전력품질 (PQ - Power Quality) 의계측과보호 전시부스 # 915 서영남 피큐라이드 대표이사 rick.suh@pq-ride.co.kr, 02-2149-8877 http://www.pq-ride.co.kr 목차 개요 PQ 문제의발생, 증상, 원인과결과 디지털전력감시시스템 PQ - Power Quality( 전력품질 ) 이란? PQ 문제의보호, 개선방안 1
개요 전력품질 (PQ) 의계측과보호종합솔루션 현상솔루션결과 전력품질문제로인한공정가동중단 계측, 분석, 24 시간감시및보호를통한 생산성의증대를통한기업경쟁력향상 유, 무형의생산손실 전력품질종합솔루션 명확한문제점의관리 원인조치효과 - 순간정전, 전압강하 - 과전압, 과도전압 - 플리커 - 고조파 -전력요소불평형 - 노이즈, 정전기 - 24시간감시분석을위한 ION PQ 미터링 - 정확한 PQ 분석 - 보호장치설치 - 비용과기대수준대비최적솔루션 - 불확실성제거 - 표준에의한관리 - 가동중단방지 - 생산성향상 - 기업경쟁력강화 개요 PQ (Power Quality = 전력품질 ) 이란? 부하의운전성능에영향을주는공급전압과전력시스템의특성 전력시스템이나다른부하에영향을주는부하특성 전력신뢰성이란계측점에서전압의존재여부 ( 구식개념 ) 전력품질은정격전압에대한 ( 다른파라미터를포함 ) 퍼센트전압값 PQ의종류 - 과도전압 (Transient) - 순간전압강하 / 상승 (ag/well) - 고조파 (Transient) - 플리커 (Flicker) - 전압, 전류, 주파수불평형 (Unbalance) - 정전기 (tatic Discharge), Noise 2
목차 개요 PQ 문제의발생, 증상, 원인과결과 디지털전력감시시스템 PQ - Power Quality( 전력품질 ) 이란? PQ 문제의보호, 개선방안 개요 전력품질 (PQ) 문제의발생 외부적인원인 ( 통제불가능 ) - 천둥, 번개 - 강풍, 폭우, 냉해 - 전력회사설비고장, 선로운용절체 - 짐승, 공사현장사고 내부적인원인 - 큰유도성, 용량성부하의투입, 절체 - 피뢰및접지실패 - 지선의단락, 지락, 부하급변동 - 전력변환장치, 특히인버터 전력사용자나공급자관리밖의영역전력공급약관은대개 99.9% 1 년 8,760 시간의 0.01% 는 8.8 시간 언제나발생가능 ( 참고 ) 한전의연평균정전시간은 18 분 반도체산업의경우 six-nine : 99.9999% 필요 3
PQ 문제의증상 전자제어시스템의예상치못한정지 데이터변경, 손실 시스템의재부팅 전자시스템의비정상적인고장율증가 변압기과열, 소음 모터고장, 소음 역률보정용콘덴서고장 계측, 테스트결과에러 PQ 문제의원인? 20년이상의산업현장경험에의한데이터 : - PQ 문제의 90% 는계기설치점을기준으로사용자측에서발생 - 금전적인손실의 80% 는전력공급자에의해발생된 10% 의문제가원인 - 전력공급자로부터의문제중대부분 (92% 이상 ) 은순간전압강하 (Voltage sag) 4
PQ 문제의원인 발생빈도의순으로 - 사용자의부하 - 사용자의전력시스템과접지오류 - 부하간의상호간섭 - 전력시스템설계나시공상의오류 - 기상관련, 번개, 폭풍우 - 전력공급자의발전시스템 - 전력공급자의송전시스템 - 전력공급자의배전시스템 PQ 문제의원인 전력품질 (PQ) 에대한요구사항증가 마이크로전자공학발달 자동화설비증가 연속공정증가 컴퓨터의이용증가 전산실로부터생산현장으로의컴퓨터이동 각공정복잡도, 중요성증가 설비와공정의자동화, 공정의연속화 유지보수없이 24시간운전이요구되는제조설비의비용증가 5
PQ 문제의원인 마이크로전자공학의발전 1970 칩당트랜지스터집적수 2000 *(0.001 joule) 1980 칩당트랜지스터집적수 10,000 *(0.0001 joule) 1990 칩당트랜지스터집적수 1,000,000 *(0.00001 joule) 2000 칩당트랜지스터집적수 1,000,000,000 *(0.000,000,1 joule) * 장애를유발하는민감도수준 PQ 의경향 매년, $200 억이상의전력반도체가설치가동됨 현재, 모든소비전력의 30% 가반도체소자를통과함 2010 년에는 70% 로증가예상 (EPRI) 낮은수준의전력품질에의한연간손실비용은 2000 년기준 15 조원으로추산 ( 미국내 ) 6
디지털시대에 PQ 의경제적인측면 PQ에민감한전자, 제어장비의사용이증가할수록, 통상적인전력외란 (Power disturbances) 에의한비용증가 - 1970 s 미국내추정 : 100억원 ( 정전 ) - 1980 s 미국내추정 : 1,000억원 -1990 s 미국내추정 :1조원( 순간정전 ) - 2000 s 미국내추정 : 150조원 ( 모두 ) EPRI( 미국전력기술연구원 ) 예측 산업계의손실예 자동차제조업순간적인정전에의한생산라인의정지사고당손실액 : 5 천만원 - 5 억원손실비용 : 연간 100 억원 반도체제조업 사고당손실액 : 2억 5천만원 - Texas Instrument, 1996 비용손실 : 3억원 + 매출손실 : 10억원 - Intel, 1996 사고당 5억원 10억원( 매출손실포함 ) - 300mm Wafer 2배로증가 화학산업 사고당손실액 : 5천만원 - 5억원듀폰사의예 : PQ 보호로연간 750억원절감효과 ( 사고와환경오염방지에대한대책분포함 ) ource - EPRI 7
PQ( 전력품질 ) 관리필요성과솔루션 필요성 - 전력공급자와사용자모두 PQ 문제는막대한비용요구 솔루션 - 고장으로인한가동중단방지 -PQ 문제발생에대한신속한대처 - 유지보수향상 - 성능기준요건검증 -PQ 문제규명후방지대책시행 목차 개요 PQ 문제의발생, 증상, 원인과결과 디지털전력감시시스템 PQ - Power Quality( 전력품질 ) 이란? PQ 문제의보호, 개선방안 8
