이재환
(Jae-Hwan Lee)
1
김영달
(Young-Dal Kim)
2
이대동
(Dae-Dong Lee)
2†iD
-
(JINHUNG ENG, Korea.)
-
(Dept. of Electrical Engineering, Hanbat National University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Branch Line, Energy Conservation, Power Capacitor, Power Loss, Power Factor Improvement
1. 서론
전기에너지는 전송되는 과정에서 선로 및 전력기기 등의 저항성분에 의한 전력손실이 발생된다. 이러한 전력손실을 최소화하기 위해 전력회사는 송전전압의
상승 및 고효율 기기를 채택하고 있으며, 수용가는 전력용 콘덴서를 설치하여 역률 개선에 의한 선로손실과 전압강하를 감소시키기 위한 대책이 필요하다[1,2]. 전력용 콘덴서는 대한전기협회 내선규정 제3135절(진상용 콘덴서) 및 제3240절(전동기 또는 진상용 콘덴서), 건축물의 에너지절약설계기준 제10조(전기부분의
의무사항), 한국전력공사 기본공급약관 등에서 부하에 개별로 설치하여 수용가의 역률을 기준 값 이상으로 유지하도록 하고 있다[3-5]. 그러나 전력용 콘덴서는 일반적으로 유지관리의 편리성과 시설비용 부담 등의 이유로 개별부하에 설치를 하지 않고 동력제어반(MCC : Motor Control
Center) 내부에 설치하고 있다. 전력용 콘덴서를 선로 말단인 부하단자(전동기 단자)에 설치하면 가장 효과적이지만, MCC 내부에 설치하게 되면
MCC에서 전동기까지의 분기선로는 역률개선에 의한 손실 절감을 기대할 수 없다. 만약 역률이 기준 값 이하로 저하되면 한전의 역률요금으로 인해 전기요금이
상승되므로[6] 배전계통의 손실감소를 위한 전력용 콘덴서 최적 배치에 관해 많은 연구가 수행되어졌다. T. Samimi Asl 등은 GA(Genetic Algorithm)
최적화 접근법을 이용한 병렬 캐패시터의 최적 크기와 위치에 관해 연구하였으며[7], Ravi Teja Bhimarasetti 등은 URDS(Unbalanced Radial Distribution System)에서 전력 손실을 최소화하고
전압 프로파일을 개선하여 커패시터의 최적 배치 및 크기 조정 방법을 제안하였다[8]. Alireza Askarzadeh는 Crow Search Algorithm(CSA) 방법론을 이용하여 전력손실 감소 및 전압이력 개선을 위해 배전
네트워크 안에 캐패시터를 할당하는 방법을 연구하였다[9].
본 논문은 다양한 용도로 사용되는 건축물에 대한 전력용 콘덴서의 설치 및 운영에 따른 역률개선 전, 후의 손실을 비교하여 전력용 콘덴서의 최적 위치선정과
전력손실 최소화 방안을 제안하였다.
2. 전기설비의 역률
2.1 일반적인 부하
역률이란 전기설비의 부하기기에 전원에서 전송된 피상전력이 부하에서 유효하게 소비되는 정도를 말한다. 그림. 1과 같이 교류계통의 일반적인 부하특성은 저항과 유도성 리액터스에 의해 전압과 전류의 위상차가 발생하고 전류의 위상이 늦은 지상 부하가 대부분이다.
이 때 위상각은 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스의 크기에 따라 달라지며 절대 값이 같을 경우 리액턴스는 서로 상쇄되어 저항만의 회로가 되고 위상각은
0°, 역률은 1이 된다. 건축물의 일반적인 부하는 유도성 리액턴스 값이 크게 되고, 전류는 전압보다 늦은 지상 부하의 특성이 나타난다[10].
그림. 1. 일반적 회로의 전력특성
Fig. 1. Electric power characteristics of general circuit
여기서 임피던스 $Z$, 위상각 $\theta$는 식 (1) ~ 식 (2)과 같으며, 대한전기협회(2016) 내선규정 “저압 3상 유도전동기(일반용) 특성”의 정격출력(kW)에 따른 역률 $\cos \theta$는 식 (3)과 같이 표현된다. 또한 피상전력 $S$, 유효전력 $P$, 무효전력 $Q$는 식 (4) ~ 식 (6)과 같다.
