역률개선용 전력콘덴서

왜 배우는가: 역률개선용 전력콘덴서는 수변전설비와 배전계통의 전력손실, 전압강하, 설비 여유를 동시에 좌우하는 기본 설비다. 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제로 반복 출제되므로 정의, 기대효과, 용량산정 식을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제120회 1교시 4번, 제89회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

역률개선용 전력콘덴서는 유도성 부하의 지상 무효전력을 진상 무효전력으로 상쇄하여 역률을 높이는 병렬 설치형 정지형 조상설비이다.

핵심 키워드

• 역률개선(Power Factor Correction, PFC)
• 진상 무효전력(Leading Reactive Power)
• 지상 무효전력(Lagging Reactive Power)
• 진상용 콘덴서(SC)
• 정지형 조상설비
• 전력손실 경감
• 설비용량 여유

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전동기나 변압기는 자기장을 만들기 위해 전기를 주고받는 무효전력을 필요로 한다. 이 무효전력은 일을 하지 않지만 전선과 변압기에 전류로 흐르므로 설비를 낭비하게 만든다. 콘덴서를 부하 가까이에 달면 같은 무효전력을 콘덴서가 공급하므로 전원 측에서 끌어오는 무효전력이 줄어든다.

정식 정의는 다음과 같다. 역률(power factor)은 피상전력에 대한 유효전력의 비이며, 역률개선은 유효전력 P를 변화시키지 않고 콘덴서가 진상 무효전력 Qc를 공급하여 부하의 지상 무효전력 QL을 감소시키는 것이다. 전기공학에서는 콘덴서를 무효전력 공급원, 리액터를 무효전력 흡수원으로 부른다.

무효전력 보상은 부하의 리액티브 성분을 콘덴서가 맡는 것을 뜻한다. 상쇄 효과는 콘덴서 전류가 전압보다 90도 앞서 흘러 부하의 지상 전류 성분을 줄이는 현상이다. 콘덴서 전류는 전압보다 90도 앞서므로, 부하 전류의 지상 성분이 줄고 전원 전류의 위상차 θ가 작아진다.

필요량은 역률을 θ1에서 θ2로 올리는 데 필요한 무효전력 차이로 구한다. 이 값이 콘덴서 용량 산출의 출발점이다. 설치 위치는 부하에 가까울수록 효율이 높다. 개별 전동기 보상, 군별 보상, 수전 모선 집중 보상으로 나뉘며, 자동 개폐기를 갖춘 뱅크 방식이 대용량 수변전설비에서 많이 쓰인다.

역률 90% 이상 확보는 전기요금 측면의 기준으로 자주 언급된다. 이 수치는 요금 제도 조건이므로 답안에서는 요금제 기준을 함께 밝혀 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

산업과 건물에서 유도 전동기, 변압기, 형광등 같은 유도성 부하가 늘면서 계통의 지상 무효전력이 크게 증가하였다. 무효전력이 많으면 같은 유효전력을 공급하는 데도 전류가 커지고, 선로와 변압기의 동손실이 증가한다. 이 때문에 전력회사는 수용가의 역률을 관리해 왔다.

전기요금 제도도 배경이다. 역률이 기준보다 낮으면 요금이 할증되고, 기준 이상이면 감액되는 제도가 시행되고 있다. 수용가 입장에서는 역률을 개선하는 것이 요금 부담을 줄이는 가장 직접적인 방법이 된다. 역률이 높으면 전원 측 공급 여유도 커지므로 설비 증설 없이 부하를 늘릴 수 있다.

계통 측면에서도 필요성이 크다. 무효전력이 전원에서 부하까지 흐르면 전압강하가 커지고, 전압 안정도가 떨어진다. 역률이 개선되면 전압강하와 전압변동률이 줄어 공급 품질이 높아진다. 따라서 전력콘덴서는 손실 감소, 전압 보상, 설비 여유 확보를 한꺼번에 얻을 수 있는 저비용 설비로 평가받는다.

4. 구성요소·원리·절차

역률개선용 전력콘덴서는 부하와 병렬로 접속되어 부하가 필요로 하는 지상 무효전력을 진상 무효전력으로 공급하는 설비다. 구성요소와 원리를 이해하면 용량 산출과 설치 위치 결정이 쉬워진다.