기존의전력감시방식 DDC Direct Digital Control ( 직접디지털제어 ) 공정 1 공정 2 공정 3 공정 4 공정 5 공정 6 공정 7 공정 8 중앙관리방식 사고시취약 기존의전력감시방식 DDC Direct Digital Control ( 직접디지털제어 ) 전력감시의기능보다는제어와프로세스처리의개념 컴퓨터를이용한제어개념은 1960 년대중반부터프로세스제어분야에도입되기시작 초기의컴퓨터를이용한제어개념은 1970 년대중반까지한대의컴퓨터에의한 DDC(Direct Digital Control) 시스템과현장아날로그연결에의한제어방식이주종을이루고있었음 DDC 시스템이란한대의컴퓨터에프로세스데이터의입력, 출력및플랜트의감시, 조작, 제어등을모두집중화시켜관리하는시스템임 DDC 의경우모든제어기능이한대의컴퓨터에집중되어있으므로컴퓨터에이상이발생하면공정전체가제어불능상태가되어신뢰성저하가문제가됨 9
기존의전력감시방식 DC Distributed Control ystem ( 분산제어시스템 ) 공정 1 공정 2 공정 3 공정 4 공정 5 공정 6 공정 7 공정 8 분산제어방식 사고시유리 기존의전력감시방식 DC Distributed Control ystem ( 분산제어시스템 ) 전력감시의기능보다는제어와프로세스처리의개념 DDC 의단점을보완하기위하여하나의중앙처리장치를여러개의작은중앙처리장치로나누어기능별로분리하고작은용량의중앙처리장치를갖는각각의컴퓨터를통신네트워크로연결시켜전체시스템을구성하도록되어있으며 1975 년에탄생 DC 의기본개념은공정제어에적용되는시스템을각플랜트에알맞은단위서브시스템으로분리하고각소단위시스템에서는각각의주어진역할을수행하며, 상호간에통신이가능하도록한것으로서 DC 는소형 DDC 시스템여러개를유기적으로연결하여전체시스템을구성한것임 DC 의기본특징은프로세스제어기능을여러대의컴퓨터에분산시켜서신뢰성은향상시키고이상발생시그파급효과를최소화시키며프로세스정보처리및운전조작그리고분산설치된컴퓨터들의관리기능등은중앙의주컴퓨터 (DOC:Distributed Operate Console) 에집중화시킴으로써자료처리및운영관리를원활하게하는데있음 ( 제어기능분산, 데이터집중 ) 10
기존의전력감시방식 CADA upervisory Control And Data Acquisition ( 원방감시제어및데이터수집시스템 ) RTU RTU RTU 모터 1 펌프 1 센서 2 센서 3 센서 4 기타 1 기타 2 기타 3 기존의전력감시방식 CADA upervisory Control And Data Acquisition ( 원방감시제어및데이터수집시스템 ) DC 보다제어처리는낮으나, 자료수집이나이벤트처리는크게향상 1973 년 PICA ( Power Industry Computer Applications ) 회의에서최초등장 통신경로상의아날로그또는디지털신호를사용하여원격장치의상태정보데이터를원격소장치 (RTU : remote terminal unit) 로수집, 수신, 기록, 표시하여중앙제어시스템이원격장치를감시제어하는시스템 CADA 시스템으로서요구되는주요기능으로는 ANI( 미표준연구소 )/ IEEE( 전기전자기술자협회 ) td c37.1-1987 의권고안에명시된, 1 원격장치의경보상태에따라미리규정된동작을하는감시시스템의기능인경보기능 2 원격외부장치를선택적으로수동 자동또는수 자동복합으로동작하는감시제어기능 3 원격장치의상태정보를수신, 표시, 기록하는감시시스템의지시 ( 표시 ) 기능 4 디지털펄스정보를수신, 합산하여표시, 기록에사용할수있도록하는누산기능 5 미리규정된현상을인식, 발생현상의데이터를제공하는감시시스템기능등이있음 11
전력감시시스템 (PM Power Monitoring ystem) 기본개요 PM 전용 DB & /W 다중통신구조 지능형디지털미터 - 자체메모리 - Event logging - 정밀도 - 성능, 규격 ( 표준 ) 전력감시시스템 (PM Power Monitoring ystem) PM 와 CADA 의차이점 제어보다전력감시및관리에중점을둠 전력감시시스템 (PM) 는어떠한장비의고장이나, 전력네트워크의문제상황발생시정확한정보를제공하거나경보를통해사용자에게알려주기위해발전되어옴. 전력감시시스템 (PM) 의혜택은관리의기능을제공함으로써전력네트워크계통의전력이나전력량에대한정확한값을측정하고, 비효율적으로사용되어지거나문제가되는부분들을사용자가알수있도록가시화해줌 이를통해사용자는전력계통에대한문제점과개선에대한데이터를충분히제공받음으로써사고를대비하고예방할수있게됨 따라서, PM 는다른어떤시스템보다전력감시자체에우선순위를두고있음 12
디지털전력감시시스템 아날로그미터와디지털미터의차이점 아날로그미터는한상만계측하여중앙에서연산 ( 계측오차발생 ) Tranducer (TD) PLC 통신 오차 #1 발생 ( 접점 ) 오차 #2 발생 ( 거리 ) 오차 #3 발생 ( 접점 ) 디지털전력감시시스템 아날로그미터와디지털미터의차이점한상만을측정할수록, 설치지점이많아질수록오차가커짐 전압 Tranducer (TD) X 3 PLC 통신 전류 Tranducer (TD) X 3 13
디지털전력감시시스템 아날로그미터와디지털미터의차이점디지털미터는 3상값과이벤트를통신으로정확히전달 3 CT 통신패킷에보호되어보내짐 3 PT 디지털미터 100 100 100 100 100 100 100 통신 원방감시서버 100 각 CT, PT 값이동시에계산됨 시간표시부각종이벤트 통신값이패킷으로보호되어값이변하지않음 정확한값을전달받음 디지털전력감시시스템 일반디지털미터 1 초 2 초 3 초 4 초 5 초 6 초 7 초 8 초 6603V 6603V 6605V 6603V 6200V 6602V 6600V 6602V 6600V 전압 6600V 시간 샘플링분해능, 메모리 미터자체가 1 초이내로샘플링한다고해도통신에서 1 초이상의시간지연과데이터손실이발생!! 14