2.2 역률 개선의 원리
표 1은 역률 개선의 원리를 나타내었다. 교류 전력계통의 임피던스는 일반적으로 유도성 리액턴스가 용량성 리액턴스보다 값이 크고, 전류는 전압보다 위상이
늦은 지상 전류이다. 지상 전류의 위상각은 식 (3)의 역률 범위를 위상각(편각)으로 환산해서 표현하면 50° ~ 25°이며, 위상각이 커지면 전원에서 공급하는 전류의 값이 증가하여 전원의 부담과 선로손실
또한 증가한다. 그러므로 역률 개선용 전력용 콘덴서를 설치하여 용량성 리액턴스를 증가시켜 유도성 리액턴스를 상쇄시킴으로서 위상각이 줄어들고, 전원에서
공급하는 전류가 감소하여 전원의 부담과 선로손실 등을 감소시킬 수 있다.
표 1. 역률 개선의 원리
Table 1. Principles of Power Factor Correction
|
구분
|
개선 전
|
개선 후
|
|
등가 회로도
|
|
|
|
벡터도
|
|
|
|
부하 전류
|
$I_{L}=I_{r}+I_{l}$
|
$I_{L}=I_{r}+I_{l}$
|
|
전원 공급 전류
|
$I_{0}=I_{r}+I_{l}$
|
$I_{1}=I_{r}+(I_{l}-I_{c})$
|
|
역률의 수식적 표현
|
$Power Factor =\cos\theta =\dfrac{Active Power}{Apparent Power}$ $\cos\theta =\dfrac{R}{Z}=\dfrac{R}{\sqrt{R^{2}+X^{2}}}=\cos\left(\tan^{-1}\dfrac{X}{R}\right)$
$\theta$=phase angle(angle of deviation) = phase angle(angle of deviation)
|
3. 전력용 콘덴서 설치방법 및 운영사례
3.1 전력용 콘덴서 설치방법
전력용 콘덴서를 설치하는 방법은 크게 3가지로 분류할 수 있다. 고압 측(고압모선)에 설치하는 방법, 고압 측(고압모선)과 부하에 분산하여 설치하는
방법, 부하말단(저압 측 전동기 등)에 분산 설치하는 방법 등이 있다. 역률의 개선은 전력용 콘덴서 설치지점에서 전원 측으로 개선되기 때문에 선로
및 부하기기의 개선효과는 적다[11]. 전력계통에서는 다양한 방법으로 전력용 콘덴서를 설치하고 있지만, 그 위치에 따라 효과가 다르게 나타난다. 따라서 본 절에서는 전력용 콘덴서의 설치위치에
따른 기대효과와 최적의 설치방법에 대해 논하고자 한다.
그림. 2는 변압기 1차 고압 측 수전단에 전력용(진상용) 콘덴서(SC : Static Capacitor)를 설치하는 방법이다. 이 방법은 한 곳에 집중하여
설치하기 때문에 유지 관리가 용이하고, 저압용 콘덴서에 비해 단위 용량 당 가격이 낮아 경제적이며 무효전력의 변화에 신속하게 대응이 가능하다. 그러나
수용가 입장에서 볼 때 역률 개선 범위가 가장 좁아 전력용 콘덴서의 설치효과가 가장 떨어진다[11].
그림. 2. 수전단 설치방법
Fig. 2. Installation method at receiving end
그림. 3은 전력용 콘덴서를 수전단인 계기용 변압 변류기(VCT : combined voltage current transformer) 2차 측과 저압모선에
분산 설치하는 방식이다. 이 방법은 수전단에 집중하여 고압용 콘덴서를 설치하는 방법보다 역률 개선의 범위가 넓고, 2개소 이상에서 분산 설치하므로
수전단에 설치하는 방법보다 설치 및 유지관리 비용이 증가한다[11].
그림. 3. 수전단과 저압모선에 분산 설치방법
Fig. 3. Installation method at receiving end and low voltage bus
그림. 4는 전력용 콘덴서를 부하에 개별로 분산하여 설치하는 방법이다. 이 방법은 선로 말단에 저압용 콘덴서가 설치되어 설치효과가 가장 좋은 방법이다. 역률개선
범위가 가장 넓어 변압기 및 선로의 전력손실 절감, 설비용량의 여유도 증가, 전압강하 경감의 효과가 가장 크다. 그러나 고압용 콘덴서보다 단위 용량
당 가격이 높고 설치 면적이 넓어 초기 시설비용이 상승한다. 종합적으로 보면 저압용 콘덴서는 내선규정에 의하여 부하에 개별적으로 설치하는 방법이 일반적이며
장, 단점은 다음과 같다[11]. 장점으로는 전력용 콘덴서의 설치효과가 가장 크고, 자동 역률제어가 가능하며, 경 부하 시 과보상의 우려가 없고, 콘덴서 회로의 개폐기 및 방전코일이
필요가 없다. 단점으로는 설치 면적이 크고 설치비용의 증가, 유지관리 보수비용의 증가, 설비의 이용률 저하, 부하 개폐기의 접점용량 증가 등이 있다.
