커패시터 (Capacitor)

커패시터 (Capacitor)

1. 직렬커패시터(Series Capacitor)
직렬커패시터는 장거리 송전선로에 설치하여 선로의 유도성 리액턴스를 보상하여 전압강하를 경감하기 위한 것이다.  장거리 송전 선로의 중간에 1개소 또는 몇 개소에 콘덴서를 직렬로 삽입한다. 선로의 유동성 리액턴스를 X L , 직렬커패시터의 리액턴스를 X C 라고 하면, 선로의 합성 리액턴스 X=X L -X C 로 감소한다. 이는 선로의 등가적인 길이가 짧아지는 것과 같다. 따라서 직렬커패시 터는 송전전압에 비하여 지나치게 긴 선로에 사용하는 것이 효과적이며, 작동이 신속하고, 부하변동에 대해 자율적 이므로, 전기로와 같이 빈번하게 변동되는 부하가 있는 회로의 전압맥동 개선에 효과적이다. 또한 직렬커패시터는 선로리액턴스를 변화시킬 뿐이므로 부하의 역률개선에는 효과가 없으며, 수전단의 전압을 항상 일정하게 유지하는 데는 기여하지 못한다.

직렬커패시터는 현재 우리계통 에서는 사용하고 있지 않으며, 송전선로가 긴 미국, 스웨덴, 뉴질랜드 등과 같은 곳에서 주로 초고압선로에 적용하고 있다. 직렬커패시터를 선로에 설치하면 다음과 같은 장․단점이 있다.

1) 장점

(1) 장거리 선로의 전압강하를 줄인다.

(2) 수전단의 전압변동률을 줄인다.
(3) 정태안정도가 증가하여 최대 송전전력이 커진다.
(4) 부하의 역률이 나쁜 선로일수록 효과가 좋다. 즉시동이 빈번한 부하가 연결된 선로에 적용하는 것이 좋다.

2) 단점

(1) 효과가 부하의 역률에 좌우되어 역률의 변동이 큰 선로에는 적당하지 않다.
(2) 변압기의 자기포화와 관련된 철공진, 선로개폐기 단락 고장시의 과전압 발생, 유도기와 동기기의 자기여자 및 난조 등의 이상 현상을 일으킬 수가 있다

2. 병렬커패시터(Shunt Capacitor)
일반적으로 송배전선로에 연결된 부하는 유효전류 뿐만 아니라 상당한 무효전류를 필요로 한다. 선로에는 유․무 효전력의 합성전류가 흐르므로, 전압강하가 증대하며 손실이 하므로 이에 따른 전력설비의 이용률도 저하한다. 커패시터를 부하와 병렬로 접속하면 커패시터는 전압보다 90 °위상이 빠른 진상무효전류(IC)를 공급하므로 부하의 역률이 개선되어 선로전류가 감소하고 선로전류의 감소에 따른 손실과 전압강하 감소 및 전압변동율이 개선되어 양질의 전압 공급이 용이하다. 또한 동일 크기의 부하에서 선로전류의 감소로 설비의 공급여력이 증가된다.

또한 동일한 크기의 부하에서 선로전류의 감소로 설비의 공급할 수 있는 여력이 증가한다. 우리 공사에서는 주로 커패시터를 부하와 병렬로 연결한 병렬커패시터를 변전소의 모선에 설치하여 운용하고 있다.
23kV 모선에 설치되어 있는 23kV 병렬 커패시터 용량은 154kV 주변압기 용량의 20% 이하로 제한되며 설치기 기는 가능한 한 변압기뱅크의 신설이나 증설시 병행하여 설치하는 것이 바람직하며, 설치시기는 최대무효전력 발생시점인 7∼8 월 이전에 완료하여야 한다. 또한 하위계통 에서 소정의 전압을 유지하기 어려워 저전압이 예상되는 곳에 우선적으로 설치하여야 하며 손실감소의 관점에서 무효전력 소비점의 근방이나 역률개선 효과가 큰 곳에 설치하는 것이 좋다. 23kV 병렬커패시터를 345kV 주변압기의 3차측 모선에 설치하는 경우도 있다.
154kV 병렬커패시터 뱅크는 154kV 계통전압이 저전압 우려되는 변전소의 154kV 모선에 설치한다.

1) 중성점 레지스터(Neutral Resistor)

초고압 콘덴서뱅크 운전시 돌입전류에 의한 51N 계전 기의 동작으로 콘덴서뱅크의 투입이 실패하는 경우가 있고, 재투입시 잔류전압으로 인해 재기전압이 급상승하여 콘덴서뱅크에 치명적인 손상을 초래할 수 있다. 따라서 콘덴서뱅크 투입시 돌입전류를 제한하기 위해 콘덴서뱅크 중성점에 레지스터 혹은 리액터를 취부하게 된다. 또한 콘덴서뱅크 투입 실패시 반드시 지정 재투입시간(154kV 콘덴서의 경우 최소 125초 이상 경과) 경과 후 재투입하여야 한다.
우리계통에 사용하는 중성점 레지스터의 정격은 50[Ω], 20[A], 1500[A](순시 Peak) 이며, 기준충격 절연강도 : 125[kV], 150[kV](BIL) 이다.
중성점 레지스터 취부시 중성점의 전위가 상승하며 콘덴서 설치비용이 증가되나, 적기에 콘덴서뱅크를 투입함
에 따른 계통의 안정적인 운전을 고려하여 중성점 레지스 터를 사용하는 것이 유리하다.

2) 방전코일(Discharge Coil)

콘덴서를 회로로부터 분리시 잔류전하는 쉽게 자기방전 하지 않으므로 코일이나 저항을 통하여 방전시켜야 한다. 방전코일의 용량은 단위 Bank용량의 0.1 % 정도의 것이 접속되며 방전은 1초 이내에 완료된다. JIS 규격에는 5초 이내에 단자전압을 50[V] 이하로 낮추도록 되어있다. 방전코일은 상시에는 높은 리액턴스로 미소한 전류가 흐르나 콘덴서 회로가 개방됨과 동시에 콘덴서 잔류전압(직류 분)에 의해 포화되어 리액턴스가 상시의 1/100 정도로 되며, 비진동 성 전류로 되어 수 10[Hz] 이내에 방전하게 된다. 또한, 방전코일의 2차전압을 전압평형계전기에 입력하여 콘덴서 셀의 내부이상으로 인한 고장을 검출한다.

3) 직렬 리액터(Series Reactor)

콘덴서를 조상용으로 송전선에 연결할 때 당면하는 큰문제는 전압파형이 비틀리는 것이다. 선로에는 변압기 등의 자기포화 때문에 고조파전압이 포함되어 있으며 콘덴 서를 연결함에 따라 고조파전압이 확대된다.
그러나 제3고조파전압은 변압기 저압측의 △결선으로 단락 제거되므로 나머지의 제5고조파가 확대된다. 따라서 제5고조파에서 콘덴서와 직렬공진하는 직렬리액터를 삽입한다. 직렬리액터 용량 산정을 위하여 기본주파수를 f라 하면
2π( 5f)L =1/2π( 5f)c

∴ 2πfc = 1/2πfc×1/52 = 0.04 ×1/2πfc

실제로는 기본 주파수에서 콘덴서의 용량성 리액턴스의 4%보다는 조금 크게 5∼6% 정도의 리액턴스를 직렬로 결선하여 제5고조파 전압을 단락 제거 한다.
5%의 직렬리액터를 삽입하면 콘덴서의 단자전압이 5％ 상승하고 콘덴서 용량이 10% 정도 증가하므로 콘덴서의 작용도 5% 정도 증가하게 된다.