디지털전력감시시스템 지능형디지털미터 자체메모리, 로깅, PQ 계측성능 1 초 2 초 3 초 4 초 5 초 6 초 7 초 8 초 6603V 6603V 6605V 6603V 6200V 6602V 6600V 6602V 6600V 전압 6600V 시간 디지털전력감시시스템 정밀한분석자료 지속시간 R 상전압비율 상전압비율 T 상전압비율 사고원인 사고시각 15
디지털전력감시시스템 CBEMA 기준분석예 트랜지언트 (Transient) 로인한피해영역 순간전압상승 [ 스웰 (well)] 로인한피해영역 순간전압강하 [ 세그 (ag)] 영역 디지털전력감시시스템 사고파형예 파형 (Waveform) 하나가수천마디의말과같은가치가있다! 모든파형은특징을가지고있다. 계기에의해기록된의심스러운파형을참고자료와비교해보고, 벡터와각도를검토하면, 발생된 PQ 문제에대하여최소한 2~3 가지의가능한원인을찾아낼수있다. Jerry Zahora, LexisNexis Data Center, UA 사전유지보수로예상치못한조업중지감소, 예방 정확한원인파악에근거하여정확한개선책도출 근본적인조치가능, 엉뚱한곳에또는과도한투자방지 표준설정및그에따른지속관리 단한번의정확한사고분석및개선대책수립만으로도투자비회수 생산성과품질의향상, 고객만족의향상. 16
디지털전력감시시스템 비교 - 다중계측시스템휴대용 PQ 분석기 완벽한감시시스템 소요비용과다 소요기간과다 휴대용단일장비 소요비용최소화 즉시운용가능 활용도증대 목차 개요 PQ 문제의발생, 증상, 원인과결과 디지털전력감시시스템 PQ - Power Quality( 전력품질 ) 이란? PQ 문제의보호, 개선방안 17
기준점 PCC (Point of Common Coupling) 정밀디지털계측 기본전력계측 PQ 분석메인화면 18
과도전압 (Transients) 전압레벨과지속시간 100% Vrms 또는그이상지속시간 : < 1cycle 가능한원인 1. 유도부하스위칭 On/Off 2. 번개 3. 고장제거 (Fault reset) 4. 커패시터동작 (On/Off) 결과 1. 데이터변경, 손실 2. 제어용컴퓨터에러 3. 누적되면기기고장 4. 퓨즈동작등 순간전압강하 (Voltage ag) 전압레벨과지속시간 85% Vrms 미만지속시간 : < 1 ~ 30 cycle 가능한원인 1. 대용량부하기동 2. 접지실패 3. 차단기동작 결과 1. 데이터변경, 손실 2. 제어용컴퓨터에러 3. 누적되면기기고장 4. 전등깜빡거림 5. 기기수명단축 19
순간전압상승 (Voltage well) 전압레벨과지속시간 105% Vrms 초과지속시간 : < 1 ~ 30 cycle 가능한원인 1. 고장발생 2. 갑작스런부하감소 3. 중성선개방 4. 선로누설 결과 1. 전등깜빡거림 2. TV 화면크기변화 3. 누적되면파워고장 순간정전 (Outage) 전압레벨과지속시간 85% Vrms 미만지속시간 : > 30 cycle 가능한원인 1. 고장 2. 사고 결과 1. 라인가동중단 20
고주파노이즈 (High Frequency Noise) 전압레벨과지속시간지속시간 : > 연속 가능한원인 1. RFI, EMI 2. 정지형전력변환기 3. 변압기포화 4. 형광램프 5. 유도성부하 결과 1. 데이터변경, 손실 2. 제어용컴퓨터에러 3. 설비고장 4. 각종계측에러 5. 노이즈외란 고조파왜형 (Harmonic Distortion) 전압레벨과지속시간지속시간 : > 연속 가능한원인 1. 유도성부하 2. 정지형전력변환기 3. 주로인버터 결과 1. 데이터변경, 손실 2. 제어용컴퓨터에러 3. 기기수명단축 4. 각종계측에러 5. 노이즈외란 21
ITIC curve (CBEMA) 민감한전자부하에대하여커브의외부우측은부적절함 PQ 문제 PQ 의정의 IEEE1159 Categories Name Typical Duration ( 범주 ) ( 명칭 ) ( 통상지속시간 ) Transients - spikes and quick duration high voltages other than 60 cycles 과도전압 - 스파이크와 60 싸이클주기가아닌아주짧은시간동안의과도전압 Impulsive ( 임펄스 ) nsec to msec Oscillatory ( 반복적인 ) 3 msec - 5 usec Typical Voltage Magnitude ( 통상전압변동폭 ) N/A 0-8 pu 홈페이지참고 http://www.pq-ride.co.kr 자료실 - PQ 의개요 hort Duration Variations - voltage variations outside of the safe limits 짧은시간동안의전압변화 - 안전구간외의전압변동 Instantaneous ag ( 순간전압강하 ) Instantaneous well ( 순간전압상승 ) Momentary Interruption ( 짧은정전 ) Momentary ag ( 짧은전압강하 ) Momentary well ( 짧은전압상승 ) Temporary Interruption ( 일시정전 ) Temporary ag ( 일시전압강하 ) Temporary well ( 일시전압상승 ) 0.5-30 cycles 0.5-30 cycles 0.5-3 sec 30 cycles - 3 sec 30 cycles - 3 sec 3 sec - 1 min 3 sec - 1 min 3 sec - 1 min 0.1-0.9 pu 1.1-1.8 pu less than 0.1 pu 0.1-0.9 pu 1.1-1.4 pu less than 0.1 pu 0.1-0.9 pu 1.1-1.4 pu Long Duration Variations - voltage variations outside of safe limits for extended periods of time 긴시간동안의전압변화 - 긴시간동안안전구간외의전압변동 ustained Interruption ( 지속적인정전 ) Undervoltage ( 저전압 ) Overvoltage ( 과전압 ) 1 분이상 1 분이상 1 분이상 0.0 pu 0.8-0.9 pu 1.1-1.2 pu Voltage Imbalance - differences in phase voltage 전압불평형 - 각상전압의불평형 정상상태 0.5-2% Waveform Distortion - effects that change the trueness of the sinewave 파형왜곡 - 완전한정현파를왜곡 ( 찌그러뜨리는 ) 효과 DC Offset Harmonics Inter-harmonics Notching Noise 정상상태정상상태정상상태정상상태정상상태 0.5-2% 0-20% 0-2% N/A 0-1% 22
