콘덴서 결선·열화·고장보호

왜 배우는가: 콘덴서는 역률 개선과 전압 유지에 쓰이는 핵심 설비이며, 결선 방식에 따른 용량 차이, 열화 원인, 고장 보호 방식은 발송배전기술사 시험에서 반복해 출제된다. 이 절은 그 기초 개념과 배경을 먼저 정리한다.

출제 이력: 제136회 3교시 6번, 제102회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력용 콘덴서는 역률 개선과 전압 유지를 위해 부하와 병렬로 접속하는 진상 무효전력 공급 설비이다.

핵심 키워드

• 전력용 콘덴서(Power Capacitor)
• 역률 개선(Power Factor Improvement)
• 무효전력 보상
• △결선·Y결선
• 직렬리액터(Series Reactor)
• 열화(Deterioration)
• 고장 보호(Protection)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 콘덴서는 전동기나 변압기가 필요로 하는 지상 무효전력을 가까운 곳에서 대신 공급하는 장치다. 그러면 선로에 흐르는 전류가 줄고, 손실과 전압강하도 함께 줄어든다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력용 콘덴서는 교류 전원에 병렬로 접속되어 진상(leading) 무효전류를 공급하는 정전용량 소자의 집합이며, 그 용량은 kvar 단위로 표시한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 역률 개선: 부하의 지상 무효전력을 콘덴서의 진상 무효전력으로 상쇄해 역률을 높이는 것이다. 역률이 높아지면 같은 유효전력을 보내는 데 필요한 전류가 줄어든다.
• 무효전력 보상: 콘덴서가 무효전력의 흐름 경로를 부하 가까이에 만들어 선로 전류를 감소시키는 작용이다.
• 결선 방식: 콘덴서 뱅크를 △결선 또는 Y결선으로 묶는 방법이다. 같은 선간전압에서 두 결선의 상당 정전용량이 다르므로 용량 계산에 직접 영향을 준다.
• 직렬리액터: 콘덴서와 직렬로 넣는 리액터로, 고조파 전류를 억제하고 공진을 피하기 위해 사용한다.

계산의 바탕이 되는 식은 다음과 같다. 3상 부하의 무효전력을 Q, 선간전압을 V_L, 주파수를 f, 상당 정전용량을 C라 하면 3상 콘덴서의 무효전력은 Q = 3 \omega C V_P^2 이며, \omega = 2\pi f 이다. 여기서 V_P는 상전압[V], C는 상당 정전용량[F], f는 주파수[Hz]이다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통의 부하에는 유도전동기, 변압기, 형광등처럼 지상 무효전력을 소비하는 기기가 많다. 이 무효전력을 발전소에서 모두 공급하면 송배전 설비의 전류가 커지고, 전압강하와 전력손실이 증가한다.

이 문제를 해결하기 위해 수용가와 변전소에 콘덴서를 설치한다. 설치 위치에 따라 집중 보상과 분산 보상으로 나뉘며, 부하 가까이에 설치할수록 선로 손실 감소 효과가 크다. 역률 개선에 따른 요금 감면과 설비 여력 확보도 설치 이유가 된다.

한편 콘덴서는 정전용량 소자이므로 고조파 전류의 경로가 되기 쉽고, 계통 임피던스와 공진을 일으킬 수 있다. 그래서 열화 대책과 보호 방식을 함께 설계해야 한다는 필요성이 생긴다. 결선 방식의 선택도 이러한 설계 조건의 하나로 다뤄진다.

역률 개선 목표치는 실무에서 관행적으로 정한 기준 이상으로 설정하는 경우가 많으나, 실제 적용값은 계약 조건과 요금제에 따라 달라진다.

4. 구성요소·원리·절차

고압 콘덴서 뱅크는 콘덴서 소자, 직렬리액터, 방전코일, 보호장치로 구성된다. 각 구성요소의 역할과 설치 요점은 다음과 같다.

