역률 개선용 콘덴서는 어떻게 용량을 선정하나요?

Question

전기기사 실기에서 역률 개선 문제가 나오면 개선 전 역률과 개선 후 역률을 이용해서 콘덴서 용량을 구하는데, 공식은 외워도 원리가 잘 이해되지 않습니다. 역률이 낮으면 무효전력이 많다는 뜻이고, 콘덴서는 이 무효전력을 보상한다고 하는데 실제로 어떤 방식으로 보상되는지 궁금합니다. 또한 콘덴서 용량을 너무 크게 설치하면 진상역률이 되어 문제가 생길 수 있다고 하는데 어떤 문제가 발생하는지도 알고 싶습니다. 실제 설비에서 콘덴서를 변압기 2차측, 분전반, 전동기 가까이에 설치하는 기준도 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

역률 개선은 콘덴서가 모터의 지상 무효전력과 반대되는 진상 무효전력을 공급해 서로 상쇄시키는 원리입니다. 그리고 유효전력은 그대로 둔 채 무효전력의 차이만큼만 채워주는 계산법이에요. 너무 과하게 설치하면 전압이 상승하는 페란티 효과나 계전기 오동작 같은 진상 역률 문제가 생길 수 있습니다. 그러니 부하에 맞춰 적정 용량을 고르는 게 정말 중요하죠. 설치 위치는 선로 손실까지 줄이려면 전동기 직결이 좋지만 관리 효율을 위해 보통 변압기 2차측 모선에 일괄적으로 달기도합니다.

Answer 2

안녕하세요. 박준희 전기기사입니다.

콘덴서는 효과를 극대화하기 위해 유효전력 부하와 가깝게 설치하는 것이 원칙입니다. 개별 설치가 가장 효과적인데요. 모터와 동시에 개폐되어 무효전력을 즉시 상쇄하며, 배선 손실 감소 효과가 큽니다. 또한 분전반(그룹) 설치도 가능한데요. 부하가 많은 경우, 하위 부하들을 묶은 그룹 분전반에 설치하여 집중 보상합니다.

감사합니다.

Answer 3

안녕하세요. 박현민 전기기능사입니다.

결론부터 말씀드리면 역률 개선용 콘덴서는 유도성 부하가 소비하는 지상 무효전력을 용량성 무효전력으로 보상하여 전원에서 공급해야 하는 무효전력을 줄이는 장치이며, 개선 전후 무효전력 차이만큼 용량을 선정합니다. 공장이나 건물에는 전동기, 변압기, 형광등 안정기 같은 유도성 부하가 많습니다. 이런 부하는 자기장을 만들기 위해 무효전력을 필요로 하고, 이 때문에 전류가 전압보다 늦어지는 지상역률이 됩니다. 역률이 낮으면 같은 유효전력을 사용하더라도 더 큰 전류가 흐르고, 전선 손실과 전압강하가 증가하며 변압기와 차단기의 여유 용량도 줄어듭니다. 콘덴서는 반대로 전류가 전압보다 앞서는 진상 무효전력을 공급합니다. 이 진상 무효전력이 유도성 부하의 지상 무효전력을 상쇄하면 전체 무효전력이 줄어들고 역률이 개선됩니다. 실기에서는 유효전력 P와 개선 전후 역률각의 탄젠트 차이를 이용해 콘덴서 용량을 구합니다. 즉 개선 전 무효전력에서 개선 후 목표 무효전력을 뺀 값이 필요한 콘덴서 용량입니다. 그러나 콘덴서를 너무 크게 설치하면 무효전력을 과보상하게 되어 진상역률이 됩니다. 진상역률은 계통 전압 상승, 보호계전기 오동작, 페란티 효과 악화, 변압기 과여자 등의 문제를 일으킬 수 있습니다. 또한 계통 인덕턴스와 콘덴서가 특정 조건에서 공진하여 고조파가 확대될 위험도 있습니다. 설치 위치는 부하 가까이에 설치할수록 선로 전류 감소 효과가 크지만, 설비 구성과 유지보수를 고려해 분전반이나 저압반에 일괄 설치하기도 합니다. 대용량 전동기에는 개별 콘덴서를 붙이는 경우도 있으나, 전동기 정지 시 과전압이나 자기여자 현상이 생기지 않도록 주의해야 합니다. 따라서 콘덴서 용량은 계산값만 보는 것이 아니라 운전 상태와 과보상 가능성까지 검토해 선정해야 합니다.