콘덴서

 

콘덴서 외함변형 원인

 

변 형 원 인	팽 창 도  표 준
.주위온도 과대 .제작결함 및 내부이상 .고조파전류 유입 .과전압 .외력에 의한 외함손상	외함의 측면에 부풀음은 없는가 팽창도의 표준 콘덴서용량 (kVA) 부풀림값(㎜) 10-30 15 50 20 75-100 25 150이상 30

 

 

고조파 전류 연속허용한도

                                                                                                                                   (단위:%)

 

전류	고조파치수 콘덴서정격		3	5	7	11	17	23	31	39
	정격전압	정격용량
기본파 전류 100%의 경우	3.3～6.6kV	10～100kVA	77	91	91	91	91	91	91	91
	400V급	10～50kVA	71	83	83	83	83	83	83	83
	200V급	50～500μF	71	83	83	83	83	83	83	83
기본파 전류 110%의 경우	3.3～6.6kV	10～100kVA	47	78	78	78	78	78	78	78
	400V급	10～50kVA	41	69	69	69	69	69	69	69
	200V급	50～500μF	41	69	69	69	69	69	69	69

주) 표 중의 값은 기본파 정격전류에 대한 고조파 함유율로 표시함

 

 

전력용 콘덴서의 허용 최대 사용 전류 및 허용 과전압

                            

전압구분	규 격	최대사용전류		허용 과전압 (L=6%인 경우)
		직렬 리액터 無	직렬 리액터 有
저압회로용 (100V～400V급)	KSC4801	130%이하	120%이하 (제5고조파는 35%이하)	110%
고압회로용 (3～6kV급)	KSC4802	고조파 포함 135%이하	120%이하 (제5고조파는 35%이하)	최고115% 24시간 평균 110%
특별 고압회로용 (10kV이상)	KSC4802	고조파 포함 135%이하	120%이하 (제5고조파는 35%이하)	110%

 

 

 기기고장에 의해 동작하는 보호장치

 

고장기기	동작하는 보호장치
콘덴서	.전력 퓨즈 .내부고장 검출장치 (내압식 보호용 접점, 전기적 검출 Ry 등) .과부하 과전류 검출 Ry .지락검출 Ry
직렬 리액터	.온도이상 검출 Ry .내부고장 검출장치 .방압 밸브 .지락검출 Ry
방전 코일	.과전류 검출 Ry .전력퓨즈 .콘덴서용 내부고장 검출장치 (전기적 Ry) .지락검출 Ry

 

 

회로현상에 의한 이상과 보호장치의 동작 

 

현   상	이상의 내용	동작하는 보호장치
콘덴서 투입 과도현상	.CT 2차회로의 섬락 .전력 퓨즈 용단 .사이리스터 변환기의 제어 실패나 전류 실패	전력퓨즈, 과전류 Ry
고조파 이상	.직렬 리액터의 소손 .콘덴서 투입불능 .이상음 발생 .직렬 리액터의 분류	과전류 Ry, 온도 이상검출 Ry 전력퓨즈, 결상 Ry 불평형 Ry
과진상 (전압상승 과대)	.변압기나 모터의 소리 증가 .전압계 지시값 과대	과전압 Ry, 온도 이상검출 Ry
재점호 현상	.CT 2차회로의 섬락 .모선기기의 절연파괴	과전류 Ry

 

 

회로현상 트러블의 대책 

 

현    상	대        책
투입시의 돌입 전류	.직렬 리액터의 추가
투입시의 순시 전압강하	.직렬 리액터의 추가, 리액턴스 증가,   공심형 리액터 채용 등
계통 공진에 의한 고조파 이상확대	.일부의 콘덴서용 직렬 리액터의 리액턴스 교환
정상적인 고조파전류 과대유입	.교류 필터 설치 .고조파 내량이 있는 콘덴서 설치
재점호 현상	.개폐기를 문제가 없는 것으로 교환

 

 

역률 개선 후의 효과

 

역률을 개선하면 부하전류가 감소함에 따라 다음과 같은 이점이 있다.

 

.전압강하가 감소한다.

.배선의 전력손실이 감소한다.

.무효전력이 감소하므로 변압기의 설비여력이 생긴다.

.전력요금의 할인 혜택을 받을 수 있다.

