콘덴서는 왜 필요한가?

콘덴서는 왜 필요한가?

오늘의 전력수요는 세계의 산업화 추세와 함께 급격히 증가하는 추세를 보이고있다. 변압기 및 전동기의 코일,형광등, 아아크로 등 거의 대부분의 부하는 유도성이기 때문에 불가피하게 무효전력을 수반하게 된다.

따라서 전력을 공급하는 선로 즉, 발전소에서 송배전 변전소를 경유하여 수용가에 이르기 까지 비효율적인 과잉 전류가 흐르게 되는데 결과적으로 장거리 선로의 열손실, 저역율, 선로 및 변압기에 과부하를 초래하게 된다. 콘덴서는 이것과 반대되는 위상의 용량성 무효 전력을 효과적으로 발생시켜 변압기 및 선로의 무효전력을 쉽게 제거 할 수 있기 때문에 가장 보편화 되어있는 역율 보상 장치이다.

또한 타 장치에 비해 정지기기로서 수명이 반영구적이며 취급이 쉬울 뿐만아니라 뛰어난 경제성을 갖고있다.

 

 

전력용 콘덴서를 부하와 함께 시설 할 경우 장점

<콘덴서를 모터나 기타 유도성 부하에 접속할 경우>

 

 전력요금을 절감 할 수 있다.

 개별 모터 선로의 손실을 경감 시킨다.

 강압용 변압기의 손실을 경감 한다.

 모터 선로의 전압 변동율을 개선 시킨다.

 단일 선로내의 부하의 증가를 가능하게 한다.

 주어진 부하량에서 역률을 개선 시켜 동(copper)량을 절감할 수 있다.

 설비의 신증설에 맞춰 필요한 콘덴서를 쉽게 추가 접속 할 수 있다.

 

 

전력용 콘덴서의 설치 목적

 

a) 무효전력 보상

 

전력용 콘덴서에 의해 무효 전력을 보상하게 되면 전압 강하의 개선과 계통의 손실 저감, 발전 설비의 무효 전력 부담의 저감과 계통의 안정도를 향상 시킬  수 있다.

결정된  용량성의 무효 전력은 부하의 근접 개소에 접속하는 것이 일반적이나 중부하 및 배전 계통의 경우에는 선로의 중간에 시설 하게 된다.

 

b) 전압제어

 

콘덴서를 계통에 접속하면 접속점으로부터 발전기까지 전류의 위상이 진상으로 작용하게 됨으로 계통의 전압을 상승시키게 된다. 특히 계통의 역률이 낮을 경우 콘덴서가 무효 전류를 상쇄 감소 시킴으로써 결과적으로는 전 계통의 저항성 전압 강하와 무효성의 전압 강하를 보상 시키게 된다.

일반적으로 광범위한 배전 계통의 전압 강하를 개선시키기 위해서는 콘덴서 뱅크군을 다수 집합하여 변전 계통에 설치 사용한다. 이와는 반대로 배전반에 개별로 분리하여 소용량을 다수 설치하게 되면 필요에 따라 해당 지역의 일정 고객에 대한 전압을 선별하여 보상 할 수 있다.

콘 덴서 뱅크는 전 송전선로의 전압을 보상하기 위해 배전 계통에 설치하게 되며 설치된 콘덴서 뱅크는 군별로 분리되어 최대 부하 시간이나 전압이 규정치 이하로 낮아지게 되는 기간에 맞춰 투입되고 경부하 기간이나 고전압 조건에서는 개로가 되도록 사용하고있다.

 

 

전력용 콘덴서의 장점
장점	송전 계통	배전계통
무효전력보상	*	+
전압제어	*	*
계통용량증대	+	*
계통손실감소	+	*
전력요금의 경감	+	*
* : 1차적 장점
+ : 2차적 장점

　

C) 계통용량의 증대

 

배전 계통에 전력용 콘덴서를 설치 하므로서 설비 용량을 증대 시키는 것은 큰 장점이 될 수 있다.
특히 부하량이 급증 할 경우 피상 전력량을 줄임으로써 향후 증설되는 부하량에 대해서도

 기존의 설비용량 만으로도 수용 능력을 갖기에 충분하다.