목차 개요 PQ 문제의발생, 증상, 원인과결과 디지털전력감시시스템 PQ - Power Quality( 전력품질 ) 이란? PQ 문제의보호, 개선방안 PQ 문제의보호개선방안 기본원칙은 PQ 문제발생자체를억제하는것 그러나, 내 / 외부적으로너무많은통제불가능한요소들때문에필연적으로발생 개선의시작은 PQ 의계측에서, 계측과진단없이는정확한제어불가능 개선책의종류 - 낙뢰와써지 ( 과도전압 ) : 기기의물리적손상, 인적인사고유발, 복구기간소요피뢰, 접지, PD/TV - 불평형, 무효전력, 역률보상, 고조파 : 계통전반에영향을미침역률보상컨덴서, VC, 고조파필터 - 순간정전, 전압강하 : 예기치않은공정가동중단원인의 90% 단상 / 3 상순간전압강하보상장치 (DyC, Dip-Free) - 전기적인노이즈 : 문제의규명이어렵고, 복합적일반변압기, NCT (Noise Cut Transformer), AC 리액터 23
낙뢰와써지 ( 과도전압 ) 피뢰, 접지 PD (urge Protection Device) 써지 (urge) 의정의 - 써지는라인또는회로를따라서전달되며급속히증가하고서서히감소하는특성을지닌전기적전류, 전압또는전력의과도파형으로써, 라인또는접지를통해유입되어전자기기를파괴하거나오동작을일으키며전도성과유도성으로나뉨. 원인 - 낙뢰 ( 직격뢰, 간접뢰, 유도뢰 ), 대용량의유도성, 용량성부하의개폐, 모터기동전류등 대책 - 적절한접지및 PD 를설치하여단위기기또는일정구역을보호 낙뢰와써지 ( 과도전압 ) 써지의종류별원인과대책 발생원외부개폐개폐써지내부개폐직격뢰낙뢰써지간접뢰유도뢰계통고장써지 낙뢰뇌격지점의써지파괴력이가장큼. 현상 발전소, 변전소, 차단기의개폐써지 부하개폐, 단속에의한써지 전원및통신신호선로의낙뢰에의한써지주변의대지에뇌격하여발생된써지 충격파형의지속시간이길어서계통에직, 간접적으로영향이매우큼. 지락, 순간정전, 기타고장에의한써지배전계통의보호협조에영향을미침. 대책 피뢰기 ( 써지보호기 ) 설치 LC 회로삽입접속점의다상분류화 피뢰기 ( 써지보호기 ) LC 회로삽입 Filter 삽입 광역피뢰침설치 피뢰기 ( 써지보호기 ) 보호계전기시설설치 RGR 계전기의보호협조 24
낙뢰와써지 ( 과도전압 ) 전압보호레벨 (IEC 60364-4- 443/1995) 입구에있는장비 6kV 설비의일부분으로서의장비 4kV 설비에연결된장비 2.5KV 목표 특별보호장비 1.5 kv 과전압범주 IV 과전압범주 III 과전압범주 II 과전압범주 I 주배전반 부배전반 보호되어야할장비 낙뢰와써지 ( 과도전압 ) PD 의선정 - 전류 (ka) 에따라서 1 차보호 2 차보호 3 차보호 주변압기의 2 차측메인단에메인으로 PD 를설치하여외부로부터유입되는써지를 1 단계억제 각건물의분전반또는 UP, AVR 입력단에설치하여메인단 PD 를통과한잔여써지및내부발생써지를억제 정밀제어장비의전원입력단에설치하여외부유입써지와각 Local 장비의개폐써지, 기동써지로부터보호, 억제 160KA ~120KA 120KA ~80KA 40KA ~20KA 25
낙뢰와써지 ( 과도전압 ) PD 의선정 - 위치에따라서 22.9KV / 3P Power 한전측 수용가측 에어컨 TD - 80KA, TD - 120KA 엘리베이터 TD - 80KA, TD - 120KA UP 전원 TD - 80KA, TD - 120KA CCTV 전원 TD - 40KA, TL - 20KA PC/ 모뎀 / 팩스전원 TD - 40KA, TL - 20KA 말단아웃렛 TD 40KA, TL - 20KA 대형건물인입점 750KVA : TD - 160KA 250-750 KVA : TD - 120KA 분기회로 TD - 80KA, TD - 120KA 말단서비스판넬 TD 40KA, TL - 20KA 빌딩인입점보호 Cat. C(C3 20KV 10KA) TD - 160KA ~ TD - 120KA 중간빌딩판넬보호 Cat. B(V3 & C1:6KV 3KA) TD - 120KA ~ TD - 80KA 말단서비스판넬 Cat. A(6KV 500A) TD - 40KA ~ TL - 20KA 낙뢰와써지 ( 과도전압 ) PD의설치효과 PD의제품예 설치전 설치후 통신, 안테나, CCTV 용 20V 20V 0V 0V AC 전원용 -20V -20V 설치전 설치후 20V 20V 0V 0V -20V -20V 26
불평형, 무효전력, 역률보상, 고조파 무효전력보상 VC(tatic Var Copensator) VC 적용효과 - 플리커현상억제 - 역률개선 - 전압안정화 - 무효전력의보상 - 고조파억제 - 부하계통전압상승 직렬캐패시터뱅크 정지형무효전력보상장치 (VC) VC (tatic Var Copensator) 구성예 27
불평형, 무효전력, 역률보상, 고조파 고조파제거 고조파필터 ( 능동형, 수동형 ) 비선형부하 ( 고조파발생 ) M I LOAD 3 3 I network Maxine 은전류발생원으로작용하여필요로하는어떤파형의전류도발생시킬수있으며, 이를통해서고조파를억제시킬수있다. Max ine 3 I Maxine 3 불평형, 무효전력, 역률보상, 고조파 계통단위의전력품질개선에사용되는저압, 고압커패시터와리액터 28
