전력용 콘덴서 보호방식

왜 배우는가: 전력용 콘덴서는 역률을 높이려고 널리 설치되지만, 고장이 나면 화재와 계통 파급으로 이어진다. 그래서 사고를 빨리 검출해 고장 설비만 분리하는 보호방식이 실무 설계와 시험에서 반복해 묻는다.

출제 이력: 제125회 3교시 3번, 제98회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력용 콘덴서 보호방식은 사고를 검출해 고장 콘덴서를 신속히 분리하고 화재와 계통 파급을 막는 보호 체계이다.

• 역률개선: 지상 무효전력을 콘덴서가 공급해 역률을 높이는 것이다.
• 콘덴서 뱅크: 단위 콘덴서를 병렬·직렬로 묶어 하나의 설비로 운용하는 단위이다.
• 소자 퓨즈: 콘덴서 내부 소자 한 개의 단락을 격리하는 퓨즈이다.
• 불평형 보호: 뱅크의 전압이나 전류 불균형으로 소자 고장을 검출하는 보호이다.
• 과전압 보호: 정격을 넘는 전압으로부터 소자 절연을 지키는 보호이다.
• 직렬리액터: 고조파 흡수와 공진 방지를 위해 콘덴서와 직렬로 연결하는 리액터이다.
• 트래킹: 절연물 표면에 탄화 경로가 생겨 누설전류가 흐르는 현상이다.
• 방전장치: 차단 후 콘덴서에 남는 잔류 전하를 낮추는 장치이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전력용 콘덴서는 계통에 무효전력을 공급하는 부품이다. 부품이 깨지면 전류와 전압이 평소와 달라진다. 이 이상을 빨리 알아채 콘덴서만 떼어내는 장치의 짝이 보호방식이다.

정식으로는 전력용 콘덴서 보호방식을 사고 형태별 보호와 내부 소자 사고 보호로 나눈다. 사고 형태별 보호는 뱅크 외부 회로나 뱅크 전체에 생기는 단락, 지락, 과전류, 과전압, 저전압 사고를 계전기와 차단기로 잡는 방식이다. 내부 소자 사고 보호는 콘덴서 한 대 안의 소자가 파괴되어 단락될 때 그 소자만 격리하는 방식이다. 두 방식은 사고 위치가 다르므로 함께 적용한다.

단락 보호는 뱅크 회로가 짧아졌을 때 차단기와 퓨즈로 끊는 보호이다. 콘덴서의 임피던스가 작아 단락전류가 크므로 동작이 빨라야 한다. 차단 시간이 길면 절연물이 열화되어 화재로 이어질 수 있다.

지락 보호는 충전부가 대지로 전류를 흘리는 사고를 검출한다. 지락과전류계전기를 사용해 지락 전류의 크기에 응동하도록 설정한다. 지락 사고를 빨리 잡아야 고장 콘덴서의 발열과 아크를 줄일 수 있다.

과전류 보호는 고조파 전류나 과전압으로 전류가 정격보다 커지는 상태를 검출한다. 콘덴서의 연속 과전류 허용치는 정격전류의 130%이다. 이를 넘는 전류가 흐르면 시간 지연을 두고 뱅크를 분리한다.

과전압 보호는 계통 전압이 올라갈 때 소자의 절연을 지키는 보호이다. 콘덴서는 정격전압 기준 이하에서 연속 운전하도록 설계된다. 이 한도를 넘는 전압이 지속되면 전압계전기로 뱅크를 분리한다.

소자 퓨즈는 콘덴서 소자마다 또는 소자군마다 붙는 퓨즈이다. 소자 단락 시 그 부분만 용단시켜, 나머지 소자에 전압이 몰려 연쇄 파손되는 것을 막는다. 소자 퓨즈가 동작해도 뱅크 용량은 조금 줄 뿐 설비가 바로 정지하지 않는 것이 장점이다.

불평형 보호는 뱅크의 중성점 전압이나 전류를 비교한다. 소자가 단락되면 상별 임피던스가 달라져 불평형이 생긴다. 이 차이를 검출하면 소자 고장을 뱅크 단위에서 알 수 있다.

방전장치는 차단 후 콘덴서에 남는 전하를 짧은 시간 안에 낮춘다. 이는 재투입 때 과전압이 생기는 것과 점검 중 감전을 막기 위한 장치이다.

3. 등장 배경과 필요성

전력용 콘덴서는 역률을 높여 전력 손실과 전압강하를 줄이는 데 쓰인다. 설비가 단순하고 가격이 낮아 많이 설치된다. 그러나 고장이 나면 피해 범위가 작지 않다. 특히 콘덴서는 전기를 저장하는 부품이라 고장 때 발열과 파열이 생길 수 있다.

