역률개선 효과

왜 배우는가: 역률개선은 전력회사의 설비 합리화와 수용가의 전기요금 부담에 직접 연결되는 개념이다. 기술사 시험에서는 개선 효과를 측면별로 나누어 설명하는 문제와 콘덴서 용량·전압강하·손실을 계산하는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제95회 1교시 9번, 제89회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 역률개선은 유효전력은 그대로 두고 전력용 콘덴서로 진상 무효전력을 공급해 부하의 지상 무효전력을 줄여 역률을 높이는 것이다.

• 핵심 키워드: 역률, 무효전력, 진상 무효전력, 전력용 콘덴서, 역률할증·감액, 전력손실 경감, 설비용량 여유, 전압강하 감소

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전기를 쓰는 기기가 실제 일을 하는 전력(유효전력)과 자기장·전기장을 만들었다 놓기를 반복하는 전력(무효전력)이 섞여 있는데, 무효전력이 많으면 같은 일을 하는 데 전류가 더 많이 흐른다. 역률개선은 이 무효전력을 줄여 전류를 낮추는 일이다.

역률은 피상전력에 대한 유효전력의 비다. 정식 정의는 다음과 같다.

$\cos\theta = \frac{P}{S}$

여기서 P는 유효전력[kW], S는 피상전력[kVA], \theta는 전압과 전류의 위상차다.

전기회로의 기본 소자는 저항(R), 인덕턴스(L), 커패시턴스(C)다. 저항은 전력을 모두 소비한다. 인덕턴스는 전류의 위상을 90도 늦추고, 커패시턴스는 전류의 위상을 90도 앞당긴다. 전동기나 변압기처럼 유도성 리액턴스를 가진 부하는 전류가 전압보다 뒤처지는 지상 역률을 보인다. 이 지상 무효전력을 커패시터의 진상 무효전력으로 상쇄하는 것이 역률개선의 원리다.

개선에 필요한 콘덴서 용량은 다음 식으로 구한다.

$Q_c = P(\tan\theta_1 - \tan\theta_2)\ [\text{kVar}]$

여기서 \theta_1은 개선 전 역률각, \theta_2는 개선 후 역률각이다. 유효전력 P는 변하지 않는다는 점이 핵심이다.

역률 과보상은 콘덴서 용량이 필요량보다 커서 역률이 1을 넘어 진상으로 기우는 상태다. 이때는 전류가 다시 늘고 전압이 상승하며, 직렬리액터가 과열할 수 있다. 따라서 콘덴서는 필요량에 맞춰 선정해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

산업과 건물에서 유도전동기, 변압기, 형광등 안정기 같은 유도성 부하가 늘면서 지상 역률이 낮아졌다. 역률이 낮으면 같은 유효전력을 공급하는 데 더 큰 전류가 필요하다. 전류가 커지면 배전선과 변압기의 동손실과 전압강하가 함께 커진다.

전력회사 입장에서는 발전·송배전 설비를 무효전력까지 감당할 만큼 크게 건설해야 하는 부담이 생긴다. 이를 줄이기 위해 전기공급약관에 역률에 따른 요금 할증과 감액 제도를 두어 수용가가 역률을 높이도록 유도한다.

수용가 입장에서는 역률이 낮으면 요금이 늘고, 설비 여유가 부족해 증설이 어렵다. 역률개선은 이 두 문제를 동시에 해결하는 가장 경제적인 수단으로 자리 잡았다.

역률개선의 방법은 다음과 같다.

• 전압과 전류의 위상차를 작게 한다.
• 피상전력에 대한 유효전력의 비를 크게 한다.
• 전 전류에 대한 유효전류의 비를 크게 한다.
• 임피던스에 대한 저항의 비를 크게 한다.

계통 측면에서 역률이 1에 가까울수록 같은 전력에 대한 전류가 작아진다. 이것이 변압기 동손실과 배전선 손실을 줄이는 근본 이유다.

4. 구성요소·원리·절차

역률개선은 부하가 필요로 하는 무효전력을 전력용 콘덴서가 가까운 곳에서 공급하여, 전원 측에서 흐르는 무효전류를 줄이는 방법이다. 유효전력 P는 그대로 두고 진상 무효전력을 더해 지상 무효전력을 상쇄한다.