그림. 4. 부하에 개별 설치방법
Fig. 4. Installation method at each load
3.2 전력용 콘덴서 설치위치에 따른 손실 비교
3.2.1 일반적인 수용가의 설치방법
그림. 5는 수용가의 일반적인 설치 방법이며 그림. 6은 MCC 전면 사진, 그림. 7은 MCC 내부에 저압 콘덴서가 설치된 사진이다. 국내 대부분의 수용가는 내선규정에 의하여 저압 전력용 콘덴서를 부하의 말단(MCC 내부)에 개별적으로
설치하여 운영하고 있다. 이 방법은 에너지절약 측면에서는 가장 효과적이지만, 현실적으로는 부하의 말단이 아닌 MCC 내부에 설치하고 있어 선로의 말단이라고
볼 수는 없다. 옥내 배전선로는 간선과 분기선으로 이루어져 있으며 MCC는 간선의 말단에 설치되며 개별부하에 전력을 공급하는 분기선로가 접속되는 지점이다.
전력용 콘덴서의 설치 효과는 설치 지점으로부터 전원 측에 대하여 효과를 기대할 수 있으므로 저압 전력용 콘덴서를 간선의 말단인 MCC 내부에 설치하는
것은 분기선로에서의 설치효과를 기대 할 수 없다. 이것은 전력용 콘덴서를 설치하였음에도 불구하고 분기선로에서의 선로손실의 절감 효과를 기대할 수 없으며,
전력용 콘덴서가 MCC함 내부에 위치하고 있어 열 발산효과가 감소하고 육안검사가 힘들어 유지관리에 불리하다.
그림. 5. 수용가의 저압 콘덴서 설치위치
Fig. 5. Installation location of low voltage capacitor at customer
그림. 6. MCC 전면
Fig. 6. MCC front
그림. 7. 저압 콘덴서 설치 사진
Fig. 7. Installation photo of low voltage capacitor
3.2.2 전력용 콘덴서 설치위치에 따른 손실 계산
위의 3.2.1절에서 언급한 바와 같이 전력용 콘덴서를 MCC 내부에 설치하면 선로손실의 절감 효과를 기대할 수 없으므로 다음과 같이 전력용 콘덴서를
MCC 내부에 설치할 경우와, 부하(전동기) 단자에 설치할 경우에 대한 손실을 계산하였다. 손실계산에 필요한 배선의 도체 임피던스는 표 2와 같으며[12], 4극 60㎐ 3상 380 V 유도전동기의 특성은 표 3과 같다[3].
표 2. 도체의 임피던스
Table 2. Impedance of conductors
|
도체 단면적 (mm2)
|
3심, 4심
|
도체저항
|
|
R(90℃)
(Ω/km)
|
X
(Ω/km)
|
DC(20℃)
(Ω/km)
|
AC(30℃)
(Ω/km)
|
|
6
|
3.63
|
0.1014
|
3.08
|
3.21
|
|
10
|
2.33
|
0.0954
|
1.83
|
1.91
|
|
16
|
1.467
|
0.0925
|
1.15
|
1.20
|
|
25
|
0.927
|
0.0929
|
0.727
|
0.758
|
|
35
|
0.669
|
0.0901
|
0.524
|
0.546
|
|
50
|
0.494
|
0.0892
|
0.387
|
0.404
|
|
70
|
0.343
|
0.0878
|
0.268
|
0.279
|
|
95
|
0.248
|
0.0856
|
0.193
|
0.201
|
|
120
|
0.198
|
0.0852
|
0.153
|
0.160
|
|
150
|
0.161
|
0.0857
|
0.124
|
0.129
|
표 3. 저압 3상 유도전동기 특성
Table 3. Characteristics of low voltage, three phase induction motor
|
전동기 정격
|
부하특성(역률 개선 전)
|
부하특성(역률 개선 후)
|
|
용량
(kW)
|
효율
(%)
|
역률
(%)
|
무효 전력
(kVAR)
|
전 부하 전류
(A)
|
콘덴서 용량
(kVAR)
|
역률
(%)
|
전 부하 전류
(A)
|
|
3.7
|
87.5
|
78.00
|
2.767
|
8.237
|
1.088
|
91.06
|
7.055
|
|
5.5
|
89.5
|
77.00
|
4.330
|
12.126
|
2.720
|
95.97
|
9.729
|
|
7.5
|
89.5
|
78.00
|
5.716
|
16.323
|
4.080
|
97.70
|
13.032
|
|
11
|
91.0
|
79.00
|
8.099
|
23.248
|
5.441
|
97.20
|
18.895
|
|
15
|
91.0
|
79.50
|
10.845
|
31.502
|
5.441
|
94.08
|
26.620
|
|
22
|
92.4
|
80.50
|
15.340
|
44.938
|
8.161
|
95.06
|
38.055
|
|
30
|
93.0
|
81.00
|
20.544
|
60.507
|
10.882
|
95.18
|
51.493
|
|
37
|
93.0
|
81.50
|
24.380
|
74.168
|
13.602
|
96.00
|
62.966
|
|
45
|
93.6
|
83.00
|
27.972
|
88.006
|
15.449
|
96.33
|
75.828
|
|
55
|
94.1
|
83.50
|
33.525
|
106.351
|
18.166
|
96.31
|
92.206
|
|
75
|
94.5
|
84.00
|
44.763
|
143.551
|
23.793
|
96.30
|
125.216
|
|
90
|
94.5
|
85.00
|
51.537
|
170.234
|
26.195
|
96.25
|
150.337
|
|
110
|
95.0
|
86.00
|
60.309
|
204.563
|
29.114
|
96.20
|
182.873
|
|
132
|
95.0
|
87.00
|
69.122
|
242.654
|
31.421
|
96.15
|
219.562
|
표 3의 4극 60㎐ 3상 380 V 유도전동기의 부하특성 중 역률 개선 전의 전 부하 전류 $I_{0}$는 식 (7)과 같고, 역률 개선 후의 전 부하 전류 $I_{1}$는 식 (8)과 같이 표현된다.
