직렬리액터

왜 배우는가: 직렬리액터는 역률개선용 콘덴서의 병렬공진과 고조파 확대를 막는 가장 기본적인 대책이어서 실무 설계에서 빠지지 않고 쓰인다. 시험에서도 설치 목적, 용량 산정, 문제점과 대책을 묶어 1교시와 3교시에 반복해 출제된다.

출제 이력: 제134회 1교시 2번, 제109회 1교시 6번, 제94회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

직렬리액터는 역률개선용 콘덴서와 직렬로 연결하여 특정 차수의 고조파에 대해 직렬공진을 일으켜 고조파 전류의 콘덴서 유입을 막는 유도성 리액터다.

핵심 키워드

• 직렬리액터(Series Reactor, SR)
• 역률개선용 콘덴서(Power Factor Correction Capacitor)
• 병렬공진(Parallel Resonance)
• 직렬공진(Series Resonance)
• 이선 공진 차수(Tuning Order)
• 제5고조파·제3고조파 억제
• 리액턴스 비율 %XL
• 콘덴서 과전압

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 콘덴서 앞에 코일을 한 개 넣어 콘덴서가 고조파를 빨아들이지 못하게 막는 장치다. 콘덴서는 주파수가 높을수록 임피던스가 작아져 고조파 전류를 잘 끌어들인다. 이 성질 때문에 콘덴서가 고조파 발생원과 만나면 과전류와 과열이 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 직렬리액터는 역률개선용 콘덴서 회로에 직렬로 삽입하는 유도성 리액턴스 소자다. 리액턴스 값을 적절히 정하여 콘덴서 회로의 공진 주파수를 기본파 주파수보다 낮게 이동시킨다.

• 병렬공진: 콘덴서 리액턴스와 전원 측 계통 리액턴스가 고조파 주파수에서 같아져 임피던스가 최대가 되는 현상이다. 고조파 전류가 콘덴서와 전원 사이를 순환하며 크게 증폭된다.
• 직렬공진: 직렬리액터와 콘덴서가 어떤 차수에서 리액턴스 크기가 같아져 합성 임피던스가 최소가 되는 현상이다. 직렬리액터는 이 직렬공진을 의도적으로 일으켜 해당 차수 고조파를 콘덴서 쪽으로 보내지 않는다.
• 공진 차수 n: 직렬리액터를 붙인 회로의 공진 주파수를 기본파 주파수로 나눈 값이다. 공진 차수가 고조파 차수보다 낮아야 그 고조파에서 회로가 유도성으로 동작한다.
• 유도성 리액턴스 비율 %XL: 콘덴서 용량성 리액턴스 대비 직렬리액터 유도성 리액턴스의 백분율이다. 일반적으로 6% 또는 13% 를 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

역률개선 콘덴서는 부하의 지상 무효전력을 공급하여 변압기와 배전선의 전류를 줄이고 전압강하를 낮춘다. 그러나 산업 현장에는 인버터, 정류기, 아크로 같은 비선형 부하가 늘면서 전원 측에 고조파 전류가 많이 흐르게 되었다.

콘덴서 자체는 고조파에 약하다. 고조파 전류가 콘덴서에 유입되면 콘덴서 과열, 절연 열화, 과전압이 발생하고 수명이 단축된다. 또 전원 측 계통 리액턴스와 콘덴서 리액턴스가 어떤 고조파 차수에서 병렬공진을 일으키면 해당 고조파가 크게 증폭된다. 이 확대 현상이 전원 측과 콘덴서 측 모두에 큰 과전류를 만들어 기기 소손의 원인이 된다.

따라서 콘덴서 설치 단계에서 고조파 공진을 피하도록 직렬리액터를 함께 설계하는 것이 필요하다. 직렬리액터는 콘덴서 용량 선정과 함께 공진 차수를 정하는 핵심 수단으로 쓰인다. 특히 제5고조파와 제7고조파가 주로 발생하는 설비에서는 제5고조파를 기준으로 직렬리액터를 선정하는 것이 일반적이다. 이처럼 직렬리액터는 역률개선과 고조파 억제를 동시에 해결하기 위해 등장한 장치다.