 개발) ·소형화, 저비용화(보상시간에 대한 전기이중층 커패시터의 특성 최적화) 2. 장치 개요 본 장치의 저압기 사양은 <표1>에 설명했다. 2초보상기와 보상을 순저만으로 한정하는 것으로 장치의 소형화와 저비용화를 추구하는 사양이고 60초보상기는 단시간 정전 및 비상용 발전기와 조합한 것으로 장시간 정전에도 대응 가능한 사양이다. 저압기 기본회로 구성을 <그림2>에 표시했다. 평상시는 상용전원에서 절환스위치를 연결해 직접부하로 전력을 공급한다(상시 상용 급전방식). 순저·정전이 발생하면 상용 전원 측 절환스위치로 순시에 끊어 전기이중층 커패시터에서 변환기(초퍼·인버터)를 통해 부하 시 전력을 공급해 보상한다. 또한 상용전원이 복전하면 변환기 전압의 위상을 상용전원 전압의 위상에 동기시키고 나서 절환스위치를 투입하고 상용전원으로부터 부하에 급전을 재개함과 동시에 변환기는 전기이중층 커패시터에 충전을 개시한다.

저압기는 <그림3>과 같이 전기이중층 커패시터 모듈에 수납한 커패시터반, 절환스위치나 초퍼·인버터를 수납한 변환기반, 입출력단자나 장치의 점검 시 등에 급전을 단속하기 위해 바이패스스위치를 수납한 입출력반으로 구성되어 있다. 본장치의 고압기 사양을 <표2>에 서술했다. 고압기는 절환스위치에 고속대용량 반도체소자 GCT(게이트전류형 턴오프사이리스터)를 채용하는 것으로 6600V, 2000kVA의 고압 대용량 장치이면서 저압기와 동 사양의 상시상용 급전방식을 가능하게 해 평상시에 운전효율이 98%이상이면서 고효율화를 추구하는 것이 가능했다. 또, 고압기 외관을 <그림4>에 그렸다. 고압기는 공장 건설을 일괄해 보상하는 용도이기 때문에 자립형 폐쇄반 구조로 실외에 그대로 설치할 수 있도록 한다.

3. 장치에 대한 개발기술 아래와 같이 각 요소기술을 개발한 것으로 기존 장치의 과제를 근본적으로 해결한 획기적인 장치 실현이 가능했다. (1) 전기이중층 커패시터식 무정전 전원장치의 세계 최초 실용화 저압기에서는 전기이중층 커패시터의 전극이나 분리 막의 소재를 연구해 순저보상용은 내부저항을 낮게 하고 단시간 정전보상용은 에너지밀도를 높인 것으로 최적화를 도모하고 축전부의 소형화, 저비용화를 실현했다. 저압기용 전기이중층 커패시터의 외관을 <그림5>에 나타냈다. 이에 대해 전해콘덴서식에서는 0.1초정도였던 보상시간을 2∼60초로 대폭 조정했다. 또 고압기에서는 전극의 대형화 고적층화에 의해 한층 더 대출력·대용량의 전기이중층 커패시터를 개발하고 공장의 순저대책을 일괄적으로 행할 수 있는 6600V, 2000kVA급 고압대용량장치를 실현했다. 이상의 기술개발에 대해 50kVA∼2000kVA까지 전기이중층 커패시터식 무정전전원장치를 실용화할 수 있었다. 특히 6600V, 500∼2000kVA급의 고압대용량기는 세계에서도 최초인 장치이다.