여기서
$P_{r}:전동기출력용량[W]$
$V_{r}:수전단전압[V]$
$\eta :전동기효율$
$\cos\theta_{0}: 개선 전 역율$
$\cos\theta_{1}:개선 후 역율$
전동기 정격이 3상 380 V 11 kW인 유도전동기가 직입기동하고 분기배선이 10mm2/3C일 때, 전력용 콘덴서를 MCC에 설치할 경우 개선 전 역률을 적용한 손실 $W_{l0}$은 식 (9)과 같이 구할 수 있으며, 전력용 콘덴서를 부하(전동기)단자에 설치할 경우 개선 후 역률을 적용한 손실 $W_{l1}$은 식 (10)과 같이 구할 수 있다. 여기서, $I_{0}$는 표 3의 역률 개선 전의 전 부하 전류, $I_{1}$은 역률 개선 후의 전 부하 전류, $R$은 표 2의 AC(30℃)일 때의 도체저항, $L$은 분기선로의 거리이다.
위의 식 (9)과 식 (10)을 이용하여 분기선로의 거리가 각각 20m, 40m, 60m, 80m, 100m일 때 역률 개선 전, 후의 손실은 그림. 8과 같다. 그림. 8에서 알 수 있듯이 역률 개선 후의 손실이 역률 개선 전보다 20m일 때 21 W, 40m일 때 42 W, 60m일 때 63 W, 80m일 때 84
W, 100m일 때 105 W가 감소됨을 확인할 수 있다.
그림. 8. 11 kW 유도전동기의 분기선로 거리별 손실 비교
Fig. 8. Loss comparison according to distance of 11 kW induction motor
또한, 전동기 정격이 3상 380 V 15 kW인 유도전동기가 Y-△기동하고 분기배선이 16mm/3C×2L 일 때, 전력용 콘덴서를 MCC에 설치할
경우 개선 전 역률을 적용한 손실 $W_{l0}$은 식 (11)과 같이 구할 수 있으며, 전력용 콘덴서를 부하(전동기)단자에 설치할 경우 개선 후 역률을 적용한 손실 $W_{l1}$은 식 (12)와 같이 구할 수 있다.
위의 식 (11)과 식 (12)을 이용하여 분기선로의 거리가 각각 20m, 40m, 60m, 80m, 100m일 때 역률 개선 전, 후의 손실은 그림. 9와 같다. 그림. 9에서 알 수 있듯이 역률 개선 후의 손실이 역률 개선 전보다 20m일 때 13.61 W, 40m일 때 27.21 W, 60m일 때 40.83 W,
80m일 때 54.43 W, 100m일 때 68.05 W가 감소됨을 확인할 수 있다.
그림. 9. 15 kW 유도전동기의 분기선로 거리별 손실 비교
Fig. 9. Loss comparison according to distance of 15 kW induction motor
3.2.3 수용가 현장 조사
주요 건축물의 분기선로에서의 실제 전력손실을 확인하기 위해 다음과 같이 청사, 병원, 공장을 대상으로 저압 전력용 콘덴서를 MCC 내부에 설치 할
경우와 부하(전동기)단자에 설치 할 경우 각각의 분기선로의 전력손실을 계산하였다. 부하의 용량 및 분기선로의 길이는 건축물의 규모와 용도에 따라 각각
다르므로 이를 고려하여 적용하였다.
