케이블 충전전류

한 줄 정의

케이블 충전전류는 케이블의 정전용량에 전압이 걸릴 때 흐르는 진상 전류다.

부하가 없어도 흐르며, 전압보다 위상이 90도 앞선다.

이번 장면에서는 발생 원리와 계산식을 차례로 본다.

발생 원리와 식

케이블은 도체, 절연체, 금속 시스가 겹친 긴 원통이라 긴 축전기와 같다.

교류 전압을 걸면 이 축전기가 계속 충전되고 방전되며, 그 전류가 충전전류다.

충전전류는 전압보다 90도 앞서 흐르고, 유효전력 없이 진상 무효전력만 만든다.

상당 충전전류는 각주파수, 정전용량, 상전압의 곱이다. 3상 충전 무효전력은 전압의 제곱에 비례한다.

계산 예제

예를 들어 정전용량 0.4μF, 전압 6.6kV, 주파수 60Hz인 케이블을 본다.

6600을 루트3으로 나누면 약 3810V다. 각주파수는 2π×60이므로 377rad/s다.

이 값들을 충전전류 식 ωCV에 대입하면 약 0.575A가 나온다.

한 상당 약 0.58A다. 수용 부하 전류에 비해 작은 값이다.

정답은 두 배다. 충전전류는 정전용량에 비례하므로 같은 비율로 커진다.

진상 무효전력과 전압 상승

충전전류가 만든 진상 무효전력은 계통 전압을 올리는 방향으로 작용한다.

특히 경부하 시간대에는 부하가 흡수하던 유도성 무효전력이 줄어든다. 그러면 진상 무효전력이 상대적으로 우세해진다.

그 결과 수전단 전압이 송전단보다 높아지는 페란티 현상이 나타난다.

전압 상승은 변압기와 전동기의 철손을 늘리고, 절연물의 열화를 빠르게 한다.

억제 대책과 구성

충전전류 대책은 상쇄 효과가 확실하다. 대표적인 설비는 분로리액터다.

분로리액터는 설치가 비교적 단순하고 전압 상승을 직접 억제한다.

동기조상기는 경부하 시 진상 전류를 흡수한다. 케이블 측에서는 길이를 제한한다.

다만 경부하에서 과보상 위험이 있어, 부하 변동에 맞춘 자동 제어가 필요하다.

헷갈리는 점과 채점 포인트

가장 흔한 실수는 충전전류를 부하전류의 한 종류로 보는 것이다.

인과를 거꾸로 쓰면 안 된다. 충전전류가 진상 무효전력을 만들고, 그것이 페란티 현상을 낳는다.

복도체는 페란티 현상의 방지대책이 아니다.

채점은 원인, 영향, 대책의 세 축을 모두 채웠는지로 본다.

한눈에 정리

충전전류는 정전용량과 인가전압으로 결정되는 진상 전류다.

원인, 영향, 대책을 나눠 쓰면 채점 포인트를 모두 채울 수 있다.