[진상콘덴서의 역할 및 설치] 진상콘덴서의 최근 동향

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[진상콘덴서의 역할 및 설치] 진상콘덴서의 최근 동향

2011년 1월 6일 (목) 11:35:05 | 지면 발행 ( 2010년 12월호 - 전체 보기 )

개요

진상콘덴서는 역률 개선을 통한 전기요금 저감, 설비용량 저감, 배전설비의 손실 저감 등을 목적으로 많이 사용되고 있다. 일본에서는 통계상 2007년을 기준으로 고압 진상콘덴서의 생산 대수가 약 46,000대, 용량으로는 8,000㎹A(JEMA 통계) 생산된 것으로 나타났다.
이처럼 다량으로 사용되고 있는 진상콘덴서는 시대 변화에 따라 유전체 재료도 바뀌어 왔다. 특히 최근에는 고조파 장해 문제가 논란이 되어 JIS C4902(고압 및 특별고압 진상콘덴서와 부속기기)가 1998년에 개정됐다. 본고에서는 그 개정 내용과 함께 콘덴서의 최신 동향을 소개한다.

JIS 개정

범용 인버터 등 고조파 발생기기가 보급됨에 따라 고조파 전류가 6,600V 배전계통에 유출돼 배전계통의 전압을 왜형시키고 고압 진상콘덴서 설비에 장해(콘덴서의 이상음, 직렬 리액터의 이상음 · 과열 · 소손)를 일으키고 있다. 또한 이미 설치된 콘덴서는 직렬 리액터 없이 운전되고 있는 것이 많아 이들 콘덴서 설비와 배전계통의 임피던스 사이에서 일어나는 공진 현상이 전압 왜형을 더욱 확대시켰다.
콘덴서는 적정한 고조파 내량을 가진 직렬 리액터와 조합해 설치하는 것이 바람직하기 때문에 콘덴서의 직렬 리액터 사용을 원칙으로 설정했다.

1. 정격전압 · 정격용량의 변경
고조파 장해 방지 방책으로서 콘덴서에 L=6%직렬 리액터를 표준으로 설치해 사용하는 것을 원칙으로 했다. 콘덴서의 정격전압은 직렬 리액터 설치에 따른 양자전압 상승분을 포함한 전압이다. 또한 콘덴서의 정격용량은 콘덴서 설비의 정격 설비용량에 직렬 리액터를 더한 것이다.
정격 설비용량이란 콘덴서와 리액터를 조합시킨 설비의 설계 무효전력으로, 예를 들어 회로전압이 6,600V, 정격 설비용량이 100kvar, L=6%를 설치할 경우

이 된다.

2. 직렬 리액터의 최대 허용전류 종별 설정
기존의 것을 종별 Ⅰ(허용 I₅=35%)로 설정해 특별고압 수전설비용에 적용하고, 고조파 내량을 크게 한 것을 종별 Ⅱ(허용 I₅=55%)로 설정해 고압배전계통에 직렬 접속된 콘덴서 설비에 적용하도록 하고 있다.

진상콘덴서 및 직렬 리액터 변천

1. 고압 진상콘덴서
일본에서 고압 진상콘덴서가 사용되기 시작한 것은 1935년경부터이며 크라프트지(Kraft Paper)+광물유의 구조, 이른바 OF식이라 불리는 콘덴서가 제조됐다.
1956년 전력요금 제도에 역률 조항이 첨가되고, 일반 수요가에서 고압 진상콘덴서 설치가 증가했다.
1964년경에 콘덴서 박지와 절연내력이 높아 방재(防災)에 획기적이었던 불연성유(PCB유)가 개발, OF식과 비교해 용적이 1/2 정도 소형화 됐다.
1970년경에는 새로운 유도체로서 연구됐던 低손실, 高절연내력의 폴리프로필렌 필름이 채용돼 콘덴서 박지+폴리프로필렌 필름+PCB유의 구조로 한층 소형화를 이뤘다.
그러나 1972년 공해 문제로 PCB 사용이 금지되면서 非PCB화를 도모하게 됐다. PCB 대체품으로서 개발된 합성절연유는 절연내력은 높지만 유전율이 작기 때문에 용적은 1969년 제품 수준으로 후퇴했으나 그 후 폴리프로필렌 필름+합성유의 구조로 더욱 소형화 되고 저손실 도모로 오늘날에 이르고 있다.