(1) ○○광역시 청사
대표적인 업무용 광역시 청사는 주요 동력부하가 주기계실과 부기계실로 분산 설치되어 있는 관계로 조사대상은 주기계실의 동력부하로 선정하였다. 전체 동력부하
중 일부를 샘플로 정하여 각각의 전동기 용량, 분기선로의 배선규격과 선로의 거리를 조사하여 표 4와 같이 역률 개선 전, 후의 선로에 흐르는 전류를 계산하였다. 절감되는 전력량은 공공청사의 업무특성상 주말은 휴무를 고려하여 일 운전시간을 산정하였다.
표 4. 청사의 부하특성
Table 4. Load characteristics at government office building
|
동력 부하
|
전동기 용량
(kW)
|
배선규격, 거리(m)
|
기동 방식
|
역률 개선 전
|
역률 개선 후
|
|
부하 전류
(A)
|
선로 전류
(A)
|
부하 전류
(A)
|
선로 전류
(A)
|
|
기계실 급기팬
|
11
|
10mm2/3C
-1L, 40m
|
직입
|
23.2
|
23.2
|
18.9
|
18.9
|
|
소화 펌프
|
55
|
70mm2/3C
-2L, 30m
|
Y-△
|
106.4
|
61.4
|
92.2
|
53.2
|
|
중수 양수 펌프
|
75
|
70mm2/3C
-2L, 25m
|
Y-△
|
143.7
|
83.0
|
125.3
|
72.4
|
|
냉수 순환 펌프
|
90
|
95mm2/3C
-2L, 35m
|
Y-△
|
170.2
|
98.3
|
150.3
|
86.8
|
|
냉각수 순환 펌프
|
132
|
120mm2/1C
-3L, 30m
|
리액터
|
242.7
|
242.7
|
219.6
|
219.6
|
그림. 10은 광역시 청사의 동력부하에 대한 역률 개선 전, 후의 손실을 나타내었다. 그림. 10에서 알 수 있듯이 저압 전력용 콘덴서를 MCC 내부에 설치 할 때보다 부하(전동기)단자에 설치 할 경우, 기계실 급기팬은 42.00 W, 소화펌프는
47.08 W, 중수 양수펌프는 69.02 W, 냉수 순환펌프는 89.83 W, 냉각수 순환펌프는 153.22 W의 전력손실이 감소됨을 확인하였다.
전력손실 감소에 따른 년 전력량은 표 5와 같이 총 116.763 kWh를 절감할 수 있다.
그림. 10. 청사의 손실 비교
Fig. 10. Loss comparison at government office building
표 5. 청사의 년 절감 전력량
Table 5. One year Reduced electric energy at government office building
|
구분
|
기계실 급기팬
|
소화 펌프
|
중수 양수 펌프
|
냉수 순환 펌프
|
냉각수 순환 펌프
|
합계
|
|
손실 감소량
(W)
|
42.00
|
47.08
|
69.02
|
89.83
|
153.22
|
401.15
|
|
일 운전 시간
(h)
|
0.1
|
0.1
|
1
|
1
|
1
|
|
|
년 절감 전력량
(kWh)
|
1.533
|
1.715
|
25.185
|
32.485
|
55.845
|
116.763
|
※ 년 절감 전력량=(손실감소량×일 운전시간×365일)÷1000
(2) ○○대학병원
대학병원은 동력부하가 주기계실과 다수의 부기계실로 분산 설치되어 있는 관계로 조사대상은 주기계실의 동력부하와 부기계실의 일부부하를 선정하였다. 전체
동력부하 중 일부를 샘플로 정하여 각각의 전동기 용량, 분기선로의 배선규격과 선로의 거리를 조사하여 표 6과 같이 역률 개선 전, 후의 선로에 흐르는 전류를 계산하였다. 절감 전력량 계산은 대학병원의 업무특성에 의해 당직근무 및 병동의 운영을 고려하여
일 운전시간을 산정하였다.
