전력용 콘덴서(Power Capacitor)에 대하여
안녕하세요? 오늘은 전력용 콘덴서(Power Capacitor)에 대해서 말씀드리겠습니다. 흔히 수배전반에서 볼 수 있는 전력용 콘덴서는 역률을 개선하기 위한 장치입니다. 전력용 콘덴서는 진상 콘덴서라고도 부릅니다. 일반인들에게 전력용 콘덴서는 흔하게 볼 수 있는 기기가 아니지요. 전기를 공부하시는 분들은 전력용 콘덴서에 대해서 책에서 많이 접하셨을 것입니다. 하지만 전력용 콘덴서에 대한 보다 상세하고 세밀한 공부를 위해 오늘 이 글을 쓰게 되었습니다. 전력용 콘덴서는 역률과 관계가 있는데 만약 역률에 대해서 잘 모르시는 분은 필자의 과거 포스팅을 먼저 참고하시면 좋겠습니다.
2020/10/14 - [별의 시설관리/전기] - 역률에 대하여
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1. 전력용 콘덴서를 사용하는 이유
우리의 일상생활 가운데 역률에 좋지 않은 영향을 끼치는 전기기기들이 있습니다. 위와 같은 방전등(형광등, 메탈할라이드 등)과 모터 용접기 등은 역률에 나쁜 영향을 끼치게 됩니다. 역률이 좋지 않으면 전력 손실이 증가하고 전기요금이 증가하는 등의 악영향이 있기 때문에 전력용 콘덴서를 이용하여 역률을 개선하게 됩니다.
2. 전력용 콘덴서의 외관
전력용 콘덴서의 외관은 보통 위와 같습니다. 가장 왼쪽의 것은 고압 및 특고압용 전력용 콘덴서로 상부 연결부에 애자가 설치되어 있습니다. 가운데 것이 우리가 가장 흔하게 볼 수 있는 유입식 전력용 콘덴서입니다. 사진의 것은 사각형이지만 둥근 모양도 있습니다. 가장 오른쪽의 것은 건식 전력용 콘덴서입니다. 모양은 조금씩 다르지만 모두 전력용 콘덴서입니다. 전력용 콘덴서는 서두에 언급한 것처럼 모터를 사용하는 곳에는 필수로 설치되어 있습니다.
최근 건식 전력용 콘덴서를 사용하는 곳도 종종 볼 수 있습니다. 건식 콘덴서는 콘덴서 내부에 오일이 없는 것입니다. 콘덴서 내부에 들어 있는 오일은 잔류성 유기오염물질 POPs(Persistent Organic Pollutants)이기 때문에 인체에 유해합니다. 대표적으로 이런 잔류성 유기오염물질이 들어있는 전기 기기는 유입식 변압기라고 할 수 있겠습니다. 필자도 유입식 변압기를 교체하는 과정에서 오일 폐기처리를 위해 귀찮은 과정을 겪었던 것이 기억이 납니다.
실무적인 면에서는 유입식 콘덴서가 자주 배가 불러오거나 터지면 건식으로 교체하기도 합니다. 아무래도 유입식보다 건식이 더 내구성이 있는 것 같습니다.
3. 전력용 콘덴서의 구조
1) 단상 전력용 콘덴서
전력용 콘덴서는 위와 같이 단순하게 생겼습니다. 철판의 양쪽에 +극과 -극이 붙어 있으면 철판에 전하가 충전되게 됩니다. 하지만 위의 것은 단순하게 표현하기 위해서 단상으로 그린 것이고 실제로는 3상이 콘덴서에 연결되어 있습니다. 수배전반에 있는 콘덴서를 확인해 보세요. 그렇다면 3상이 연결된 콘덴서의 내부는 어떻게 되어 있는 것일까요?
2) 3상 전력용 콘덴서
3 상의 전력용 콘덴서는 위와 같이 내부가 Δ결선 또는 Y결선으로 되어 있습니다. 이 두 결선의 차이가 무엇일까요? 똑같은 콘덴서 3개가 들어있으니 충전용량이 동일한 것은 아닐까요? 아닙니다. 콘덴서의 충전용량 식은 아래와 같습니다.
Q=ωCE^2
여기서 충전용량은 전력용 콘덴서에 걸리는 전압의 제곱에 비례합니다. 잘 아시는 바와 같이 Δ결선에는 380V가 걸린다면 Y결선에는 220V가 걸리죠. 즉 Y결선에 걸리는 전압은 Δ결선에 걸리는 전압의 1/√3 배인 것은 전기를 조금 공부하시는 분이라면 아실 것입니다. 따라서 제곱에 비례하므로 콘덴서 1개에 걸리는 충전용량은 Δ결선 대비 Y결선이 1/3입니다. 따라서 용량만 생각한다면 Δ결선의 전력용 콘덴서만을 사용해야 합니다. 하지만 Y결선의 장점도 있기 때문에 두 개를 골고루 사용한다고 합니다.
