커패시터 역률개선

왜 배우는가: 커패시터 역률개선은 전기설비의 전력손실, 설비용량 여유, 전기요금(역률 할증·감액)과 직결되어 실무에서 매일 다뤄지는 주제다. 기술사 시험에서도 원리 계산, 설치 효과, 설치 위치, 과보상 문제 등 여러 교시에 걸쳐 반복해서 출제되므로 개념의 뿌리부터 정확히 이해해야 한다.

출제 이력: 제132회 3교시 5번, 제110회 1교시 2번, 제98회 1교시 1번, 제95회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

커패시터 역률개선은 진상용 콘덴서로 부하의 무효전력(지상)을 상쇄해 역률을 높이는 방법이다.

• 역률(Power Factor)
• 무효전력(Reactive Power)
• 진상용 콘덴서(Power Factor Correction Capacitor)
• 지상역률(Lagging Power Factor)
• 과보상(Overcompensation)
• 페란티 현상(Ferranti Effect)
• 역률 할증·감액 제도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 모터나 변압기 같은 유도성 부하는 전기를 쓰는 데 필요한 자기장을 만들기 위해 전압보다 전류가 뒤처지는 전류를 끌어다 쓴다. 이 뒤처진 전류 성분이 무효전력이다. 무효전력은 일을 하지 않으므로 요금 대상이 아니지만 선로와 변압기에서는 열손실을 만든다. 커패시터는 전류를 전압보다 앞서게 하는 소자라서, 유도성 부하의 뒤처진 무효전류를 현장에서 공급해 준다.

역률(Power Factor) 은 유효전력과 피상전력의 비다. 식으로는 \cos\theta = P / S 이며, P는 유효전력[kW], S는 피상전력[kVA], \theta는 전압과 전류의 위상차다. 역률이 1에 가까울수록 같은 유효전력을 공급하는 데 필요한 전류가 작아진다.

무효전력(Reactive Power) 은 Q = S\sin\theta [kVar] 로 표시되며, 에너지를 저장했다가 되돌려 주는 성분이다. 역률 개선의 목표는 이 Q를 부하 가까이에서 상쇄하는 것이다.

지상역률(Lagging) 은 전류가 전압보다 뒤처진 상태로, 유도성 부하에서 나타난다. 진상역률(Leading) 은 전류가 전압보다 앞선 상태로, 과보상된 커패시터 회로에서 나타난다. 두 상태를 구분해야 과보상 문제를 설명할 수 있다.

역률을 개선하면 같은 유효전력에 대해 선로전류가 줄어 전력손실과 전압강하가 함께 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 수요가 늘고 산업용 모터, 변압기, 조명 안정기 같은 유도성 부하가 많아지면서 계통 전체의 무효전력이 커졌다. 무효전력이 많으면 발전기·송전선·변압기의 용량을 유효전력보다 크게 잡아야 해서 설비 투자비가 늘어난다.

수용가 입장에서는 역률이 낮으면 요금이 추가된다. 한국전력 전기공급약관에 따라 역률에 따른 요금 추가(역률 할증)나 감액 제도가 운영되며, 이는 전력회사가 설비를 합리적으로 쓰도록 수용가의 역률 개선을 유도하는 장치다.

역률이 낮을 때 생기는 문제는 다음과 같다.

• 같은 부하를 공급하려면 발전·변전 설비용량을 더 키워야 한다.
• 전류가 커져 변압기와 배전선의 동손이 늘고 열화가 빨라진다.
• 선로 전압강하가 커져 말단 기기의 전압 품질이 떨어진다.
• 설비용량 여유가 줄어 부하 증설이 어렵다.