표 6. 대학병원의 부하특성
Table 6. Load characteristics at university hospital
|
동력 부하
|
전동기 용량
(kW)
|
배선규격, 거리(m)
|
기동 방식
|
역률 개선 전
|
역률 개선 후
|
|
부하 전류
(A)
|
선로 전류
(A)
|
부하 전류
(A)
|
선로 전류
(A)
|
|
전기실 급기팬
|
5.5
|
6mm2/3C
-1L, 50m
|
직입
|
12.1
|
12.1
|
9.7
|
9.7
|
|
공조 배기팬
|
11
|
6mm2/3C
-1L, 20m
|
직입
|
23.2
|
23.2
|
18.9
|
18.9
|
|
냉수 순환펌프
|
15
|
10mm2/3C
-1L, 20m
|
직입
|
31.5
|
31.5
|
26.6
|
26.6
|
|
쿨링 타워 팬
|
22
|
25mm2/3C
-2L, 80m
|
Y-△
|
44.9
|
25.9
|
38.1
|
22.0
|
|
공조 급기팬
|
37
|
50mm2/3C
-2L, 30m
|
Y-△
|
74.2
|
42.8
|
63.0
|
36.4
|
그림. 11은 대학병원의 동력부하에 대한 역률 개선 전, 후의 손실을 나타내었다. 그림. 11에서 알 수 있듯이 저압 전력용 콘덴서를 MCC 내부에 설치 할 때보다 부하(전동기)단자에 설치 할 경우 전기실 급기팬은 25.24 W, 공조 배기팬는
35.34 W, 냉수 순환펌프는 32.48 W, 쿨링타워 팬은 69.26 W, 공조 급기팬은 37.19 W의 전력손실이 감소됨을 확인하였다. 전력손실
감소에 따른 년 전력량은 표 7과 같이 총 127.406 kWh를 절감할 수 있다.
그림. 11. 대학병원의 손실 비교
Fig. 11. Loss comparison at university hospital
표 7. 대학병원의 년 절감 전력량
Table 7. One year Reduced electric energy at university hospital
|
구분
|
전기실 급기팬
|
공조 배기팬
|
냉수 순환펌프
|
쿨링 타워 팬
|
공조 급기팬
|
합계
|
|
손실 감소량
(W)
|
25.24
|
35.34
|
31.48
|
69.26
|
37.19
|
198.51
|
|
일 운전 시간
(h)
|
0.1
|
2
|
2
|
2
|
2
|
|
|
년 절감 전력량
(kWh)
|
0.921
|
25.798
|
22.980
|
50.559
|
27.148
|
127.406
|
※ 년 절감 전력량 = (손실감소량 × 일 운전시간 × 365일) ÷ 1000
(3) ○○공장
수전용량 38,000 kVA의 중 대형급 공장은 다수의 동력부하가 제품의 생산라인과 부속시설 등에 분포되어 있으므로 조사대상은 공장의 환기팬과 부속시설인
폐수정화처리 설비의 기계실 동력부하로 선정하였다. 전체 동력부하 중 일부를 샘플로 정하여 전동기 용량, 각각의 분기선로 배선규격과 선로의 거리를 조사하여
표 8과 같이 역률 개선 전, 후의 선로에 흐르는 전류를 계산하였다. 절감 전력량 계산은 제품생산라인의 교대근무 특성과 폐수처리시설의 운영시간을 고려하여
일 운전시간을 산정하였다.
표 8. 공장의 부하특성
Table 8. Load characteristics at factory
|
동력부하
|
전동기 용량
(kW)
|
배선규격, 거리(m)
|
기동 방식
|
역률 개선 전
|
역률 개선 후
|
|
부하 전류
(A)
|
선로 전류
(A)
|
부하 전류
(A)
|
선로 전류
(A)
|
|
지붕 배기팬
|
5.5
|
10mm2/3C
-1L, 100m
|
직입
|
12.1
|
12.1
|
9.7
|
9.7
|
|
세제 이송펌프
|
11
|
10mm2/3C
-1L, 65m
|
직입
|
23.2
|
23.2
|
18.9
|
18.9
|
|
처리수 이송펌프
|
15
|
16mm2/3C
-2L, 30m
|
Y-△
|
31.5
|
18.2
|
26.6
|
15.4
|
|
교반용 송풍기팬
|
22
|
16mm2/3C
-2L, 70m
|
Y-△
|
44.9
|
25.9
|
38.1
|
22.0
|
|
질산 조 송풍기팬
|
45
|
50mm2/3C
-2L, 80m
|
Y-△
|
88.0
|
50.8
|
75.8
|
43.8
|
그림. 12는 공장의 동력부하에 대한 역률 개선 전, 후의 손실을 나타내었다. 그림. 12에서 알 수 있듯이 저압 전력용 콘덴서를 MCC 내부에 설치 할 때보다 부하(전동기)단자에 설치할 경우 지붕 배기팬은 38.99 W, 세제 이송펌프는
68.25 W, 처리수 이송펌프는 20.41 W, 교반용 송풍기팬은 95.86 W, 질산 조 송풍기팬은 128.81 W의 전력손실이 감소됨을 확인하였다.
전력손실 감소에 따른 년 전력량은 표 9와 같이 총 2,000.106 kWh를 절감할 수 있다.