표의 구성요소는 각자 다른 고장을 막는다. 소자는 무효전력을 만들고, 직렬리액터와 보호장치는 그 소자를 지킨다.

결선 방식에 따라 같은 무효전력을 얻는 데 필요한 정전용량이 달라진다. 3상 뱅크의 무효전력은 Δ결선에서 $Q_{\Delta}=3\omega C_{\Delta}V_L^2$ 이고, Y결선에서는 상전압이 $V_L/\sqrt{3}$ 이므로 $Q_{Y}=3\omega C_{Y}\left(\frac{V_L}{\sqrt{3}}\right)^2=\omega C_{Y}V_L^2$ 이다. 여기서 $\omega는 각주파수(rad/s), C는 상당 정전용량(F), V_L은 선간전압(V)이다. 두 식의 Q가 같다고 놓으면 C_{Y}=3C_{\Delta}$ 가 된다.

계산 예제는 다음과 같다. 선간전압 6600V, 3상 600kvar, 주파수 60Hz로 한다. Δ결선의 상당 용량은 $C_{\Delta}=\frac{Q}{3\omega V_L^2}=\frac{600\times10^3}{3\times376.99\times(6600)^2}\approx12.2\,\mu F$ 이다. Y결선이면 $C_Y=3\times12.2\approx36.5\,\mu F$ 이고, 각 상전압은 $6600/\sqrt{3}\approx3810V$ 이다. 검산하면 $3\times376.99\times36.5\times10^{-6}\times3810^2\approx600\,kvar$ 로 주어진 용량과 일치한다. 결과는 Y결선 용량이 Δ결선의 3배이며 상전압이 1/√3배라는 상식과 맞다.

콘덴서 뱅크 결선을 Y로 바꾸면 같은 용량에서 정전용량은 3배가 필요하다

고장 보호 원리는 뱅크 내부의 소자 고장을 조기에 검출하는 데 있다. 소자 한 상이 단락되거나 용량이 줄면 상간 임피던스가 달라져 불평형이 생긴다. 이 불평형을 중성점 전류나 중성점 전압으로 잡아내는 방식이 NCS와 NVS다.

• NCS(Neutral Current Sensor): Y결선 뱅크의 중성점 연결선에 CT를 설치해 중성선 전류를 검출한다. 평형 상태에서는 중성선 전류가 0에 가깝다.
• NVS(Neutral Voltage Sensor): 뱅크 중성점과 대지 사이에 PT를 설치해 중성점 전압을 검출한다. 평형 상태에서는 중성점 전위가 0에 가깝다.
• 두 방식 모두 Y결선 뱅크에만 쓴다. Δ결선은 중성점이 없으므로 상간 차전압이나 차전류 방식을 쓴다.

중성점 전류 또는 전압이 설정값을 넘으면 뱅크를 개방

다음은 NCS·NVS 방식의 동작 절차다.

• 정상 상태에서 3상 용량이 평형이면 중성점 전류와 중성점 전압은 0에 가깝다.
• 소자 한 상이 고장나면 그 상의 임피던스가 변해 중성점 전위가 이동한다.
• 중성점 CT(NCS) 또는 PT(NVS)가 불평형 신호를 검출한다.
• 보호계전기가 설정값과 비교해 시한을 거쳐 동작한다.
• 차단기를 열어 뱅크를 계통에서 분리하고, 방전코일로 잔류전하를 방전한 뒤 재투입을 막는다.

5. 관련 법령·기준·표준

고압 콘덴서 설비는 한국전기설비규정(KEC)의 기준을 따른다. KEC는 2021-01-01부터 시행되어 구 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 콘덴서 설비의 세부 조항 번호는 확인된 범위에서만 쓴다. 아래 표의 값은 콘덴서 제조 기준과 설계 관행으로 널리 쓰이는 값이다.

표 아래 설명 한 줄이다. 허용 전압과 전류는 고조파가 더해진 실효값으로 판단하며, 직렬리액터 값은 공진점을 기본파보다 낮게 옮기기 위해 선택한다.