 역률개선용 저압 전력용 콘덴서 소손 원인과 과전압 분석
콘덴서는 통전 중 항상 전부하로 운전되기 때문에 사용에 따른 스트레스가 혹독하다. 전력용 콘덴서는 전력설비 가운데 중요하면서도 민감한 설비로 분류된다. 전력용 콘덴서의 고장은 종종 2차 사고로 확대되곤 한다. 이 글은 전력용 콘덴서에 지속적으로 인가되는 설계전압 이상의 과전압과 전력용 콘덴서 수명감소 및 소손을 분석한 것이다. <편집부>
1. 서 론
1) 유도성 부하와 지상무효전력 송·변전 및 배전선로를 통하여 공급되는 부하는 정저항부하, 정전류부하 및 정전력부하로 구분된다. 우리나라는 급속도로 산업화가 진행되면서 정저항부하에서 정전력부하로 부하소비 패턴이 변화하였다. 정전력부하는 전동기등으로 대표되는 유도성 부하이며, 이러한 유도성 부하는 계통의 역률을 지상으로 만드는 무효전력을 발생시킨다. 지상무효전력은 전압강하, 전력손실 증대, 전류증가 등을 유발시키며, 역률이 감소하면 할수록 계통의 전력품질은 더욱더 약화된다. 이러한 전력품질 문제를 해결하기 위한 일반적인 방법은 전력용 콘덴서를 이용하여 역률을 개선하는 것이다.   [그림 1] 전력용 콘덴서 배부름/누유현상과 실측 과전압 ⒜ 현상: 콘덴서 배부름 및 누유, ⒝ 원인: 콘덴서 과전압(410[V]↑)
2) 과전압으로 인한 전력용 콘덴서 수명감소 및 잦은 고장발생
전력용 콘덴서의 수명은 콘덴서에 인가되는 전압과 주위온도에 따라서 지수함수적으로 변동한다. 전기실의 온도는 보통 30℃ 내외에서 관리되므로 허용최고온도 및 사용주의 온도는 콘덴서 수명을 결정하는 주요인자가 아니므로 제외하였다. 전력용 콘덴서에 지속적으로 인가되는 설계전압 이상의 과전압과 전력용 콘덴서 수명감소 및 소손에 대해서 분석하였다.
2. 본 론
1) 전력용 콘덴서 정격전압
전력용 콘덴서로 역률을 개선할 때, 계통에 나타나는 문제점은 콘덴서 개폐시 돌입전류, 고조파 확대, 경부하시의 과전압 등의 문제가 발생할 수 있어 직렬리액터를 콘덴서와 직렬로 연결하여 사용한다. 직렬리액터가 취부된 경우 콘덴서 정격전압 설계는 공칭전압(220,380[V])이 아닌 실제 인가전압(생산라인 말단부하의 전압강하를 고려하여 공칭전압이상) 기준에 직렬리액터 전압 상승분을 합산한 전압으로 정격전압을 설계한다.
2) 설계 정격전압과 실측전압 비교
전력용 콘덴서 정격전압을 공칭전압 기준으로 설계하여 적용하고 있으나, 실제 현장은 전압강하를 고려한 변압기 NLTC(No Load Tap Changer : 무부하시 변압기 탭 절환장치)를 설치하여 장긍장 선로의 말단부하 전압강하를 고려하여 공칭전압이상의 전압을 공급하고 있다. 콘덴서 정격전압을 공칭전압 기준으로 설계한 경우 약 400[V]용 전력용 콘덴서를 적용하나, 실제 현장에서 전력용 콘덴서 단자에 걸리는 전압은 404~420[V]로 설계전압 대비 지속적인 과전압이 인가되고 있다.
3) 정격전압 이상의 지속적 과전압 인가 예방으로 기대수명 상승
전력용 콘덴서의 수명은 실제 인가되는 전압과 전기실 및 배전반 내부 온도에 따라서 지수함수적으로 변동한다. 아래 전력용 콘덴서의 기대수명을 추정하는 수식은 실제 인가전압, 정격전압, 허용최고온도, 사용주의온도 및 유전체의 종류 등이 중요한 인자로 작용한다. 
상기 관련식으로 기대수명을 추정할 경우, 온도, 유전체, 계수를 동일한 조건으로 적용하고, 공칭전압 380V 계통에 전력용 콘덴서 정격전압 400[V]를 420[V]로 상향 설계하여 적용할 경우에 기대수명은 약 2.45년 상승함을 알 수 있다.
공칭전압 220[V], 380[V] 계통의 전력용 콘덴서 정격전압을 검토한 결과, ① 240[V] 전력용 콘덴서 정격전압은 22.9㎸/220V, 변압기 2차전압 220[V]가 기준인 콘덴서 정격전압 계산치는 234[V]이나, 실제 적용하는 정격전압이 240[V]로 과전압이 인가되지 않아 적정하게 설계되었다. ② 400[V] 전력용 콘덴서 정격전압은 22.9㎸/380V, 변압기 2차전압 380[V]가 기준인 콘덴서 정격전압 계산치는 404[V]이나, 실제 적용된 정격전압이 400[V]로 콘덴서에 404~420[V]의 지속적인 과전압이 인가되어 배부름, 누유현상이 발생한 것으로 판단된다.  [표 1] 전력용 콘덴서 실제 인가전압 측정 [표 2] 전력용 콘덴서 정격전압과 기대수명
4) 과전압 인가 방지를 위한 정격전압 적정설계
전력용 콘덴서의 적정 설계전압을 검토한 결과 공칭전압 380[V] 계통에 적용되는 콘덴서의 적정 정격전압은 최소 410[V]~ 최대 420[V]용 전력용 콘덴서를 적용하는 것이 바람직하다.  [그림 2] 전력용 콘덴서 정격전압 설계
5) 자동역률조정장치 운영방법 개선과 과전압 해소
일정규모 이상의 전력용 콘덴서를 운영하는 생산공장 및 건물 등의 역률관리는 자동역률조정장치(APFCR : Automatic Power Factor Correction Regulator)를 이용하여 조정한다. 그러나, APFCR 제어를 ‘Circular’방식으로 선택하지 않은 상태에서 전력용 콘덴서를 자동으로 투입과 개방을 할 경우에는 개방과 투입사이에 적절한 지연시간(Delay Time : 제작사 권고치 60sec)이 필요하다. 전력용 콘덴서를 개방 후, 방전코일에서 잔류전압을 충분히 방전하지 못한 상태에서 콘덴서를 투입하면 인가전압과 잔류전압이 중첩되어 과전압이 발생한다.  [그림 3] 전력용 콘덴서 투입시 제작사 권고사항
3. 결론
일반적으로 생산공장 등에서 역률개선용으로 많이 적용하고 있는 저압용 전력용 콘덴서의 정격전압을 설계할 때 공칭전압 기준에 직렬리액터 상승전압을 고려하여 정격전압을 설계한다. 그러나 기존의 공칭전압 대신 변압기 2차 모선측에서 실제 측정되는 인가전압을 기준(말단부하 전압강하 고려)으로 설계하여, 지속적인 과전압으로부터 전력용 콘덴서의 배부름 및 누유로 인한 기대수명 저하 및 소손을 예방해야 한다. 시공발주 시 설계도면 및 구매규격에 명확히 정격전압을 제시하여 적정전압의 전력용 콘덴서가 현장에 설치할 수 있도록 권고한다.
글 윤기섭 삼성전자 전기기술사무국장(공학박사·기술사)
<Energy News>
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