순간정전, 전압강하보호개선대책 DC Power upply PLC 5 대부분의전자장비는정격입력전압의 +10% ~ -12% 에서동작하도록사양이정하여져있음 순간정전, 전압강하보호, 개선대책 순간정전, 전압강하발생메커니즘 (A 지점과 B 점의상태 ) 1. 고장발생 154kV 송전선로 22.9kV 송전선로 B A 300kM 이상 6.6kV 배전선로 29
상위지점 (B) 전압 sag 1. 고장발생 2. 전체그리드 ( 구역 ) 고장 3. 고장난지류만격리 154kV 송전선로 22.9kV 송전선로 B 스위치의하위지점 (A) sag 후정전 A 4. 고장해결 5. 정상적인전력공급 300kM 이상 6.6kV 배전선로 전력품질문제의 92% - 순간정전과전압강하 (ag) DOE 전미국내전력품질문제로인한조업, 가동중지시간과생산손실연간 150 조원 EPRI( 미국전력연구원 ) Power Quality 연구보고서결과 2 년반에걸친조사및연구 300 개각산업체 24 개전력공급회사참여 92% 이상은 ag(40~50%, 2 초이내 ) ag 중 87% 는 1 상 68%, 2 상간 19% 4% ( 수분 ) 4% ( 정전 @ Normal grid) 정전보다는순간적인전압강하 (sag) 가설비에더욱치명적오작동, 가동정지를유발 6.000 5.000 4.000 3.000 개소별연간 ag & Interruption ag Rate per ite 365 Days 및정전발생횟수 2.000 1.000 20 cy c to 0.5 sec 5 cy c 4 cyc 3 cy c 2 cyc 1 cy c 10 to 20 cyc 6 to 10 cy c ag 지속시간 (Cycles) 0 to 10 10 to 20 40 to 50 30 to 40 20 to 30 60 to 70 50 to 60 80 to 90 70 to 80 전압 sag 퍼센트값 0.000 30
ag 발생현황 ( 횟수 ) 서울전력처 원인년도 자연재해이물접촉 설비고장 기타 합계 2001 279 29 24 332 2002 310 39 16 365 2003 317 43 72 432 2004 437 43 54 534 2005 531 67 4 602 대부분고장원인이자연재해, 이물접촉외부환경에의한것으로완벽한대책은불가능 ag 발생현황 ( 지속시간 ) 서울전력처 구분년도 순시 (~6cycle) 한시 (~19cycle) 한시 (20cycle~) 합계 2001 238 12 4 254 2002 303 11 17 331 2003 255 4 6 235 2004 428 9 4 441 2005 519 11 8 538 100ms 이하의순간고장이대부분중요부하에순간전압보상기기설치로예방가능참고 : 한전연간정전시간 18 분 31
ag 발생사례 서울전력처 날짜 고장개요 시간 최저 5/13 양주 T/L 순간고장 88ms 55% 5/17 양주 T/L 순간고장 65ms 48% ag 발생건수분포 EMI PQ 보고서 등고선형식의 PQ 발생건수 / 장소 / 연간출처 EMI Power Quality urvey 32
EMI PQ 보고서와 DyC( 디스크 ) 의보호범위비교 CBEMA EMI F47 DyC TM 표준형 DyC TM 강화형 DyC TM ( 디스크 ) 3 상 Dynamic ag Corrector 3상 Dynamic ag Corrector (DyC) ITIC 커브와 EMI F47 표준을만족할뿐아니라더심한조건의 ag에대한보호를위해설계한표준형의전문제품 다음과갈이산업용부하와상업용부하에있어가장심각한문제인 PQ (Power Quality 전력품질 ) 문제의보호를위해설계제작한제품 : 입력전압 - 208 또는 480 volts 또는기타전압, 단상, 3상, 3선식, 4선식모두대응 대칭형 sag (ymmetrical sag) 50% 보호 지락에의한 sag (Line to ground sag) 100% 보호 순간정전 (Momentary power loss) 3-12 cycle동안보호 써지저감 - TV 장착 50/60 Hertz 자동선택 속응성 -1/8 cycle 이내 고효율 -99% 이상 배터리나기계적구동부가없는소형사이즈 정비및관리요소최소, 긴수명, 고성능 용량 3 상 9kVA 에서 2,400kVA 까지 33
DyC TM ( 디스크 ) 동작원리 입력입력 정격전압의 88% 이상 전압을전압을감시하면서 Bypass Bypass mode mode로운전 정상운전 출력출력 정격전압의 50% - 88% DyC DyC 인버터가인버터가 (.5V (.5V * * 2I) 2I) 로가동로가동 DyC 가최대 2 초까지소요부하에대하여정현파전력을공급 정격전압의 0% - 50% DyC DyC 가Cross Coupling Coupling 기술과기술과 Capacitors Capacitors 를각각또는조합하여사용 DyC 가최대 2 초까지소요부하에대하여정현파전력을공급 3 상 DyC TM 제품의보호범위 34
Dip-Free TM 단상제어전원순간정전, ag 보호 순간정전보상 : 순간전압강하, 순간정전 1초보상표준사양 (0.1~5.0sec 설정가능 ) Off-line 방식 : 정상전원입력시 tand by. 사고발생시에만보상 배터리가없음 : 유지보수비용및폐기물처리불필요, 화학 Gas 발생없음 Power Capacitor 축전방식 : 최소 10년의장기수명 순간정전보상 Counter 표시기능 : 보상횟수카운터기능 높은신뢰성 : 1msec 이내의초고속절체 안전성 : Off-Line 시스템으로서열발생이적고안전성우수 소형, 경량으로설치가용이함 : tep-up 변압기또는배터리불필요 정확한 Application Control : 설비환경에맞는보상시간및절체 Level 다단계조정가능 마크, CE, TŰ V 규격인증제품 Dip 보상상태를알려주는반도체릴레이접점 (Option 사양 ) 다양한제품구성 : 250VA(110V) ~ 5,000VA(220V) Dip-Free TM 발명특허제 0505993 호 Dip-Free TM 단상제어전원순간정전, ag 보호 순간정전에대해 1초보상. MU(uper Magnetic Unit) 에따른AC/DC Contactor 적용 마크 & CE 인증제품. 