역률관리
목 차 1 장. 역률관리및측정법 2 장. 역률개선효과 3 장. 역률조정장치 - 1 -
1 장. 역률관리및측정법 1. 역률관리 전력설비의대부분은코일성분과저항성분으로구성되며, 따라서일 (Power) 과는무관한무효전력이존재하게되고이무효전력은전원공급설비의이용률저하, 손실증가, 전압강하의원인을제공하며. 이러한무효전력을최소화하기위한방법과역률의개념을개괄적으로설명함. 역률 (Power factor) 란전류사이에위상차가발생하는경우, 전력은항상전압과전류를곱한값보다작은값즉, 전압과전류를곱한값에 1보다작은어떤변수 (factor) 를곱한값. 이변수를정현파교류전압과전류사이의위상차를 θ 라하면, cosθ = 또 의관계식에서어떤부하에전력을공급하는경우에부하의역률이낮으면 동일전압에서보다많은전류를흘러주어야하며, 따라서발전기, 송전선, 변압기등을포함한계통의열손실과전압강하가증가하고, 이들기기의소요용량이증가함. - 2 -
1 장. 역률관리및측정법 2. 역률의측정방법 가. 순간역률의측정 순간역률의측정에는역률계를이용하는외에, 그설비의전력계, 전압계, 전류계등에의한 제측정치를이용, 나. 평균역률의측정 유효, 및무효적산전력계에의한측정치를이용 WH 는유효적산전력계 (24 시간기록치 ) QH 는무효적산전력계 (24 시간기록치 ) 이경우는각상전압이평균이며, 각상전류가불평형이라도정확한역률의산정이가능. - 3 -
2 장. 역률개선효과 1. 배전선및변압기의손실경감 일정한전력을수전하는경우, 부하의역률이낮을수록전류는증가하게되며, 배전선변압기 등에서의전력손실도증가. 선로의전력손실 은 여기서 I 는선전류 (A), R 은 1 선당선로저항 (Ω) P(W) 는부하전력을, cosθ 는역률이라할때 전류 I 는, 가됨. 한편선로의손실저감량은, - 4 -
2 장. 역률개선효과 은현재의선로손실, 은현재의역률값의제곱, 은역률개선시의역률의제곱값. 이식에서알수있는바와같이선로손실은역률의제곱에반비례하여감소함을알수있다. 2. 설비용량의공급능력증가 전기설비의용량은대개피상전력으로표현되므로, 동일용량의설비에서역률을개선함으로써, 추가적인유효전력의공급이가능하여, 설비의용량에여유가생기게됨. [ 그림 - 1] 역률개선에의한설비여유백터도 - 5 -
2 장. 역률개선효과 [ 그림 -1] 에서 W₁ 을피상전력, cosθ 1 을개선전역률라고할경우 이에전력용콘덴서를설치하여역률을 cosθ ₂ 로개선시 역률개선시추가공급가능한부하전력 ΔP 는 P₂- P₁ 3. 전압강하의감소 ES = Er + I(Rcosθ+Xsinθ) 전압강하율 3상 3선식의배전선로의 1선당저항을 R, 리액턴스를 X라하고, 부하단전압을, 선전류를 I, 송전단전압을, 부하전력을, 개선전, 후의역률을각각 cosθ, cosθ ₁이라할때현재의전압강하 ΔE는, ΔE = = - 6 -
2 장. 역률개선효과 역률개선시전압강하 ΔE' 는, ΔE'= 전압강하개선분 e 는 e = ΔE - ΔE' = 4. 전력요금의경감 기준역률을 90% 이상으로유지하도록하고있으며, 기준역률이상시는 95% 까지매 1% 에대하여 기본요금을감액, 90% 미달시매 1% 마다기본요금을 1% 씩추가부담. 결과적으로역률개선의효과는 1 전력손실의감소 2 설비용량의효율적운용 ( 유효분용량의증가 ) 3 전압강하의감소 4 각종기기의수명연장 5 전력계통의안정등이있다. - 7 -
2 장. 역률개선효과 ( 예제 1) 6.6kV 배전선에서 2,000kW, 역률 80% 의전력을소비하고있다. 배전선의임피던스는 R=0.16Ω/ km, X=0.38Ω/ km, 거리 3.5km라할때콘덴서를설치해서역률을 95% 로개선하고자한다. 전압강하와전압강하율의감소를계산하여라. < 풀이 > = (kv), tanθ ₁= 0.75 ( 역률 80%) tanθ ₂= 0.33 ( 역률 95%) R=3.5 0.16=0.56Ω, X=3.5 0.38=1.33Ω 1 전압강하 E = E₁- E₂= (tanθ ₁- tanθ ₂) = (0.75-0.33) = 98(V) - 8 -
