전력용 커패시터 개폐

개념 정의

전력용 커패시터 개폐는 콘덴서 투입·차단 시 돌입전류와 과도 진동 서지가 발생하는 현상이다.

무효전력을 보상해 역률을 높이고 전압을 안정시키지만 부하 변동에 맞춰 자주 개폐된다.

그래서 개폐 때 생기는 이상현상과 억제 방법은 시험에 단골로 나온다.

돌입전류

콘덴서는 전압이 가해지는 순간 전기를 크게 빨아들이는 성질이 있다.

스위치를 넣는 순간 평소보다 훨씬 큰 전류가 흐르며, 이것이 돌입전류다.

돌입전류는 짧은 시간에 감쇠하지만 선로와 차단기에 부담을 준다.

돌입전류와 개폐서지 구분

돌입전류는 콘덴서를 투입하는 순간, 개폐서지는 차단기 개폐 과정에서 생긴다.

둘은 다른 현상이므로 답안에서는 반드시 구분해서 써야 점수를 받는다.

돌입전류는 전류의 크기가, 개폐서지는 과전압이 핵심 문제다.

직렬리액터의 원리

직렬리액터는 콘덴서와 직렬로 연결해 돌입전류와 서지 상승률을 낮춘다.

리액터가 전원 측 임피던스를 키우므로 충전 전류가 제한된다.

진동 주파수는 L과 C로 정해지며 보통 수 kHz 이상으로 상용주파수보다 높다.

차단과 재점호

차단기가 전류를 끊는 영점에서 콘덴서 전압은 피크값으로 남는다.

이후 전원 전압이 반대 극성이 되면 극간 전압이 최대 약 2배에 가까워진다.

극간 절연이 회복되지 않으면 재점호가 일어나 서지가 커지고 기기가 손상된다.

그래서 재점호가 적은 차단기를 쓰고 방전장치와 피뢰기로 과전압을 줄인다.

대책과 정리

돌입전류와 개폐서지는 원인이 달라 대책도 짝지어 기억한다.

직렬리액터는 돌입 억제와 고조파 공진 방지를 함께 맡는다.

차단기 선정, 서지흡수기 설치, 투입 시점 제어도 함께 검토한다.

정리하면 돌입은 리액터, 서지는 서지흡수기와 재점호 억제 차단기로 막는다.

직접 풀어 보기

리액턴스 비율 6%일 때의 공진 차수를 직접 구해 보자.

공식은 n = √(1/k)이고, k는 리액턴스 비율이다.

정답은 약 4.08이다. 기본파 60Hz에 곱하면 공진 주파수는 약 245Hz가 된다.

300Hz인 5고조파보다 낮으므로 5고조파 공진을 피할 수 있다.

이 사례는 가상의 예이며, 실제 설계는 계통 임피던스와 정격을 함께 검토한다.