또한 방재 측면에서 건식 증착전극 구조의 SF₆ 가스 봉입식 고압 진상콘덴서가 1986년에 개발돼 공동시설이나 지하 변전소 등에 채용됐다. 그러나 SF₆가스는 지구온난화 방지를 위한 배출 억제 대상 가스기 때문에 SF₆ 가스를 대체해 2000년경부터는 질소가스 등을 봉입한 건식 고저압 진상콘덴서가 개발됐다.

2. 직렬 리액터
1977년 고압 진상콘덴서의 설치가 증가함에 따라 고압 진상콘덴서용 유입자냉식 직렬 리액터의 수요도 증가해 직렬 리액터에 대한 표준화 작업이 진행됐다. 그 후 방재 측면을 고려한 건식 B종, 건식 몰드 직렬 리액터가 표준화 됐다.
1989년경부터 파워일렉트로닉스 기술의 급격한 진보로 고조파 전류에 의한 콘덴서 설비의 소손 사고 등이 증가해 고조파 장해 대책이 큰 문제로 대두됐다. 이에 수도권 등 대도시의 상업시설 지역에서는 L=8% 또는 L=13%가 보급됐다.
앞에서 말했듯이 1998년 고조파 확대 및 장해 방지를 위해 콘덴서에 직렬 리액터를 설치해 사용하는 것을 원칙으로 정했으며, 리액터의 JIS가 콘덴서규격에 통일돼 고조파 내량을 향상시켰다.

* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

진상콘덴서의 보호 시스템

1. 고압 진상콘덴서
최근의 고압 진상콘덴서는 유전체 재료의 품질 향상 및 콘덴서 제조공정에서의 품질 향상으로 신뢰성이 보다 높아지고 보수 점검이 비교적 간단한 정지(靜止)기기다. 콘덴서 자체의 사고는 극히 드물지만 장시간 사용하다 보면 우발적인 절연열화가 발생하며, 또한 내용연수(耐用곐겤)와 수명이 있는 한 사고가 전혀 없다고는 할 수 없다.
그리고 콘덴서를 둘러싼 환경 및 다른 기기나 회로(계통) 조건에서의 이상 현상이 요인으로 발생하는 사고 사례도 있다. 이러한 경우 2차 재해를 방지하기 위해 각종 보호 방식이 취해지고 있다.
현재 채용되고 있는 보호 방식을 정리하면 <표 2>와 같다.

2. 저압 진상콘덴서
최근 저압 진상콘덴서는 유입 · 건식에 있어서 증착전극 타입(SH)이 채용되고 있다. 이 SH 콘덴서는 유전체가 절연파괴를 일으켜도 그 국부는 절연회복 하는 자기 회복 작용이 있으나, 외부의 퓨즈 · 배선용 차단기 등으로 검출하고 개방시키는 데는 이르지 못했다. 이 때문에 유전체의 수명 말기에 일어나는 연속적인 힐링(Healing)으로 분해가스가 발생하고 내부 압력이 상승했다. 이후 케이스의 파형을 이용해 케이스가 파괴하기 전에 전원으로부터 분리하는 보안장치(기계식 차단장치 : 단자-양자간의 발생 리드선을 끊는 방식)가 개발됐으며 유입식 저압 진상콘덴서에는 최적의 방식이었다.
그러나 안전성을 보다 중시한 오일리스(Oilless)건식 저압 진상콘덴서에 대한 요구로 수지(몰드 등)를 충전(充塡)한 건식 증착 콘덴서가 개발됐다.
이 수지 충전식 콘덴서는 구조상 보안장치(기계식 차단장치)를 사용할 수 없기 때문에 증착 필름의 증착전극을 소전극군으로 분할하고, 전기회로적으로는 하나의 콘덴서가 많은 미소(微小) 콘덴서의 병렬 구조로 되어 있으며, 콘덴서 소자 자체에 보안기구를 가진 방법으로 개발됐다.

● 보안기구의 메커니즘
<그림 1>의 결함부에서 국부적인 절연파괴가 발생하면 거기에 콘덴서 전체의 축적 에너지가 순식간에 집중하게 된다. 따라서 당해 전극 인출부(퓨즈부)가 용단하고 퓨즈 작용에 의해 하나의 섬 Cs(절연파괴 된 부분의 콘덴서만)가 오픈 상태가 돼 전원으로부터 분리된다.