2 장. 역률개선효과 2 전압강하율 필요콘덴서용량 Qc 는 Qc=P(tanθ - tanθ ₂) = 2,000 (0.75-0.33)=840(kVA) 이므로기준 Base 를 2,000(kVA) 로놓으면 %X= = 6.1(%) 따라서, 전압강하율경감분은 E R 을동일하게간주할경우 ε= = = 2.6(%) ( 예제 2) 3ø 6.6kV/220 2,000kVA 체강용변압기에전동기부하가걸려있다. 콘덴서를접속해서부하역률을 80% 에서 95% 로개선하였을경우전력손실의감소율은얼마인가? cosθ ₁= 0.8, cosθ ₂= 0.95 이므로손실의감소율 K 는 K = [1 - ( )²] 100 =[1-( )²] 100 = 29[%] - 9 -
2 장. 역률개선효과 따라서, 변압기의동손을약 1.5% 라고가정한다면동손은 = 30kW 가되며, 29% 가감소되기때문에 30 0.29 8.7 (KW) 가감소된다. ( 예제 3) 임피던스 R=0.16Ω/ km, X=0.38Ω/ km, 거리 3.5km인 6.6kV 배전선로에 2,000kW, 역률 80% 의전력을소비하는부하가설치되어있다. 콘덴서를설치해서역률 95% 로개선했을때전력손실의저감분 의값을구하여라. E = (kv), cosθ ₁=0.8, cosθ ₂=0.95 R = 3.5 0.16 = 0.56 (Ω), X= 3.5 0.38 = 1.33 (Ω) 전력손실감소분 의값은 = ( - ) = 0.56 = 23.4 (kw) 가된다. - 10 -
2 장. 역률개선효과 ( 예제 4) 송전용량 T=5,000kVA인설비가있을때공급가능한용량은부하역률 80% 에서 4,000kW까지이다. 여기서 95% 로역률을개선하면역률 80% 의부하증가는몇 kw까지가능한가 부하의증가량은 P = P₁( -1) = 4,000 ( -1) = 750 (kw) 만큼증가한다. - 11 -
2 장. 역률개선효과 [ 표 4] 콘덴서용량산정표 현재역률이 0.8이고 1000(kw) 의전력을소비하는부하의역률을 0.95로하기위한콘덴서의용량을다음표에서찾기위해서는앞에서말로설명한대로하면된다. Step 1 먼저왼쪽콘덴서설치전의역률축에서 0.8에해당하는점에서표중앙의 0.95 곡선과만나는점을찾는다. ( 표에그려진빨간색직선 ) Step 2 그점에서다시수직선을그어아래축과만나는점의값을읽는다. ( 파란색직선 ) Step 3 위의예에서는만나는점의값이 40% 이므로콘덴서의필요용량은부하전력의 40% 인 400[KVAR] 이됨을쉽게알수있다. - 12 -
3 장. 역률조정장치 1. 역률제어용량산정 부하전력 Po[ kw ] 역률 cosθ 인부하에서역률을 cosφ 으로개선하기위한콘덴서의용량 Q c 를 [ 그림 - 2] 의백터도에서구하면 [ 그림 - 2] 역률개선시콘덴서용량결정백터도 Qc = Po(tanθ -tanψ) = [kva] - 13 -
3 장. 역률조정장치 한국전력공사의용량선정기준은아래표와같음. [ 표 - 1] 단상유도전동기 (200V) 정격출력 부착용량기준 W HP 60Hz μf kva 200 1/4 20 0.3-1/3 20 0.3 400 1/2 20 0.3 600 3/4 30 0.45 750 1 30 0.45 [ 표 - 2] 3 상유도전동기 (200V) 정격출력 부착용량기준 kw HP 60Hz μf kva 0.2 1/4 10 0.15 0.4 1/2 15 0.226 0.75 1 20 0.301 1-20 0.301 1.5 2 30 0.45 2 3 40 0.6 3-40 0.6 4 5 50 0.75 5 7.5 75 1.13 7.5 10 100 1.51 10 15 150 2.26 15 20 200 3.015 20 25 250 3.77 25 30 300 4.52 30 40 (400) 6.03 (40) (50) (500) 7.54 - (60) (600) 9.04 (50) (75) (750) 11.30-14 -