 

 

콘덴서의 적정 설치위치

 

콘덴서의 의한 역률 개선의 메리트는 콘덴서 설치점에서 전원측에 나타난다.

그러면 콘덴서를 부하와 병렬로 설치하는 경우 설치하는 위치는 고압측, 저압측 여러 가지가 있는데 어느 방법이 가장 유리한가?

 

  콘덴서의 설치위치는 일반적으로

 

  ① 고압측에 변압기와 병렬로 접속하는 방법(그림 7)

 

 

  ② 저압측에 부하와 병렬로 접속하는 방법  

   ⓐ 부하전체에 종합하여 집중해서 설치하는 방법(그림 8)

 

 

   ⓑ 각 부하와 병렬로 분산해서 설치하는 방법(그림 9)이 있다.

 

 

 

3상 직렬 리액터의 정격전압       

  

회로전압	정격전압
3,300V 6,600V 11,000V 22,000V	114V 229V 381V 762V

 

 

 콘덴서 설비의 고장내용 및 보호장치

 

구성기기	고장형태	원        인
콘덴서	내부소자 절연파괴	.설계.제조 불량    .성능저하 .주위온도 과대     .모선전압 과대 .과도전압 침임(외래 서지, 개페 서지 등)
	내부지락	.내부소자 절연파괴 확대
	외부단락.지락	.단자이완 국부과열  .부싱 표면 오손 .동물(쥐, 고양이 등)접촉
	오일누설	.제조불량           .케이스 부식 .기계적 진동.충격
직렬리액터	과열소손	.과대전류 유입 (기본파나 고조파)
	코일층간단락 (레어쇼트)	.직렬 리액터 2차측 단락사고로 전자기계력에 의한 코일.철심변형
	내부지락	.건식 : 습기침입 .유입식:유면저하, 절연유 산화 또는 열화
	외부단락.지락	.콘덴서와 동일
	오일 누설	.콘덴서와 동일
방전코일	내부단락	.유면저하에 의한 선간단락
	내부지락	.직렬 리액터와 동일
	외부단락.지락	.콘덴서와 동일
	오일 누설	.콘덴서와 동일
개폐기, 차단기		.개폐빈도 과다로 기계적 부분 이완

 

 

고조파 영향

 

  최근 파워 일렉트로닉스를 이용한 기술이 다양화되고 그 응용범위가 확대됨에 따라 산업현장에서 많

  이 사용되고 있다. 이러한 파워 일렉트로닉스 응용기기들은 전력계통의 가장 중요한 고조파 발생기

  기로서 전압, 전류 파형의 왜곡원인이 되고 잇다. 전력계통에서 전압, 전류 왜곡이 확대되면

 

  • 전력기기의 과열, 소손

  • 기기의 이상 소음, 진동

  • 전력계통의 공진

  • Thyristor 응용기기의 제어기능 불안정 및 오동작

  • 통신 유도 장해

  • 노이즈 원으로서 각종 장해 등의 원인이 되어 산업자동화, 첨단화의 비중이 클수록 이에 대한 피해

     도 커지고 있다.

 

콘덴서의 보호 및 트러블 대책

 

  진상 콘덴서는 자체의 절연 신뢰성이 높은 정지기기이므로 트러블 발생이 적고 역률개선의 메리트에

  의해 그 설치량이 증가하고 있다.

  그러나 최신 파워 일랙트로닉스 장비가  도입됨에 따라 고조파 부하가 증가하고 특히 개폐 과도현상

  이나 고조파 트러블을 중심으로 설비내 기기의 고장.계통이상 등과 같은 트러블 건수가 증가하는 경

  향이 있다.

  특히, 계통과의 상호작용으로 인한 고장 또는 일반기기에의 파급 등과 같은 계통 이상현상은 진상 콘

  덴서 특유의 문제점이라 할 수 있다.

 

계통이상에 대한 보호

 

  ￭ 과전압 보호

     콘덴서는 사용중에 항상 전부하 상태로 운영되며 계통전압이 상승하면 전압제곱에 비례하여 과부

     하가 된다. 따라서 전압이 상승할 경우 차단기를 개방해야 한다. 검출 장치는 모선 PT에 한시형 과

     전압 계전기를 설치하며 정정범위는 115～120%가 일반적이다.

 

  ￭ 저전압 보호

     계통 저전압은 적극적인 보호목적은 없으나 다음과 같은 문제가 있기 때문에 저전압 계전기를 설

     치하여 콘덴서를 계통으로부터 분리하는 것이 바람직하다.