콘덴서 화재의 주요 경로는 두 가지다. 하나는 순간 과전압이 들어와 소자 절연이 파괴되는 화재 위험이다. 다른 하나는 절연물 표면에 트래킹이 생겨 누설전류와 발열이 이어지는 경우이다. 두 경로 모두 사고를 빨리 끊으면 화재로 번지는 것을 막을 수 있다. 따라서 보호방식은 사고를 검출하는 기능과 함께, 고장 소자를 격리해 설비를 지키는 기능을 가져야 한다.

과전압 대책으로는 서지 보호소자를 콘덴서 전단에 두거나, 리액터 온도를 감시해 뱅크를 차단하는 방법이 함께 쓰인다. 바리스터 같은 보호소자가 먼저 동작하고, 그 이상의 과전압은 별도 차단 기능으로 막는 구성이 일반적이다. 이처럼 보호 기능은 여러 층으로 설계된다.

콘덴서 한 뱅크가 고장 나면 계통 파급도 생긴다. 단락 상태의 뱅크가 계통 전압을 흔들거나, 고장 전류가 차단기를 동작시켜 정전 범위를 넓힐 수 있다. 소자 한 개의 고장을 뱅크 전체 사고로 키우지 않으려면 내부 소자 보호가 필요하다.

또 고조파가 많은 계통에서는 콘덴서가 고조파 공진을 일으켜 과전류를 만든다. 이를 피하려고 직렬리액터를 달지만, 이 리액터의 과열도 보호 대상이 된다. 따라서 보호방식은 콘덴서 본체뿐 아니라 부속 기기까지 포함해 설계해야 한다. 보호계전기의 동작 시간과 협조도 함께 맞춰야 하는 이유가 여기에 있다.

4. 구성요소·원리·절차

전력용 콘덴서 보호방식은 과전류 보호, 과전압 보호, 내부소자 보호를 함께 설계하는 체계다. 콘덴서는 고장이 나면 누설전류와 열이 커져 소손·화재로 이어지므로, 사고를 검출하는 계전기와 차단기를 조합해 고장 구간만 신속히 분리한다.

원리는 다음과 같다. 소자 하나가 단락되면 나머지 소자에 전압이 더 걸려 과전압이 되고 전류가 증가한다. 이 변화를 소자 퓨즈나 불평형 계전기가 감지한다. 소자 퓨즈는 고장 소자만 끊어 뱅크 전체 정지를 막는다. 뱅크 전체의 고장은 과전류 계전기가 회로 차단기를 열어 분리한다.

콘덴서 보호의 핵심은 소자 고장을 뱅크 고장으로 키우지 않도록 소자 단위에서 먼저 분리하는 것이다.

절차는 다음 순서로 동작한다.

• 소자 단락 또는 절연 열화로 누설전류가 발생한다.
• 소자 퓨즈가 해당 소자를 용단하여 분리한다.
• 남은 소자의 전압이 상승하고 상간 전류 불평형이 생긴다.
• 불평형 계전기가 검출하여 경보 또는 차단 명령을 낸다.
• 과전류 계전기가 뱅크 전류 증가를 감지하면 차단기를 트립한다.
• 차단 후 방전장치가 잔류전하를 안전 전압까지 낮춘다.

공식으로 보면 소자 고장 후 남은 소자의 전압 상승은 직렬 소자 수 n과 고장 소자 수 k로 근사할 수 있다.

$V_{남은} = V_{정격} \times \frac{n}{n-k}$

여기서 V_{남은}은 남은 소자 1개당 전압(V), V_{정격}은 소자 정격전압(V), n은 직렬 소자 수, k는 고장 소자 수다. 결과가 정격전압을 크게 넘으면 과전압으로 인한 연쇄 소손 위험이 커진다. 예를 들어 n=4, k=1이면 V_{남은}=\frac{4}{3}V_{정격}로 정격의 약 1.33배가 된다. 결과는 과전압 보호 기준을 넘는 값이므로 소자 퓨즈 동작이 필요함을 보여준다.

5. 관련 법령·기준·표준

전력용 콘덴서와 그 보호는 「전기사업법」 및 「전기설비기술기준」 계열의 현행 기준, 한국전기설비규정(KEC)의 고압·특고압 설비 조항을 따른다. 2021-01-01 부터 한국전기설비규정(KEC)이 적용된다. 콘덴서 자체의 시험과 정격은 KS 및 IEC 기준을 따르며, 보호 장치의 정정은 설계 기준과 제조사 자료를 함께 쓴다.

기준값과 조건을 정리하면 다음과 같다.