가. 구성요소

직렬리액터는 콘덴서와 직렬로 두어 고조파 공진을 피하고 콘덴서 전류 파형을 완만하게 한다. 방전코일은 콘덴서 재투입 전 잔류전압을 낮춘다.

나. 원리

부하의 유효전력 P와 개선 전 무효전력 Q₁ = P·tanθ₁ 이 있다. 콘덴서가 공급하는 무효전력 Qc를 더하면 합성 무효전력은 Q₂ = P·tanθ₂ 가 된다. 무효전류가 줄면 전류 크기 I = P/(√3·V·cosθ) 가 감소하고, 같은 P에서 전류가 작아진다.

$Q_c = P(\tan\theta_1 - \tan\theta_2)\ \text{[kVar]}$

P는 유효전력[kW], \theta_1은 개선 전 역률각, \theta_2는 개선 후 역률각이다. 역률을 0.8에서 1.0으로 올리면 tanθ₁ = 0.75, tanθ₂ = 0 이므로 Qc = 0.75P 이다.

다. 절차

• 부하의 유효전력 P[kW]와 현재 역률을 계량기 또는 수요 데이터에서 구한다.
• 목표 역률을 정한다(전기공급약관의 기준 역률 이상으로 설정).
• 식 Q_c = P(\tan\theta_1 - \tan\theta_2) 로 필요한 콘덴서 용량을 계산한다.
• 부하 변동을 고려해 뱅크를 나누고 직렬리액터·방전코일을 포함해 선정한다.
• 설치 후 역률·고조파·콘덴서 전류를 측정해 과보상 여부를 확인한다.

라. 역률개선 기본식의 적용

$\text{콘덴서 용량 } Q_c = P\left(\frac{\sqrt{1-\cos^2\theta_1}}{\cos\theta_1} - \frac{\sqrt{1-\cos^2\theta_2}}{\cos\theta_2}\right)$

5. 관련 법령·기준·표준

역률 기준은 한국전력의 전기공급약관(역률요금 조항)과 국내 전기설비 기준에서 정한다. 역률이 기준보다 낮으면 역률요금 할증이 부과되고, 기준보다 높으면 감액이 적용된다. 아래 표는 본문에서 다루는 기준값이다.

전기공급약관의 역률 기준은 시기와 요금제에 따라 달라질 수 있으므로 계약 시점의 약관으로 확인해야 한다. 아래 기준은 법령 조문 번호를 명시하지 않고 기준 이름만 쓴다.

• 전기설비 설계에서 전력용 콘덴서는 과보상이 되지 않도록 용량을 정한다. 과보상 시 진상 무효전력 과다로 전압이 상승한다.
• 콘덴서와 직렬로 직렬리액터를 두는 경우 리액터 비율은 고조파 조건에 맞게 선정한다.
• 역률개선 효과를 계산할 때 전압·전류 기준은 수용가의 계약전압을 따른다.

6. 유형과 비교

역률개선은 콘덴서를 부하 측에 두는지, 어느 범위에 설치하는지, 그리고 어떤 장비를 쓰는지에 따라 몇 가지 방식으로 나뉜다. 답안에서는 설치 위치에 따른 방식과 설비의 종류에 따른 방식을 나누어 쓰면 정리가 된다.

위 표는 설치 위치에 따른 구분이다. 개별 설치는 선로 전체의 무효전류를 줄이므로 손실 경감 효과가 가장 크고, 집합 설치는 관리가 쉽다.

고정 콘덴서는 부하가 일정할 때 쓰고, 부하가 크게 변하면 자동 역률 조정장치를 쓴다. 과보상을 막으려면 자동 제어가 필요하다.

7. 장단점·한계와 개선 방향

역률개선의 장점은 앞서 본 전력손실 경감, 전압강하 감소, 설비 여유 확보, 요금 감면이다. 한편 콘덴서는 몇 가지 한계를 가진다. 먼저 고조파가 많은 부하에서는 콘덴서가 고조파 전류를 흡수해 공진과 과열을 일으킬 수 있다. 그래서 직렬리액터를 함께 쓴다.