국내특허 ( 제0267075호 ) 보유. 소형, 경량으로설치공간의최소화 자체작동시험기능, 동작횟수표시기능및이상시경고기능 경제성이뛰어남. Model 전원사양 (V) 발명특허제 0267075 호의장등록제 228331 호 AC 전용코일저항 ( 국내외모델일체 ) NT-CM1 AC100~120V, 50/60Hz, 동작전압 :AC85V±2V 15 ~ 100Ω NT-CM2 AC200~240V, 50/60Hz, 동작전압 :AC170V±3V 30 ~ 500Ω NT-CM24 AC24~28V, 50/60Hz, 동작전압 :AC18V±1V 1 ~ 5Ω NT-CP2 AC200~230V, 50/60Hz, 동작전압 :AC185V±3V MP 전용 35
Dip-Free TM 보호파형예 사고발생시즉시절체 보상동작후에도 2~3 싸이클동안출력하여동기를함으로써부하에가해지는충격을최소화 Dip-Free TM 무배터리방식의장점 비교항목 DyC / Dip-Free UP 축전방식 Power Capacitor Battery 방식 급전방식 상시상용전원 상시 Inverter 절환속도 1msec 미만 4msec(Offline방식 ) 보상시간 1,000msec( 조절가능 ) 5 ~ 30분 냉각방식 자연냉각 강제냉각 ( 냉각FAN) 유지보수 불필요 필요 수 명 10년이상 밧데리 2~3년 경제성 좋음 낮음 36
Dip-Free TM 분산적용의장점 154kV, 22.9kV UP, 3Ø 보상장치 투자비용 6.6kV, 3.3kV UP, 3Ø 보상장치 3Ø 208V, 380V, 440V UP, 3Ø 보상장치 1Ø,110V, 208V, 220V 제어회로 ensitive loads Non-ensitive loads 투자효과 3 상 DyC TM 제품의적용예 공작기계 (CNC) C A E T U D Y - 적용분야 : 대형철제축과회전자가공 CNC 기계 ( 길이 40Cm, 직경 10Cm) -ag 횟수 : 연 10 에서 15 회 - 손실 : 최대 24 시간까지가동중단작업중인고가의회전자폐기및납기연체 - 진행 : AEP 와 EPRI가공조하여솔루션도출, 설치 - 솔루션 : 메인 CNC기계및 HID 조명과사무실부하에대하여 300 kva PRO-DyC 설치 - 효과 : * Downtime( 가동중단 ) 과스크랩을 100% 제거 * 사무실내컴퓨터다운및재부팅, 데이타손, 망실문제 100% 제거 * 잦은납기연체문제극복, 공장이전까지고려중이던것을취소 * 설치후액 3 년간정상가동중 37
3 상 DyC TM 제품의적용예 광섬유케이블제조업 C A E T U D Y - 적용분야 : 광섬유케이블피복사출라인 500 개의개별광섬유를피복하는 3.2kM 에달하는생산라인에 DC & AC Drive, PLC 로구성된사출기제어 -ag 횟수 : 연 6 에서 10 회 - 손실 : 사고시마다 $150,000 to $500,000 손실 - 진행 : 5 년동안 PQ 데이터기록결과 sag 만검측. Grid 의송전선에서직접수전 - 솔루션 : 총 3,500 KVA 이상의 Pro-DyC 설치 166 kva, 330KVA, 500KVA 등의용량설치 DyC 설치로추가적인 Ride Through 를위한 Capacitive energy storage 를설치할수있게됨 - 효과 : * 3 달이내에 2 개의라인에서결정적인 sag 보호 * 위의첫 sag 보호시에이미투자비회수 3 상 DyC TM 제품의적용예 사출기 C A E T U D Y - 적용분야 : PV 플라스틱대형다이 (die) 사출제조업체 - 현상 : 번개가많은지역에위치, 다량의 sag 및순간정전발생최초설치시, 제작라인에날씨모니터용컴퓨터한대밖에없었음반경 50 마일이내폭풍우시, 비상근포함모든직원들이라인정지시청소와재기동을위하여비상대기 - 손실 : 라인청소및재가동에최장 8 시간소요원자재폐기손실, 납기연체 - 진행 : TVA 와 EPRI-PEAC 가공조하여솔루션도출, 설치 - 솔루션 : Pro-DyC 300KVA 설치, 총 8 개기계중 5 개를보호순간정전까지보호하기위하여 15 cycle 까지보호되는확장유닛 ( 옵션 ) 까지설치 - 효과 : 설치한라인은수십번의 sag 를보호설치하지않은 3 개라인은셧다운됨 38
3 상 DyC TM 제품의적용예 자동차제조업 C A E T U D Y - 적용분야 : 자동차차체제작로봇용접시스템 PLC 로제어, 원자재이송라인 - 현상 : 연 8 회에서 12 회의심각한 PQ 문제 - 손실 : 일분당 $11,000, 2 ~ 4 시간동안의생산손실 - 진행 : 굴지의동부지역전력공급회사가전력을공급하면서문제가많이생기자, 자동차회사와함께갖가지제품을시험, 설치하고, 평가한후에최종적으로 DyC 를권유 - 솔루션 : 1.3 MW 까지용량확장이가능한 1 MW DyC 를차체공장배전판넬시스템에설치 DyC 설치로추가적인 Ride Through 를위한 Capacitive energy storage 를설치입력, 출력단에 I-ense TM 전력모니터를설치 - 효과 * 전체공장의다른라인이셧다운되었을때도차체공장은계속가동된사례가여러번있음 * I-Grid TM 모니터에의한 E-mail 보고서와비교하여 Pro-DyC 가 sag 로부터완벽하게보호함을알수있음 * 현재더큰용량의제품을설치하기위하여준비중 3 상 DyC TM 제품의적용예 putter HDD C A E T U D Y - 적용분야 : 굴지의디스크드라이브제조 - 현상 : 전압 ag때스퍼터 (putter) 트립 - 손실 : 예기치않은가동중단으로사고때마다기계한대당 $40,000 손실 - 제약조건 : 클린룸 (clean-room ) 은배터리를포함하는보호장치설치불가 - 진행 : EMO 회로, PLC, 써보드라이브등이 sag 로부터취약한것을알게됨 - 솔루션 : 3 개의각각의단상시스템으로특별하게구성한 DyC 를설치하여전압 sag 문제해결 - 효과 : 설치완료후정상가동중. 39
