역률개선

왜 배우는가: 역률개선은 배전선로의 손실 경감, 설비용량 여유 확보, 전압강하 경감을 한꺼번에 설명하는 개념이라 실무 설계와 운용에서 가장 먼저 검토된다. 시험에서는 벡터도, 콘덴서 용량 계산, 손실률 계산 등 여러 형태로 12개 회차에 걸쳐 반복 출제되었다.

출제 이력: 제130회 1교시 11번, 제129회 1교시 6번, 제125회 2교시 4번, 제122회 2교시 5번, 제120회 4교시 1번, 제115회 1교시 11번, 제113회 1교시 3번, 제101회 1교시 7번, 제95회 1교시 5번, 제93회 4교시 4번, 제92회 3교시 6번, 제89회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

역률개선은 부하의 무효전력을 콘덴서 등으로 보상하여 역률을 높이고, 같은 설비로 더 많은 유효전력을 공급할 수 있게 하는 조치다. 역률개선은 무효전력을 줄여 역률을 높이고 설비 이용률과 전력 손실을 개선하는 조치다.

핵심 키워드

• 역률(Power Factor, PF)
• 무효전력(Reactive Power, Q)
• 유효전력(Active Power, P)
• 피상전력(Apparent Power, S)
• 역률개선용 콘덴서(Power Factor Correction Capacitor)
• 전력손실 경감
• 설비용량 여유
• 전압강하 경감

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 전기 부하가 쓰는 전력 중 실제 일을 하는 몫과 자기장을 만드는 데만 쓰이는 몫이 나뉜다. 역률은 전체 전력 중 실제 일을 하는 몫의 비율이다. 역률이 낮으면 같은 일을 하는 데 더 많은 전류가 흘러야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 역률은 유효전력과 피상전력의 비이며, 전압과 전류 사이 위상차 θ의 코사인 값이다.

$\cos\theta = \frac{P}{S} = \frac{P}{\sqrt{P^2+Q^2}}$

여기서 P는 유효전력[kW], Q는 무효전력[kvar], S는 피상전력[kVA], θ는 전압과 전류의 위상차다.

지상역률은 전류가 전압보다 뒤질 때 생기며, 유도성 부하(전동기, 변압기 등)에서 나타난다. 전류가 전압보다 앞설 때의 역률은 진상역률이라 하며, 콘덴서처럼 용량성 부하에서 나타난다. 진상역률도 전압상승과 고조파 왜곡 문제를 일으키므로 무조건 높이는 것이 답은 아니다.

무효전력은 전원과 부하 사이를 오가며 자기장이나 전기장을 만드는 데 쓰이는 전력이다. 실제 일은 하지 않지만 선로와 변압기에는 전류로 흐르므로 손실을 만든다. 콘덴서는 이 무효전력을 부하 가까이에서 공급하여 전원 측에서 보이는 무효 성분을 줄인다.

역률개선용 콘덴서는 부하와 병렬로 설치되는 진상 무효전력 공급원이다. 지상 무효전력을 상쇄하므로 전원에서 본 역률이 높아진다.

3. 등장 배경과 필요성

전동기와 변압기 같은 유도성 설비가 늘면서 배전계통의 무효전력 수요가 커졌다. 무효전력이 많으면 같은 유효전력을 보내기 위해 선로 전류가 커지고, 이에 따라 선로 손실과 전압강하가 증가한다.

전력회사 입장에서는 무효전력을 발전소부터 수용가까지 운반하는 것이 설비 낭비가 된다. 변압기, 선로, 차단기 등 설비의 용량을 무효 성분 때문에 키워야 하므로 투자비가 늘어난다. 이 문제를 줄이기 위해 수용가에 역률을 개선하도록 요금제도를 두었다.

한국에서는 전기공급약관에 따라 역률에 따른 요금 할증과 감액 제도가 운영되고 있다. 수용가가 역률을 개선하면 요금 부담이 줄고, 전력회社는 설비 합리화 효과를 얻는다. 이 제도가 수용가 측 역률개선을 촉진하는 배경이다.