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운전 상태에서 콘덴서 뱅크의 직렬 리액터 상태 모니터링을 위한 인덕턴스 측정 기술
▲ 이진락 대표이사(주)유성계전
회사 소개
(주)유성계전(이하 유성계전)은 1989년에 설립하여 전기산업 발전의 주축인 수배전반, 보호배전반 감시제어반 등의 제조 산업과 디지털 보호계전기, 감시제어시스템, 전력설비 진단, 스마트그리드 분야에 대한 연구개발 및 해외 마케팅 사업, 신재생에너지, 정보통신공사업, 전기공사업을 통해 미래 전력 산업 구축에 이바지하고 있다.
대부분 기업들이 시작 단계에서만 R&D에 수익의 10%씩 자금을 투자하는 반면, 유성계전은 R&D를 수익 창출의 원천으로 생각하고 아낌없는 투자를 하고 있다.
그 결과 30건의 특허등록과 12건의 연구개발 등을 이루어냈고 지금까지도 새로운 기술개발에 힘을 쏟고 있다.
기술개발 배경
일반적으로 수배전반 계통에 역률개선 목적으로 설치되어 있는 콘덴서 뱅크에서 진상 콘덴서와 직렬로 연결된 리액터는 제5고조파 전압 억제 및 전력계통에서 콘덴서 뱅크로 유입되는 Surge성 돌입전류 억제의 목적으로 전력용 콘덴서의 6%에 해당하는 용량을 설치하고 있다.
그 외에도 콘덴서 회로 개폐시에 발생하는 돌입전류를 억제함과 동시에 고조파 확대를 방지하는 목적으로 사용되고 있다.
일반적으로 23㎸급 이하의 전력계통에는 철심형 직렬 리액터, 154㎸급 이상의 전력계통에는 공심형 직렬 리액터를 사용하고 있다.
직렬 리액터 보호 규정 KS C 4802(표 1)에서 고조파 전류를 포함한 합성 전류 120%와 제5고조파 전류 35%까지 최대 허용 전류로 정하고 있으나 제5고조파 전류가 35%를 초과하는 경우가 발생하여도 합성 전류가 120%를 초과하지 않으면 안전한 것으로 판단하여 과전류 차단을 하지 않는다.
이때의 제3고조파 전류가 30% 함유되고 나머지는 제5고조파 전류라면 리액터 단자전압은 자기 정격전압의 315%까지 상승하게 되며 이로 인해 리액터는 층간 단락이 발생한다.
따라서 과전류 계전기로만 관리함에 따라 콘덴서보다 직렬 리액터의 소손 사고율이 높고 이로 인한 여파로 콘덴서까지 폭발하는 사고가 빈번하게 발생한다.
또한, 공심형 직렬 리액터는 과전류, 과전압으로 층간 단락이 발생하여도 과전류 계전기가 동작하지 않으며 철심형으로 지락고장이 발생하여야 과전류 계전기가 동작하게 된다.
그러나 공심형 직렬 리액터는 층간 단락이 되어 화재가 발생하여도 지락 또는 단락으로 발전하기 어려워 과전류 계전기가 동작할 수 없는 문제가 있다. 직렬 리액터의 사고 원인 및 문제점은 표 2와 같다.
기존 기술의 문제점
기존의 직렬 리액터 열화 진단 기술은 활선 상태에서 측정하려면 소음, 온도, 열화상 측정 방법이 있는데 이러한 방법들은 정확한 값이 아닌 근삿값만 검출할 수 있으며 정확한 측정을 위해서는 휴전 후 배선을 분리한 다음 용량 측정기로 측정할 수밖에 없었다. 그러므로 인력 소요와 정전 등의 불편함이 발생하게 된다.
기술 상세 내용
자사의 “운전 상태에서 콘덴서 뱅크의 직렬 리액터상태 모니터링을 위한 인덕턴스 측정기술”은 활선 상태에서 입력되는 전압, 전류, 위상 정보와 기본파 및 고조파 정보를 실시간으로 측정·분석하여 자체 개발한 알고리즘에 적용하여 기본파 및 n차 고조파에 대한 각각의 임피던스를 연산한다.
또한 전압 변동에 따라 변하는 철심형 직렬 리액터 기준 값을 보정하여 항상 일정한 기준 값과 열화 및 소손으로 변화된 실제 값을 비교하여 직렬 리액터의 상태를 진단한다.
분석된 기본파 및 n차 고조파는 표시장치에 표시되어 관리자가 기기의 상태를 한눈에 파악할 수 있도록 도와준다.
또한 연산된 임피던스를 이용하여 각각의 직렬 리액터를 감시하여 리액턴스 값의 변화에 따라 경년변화에 의한 성능 저하 및 리액터의 고장을 판단하여 사고 발생 전에 경보 신호를 발생시켜 사고를 예방할 수 있다.
기술의 파급 효과
리액터는 산업 전반에 사용되고 있으며, 리액터의 고장으로 인하여 화재 및 정전 등 여러 가지 피해가 발생하게 된다.
“활선 상태에서 직렬 리액터 상태 진단을 위한 용량 측정 기술”을 도입하게 되면 수·배전반 역률 보상용 콘덴서 뱅크의 직렬 리액터를 리액터의 종류(철심형, 공심형), 고조파 함유량 및 전압레벨에 관계없이 활선 상태에서 실시간으로 측정, 감시 및 보호를 할 수 있어 정전 보상비용, 정전 복구비용 및 화재 복구비용을 절감할 수 있으며 유지보수 및 인력비용을 절감할 수 있으므로 큰 경제적 이득을 얻을 수 있다.
또한, 새로운 장비를 설치할 필요 없이 기존 전압·전류 기기를 그대로 사용 가능하여 기기 교체 및 회수 등 사후 처리에 대한 비용과 시간을 절약할 수 있으며, 리액터 용량 감시를 통한 효율적인 운영 및 전력의 품질 향상 효과를 얻을 수 있다.