고조파 문제(유입 · 유출)

1. 고조파 전류 유입 대책
앞서 말한 대로 고조파 전류의 유입에 대해서는 JIS를 개정하고 직렬 리액터의 고조파 내량을 올림으로써 대책을 강구했다. <표 3>은 각 직렬 리액터의 고조파 내량을 나타낸 것이다.

● 특별고압 수전의 리액터 선정 시 유의점
특고 수전의 경우에는 특고계통의 전압 왜형이 적은 것과 수전 트랜스가 있으며, 다른 수요가로부터 고조파 영향을 받지 않는다. 대부분의 경우 자구내에서 발생하는 고조파만을 고려하면 된다.
L=6%(허용전류 종별 Ⅰ)로 문제는 없지만, 자구내에 고조파 발생기기가 많고 콘덴서 회로로 유입하는 고조파 전류가 많을 때에는 L=6%(허용전류종별 Ⅱ)의 선정이 필요하다.

● 저압 진상콘덴서 설치의 경우
변압기의 2차 측에 설치되므로 콘덴서에서 보면 변압기의 임피던스가 리액터로 간주돼 리액턴스가 늘어나기(6%+α) 때문에 유입되는 고조파 전류가 억제되는 효과가 있다.

2. 진상콘덴서 설비에 의한 유출 고조파 전류 억제 대책
6% 직렬 리액터가 설치된 콘덴서 설비의 공진 차수는 다음 식과 같다.

4.08(차)에서 가장 낮은 임피던스가 되며, 그 차수에 가까운 5차 고조파 전류를 어느 정도 흡수할 수 있기 때문에 유출 고조파 전류의 저감 효과를 얻게 된다.
저감 효과는 전원 임피던스 등의 조건에 좌우되지만, 일반적으로 고압 배전계통에 접속되는 고압 진상콘덴서 설비의 경우 최대 10% 정도(특별고압 수전일 때는 변압기 2차 측에 콘덴서 설비를 접속하도록 되어 있기 때문에 30~40%)이다. 저압 진상콘덴서 설비는 제5차 고조파 전류를 30~40% 정도 저감시키는 효과가 있다. 이는 고압보다 저압 측에 설치하는 것이 수전용 변압기의 임피던스가 전원임피던스에 가산되기 때문에 저감 효과가 크다.

고조파 대책

유입 · 유출 고조파 대책에 대해 유효한 L=6%를 설치한 저압 진상콘덴서 설비가 주목받고 있으며, 각 제조사도 오일리스 콘덴서, 건식 직렬 리액터, 전자접촉기, 배선용 차단기를 콤팩트하게 수납한 오일리스 저압 진상콘덴서 설비를 시장에 선보이고 있다.
이 설비의 보호 시스템은 콘덴서 본체를 보안기구로 해 리액터는 온도 센서를 장비했으며, 만일의 기기 고장이나 과부하에 의한 2차 재해 방지에도 우수한 성능을 발휘한다. 설비의 일례를 <그림 2>에 나타냈다.

한편, 저압 측에 설치할 때에는 진상역률에 의한 전압 상승에 주의할 필요가 있다. 즉, 저압 측의 백파워(수전용 변압기 용량)는 고압 배전계통의 백파워(전원용량)에 비해 작기 때문에 저압 진상콘덴서설비를 자동 제어하지 않고 설치하면 경부하 시에 진상역률이 되며 변압기 2차 측의 전압이 상승해 같은 계통의 제어계 기기에 영향을 주는 경우가 있다.
따라서 저압 측에 진상콘덴서 설비를 설치할 때에는 반드시 자동 제어 방식을 얼마간 적용해 ON · OFF 제어할 필요가 있다.

마무리

본고에서는 JIS C 4902의 개정 배경인 고조파 장해 문제를 키워드로 진상콘덴서 설비의 기술 변천 및 기술 동향을 소개했다. 이러한 내용이 현장에서의 콘덴서 설비 형성에 도움이 되길 바란다.

직렬 리액터
콘덴서를 조상용으로 송전선에 연결할 때 당면하는 큰 문제는 전압파형이 비틀리는 것이다. 선로에는 변압기 등의 자기포화때문에 고조파 전압이 포함되어 있으며 콘덴서를 연결함에 따라 고조파 전압이 확대된다. 그러나 제3고조파 전압은 변압기저압 측의

결선으로 단락 제거되므로 나머지 제5고조파가 확대된다. 따라서 제5고조파에서 콘덴서와 직렬 공진하는 직렬리액터를 삽입한다.