 

계통에서  피상 전력량을 줄임으로써 얻을 수 있는 역률은 다음 식과 같다.

 

PF_new = PF old   /   ( 1 - kva_release )

PF_new           새로운 역률

PF _old         현재의 역률

kva_release   저감되는 피상전력량

 

고 역률의 운전에 필요한 콘덴서의 용량 계산은 다음식과 같다.

kvar = kw [ tan (cos^-1  PF_old )  -  tan (cos^-1   PF_new)

kw  계통의 유효전력

kvar  필요한 콘덴서 용량

 

 

d) 계통의 전력 손실 저감

 

송전 계통과 배전 계통에 전력용 콘덴서를 설치함으로써 계통의 전력 손실을 크게 저감 시킬 수 있는데 이는 콘덴서를 설치 함으로써 그 설치 점으로부터 발전소에 이르기 까지 전류량을 현저히 감소시킬 수 있기 때문이다. 전력 손실은 바로 전류의 제곱에 비례하기 때문에 전류의 경감은 곧 바로 막대한 손실의 저감 효과를 가져 오게 되며, 이러한 이유에서 콘덴서는 부하의 근접 개소에 설치하는 것이 좋다.

콘덴서를 설치 하였을 경우와 그렇지 않을 경우의 원거리 부하를 포함한 계통의 손실 비율의 추정은 다음 식과 같다. 식은 같은 유효 전력량과 같은 전압의 조건임

 

손실율  =   개선 후 손실 / 개선전 손실

  =  [ PF _old  /  PF  _new ] ²

 

여기서

 

PF _old   현재의 역률

 

PF_new  개선 역률

 

이 손실의 경감은 전력을 생산하기 위한 연료의 저감과 피크 부하에 필요한 설비비의 저감 효과를 기대 할 수 있다.

 

 

e) 전력 요금의 절감

 

공장 단위나 대단위 산업 현장에서는 피상 전력 단위의 요금 체계를 적용하고 있다. 이 경우 전력용 콘덴서를 사용 함으로써 피상 전력을 감소 시키면 전력 요금의 경감을 가져올 수 있다.

 

피상 전력 요금 체계에는 다음에 언급된 방법을 포함하여 다양한 방법들이 적용되고 있다.

 

. 매 유효 전력에 대한 정액을 기본으로 매 무효 전력의 단위 마다 정액을 추가 가산

. 매 유효 전력에 대한 특정 요금 혹은 기준 역률을 기본으로 규정의 역율을 초과하는
   매 무효 전력분에 대해 금액을 추가 부담하는 방식

. 소정의 매 유효 전력량의 비용에 대해 역률에 따른 상수를 적용하여 가산하는 방식

. 매 피크 피상 전력에 대해 정액을 부과 하는 방법

 

 

 

Condenser 에 의한 역율 개선

콘덴서에 의한 역율을 개선한다는 것은 이미 다 알고 있는 내용으로서 계통에

접속된 지상역율의 부하전류를 콘덴서를 병렬로 접속하여 모선에서 진상전류를

취하게 함으로서 부하에 의한 지상전류를 보상하여 목적하는 역율을 얻는 역율

개선에 있어 가장 간단한 설비를 적용하는 기법이다.

계통에서 지상전류를 필요로 하는 부하는 여자전류를 필요로 하는 변압기 및

유도전동기가 대표적이다.

또한 지상전류가 없으면 교류전력계통은 성립될 수 없기 때문에 반드시 필요하

지만 너무 크게 되면 전압강하가 커지고 전력손실도 크게 되므로 적절한 방법

을 사용하여 이를 보상하여야 하는데 이러한 보상기기 중 가장 값이 저렴하고

유지보수도 간편하며 운전도 매우 편리한 콘덴서가 전력회사가 아닌 수용가에

서 가장 보편적으로 적용되는 설비이다.

