방전코일·직렬리액터 기능·목적·용량·주의

왜 배우는가: 방전코일과 직렬리액터는 진상용 콘덴서를 안전하게 운용하기 위한 핵심 부속장치다. 콘덴서 회로 차단 후 잔류전하 방전과 고조파에 의한 과전류·공진 방지는 수변전설비 실무와 기술사 시험에서 반복 출제되는 주제다.

출제 이력: 제135회 2교시 4번, 제120회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

방전코일은 전력용 콘덴서 개방 후 잔류전하를 방전시켜 재투입 시 과전압과 감전을 막는 장치이고, 직렬리액터는 콘덴서 회로에 직렬로 넣어 고조파 공진과 돌입전류를 억제하는 리액터다.

키워드: 방전코일, 잔류전하, 직렬리액터, 이조파 공진, 돌입전류, 유도성 리액턴스, 이상 과전압, 이동 공진점

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 콘덴서는 전원을 끊어도 내부에 전하를 머금고 있다. 방전코일은 그 전하를 빼내는 역할을 맡는다. 직렬리액터는 콘덴서와 계통이 만드는 공진을 피하도록 회로의 임피던스를 조정하는 장치다.

정식으로 방전코일은 콘덴서를 전원에서 분리한 뒤 잔류 전압을 일정 시간 안에 낮추는 저항 또는 권선형 장치다. 직렬리액터는 콘덴서 뱅크와 직렬로 연결되어 콘덴서 회로의 유도성 리액턴스를 더하는 리액터다.

잔류전하는 콘덴서에 남아 있는 전하를 말한다. 방전이 늦으면 재투입 때 전원 전압과 잔류 전압이 겹쳐 과전압과 돌입전류가 생긴다.

이조파 공진은 콘덴서와 계통 리액턴스가 특정 고조파 차수에서 병렬공진을 일으키는 현상이다. 직렬리액터는 이 공진점을 고조파 차수보다 낮게 이동시킨다.

돌입전류는 콘덴서를 투입하는 순간 흐르는 큰 충전 전류다. 직렬리액터는 이 전류의 상승률을 완화한다.

3. 등장 배경과 필요성

진상용 콘덴서는 역률을 개선하고 전압을 보상하기 위해 수변전설비에 널리 설치된다. 그러나 콘덴서만 설치하면 계통 리액턴스와 공진이 생기고, 인버터·정류기 같은 비선형 부하가 늘면서 고조파 전류가 콘덴서로 흘러든다.

전력용콘덴서의 허용 최대 사용 전류 기준을 넘지 않도록 직렬리액터를 함께 설계해야 한다.

방전코일은 콘덴서 개방 시 잔류 전압을 낮춰 인명 감전과 재투입 사고를 막는다. 전기설비기술기준은 전로를 통상 사용 상태에서 안전하게 차단하고 이상 전압에 대비하도록 요구하므로, 콘덴서 회로에도 방전 수단을 두는 것이 원칙이다.

참고 기준 메모

직렬리액터의 공진 억제 방식은 콘덴서 용량 대비 리액터 용량 비율로 나타낸다. 실무 기준에서 흔히 쓰는 값은 관련 기준이 정한 직렬리액터 비율이며, 제5고조파 억제에는 낮은 비율, 제3고조파 포함 시 높은 비율 계열을 주로 쓴다.

방전코일은 콘덴서 개방 후 관련 기준이 정한 시간 안에 잔류 전압을 허용 값 이하로 낮추는 것이 일반적인 설계 목표다.

4. 구성요소·원리·절차

방전코일(DC, Discharge Coil)과 직렬리액터(SR, Series Reactor)는 수변전설비의 진상용 콘덴서 뱅크에 함께 설치되는 기기다. 두 기기는 각각 콘덴서 회로의 잔류전하 처리와 고조파 공진 억제라는 서로 다른 역할을 맡는다. 아래 표는 두 기기의 구성요소와 역할을 정리한 것이다.

방전코일은 콘덴서 개방 후 잔류전하를 빼내는 기기다. 콘덴서에 남은 전하가 그대로 있으면 재투입 시 과전압이나 돌입전류가 생긴다. 또 작업자에게 감전 위험을 준다. 방전코일은 콘덴서 단자 양단에 접속되어 개방 후 일정 시간 안에 잔류전압을 낮춘다. 이 방전 시간은 기기 기준과 KEC 규정에서 정한 값을 따른다.

직렬리액터는 콘덴서와 직렬로 연결되어 계통 임피던스를 조정한다. 콘덴서 뱅크와 계통 인덕턴스가 만드는 병렬공진점을 기본파보다 낮은 주파수로 옮긴다. 그러면 제5고조파 등 주요 차수에서 공진이 일어나지 않는다. 이 리액턴스 비율을 이용해 콘덴서에 흐르는 고조파 전류 증폭을 막는다.

직렬리액터 원리를 식으로 나타내면 다음과 같다.

$\omega_r = \frac{1}{\sqrt{L_s C}}$

여기서 \omega_r은 공진 각주파수(rad/s), L_s는 계통 인덕턴스(H), C는 콘덴서 정전용량(F)이다.

이 구성도에서 직렬리액터는 콘덴서 앞단에 직렬로 놓인다. 방전코일은 콘덴서 단자 양단에 병렬로 접속된다. 두 기기의 접속 관계를 답안에 그릴 때 이 위치를 정확히 표시한다.

방전코일의 동작 절차는 다음과 같다.

• 차단기로 콘덴서 회로를 개방한다.
• 콘덴서 단자 양단이 방전코일을 통해 폐회로를 이룬다.
• 잔류전하가 방전코일 권선 저항으로 소진된다.
• 잔류전압이 기준 이하로 떨어진 뒤 재투입한다.

직렬리액터의 설치 절차는 다음과 같다.

• 계통 임피던스와 콘덴서 용량으로 공진점을 계산한다.
• 억제 대상 고조파 차수를 정한다.
• 차수에 맞는 리액턴스 비율을 정한다.
• 콘덴서와 직렬로 리액터를 접속한다.
• 운전 중 전압·전류 파형을 측정해 공진 억제 여부를 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

방전코일과 직렬리액터는 전기설비기술기준(고시)과 한국전기설비규정(KEC)의 적용을 받는다. 전기설비기술기준 제1조는 이 고시의 목적을 정하고, 제3조는 전압 구분을 규정한다. 그 구분은 아래 표와 같다. 방전코일과 직렬리액터가 시설되는 수변전설비는 주로 고압 또는 특고압 전로에 해당한다.

고압·특고압 기기는 취급자 이외 사람이 쉽게 접촉하지 않도록 시설한다. 아크가 생기는 기구는 가연성 구조물로부터 이격한다. 전기설비기술기준 제10조가 이를 정한다. 콘덴서와 리액터도 이 조항의 적용을 받는다.

특고압 전로에 조상설비를 시설할 때는 자동 차단 장치를 둔다. 전기설비기술기준 제22조 제2항이 이를 규정한다. 고장이 나면 기기를 전로에서 자동으로 분리한다.

고조파 관리 측면에서는 고조파 왜형률(THD)이 기준이 된다. THD는 고조파 전압 실효치와 기본파 전압 실효치의 비로 정의한다. 콘덴서와 직렬리액터 장해는 고조파 공진과 관련이 깊으므로 THD 관리와 함께 본다.

리액턴스 비율의 대표값은 제5고조파 억제형에서 설계 관행으로 쓰이는 값이다. 이 값은 설계 조건에 따라 달라진다. 방전 시간은 기기 제작 기준과 설계 조건에 따라 정한다.