     전압회복시에 무부하 상태에서 콘덴서만 계통에 연결되어 진상용량의 과다 및 모선전압의 상승을

     유발하여 위험하게 된다.

     전압 회복시에 무부하 변압기와 콘덴서가 동시에 투입되어 콘덴서 단자전압이 비정상적으로 상승

     한다.

     따라서 저전압 계전기는 순시 전압강하에 동작하지 않도록 한시형을 사용하여 통상전압의 50% 정

     도에 정정하는 것이 보통이다.

 

콘덴서 내부 이상에 대한 보호

 

  ￭ 모선부분의  사고

 

 단락사고 

일반적으로 유도원판형 과전류 게전기를 사용하며 최소 동작전류를 정격전류의 150% 정도로, 한시는 상위 계전기와의 협조를 고려한다.

 

  (a) 한시요소

       고압용 콘덴서는 직렬 리액터가 있는 경우 정격전류의 120%까지 견딜 수 있도록 제작되므로 이

       값에 맞게 정정하여 콘덴서 돌입전류에서 동작하지 않도록 레벨을 선정한다.

  (b) 순시요소 

       고압 콘덴서는 계통의 말단이므로 최소 고장에도 동작하도록 하되, 콘덴서 돌입전류를 고려하여

       정격전류의 500% 이상에서 동작하도록 한다.

 

  지락사고 

지락보호는 계통의 중성점 접지방식, 사고점 저항 등에 따라 사고양상이 다르나 일반적으로 보호방식을 결정하는 데는 일반 전기설비 보호의 경우와 같다.

 

   ￭콘덴서 부분의 사고

 

  콘덴서 내부소자의 절연파괴, 단선 등이 있으며 이의 검출방법은 구성소자의 전압을 비교하여 단선,

  단락 등 소자내부에 이상이 발생하면 차전압을 검출한다. 이 방식은 원리적으로 고조파, 계통 불평형

  등의 영향을 받지 않아 신뢰도가 높다.

 

콘덴서의 설치위치에 대한 비교 

 

콘 덴 서 설치위치	장   점	단   점	비 고
고압측	.고압측의 역률 개선(고압측의 전력손실, 전압강하 감소) .전기요금의 역률  할인 적용 콘덴서 소형,   설비비용 감소	.저압측 역률 개선불가(변압기 이용률 감소) .고압으로 보호장치 설비비가 큼(고압 콘덴서  전용 개폐기 필요) .고조파 장해용 직렬 리액터  필요
저압측	.고압측, 저압측 모두 역률 개선(고.저압측 모두 전력손실, 전압강하 감소) .변압기 이용률 향상(피상전력 감소) .전기요금의 역률 할인적용 .각각의 부하용 개폐기(CB) 공용 가능 특히, 직렬 리액터(SR)가 필요없음.	.콘덴서 대형, 설치 비용증가	.저압측 콘덴서 분산설치시는 집중설치보다 비용이 더 많이 듬

 

 

자동 역률조정기 설치시 주의사항

 

  ￭ 역률조정기가 정확히 동작하기 위해서는 아래와 같이 PT와 CT의 위치가 매우 중요하다. 즉, CT와 PT는 메인 역률을 감지할 수 있는 장소(주차단기 하단)에 설치해 주고 CT와 PT의 상이 서로 겹치지 않도록 해야 한다.

  . CT의 극성을 정확히 맞추어 결선할 것.

  . PT의 상을 정확히 맞추어 결선할 것.

  . CT의 상과 PT의 상을 중복시키지 않을 것.

 

  CT : R상 → PT : S-T상

  CT : S상 → PT : R-T상

  CT : T상 → PT : R-S상

 

  만일 CT의 K, L 단자가 바뀌면 역률조정기는 선로상태와 반대로 동작한다. 반드시 메인 역률계와 APFCR의 역률계가 같은 값을 지시하는가 확인하고 어느 한쪽으로 APFCR의 역률계가 치우쳐 있으면 CT의 단자 및 CT 전류를 체크해야 한다.

 

  ￭ CT 및 PT는 반드시 메인 역률을 감지할 수 있는 장소에 설치하고 콘덴서의 메인 브레이커 밑에 설치하면 안된다. 커패시티브 로드 상태만 감지되므로 동작하지 않는다.