 

1. 역률보상에 적용되는 기기

역률보상에 적용되는 대표적인 기기에는 다음과 같은 종류가 있으니 상식적으

로 알아 놓기 바란다.

1.1 동기 조상기 (Synchronous Condenser)

이는 우리가 잘 아는 동기전동기를 무 부하로 운전하면서 그 유명한 여자전류

와 역율의 관계를 나타내는 V 곡선의 특성을 이용하여 여자전류를 조정하여 진

상에서부터 지상까지를 연속적으로 조정할 수 있는 가장 우수한 설비이다.

하지만 회전기로서 경제적인 면에서 불리하므로 한국전력과 같은 전력회사가

아니면 적용하기가 쉽지 않는 단점이 있다.

다시 한번 말하면 동기 조상기란 무 부하로 운전되는 동기전동기라고 알아놓기

바란다.

1.2 콘덴서

현재 설명되고 있으므로 특별한 설명이 필요 없을 것이나 콘덴서의 가장 큰 단

점은 연속적인 보상이 안 된다는 것과 오직 진상전류만을 취한다는 것이다.

1.3 SVC (Static Var Compensator)

전력전자 부품의 신뢰성 향상과 기술의 급속한 발전을 배경으로 회전기인 동기

조상기의 단점을 보완하고자 콘덴서와 리액터를 적절히 조합하여 필요에 따라

SCR 을 이용하여 진상에서 지상까지를 연속적으로 조정할 수 있도록 한 역률

개선용 전력전자 설비로서 이미 미국에서는 오래 전부터 광범위 하게 적용되고

있고 우리 한국전력에서도 이미 실전 배치가 되어 있다고 한다.

 

2. 콘덴서에 의한 역률의 개선

이제 본론으로 돌아가서 콘덴서에 의한 역률의 개선에 대하여 알아보고 본 자

료의 작성을 마치기로 하겠다.

콘덴서를 사용하여 역률이 어떻게 개선되는지는 이미 작성된 “삼각함수의 이해

와 활용” 을 참고하기 바라며 여기서는 역률개선에 필요한 콘덴서의 용량을 계

산하는 표의 이용법을 소개하도록 하겠다.

다음 표는 주어진 부하에 대하여 전력을 그대로 유지하면서 역률을 보상하고자

할 경우 매번 계산하여야 하는 불편함을 없애 주며 즉시 필요한 콘덴서 용량을

표에서 찾아 투입해 줄 수 있는 편리함을 제공해 주고자 하는 것이다.

표를 가지고 필요한 콘덴서 용량을 찾아내는 방법은 다음과 같다.

표의 왼쪽에 있는 개선전의 역률 축에서 수평으로 직선을 그어 표의 중간에 곡

선으로 표시된 개선 후의 역률 곡선과 만나는 점을 찾아 그 점에서 수직으로

직선을 그어 가로축과 만나는 점을 찾으면 이 점의 % 값이 역률 개선에 필요

한 콘덴서의 용량으로서 현재 개선하고자 하는 부하의 전력에 대한 비율이다.

이를 위와 같이 말로 설명하면 매우 장황해 지지만 그림을 보면 매우 간단하므

로 다음 페이지에서 그림을 가지고 예를 들어 설명하도록 한다.

 

 

현재 역률이 0.8 이고 1000 KW 의 전력을 소비하는 부하의 역률을 0.95 로 하

기 위한 콘덴서의 용량을 위의 표에서 찾기 위해서는 앞에서 말로 설명한 대로

하면 된다.

Step 1

먼저 왼쪽 설치전의 축에서 역률 0.8 에 해당하는 점에서 표 중앙의 0.95 곡선

과 만나는 점을 찾는다. (표에 그려진 빨간색 직선)

Step 2

그 점에서 다시 수직선을 그어 아래 축과 만나는 점의 값을 읽는다. (파란선)

Step 3

위의 예에서는 만나는 점의 값이 40 % 이므로 콘덴서의 필요용량은 부하전력의

40 % 인 400 [KVAR] 이 됨을 쉽게 알 수 있게 된다.