3 장. 역률조정장치 2. 역률개선시설치방법 콘덴서의설치위치는여러장소를고려할수있으며, 부하설비의용량, 콘덴서의설치효과, 유지보수및 경제성등을고려하여유리한위치 [ 그림 - 3 참조 ] 에설치함. [ 표 - 3] 콘덴서의집중설치와분산설치의 효과분석 구분 집중설치 분산설치 콘덴서소요용량 적다 많다 전력손실감소효과 작다 크다 전압강하감소효과 작다 크다 전기요금감소효과 같다 같다 보수점검 용이하다 복잡하다 [ 그림 - 3] 역률개선용콘덴서의설치위치 초기투자금액적다많다 ( 특히저압 ) - 15 -
3 장. 역률조정장치 구분수전지점에설치변압기 2 차측에설치부하와병렬로설치 구미발전소설치방식 계 통 도 - 전력을공급받는모선에설치 - 변압기 2 차측에접속하는경우 - 전동기등의부하에접속하는경우로서부하 하는경우절전효과는없지만 변압기의 1 차, 2 차전류가감소 전류가감소함에따라부하선로손실, 변압기 계통전체에서역률개선에 하므로변압기의손실및 1 차 손실, 변압기 1 차선로손실을경감시킬수 개 따른이득을얻을수있다. 선로손실을경감시킬수있다. 있어에너지절감효과가가장우수하다. 요 - 특별고압수전인경우 - 구내고압배전방식이거나부하 시설비가많이들어 개별로콘덴서취부가곤란한 비경제적이다. 경우에주로사용한다. - 16 -
3 장역률조정장치 3. 역률제어방식 가. 무효전력에의한제어방식지상무효전력을콘덴서에의한진상무효전력으로상쇄시키는것이므로무효전력을이용한역률제어방식이가장합리적임. 이방식은, 무효전력계전기를사용하여, 부하의지상무효전력이적정한값보다증가하면콘덴서를투입하고, 진상무효전력이어느값보다커지면개방하는방식. 콘덴서의투입및개방설정폭을최소화할수있어세밀한제어가가능함. 나. 역률에의한제어방식역률계전기로부하의역률을감지하여, 설정값이하가되면콘덴서를투입, 일정값이상이되면콘덴서를개방함. 경부하시무효전력의제어폭이작아지므로제어폭이콘덴서 1군의용량보다작아지는곳에서는헌팅이발생함. 따라서제어폭이콘덴서 1군의용량보다작아지지않도록경부하에서는자동적으로 Lock되는기능있어야함. - 17 -
3 장역률조정장치 다. 프로그램제어방식 시간대별로부하곡선의패턴이일정한경우에타이머를사용하여콘덴서의투입개방을제어함. 각종방식중에서가장간단하고염가임. 라. 전압에의한제어방식부하의역률이낮을수록전압강하가크고부하의역률이진상인경우에는전압이상승하기때문에전압을측정하여콘덴서의투입개방을결정함. 이방식은역률제어보다는전압조정을목적으로하는경우에많이사용함. 참고로구미발전소 MAIN T/G 는 AVR 에서역률 0.9 로 SETTING 되어있고 중압 T/G 는 APFR ( 자동역률조정기 ) 가설치되어있어역률조정이가능하다. 또한콘덴서는 1000 [ KVA] (500 2), 3 대가병렬로설치되어있다. - 18 -
3 장역률조정장치 4. 역률제어용콘덴서운용시주의사항 가. 전동기의자기여자여러대의전동기에대해서공동보상용콘덴서를모선에설치하는경우에는운전조건에따라서유도전동기가자기여자를일으켜, 전원을개방한경우에도전동기의단자전압이상승하거나장시간감소하지않는경우가있음. 이를방지하기위해서는유도전동기의무효전력에상응하는콘덴서를전동기마다개별로설치함. 나. 돌입전류에의한 CT의섬락전동기에역률개선용콘덴서를직결하는경우, 콘덴서의잔류전류가전동기의권선을통하여방전되므로방전코일은두지않아도됨. 콘덴서의용량이커지면개폐기의투입시, 돌입전류의크기가증가하고주파수가커져서개폐기에직렬로삽입된 CT가섬락또는소손되는경우가있음. 직렬리액터필요함. - 19 -
3 장역률조정장치 다. 콘덴서에의한고조파의확대현상개통내에존재하는다양한고조파발생원과콘덴서의공진에의해서고조파전압및전류의확대우려. 특정차수의고조파에대해서콘덴서회로가유도성이되도록직렬리액터를설치함. 제 5고조파를대상으로하는경우의직렬리액터용량은, 직렬리액터는콘덴서용량의 4% 이상이면되나, 여유를감안하여 6% 정도의것을설치함. 라. 페란티의현상일반적으로전압강하는, 지상전류에의해서발생하고, 수전단은송전단보다전압이낮게된다. 그러나콘덴서에의해서과보상되는경우, 즉부하가경부하가되는경우에, 콘덴서의개방이이루어지지않으면, 진상전류가흐르게되어설치점의전압이송전단의전압보다높아지는페란티의현상이발생하여, 과전압에의해소손, 수명단축등의문제점이발생함. - 20 -
3 장역률조정장치 콘덴서외부사진 직렬리액터 - 21 -
3 장역률조정장치 콘덴서내부사진 콘덴서내부사진 - 22 -
감사합니다 - 끝 - - 23 -