 

 

콘덴서의 잔류전하와 과도현상에 대하여

 

사용장소에 따른 분류 :  병렬콘덴서, 결합콘덴서, 직렬리액터, 고조파방지용병렬콘덴서의 역활 ;  역율개선, 선로의 전압 경감 ,설비용량 증가

 

1) 콘덴서 투입 시 나타나는 현상

- 영향

㈀ 콘덴서 투입 시 돌입전류로 변류기 2차회로에 과전압이 발생.

(과도 현상에 의한 단락전류가 크다)

㈁ 콘덴서 투입 시 모선에 순시전압 강하 발생

㈂ 대용량 콘덴서 설치 시 고조파 전류가 흘러 파형 왜곡

(회전 전압, 전류 파형의 왜곡 확대, 고조파 발생으로 인하여 변압기에 소음이 발생하고 콘덴서 돌입 전류, 계전기류의 오동작 등 절연파괴 유발 우려.)

 

- 고조파 전류에 대한 대책 : 직렬리액터를 설치

: 제3고조파 : △결선내에서 순환하므로 선로에 나타나지 않음

: 제5고조파 : 선로의 파형응 왜곡시켜 통신선에 유도장해

㈀ 직렬리액터의 용량

2∏fL >1/2∏fC ⇒ 5WL 〉 1/5WC ⇒ WL 〉 1/25WL  = 0.04 Xc ∴ 병렬공진 방지 등 경제적 고려 6% 정도로 제작 설치

㈁ 직렬리액터 설치 시 주의사항

콘덴서 단자전압과 전류 모두 6% 상승 효과가 생기므로 콘덴서 용량의 13%의 증가 효과를 가져와 진상전류가 증가하여 계통에 이상현상(발열)을 유발시킬 수 있다.

 

2) 콘덴서 개방 시 나타나는 현상

- 잔류전하의 축적

㈀ 잔류전하의 축적

콘덴서의 전하량은 Q = CV로 축적되어 있다가 방전회로를 갖지 못하면 스위치를 개방하여도 전하는 콘덴서에 남게 되어 감전 사고를 유발시킬 수 있다

㈁ 잔류전하 방전대책

- 콘덴서 용량 Q[KVA]에 대하여 방전코일(탱크형) 방전저항(케이스형)을 개방 후 5분(탱크형은 5초) 이내로 잔류전하를 50V로 이하로 방전시킬수 있는 용량을 선정.

- 부하에 직결된 경우 부하와 함께 개폐되므로 방전코일은 불필요

 

3) Surge 전압의 발생 (과도현상)

㈀ 원인

- 전류 0점차단 시 부하단에서 피크치의 전원전압과 같게 되고 1/2 HZ후 차단기의 극간에는 2루트2의전압이 인가된다.

- 극간 절연회복이 지연되면 극간 방전이 지속되고, 이 전압은 2루트2E ~ 0으로 급변하여 회로 정수에 따라 고주파 진동을 일으킨다.

- Surge 전압은 진동전류의 몇 차파에서 소호하는 가에 따라 부하단의 잔류전압이 차이가 발생한다.

- 재점호 및 고주파 점호를 반주기마다 반복하는 경우 부하단의 잔류전압은 누적되어 기기의 절연파괴를 하는 Surge 전압으로 된며, 실제 3배이하의 Surge전압으로 된디.

㈁ Surge 보호방법 : Condenser 설치, C-R 직렬소자, L-R 직렬소자 설치

(Surge에 대한 억제 효과)

 

 

전력용 콘덴서와 직렬리액터에 대하여

 

(1) 역률제어 방법

1) 역률 제어 목표 = 95%(더 높으면 계통상황에 따라 진상이 되며, 병렬공진으로 인하여 부하 측의 전

    압이 상승하여 이상 재해 우려)

2) 수동 제어 및 자동 제어(APFR : Auto Power Factor regulator)

3) 콘덴서의 분류

- 병렬 콘덴서 : 역률 개선, 선로 전압강하 경감, 설비 용량 증가

- 직렬 콘덴서 : 전압 강하 보상, 전압 변동 경감, 송전 용량 증대, 선로 안정도 증가, 전력조류 제어

- 결합 콘덴서 : 전력선 반송전화에 이용 (Carrier-Coupling 콘덴서)