(2) 메인터넌스프리와 장기수명화 전기이중층커패시터의 적용으로 축전부 교환은 15년간 이상 필요하지 않고, 정기적인 메인터넌스도 불필요해졌다. 때문에 평상시의 효율향상에 의한 운전비용의 저감과 함께 종래에 비해 장치의 유지비용을 대폭 삭감하는 것이 가능했다. (3) 대기 시 손실 대폭 저감 무정전전원장치의 도입에 대해서는 장치의 대기상태에 의한 경제성도 고려할 필요가 있다. 종래 대부분의 무정전전원장치에 채용되고 있는 상시 인버터 급전방식은 교류를 일단 직류로 변환하면서 다시 교류로 변환해 급전하기 때문에 순간단전 발생은 없지만 평상시 2대의 변환기를 연결해 부하에 급전하기 때문에 손실이 커지는 단점이 있었다. 그리고 순저·정전 시에 전원 측에서 변환기 측을 새로 바꾸는 절환스위치에 고속반도체스위치소자(저압기는 IGBT : 절연게이트형 바이폴러 트랜지스터(Bipolar transistor), 고압기는 GCT : 게이트전류형 턴오프 사이리스터)를 채용해 순저·정전검출도 빠른 속도인 순시 값 판정방식을 개발한 것으로 1/8사이클(2ms)의 고속절환을 실현하고 단전하지 않은 상태에서의 순저·정전보상을 가능하게 했다. 그 결과 평상시 상용급전방식의 채용이 가능해졌고, 평상시 운전효과는 저압기에서 97%이상, 고압기에서 98%이상을 실현하고 기존에 비해 운전비용을 약 1/5로 대폭 저감할 수 있었다. (4) 정전 및 연속순저에의 대응 순저·정전발생시에 상용 전원 측을 절환스위치로 고속으로 분리해 상용전원과 병렬로 접속된 변환기를 연결해 전기이중층 커패시터로부터 부하로 전력을 공급하는 병렬보상방식을 채용한 것으로 순저 보상만 아니라 순간단전·정전 등의 송전이 정지하는 조건에서의 보상도 가능해졌다. 또 전기이중층 커패시터는 고속충전특성을 갖고 있어 방전 후의 재충전도 고속으로 하는 것이 가능하다. 때문에 전기이중층 커패시터의 재충전중의 순저가 발생한 경우에는 보상동작이 우선시 되는 제어방식을 하는 것으로 다중 뢰 등에 의한 순시저하가 반복돼도 대응가능하다. (5) 과부하 대응 고속절환스위치에는 반도체 스위치를 사용하고 있지만 유도전동기의 시동전류 등의 과부하에의 대응이 중요한 과제였다. 이번에 개발한 고속절환스위치는 반도체와 기계식 스위치를 병용(저압기 : IGBT에 사이리스터, 전자개폐기를 병렬접속, 고압기 : GCT에 차단기를 병렬접속)해 과부하 내량을 향상시킨 것으로 이 과제를 극복하고 장치의 신속성을 보다 한층 높였다. 기능성능 검증시험과 필드시험 실시 본 장치는 정전복전시험을 비롯해 절연저항시험, 절연내압시험, 정상특성시험, 효율측정시험, 과도특성시험, 소음시험, 온도상승시험, 과부하시험, 커패시터 연속방전시험, 고주파측정, 불평형부하시험, 보호연동시험, 출력단락시험 등을 한다. 무정전전원장치로서의 기본성능을 충분히 만족시키고 있는 것을 확인했다. 저압기에 관해서는 60초보상기를 2003년 1월부터 12월까지, 2초보상기를 2003년 6월부터 2004년 2월까지 아이치현내 및 나가노현 내의 고객 공장에서 각각 설치해 필드시험을 하고 실제 움직이는 상태에서의 순저·정전보상동작 확인이나 연속운전에 의한 장기신뢰성 검증 등을 실시했다. 필드시험중에 60초보상기에서 6회, 2초보상기에서 4회의 순저가 발생했지만 모두 문제없이 보상가능한 것을 확인했다. 2초보상기의 필드시험에 대해서는 실제로 순저가 발생한 때의 보상동작파형의 일례를 <그림6>에 표시했다. 6600V, 2000kVA, 2초보상의 고압기에 관해서도 2004년 8월부터 나가노현의 고객인 하이테크공장에 설치해 필드시험을 실시중이다. 현재까지 실제로 순저가 4회 발생했지만 본 장치에 의해 보상하는 것으로 고객의 설비를 지키는 것이 가능했다. 개발장치의 장점 전기이중층 커패시터의 특징을 살려 메인터넌스프리로 저운전비용의 무정전전원장치를 개발한 것으로 고 신뢰도에서도 어렵지 않게 순저대책장치를 요구하는 고객의 요구에 대응하는 것이 가능해 졌다. 특히 고압기는 공장동내의 설비를 일괄보상할 수 있기 때문에, 순저에 약한 기기를 밝혀 내는 것과 필드의 절단 분리 등 검사가 불필요하게 된 이점이 있다. 또 전기이중층커패시터는 납, 리튬 등의 중금속이나 위험물을 일절 사용하지 않기 때문에 기존의 납축전지와 같은 폐기 시의 회수가 필요 없다. 또한 장치로서도 대기 시의 전력손실이 적어서 지구환경에 영향을 대폭 경감할 수 있다. 메인터넌스절감, 저운전비용인 저압 전기이중층 커패시터식 무정전전원장치를 개발해 현재 정격전압 200V, 용량 50∼200kVA, 2초보상 및 60초보상의 장치로서 공동개발회사인 (주)메이덴샤, (주)시즈키전기제작소에서 제품판매를 하고 있다. 또 공장 일괄 보상을 가능하게 하는 6600V, 2000kVA급 고압전기이중층 커패시터식 순저보상장치에 관해서도 실증기를 제작해 고객 공장에서의 필드시험에 대해 실계통에서의 보상동작 확인을 거의 완료했다. 때문에 2005년 상반기에는 정격전압 6600V, 용량 500∼2000kVA, 1초 또는 2초 보상 장치로서 저압기와 공동사양으로 (주)메이덴샤, (주)시즈키전기제작소에서 수주를 개시할 예정이다. 이외에 고압기의 보상시간에 관해서는 고속수전절환장치나 즉응형 비상용 발전기와의 조합으로 긴 시간 정전에도 대응할 수 있도록 옵션으로 10초정도까지 제작가능하다.