그림. 12. 공장의 손실 비교
Fig. 12. Loss comparison at factory
표 9. 공장의 년 절감 전력량
Table 9. One year Reduced electric energy at factory
|
구분
|
지붕 배기 팬
|
세제 이송 펌프
|
처리수 이송 펌프
|
교반용 송풍기 팬
|
질산 조 송풍기 팬
|
합 계
|
|
손실 감소량
(W)
|
38.99
|
68.25
|
20.41
|
95.86
|
128.81
|
352.32
|
|
일 운전 시간
(h)
|
20
|
15
|
15
|
15
|
15
|
|
|
년 절감 전력량
(kWh)
|
284.627
|
373.668
|
111.744
|
524.833
|
705.234
|
2,000.106
|
※ 년 절감 전력량 = (손실감소량 × 일 운전시간 × 365일) ÷ 1000
위와 같이 청사, 병원, 공장을 대상으로 각각의 분기선로의 년 절감 전력량에 따른 절감된 전기 요금(한국전력공사 2017. 1.1 시행)은 표 10과 같다. 역률을 개선하면 광역시 청사는 약 년 117 kWh의 전력량과 22,313원의 전기요금을 절감할 수 있고 대학병원은 127 kWh의 전력량과
24,347원의 전기요금을 절감할 수 있으며 공장은 2000 kWh의 전력량과 382,220원의 전기요금을 절감할 수 있다고 판단된다. 절감된 전기요금은
일반부하를 사용하는 청사, 병원보다 동력부하를 많이 사용하고 있는 공장이 더 높았으며, 본 연구에서는 각 대상별 샘플을 적용하였지만 모든 부하에 적용할
경우 더욱 더 많은 전기요금을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
표 10. 년 절감 전력량 및 요금
Table 10. Reduced electric energy and electricity costs of one year
|
구분
|
○○광역시 청사
|
○○대학 병원
|
○○공장
|
합계
|
|
년 절감 전력량 (kWh)
|
116.763
|
127.406
|
2,000.106
|
2,244.275
|
|
고압A(Ⅱ) 여름철 최대부하(원/kWh)
|
191.1
|
|
|
절감 전력량 요금 (원/년)
|
22,313.41
|
24,347.28
|
382,220.26
|
428,880.95
|
4. 설치방법의 개선방안
4.1 기존제품 적용 시 문제점 및 대책
기존제품은 구조적으로 보호함 내부에 고정하여 설치하는 형태이므로 선로말단에 설치하는 것은 운영상의 여러 가지 문제가 발생한다. 설치환경의 부적합으로
수분이나 분진에 의한 수명단축 및 화재의 우려가 있고 충전부의 노출에 의한 인축의 감전사고의 위험이 있다. 또한 유도전동기의 기동 전류 발생억제를
위하여 대용량이 되면 별도의 기동장치가 필요하기 때문에 기존의 전력용 콘덴서는 기동장치의 전원 측에 설치하고 있다. Y-△ 기동방식의 경우 기존의
전력용 콘덴서는 3상으로 결선되어 있어 3상 전원선의 각 상에 배선을 접속해야 하는 결선의 문제점이 발생되기 때문에 선로말단(전동기 단자)에 설치를
할 수가 없다. 따라서 기존제품 설치에 따른 문제점들을 해결하기 위해 분기선로에서의 손실 최소화를 위한 새로운 디자인의 전력용 콘덴서가 필요하다.
4.2 새로운 디자인의 전력용 콘덴서 제안
아래의 그림. 13은 새로운 형태의 디자인을 적용하여 선로말단인 전동기 단자에 전력용 콘덴서를 접속하여 설치하는 방법의 예시도이다. 전선관 주변에 하우징을 밴드로 고정하고
전력용 콘덴서 본체는 탈부착이 용이하도록 제작하여 설치하면 운영 중 파손이나 수명이 다 된 경우에도 콘덴서 본체만 교체하면 된다.
그림. 13. 전동기 단자에 설치한 전력용 콘덴서
Fig. 13. Power capacitor installed at motor terminal
그림. 14는 제안된 전력용 콘덴서의 상세도로서 기존의 제작방식과 다르게 각 상의 절연체의 배열을 콘덴서의 길이 방향이 길어지게 제작하여 전선관과 나란히 근접하여
설치할 수 있도록 하였다. 그리고 프레임과 본체를 별도로 분리하여 제작하고, 본체와 프레임의 접속방식을 단자접속이 아닌 핀 방식으로 적용하여 탈부착이
용이하도록 하였다. 콘덴서의 인출배선은 3상 각각 2가닥씩을 인출하여 6가닥으로 하여 핀을 6개 제작하여 접속하는 방식으로 하였다. 콘덴서 본체에서
3상 결선을 하지 않고 각각 단상으로 인출하여 콘덴서 설치 시에 기동방식을 고려하여 결선하도록 하였다. 프레임을 전선관에 고정하는 방법은 고정용 밴드를
이용하여 콘덴서의 방열효과를 높이고 콘덴서 본체의 교체가 용이하도록 적용하였다.