3) 전력용 콘덴서 구조
특고압 전력용 콘덴서를 예를 들어 전력용 콘덴서의 구조를 말씀드리겠습니다. 특고압 같은 경우 내부에 Fuse가 설치되어 있어 고장 발생 시 전원을 차단하는 기능이 있습니다. 또한 내부에 방전 저항이 있어 전원이 끊어졌을 때 전기를 자체 소비하여 충전 전기를 없애줍니다. 보시다시피 전력용 콘덴서는 내부에 철판이 가득 들어있고 절연물과 방전 저항이 들어있습니다.
4. 전력용 콘덴서의 안전장치
1) NCS 방식
고압 및 특고압 전력용 콘덴서는 내부 이상 발생 시 보호장치를 의무적으로 설치해야 합니다. NCS 방식이나 NVS 방식 등은 전기기사나 전기산업기사를 공부하신 분들은 알고 계실 것입니다. 여기서는 NCS 방식에 대해서 주로 말씀드리겠습니다. NCS방식은 Neurtal Current Sensor의 줄임말입니다.
NCS 원리는 그림 (b)와 같이 콘덴서 내부 소자를 Y-Y 결선하여 이 중성점 간에 전류 검출 코일을 삽입시키고 콘덴서 내부 고장 시 이 코일이 여자됨으로써 동작되는 접점이 내장되어있습니다. 이 접점은 콘덴서 내부 소자의 파괴에 따른 신호는 정확하게 동작되며 이것을 이용하여 전원을 차단하거나 개폐기를 개방시켜 주도록 되어 있습니다. 만약 (a)처럼 VT를 설치하면 평상시에는 전류가 흐르지 않으니 전압이 검출되지 않다가, 고장이 발생하면 VT에 의해 전압이 걸리게 됩니다. 두 Type 모두 결국 원리는 정상상태에서는 전류가 흐르지 않다가 고장 발생 시 전류가 흐르는 원리로 동일합니다.
위에서 보시는 바와 같이 전력용 콘덴서 고장이 발생하면 두 전력용 콘덴서 중성점을 연결하는 선에서 전류가 흐르고 NCS를 동작시킵니다. NCS는 NCSX 릴레이를 동작시키고 이것은 86X를 동작시킵니다. 86X는 VCB를 떨어뜨림과 동시에 부저가 울리게 하는 등의 역할을 합니다. 고압 및 특고압용 전력용 콘덴서에는 위와 같은 시퀀스가 의무적으로 설치되어 있다는 것을 참고로 보시면 좋을 것 같습니다.
2) 압력식 보안장치
위와 같이 전력용 콘덴서가 수명이 다하면 열이 발생하여 내부의 압력이 올라가게 됩니다. 내부의 압력이 올라가면 전력용 콘덴서 상부가 부풀어 오르게 되고 접점이 떨어지게 됩니다. 위와 같이 전력용 콘덴서는 이상이 발생하면 Fuse 등이 내장되어 있어 접점이 떨어지거나 보안장치 등이 동작하여 접점이 떨어지게 됩니다. 위의 사례는 저압용 진상 콘덴서의 사례입니다.
5. 전력용 콘덴서의 점검 방법
1) 콘덴서 고장의 종류와 원인
보시는 바와 같이 고장의 종류를 보시면서 점검하시면 됩니다. 누유가 있는지, 외함 변형이 있는지, 이음이나 이취가 있는지 온도가 뜨거운지 등을 점검하시면 됩니다. 여기서 보통 누유가 있거나 외함이 부풀어 올라 있는 경우는 종종 볼 수 있습니다. 또한 고조파에 의한 이음이 발생하는 경우도 종종 볼 수 있습니다.
2) 후크메타를 이용한 콘덴서 점검방법
그리고 위와 같이 전력용 콘덴서의 외부에 붙어있는 정격전류를 확인한 후 콘덴서에 연결되어 있는 각 선의 전류를 후크메타를 이용하여 측정합니다. 측정값이 모두 정격과 대동소이하다면 콘덴서는 정상 작동을 하고 있는 것입니다. 그러나 한 상이라도 전류가 나오지 않거나 편차가 크다면 콘덴서가 고장이 난 것으로 판단하시면 됩니다.
위 사진에서 보시는 바와 같이 전력용 콘덴서가 터져서 오일이 흘러나왔습니다. 사진은 이미 교체한 후라서 망가진 전력용 콘덴서는 없습니다. 아무튼 위와 같이 전력용 콘덴서가 터질 수도 있다는 것을 말씀드리기 위해서 사진을 보여드렸습니다.
오늘은 전력용 콘덴서에 대해서 말씀드렸습니다. 오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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