단상 Dip-Free TM 제품의적용예 사출기 제어반 컴프레서 순간전압강하보상장치선정시의고려 모든시스템마다고유의특성이있고, 수많은변수가있으므로최적의안을도출하여야함 Grouping : ub-tation level 또는단위기계 level? -ag 는부하별로분산되지않고예민한부하는전체계통의보통 20~30% - 만일전체용량을보호하려하면 3~5 배의비용이소요 - 용량별제품구성이되어있고, 향후변경이나업그레이드에유연하게대응할수있는시스템으로구성 Dynamic Load - 모터등의동적인동력부하제어를위해전력소자를사용하는전력전자제품은인터록등, 특별한제어요소가많아서 CVT 나 UP 를적용하기위해서는시간과비용이많이소요 ( 특히기동전류를고려한따른용량증대 ) - 특히인버터류는적절한입력리액터, 필터등을적용하여 PQ 내성을강화재정적인측면 -PQ 보호에소요된비용을실제사고시의반대급부와연결하여투자의타당성을입증하기위해서는올바른데이터의수집및검증이필요, 통상조직의의사결정권자는보호장비의효과를통계적으로 6~8 주이내에확인하는경향 - Trade-off 를고려, 즉, 90 ~ 99% 보호를위한비용과확률상으로아주희박한나머지 1% 까지포함하는보호를위한비용간커다란차이가있음을인지접지시스템 - 부적절한접지시스템또한 PQ 관리에결정적인요소, 모든 PQ 문제의약 70% 취약한소형제어용릴레이 - 소형제어용릴레이는속응성과 (1ms 이하 ) 적절한알고리즘으로구성되어야함 40
ag 경감솔루션설치시의판단요소 중요도 판단요소 체크포인트 1 투자대결과 * PQ(Power Quality) 는궁극적으로재정적인문제임 (ROI = Return On Investment) * 모든사업마다다른요소가있으므로각사업에필요성이있는지먼저개념정립 (TCO = Total Cost of Ownership) * 기기자체구입비용만이아닌운용까지고려한총소요비용고려 * 가장어려운요소지만가동중단 (downtime) 에의한손실을계산 2 PQ 데이터확보 * 전력공급사업자로부터, 또는자체적으로 PQ 데이터를확보 * 필요하면전문 PQ 미터를설치하여제이터확보 3 * 스크랩, 추가작업에따른인건비, 표준인건비, 품질과생산량을정상레벨로복귀에가동중단 (downtime) 에의한손실소요되는시간, 납기지연으로인한기회손실등의모든요소를고려하여야함 * 일회성이아니라반복적이라면총합 4 TCO * 어떤솔루션은효율이낮아서지속적으로에너지비용이과다소요 * 추가적인냉방설비나, 공간, 소화설비등에대한추가비용을고려하여야함 * 설치후유지보수를위한비용고려 5 부하의예민한정도 * 어느장비가 PQ에대하여민감한지미리조사 * PQ에대하여민감한부하와그렇지않은부하를분리하기가어려울수도있음 6 설치비용 * PQ에대하여민감한부하만을분리하기위한전기배선작업에소용비용고려 * 설치에필요한셧다운시간과물류비용고려 7 시험설치가능성 * 여러개의라인이있는경우한라인만시험설치가능여부 * PQ 발생시설치한라인과그렇지않은라인과쉽게비교가능 8 현상파악과최적의 * 도면변경등엔지니어링작업이필요 솔루션을위한엔지니어링 * 솔루션을찾기위한비용을최소화 ag 경감솔루션별비교 기기타입 전압레벨 상 용량 (KVA) 체크포인트 코일유지형기기 CV 1 <100VA * 역률이낮은컨택터, 릴레이, 마그네틱기기에적용 * 이를제외한전체메인제어와시스템자체는보호되지않음 CVT CV, LV 1 <10KVA * sag, 인러시, 부하전류고조파에효과적이기위해서는사이즈를키워야함 * 부피가크고, 무겁고, 효율이낮음 * 480VA, 120VAC 버전만가능 커패시터형 UP CV 1 <5KVA * sag에대하여정전인것처럼오동작 * 저장된에너지량에따라 sag보호지속시간이변화 * 싸인파가아닌구형파출력 배터리형 UP( 산업용 ) CV 1 100VA~10KVA * 산업용환경에서배터리의수명이문제 ( 특히온도 ) * 정기적인유지보수필요 배터리형 UP( 상업용 ) LV, MV 3 500KVA~2MVA * sag에대하여정전인것처럼동작 * 산업계가점차 UP 사용을기피 (EMI F47은배터리없는솔루션권장 ) * 효율이낮고, 비용이높음 플라이휠 UP LV, MV 3 300KVA~5MVA * 원래는비상발전기가동에필요한 15초동안보호를목적으로설계 * 기계적인부분의유지보수가필요하고어려움 DC/DC방식, 인버터용 LV DC ~250HP * AC 인버터전용 * 인버터시스템에적용을위하여시스템통합작업이과다소요 * 주변제어와시스템자체는여전히보호되지않음 전력전자기반 CV, LV 1,3 250VA~3MVA * 필요한부분만효과적으로또는전체까지다양하게적용할수있는이점 인젝션방식 ( 예-디스크제품 ) * 순간정전까지도보호 * 별도의에너지저장장치가없고, 필요시에는더할수있는시스템 * 효율이높고사이즈가작음 * OEM 장비에적합 변압기내장 LV, MV 3 2~10MVA * sag의깊이에따라설계및비용이달라짐 직렬인젝션 ( 예-DVR) * 순간정전까지보호하려면비용이많이상승 * 공장의수전점에적용할수있는 MV 제품은불가능 * 내부변압기의권선에항상전류가흐르므로효율이매우낮음 CV = Control Voltage, 120~240VAC; LV = Low Voltage, 208~480VAC; MV = Medium Voltage, 2300~6900VAC 41