진상 무효전력을 공급하는 것이 핵심 원리다. 콘덴서 전류는 전압보다 90도 앞서므로 유도성 부하의 지상 전류 성분을 상쇄하고, 전원에서 흘러야 할 무효전류가 줄어든다. 유효전력은 변하지 않는다.

콘덴서는 부하의 지상 무효전력을 상쇄하여 전원측 무효전류를 줄이는 병렬 설비다

직렬리액터는 콘덴서 측의 고조파 공진을 막고, 콘덴서 투입 시 돌입전류를 줄인다. 방전코일은 콘덴서에 남은 전하를 짧은 시간에 방전시켜 감전과 재투입 사고를 막는다. 직렬리액터는 콘덴서 용량의 일정 비율로 선정하며, 그 비율은 계통 고조파 조건에 따라 정한다.

역률개선 용량은 다음 식으로 구한다.

$Q_c = P(\tan\theta_1 - \tan\theta_2)$

Q_c: 필요한 콘덴서 용량[kVar], P: 부하의 유효전력[kW], \theta_1: 개선 전 역률각, \theta_2: 개선 후 목표 역률각이다. 역률을 \cos\theta_1, \cos\theta_2 로 주면 \tan\theta = \sqrt{1-\cos^2\theta}/\cos\theta 로 바꾸어 계산한다.

용량 산출 절차

• 부하의 유효전력 P[kW]와 개선 전 역률 \cos\theta_1을 측정하거나 설계값으로 정한다.
• 목표 역률 \cos\theta_2를 정한다(일반적으로 90% 이상을 목표로 함).
• 두 역률의 탄젠트값을 구하여 \tan\theta_1 - \tan\theta_2를 계산한다.
• Q_c = P(\tan\theta_1 - \tan\theta_2)로 필요 콘덴서 용량을 산출한다.
• 표준 용량으로 올림하여 뱅크를 구성하고, 과보상이 되지 않는지 경부하 조건을 검토한다.
• 직렬리액터·방전코일·개폐장치·보호장치를 선정하고 설치 위치(부하측, 수전 모선, 자동 역률조정 방식)를 정한다.

목표 역률 90% 이상

설치 위치는 부하 가까이 두는 것이 전력손실 저감에 가장 효과적이다. 다만 부하가 여러 개로 분산되면 수전 모선 집중 설치나 자동 역률조정 설비를 함께 쓰기도 한다. 과보상은 전압 상승, 보호계전기 오동작, 직렬리액터 과열을 일으키므로 무부하 조건에서 진상 역률이 되지 않도록 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

역률개선 설비는 한국전력의 전기공급약관에 따른 역률 기준과 연결된다. 약관은 수용가의 역률이 기준 역률보다 낮으면 요금을 추가하고, 높으면 감액하는 역률할증·감액제도를 둔다. 기준 역률은 약관의 최신 개정본으로 확인하는 것이 맞으나, 시험에서는 기준 역률 90%를 기준으로 쓴다.

전력용 콘덴서 자체의 구조·시험 기준은 KS 규격과 산업표준에 따르며, 설계 기준은 한국전기설비규정(KEC)에 따른다. 한국전기설비규정은 2021-01-01부터 적용된다. 콘덴서 설치 시 고조파 대책은 직렬리액터 선정과 함께 검토한다.

직렬리액터의 구체 비율과 방전 시간은 계통 조건과 제조 기준에 따라 달라지므로 표에서는 값 대신 조건만 적는다. 표의 나머지 값은 설계 기준의 일반적 내용이다.

역률 과보상을 막기 위해 자동 역률조정 장치는 부하 변동에 따라 콘덴서 뱅크를 단계적으로 투입·차단한다. 이 장치의 제어 기준도 한국전기설비규정과 제조 사양을 따른다.

6. 유형과 비교

역률개선용 전력콘덴서는 설치 위치와 제어 방식에 따라 여러 형태로 나뉜다. 시험에서는 설치 위치별 특성과 제어 방식별 장단점을 비교해 묻는 경우가 많다. 아래 표는 설치 위치 기준의 비교다.