- Surge Absorber : 뇌전압 저감, 1, 2차 혼촉사고 방지

- 필터용 콘덴서: 직류 변환회로의 필터용

- 고조파 방지용 콘덴서 : 발진 회로, 유도로

- 기타 콘덴서 : ACB 분압용, 방전 가공장치용

 

(2) 역률 개선 콘덴서의 종류

1) 동기조상기 : 동기전동기를 무부하로 운전, 여자전류를 조정하여 부하 역률을 개선하고  부하에 병

    렬로 접속

2) Static Condenser (진상용 콘덴서)

 

가) 역률 개선 콘덴서 : 역률 개선 콘덴서의 앞선 전류를 역률 개선용으로 응용

                     (전력 부하의 2/3 이상을 차지하는 동력 부하가 주 대상임)

- 단기형(200KVA이하, Case형) 및 집합형(200KVA이상, 탱크형) 

- 단상형 및 3상형  

- 저압용{μF} 및 고압 또는 특고압용{KVA}

 

나) 방전 코일

- 개방 시 잔류전하 방전 및 재투입 시 과전압 방지를 위해 방전코일(탱크형) 또는 방전저항(Case형)

   을 부설

- 용 량 : 콘덴서 용량 Q[KVA]에 대하여 개방 후 5분 이내(5초 = 고압형)에 잔류 전하를 50V 이하로

   방전시킬 수 있는 용량으로 선정

- 부하에 직결될 경우 부하와 함께 개폐되므로 방전코일은 불필요

  (부하의 임피던스를 통하여 자기 방전 회로를 구성하여 손실됨)

 

다) 직렬 리액터

- 대용량 콘덴서 설치 시 고조파 전류가 흘러 파형이 나빠지므로, 파형 개선의 목적으로 직열 리액터

   를 설치 (회로전압, 전류, 파형의 왜곡확대, 고조파 발생 → 변압기 소음, 콘덴서 돌입 전류 계전기 오

   동작, 절연파괴 유발)

 

- <Y-△결선의 변압기 경우>

  제3고조파는 △권선 내에서 순환하므로 선로에 나타나지 않으나, 제5고조파가 나타나게 된다. 제5고조파 영향으로 파형이 일그러지고 통신선에 유도장해를 미치게 되며, 제5고조파 제거 목적인 직렬리액터의 용량은 Q[KVA]의 4%이면 되나 실제로는 주파수 변동이나 경제적인 면을 고려하여 6% 정도로 설치

 

- <Y-Y결선 변압기의 경우>

  제3 및 5고조파 제거 목적인 직열 리액터의 용량은 콘덴서 용량의 증가 효과를 가져와 진상전류가 증가하여 계통에 이상 현상(발열)을 유발 시킬 수 있으므로 적정용량을 선정

 

라) 콘덴서 설치 시 주의사항

- 콘덴서 용량이 부하설비 무효분보다 많아지지 않도록 해야 한다.

- 콘덴서는 항상 전부하 상태로 운전되기 때문에 주위온도에 충분히 유의하고 환기시설을 해야 한다.

- 개폐 시 나타나는 특이한 현상을 고려한다

- 콘덴서 투입 시 돌입전류로 변류기 2차 회로에 과전압이 발생한다.

  (과도 현상에 의한 단락전류가 발생하며 단락전류가 크게 된다)

- 콘덴서 투입 시 모선에 순시 전압강하가 일어난다.

- 콘덴서 개방 시 개폐기의 극간 회복전압에 의해 재점호 현상(차단기 손상, 절연유 소손)이 발생 한다

- 유도전동기와 콘덴서가 개폐기 부하 측에 직결되어 있을 때 개폐기 개방 후 전동기가 콘덴서에 의해

   자기 여자되어 고전압이 발생한다.

- 차단기는 전류 절단현상이 없는 차단설비로 구성한다

  (공기차단기, 진공차단기는 폭발 우려가 있어 설치하면 않되고, 유입차단기, 가스 차단기, 자기차단

   기가 권장된다)

- 고압의 경우는 유입개폐기 이상으로, 특고압의 경우 COS로 한다

  (COS 사용 시 퓨우즈 대신 2.6mm/mm이상의 동선으로 직결한다)

- POWER FUSE(한류형)는 부동작 영역이 있으므로 비한류형 과전류차단기를 사용.