그림. 14. 전력용 콘덴서 제작 상세도
Fig. 14. Production details of power capacitor
그림. 15는 제안된 전력용 콘덴서의 설치 상세도이다. 이 방식은 전력용 콘덴서의 절연체를 배치하는 내부구조를 기존제품과 다르게 제작하는 방식이다. 폭이 좁고
길이가 긴 형태로 제작하여 전선관의 길이 방향으로 나란히 배치하여 후레임을 전선관에 고정하는 방식이다. 콘덴서 접속케이블은 전력선의 배관과 다른 별도의
배관을 이용하여 전동기의 단자 접속함에 연결한다. 이 방식은 접속케이블을 전력선과 구분하여 시공성과 유지관리의 장점을 가지고 있다.
그림. 15. 전력용 콘덴서 설치 상세도
Fig. 15. Installation details of power capacitor
5. 결 론
전기 사용량을 유지하면서 선로손실을 줄이는 가장 효과적이고 경제적인 방법은 전력용 콘덴서 설치에 의한 역률개선이다. 하지만 국내 수용가의 대부분은
전력용 콘덴서의 설치에도 불구하고 설치장소의 부적합으로 역률 개선효과를 얻지 못하는 실정이다.
따라서 본 논문은 청사, 대학병원, 공장에 대한 분기선로에서의 전력손실을 확인하기 위해 저압 전력용 콘덴서를 MCC 내부와 부하(전동기)단자에 각각
설치 할 경우의 전력손실을 비교하였으며, 이를 통해 년 절감 전력량 및 요금을 산정하였다. 그 결과 전력용 콘덴서를 부하(전동기)단자에 설치할 경우
소비되는 전력량의 감소로 전기요금이 경감됨을 확인하였다. 또한 전력용 콘덴서를 선로말단에 설치할 경우의 문제점을 보완할 수 있는 새로운 디자인의 전력용
콘덴서를 제안하여 방열효과, 교체용이, 유지관리의 장점을 적용하였다.
비록 본 논문에서는 아주 작은 범위의 조사대상과 샘플부하에 대한 자료를 활용한 결과이지만, 추후 국내의 대규모 건축물을 적용한 결과를 활용하면 동력부하를
사용하는 전력계통의 에너지 절감효과를 기대할 수 있을 것이다.
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for Power Factor Compensation in Distribution System, Vol. 48A, No. 10, pp. 1190-1197
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Evaluation of Extra-High Voltage Distribution System in the Large Apartment Complex,
Vol. 21, No. 3, pp. 117-124
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Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017-881, Standard for Energy Saving
Design of Building
Korea Electric Power Corporation, 2018, Basic Supply Terms
Ki-Su Park, Dae-Wook Kwon, October 2017, Power-Factor Improvement for use of Building
power energy optimization, Vol. 37, No. 2, pp. 1183-1186
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of shunt capacitor for reduction of losses on distribution feeders, Capri, Italy
Ravi Teja Bhimarasetti, Ashwani Kumar, 21-22 December 2015, Capacitor placement in
unbalanced radial distribution system for loss reduction, Chan-digarh, India
Alireza Askarzadeh, October 2016, Capacitor placement in distribution systems for
power loss reduction and voltage improvement: a new methodology, Vol. 10, No. 14,
pp. 3631-3638
Duck-Chool Lee, Neung-Heon Lee, Hee-Seog Koh, Dong-Il Lee, 2010, Circuit Theory, Dongilpublisher
Soon-Hyung Lee, 2007, Design & plans of power sub-station systems, Kidari
LS Distribution Cable Catalog, LS Cable & System
저자소개
He received the M.S. degree in electrical engineering from Hanbat National University,
Daejeon, Korea, in 2019. He is currently a professional engineer building electrical
facilities and director of techno- logy at Jinhung Eng, Cheonan, Korea. His research
interests include the electrical equipment diagnosis.
E-mail : ljhsmh@naver.com
He received the M.S. degree in electrical enginee- ring from Chungbuk National University,
Cheongju, Korea, in 1990, and the Ph.D. degree in electrical engineering from Myongji
University, Seoul, Korea, in 1999. He is currently a professor of Electrical Engineering
at Hanbat National University, Daejeon, Korea. His research interests include the
electrical renewable energy resources.
E-mail : zeromoon@hanbat.ac.kr
He received the M.S. degree in electrical enginee- ring from Hanbat National University,
Daejeon, Korea, in 2004, and the Ph.D. degree in electrical engineering from Hanyang
University, Seoul, Korea, in 2014. He is currently a civil servant assistant of Elctrical
Engineering at Hanbat National University, Daejeon, Korea. His research interests
include the electrical fire diagnosis.
E-mail : ldd77@hanbat.ac.kr