필요개소별설치와전공장대상대규모설치의차이 필요개소별설치 전공장대상설치 1 120VAC~600VAC, 1상 3상제품 대부분고압, 3상, 저압제품도있음 2 250VAC~3MVA 까지다양한용량 1~10MVA 까지주로대용량 3 중요한부하만보호가능 중요하지만예민하지않은부하까지도포함되어낭비요소가있음 4 시험설치후에확산가능 전부, 아니면전무식접근 5 엔지니어링요소가최소 보통은전공장의설계변경필요 6 공장내부에서발생하는 PQ 문제도대응 공장내부에서발생하는 PQ문제대응불가 7 고장시연결된부하에만영향 고장시전공장에영향 8 비용최소화 ( 해당부하에대한비용비례 ) 전체솔루션비용이높음 ( 필요없는부하까지포함 ) 9 확산이용이하고빠름 전체적으로시간이많이걸림 10 11 각각의부하에연결하기가까다로울수있고때로는민감한부하만분리하는것이불가능한경우도있음 기기의수량이나필요한재결선에따라전기공사비가다소높을수있음 부하측의재결선이필요없음 전기공사비가낮음 ( 보통재결선불필요 ) 노이즈제거 - NCT 노이즈의정의 노이즈 (Noise) 전기, 전자기기의동작주파수와다른전압, 전류즉기본주파수이외의정상동작을방해하는불필요한전기전자적에너지 노이즈발생원 - 저항성, 유도성, 용량성부하의개폐 - 낙뢰, 전력반도체소자스위칭, 정전기등 노이즈전달경로 - 전도결합 (Conductive) : 직접접촉 - 용량결합 (Capacitive) : 전계결합 - 유도결합 (Inductive) : 자계결합 - 방사결합 (Radiative) : 전자파결합 42
노이즈제거 - NCT 노이즈방지대책 기본고려사항 - 피뢰, 접지, 차폐, 케이블링부가기기사용 -LC 필터, PD, 절연변압기, NCT(Noise Cut Transformer) 노이즈필터 urge 보호기 절연변압기 L,C조합으로노이즈감쇠선로간에삽입되므로 Common Mode Noise에대한감쇠효과가적음 urge에견딜수없으며, 400kHz이하의낮은주파수대역에서는감쇠특성낮음고전압 Impulse성 urge 억제, 전류를접지나선로로방전전기적인절연분리가되지않으며, 노이즈를감쇠시키는특성이없음권선비 1:1 복권변압기, 저주파공통모드노이즈에대하여약간의감쇠특성 1, 2차간정전및전자유도결합방지용차폐구조가없어감쇠특성이미약 1, 2 차간절연분리로 urge 및고주파노이즈감쇠특성우수 NCT 또한변압기의변성기능을가지고있어, NCT 1대로다중의설치효과 1,2차측의완전분리, 다중실드로용량성결합억제하여차폐효과극대화 투자율감소폭이큰강자성체사용으로유도및방사노이즈억제 노이즈제거 - NCT NCT 성능비교 - 삽입손실 구분 절연변압기 노이즈필터 NCT 300kHz 1MHz -40dB -29dB -44dB -55dB -107dB -100dB 노이즈필터 10 MHz -17 db -61 db -96 db 30 MHz -18 db -55 db -84 db NCT 절연변압기 -80 db (1/10,000 감쇠율 ) 43
노이즈제거 - NCT NCT 성능비교 - 동특성 시험기준 : CE EN55014(Conducted Emission) 전도성노이즈시험 조광기 조광기 + 일반변압기조광기 + 노이즈필터조광기 + NCT NCT 성능예 (1) ( 설치전 ) ( 설치후 ) 44
NCT 성능예 (2) ( 설치전 ) ( 설치후 ) NCT 적용사례 (1) 자동화설비 개요 : 자동화설비에서빈번한오동작이발생하고 PLC, CPU, POWER UPPLY 고장등문제점 ( 기기의잦은정지, reset시정상동작 ) 이발생하여노이즈를측정분석함 대책 : 전원선을통하여개폐써지및노이즈가인입되어지고있으며, 접지를통하여도노이즈가유입되어지고있어기존사용되던제어용변압기를대체하여 NCT를설치함. ( 설치전 ) ( 설치후 ) 45
NCT 적용사례 (1) 자동화설비 NCT 적용사례 (2) 통신기지국및 CCTV 개요 : TR 기지국및 CCTV 에설치된장비가잦은써지유입으로인하여반도체소자의잦은파손및오동작으로인하여정상적인운영이되고있지않음. 대책 : 잦은유도뢰발생시써지가유입되어져기기구성품중가장내성이약한소자가반복적으로소손되어지고있어 NCT 를장비전단에설치하여유입되어지는써지를제거시켜주도록함. 46
NCT 적용사례 (3) 인버터판넬 개요 : - 범용인버터 (PWM 방식 ) 에서전원계통으로노이즈를누설시켜주변기기에피해가발생됨. - 모터의회전이가장저속일때와가장고속인때는노이즈발생빈도가낮고, 30 70% 회전시가가장노이즈발생빈도가높아지는경향을볼수있음. - 100kHz전후의감쇠진동파형이측정되었으며, 운전중에는노이즈가연속해서발생됨. 대책 : - NCT를설치하여전원선으로노이즈가누설되는것을방지함. - NCT는양방향노이즈차폐효과가뛰어남. ( 설치전 ) ( 설치후 ) NCT 적용사례 (3) PLC 판넬 개요 : 그림은자동화시스템에서발생한노이즈장해사례로서, 공장동에설치된 PLC와약150M 떨어진 COP 컴퓨터와의사이에문제 ( 통신두절현상 ) 가발생 원인 : 제어전원은 UP에서공급되고있는데, 이전원선의 2선과시스템공통의접지 ( 어스그라운드 ) 간에큰루프 ( 그라운드루프 ) 가생기며이것이루프안테나가되어이것에병행하여공중에가설된신호케이블에자체동작시의 COMMON MODE 노이즈가유도되어장애를주고있는것이판명됨 NCT 설치로아이솔레이트및그라운드루프제거 대책 : NCT를그림1과같이삽입하고송신안테나로되어있는그라운드루프를끊어장애를해결함. 이것은분리형방지부품이아니면해결할수없는사례로써절연변압기를삽입해도해결할수없었던것이다. 47
NCT 적용사례 (3) PLC 판넬 NCT 적용사례 (4) 방송, 음향설비 48
NCT 적용사례 (4) 방송, 음향설비 음향설비가다른부하설비등에의해노이즈의영향을받지않도록하기위해음향설비전원부전단에별도로노이즈컷트랜스 (NCT) 를설치하는것이바람직함. NCT 적용사례 (4) 방송, 음향설비 49
NCT 적용사례 (5) 각종정밀실험기기 개요 : 연구소및대학연구실등과같이동일전원계통에노이즈발생기기와연결되어져있는경우정밀계측장비에서데이터의부정확성, 계측자료의편차, 해상도저하등 대책 : NCT를 UP, AVR 후단부에설치하여전원선으로유입되어지는노이즈를제거하였고, 실험기기중노이즈발생이심한기기전단부에 NCT를설치하여외부전원계통으로의노이즈방출을차단 질의와설명 전시부스 # 915 전력품질 (PQ - Power Quality) 의계측과보호 http://www.pq-ride.co.kr 50