저압전동기 보호계전기와 역률개선용 콘덴서의 위치에 관한 고찰

전동기 역률개선용 콘덴서의 설치위치가 보호계전기의 동작에 미치는 영향에 관한 고찰

가. 개요

일반적으로 상용되는 저압전동기(유도전동기)의 보호에는 과전류보호(열동계전기 등)와 단락보호(MCCB 등)를 행하고 있으며, 그 방법은 아래의 그림(배선용차단기 + 전자접촉기 + 과전류계전기)과 같은 방식으로 설계되고 있다. 그러나 아래의 설계에서의 문제점이 실험에 의해 발견된 바 최선의 대책을 알리고자 한다.
단, 아래의 현상 및 대책은 실험에 의한 결과이고, 이론상으로 정립되어 증명된 것이 아니므로 의문점이 있는 회원께서는 아래의 예와 같이 측정해 보신다면 실측해 보실 수 있을 것입니다.
또한, 본 실험에 사용된 기기는 콘덴서 및 전동기의 용량은 명판에 표시된 것으로서 실험기기에 의한 용량은 아니다. 따라서 아래의 사항에 대한 이론적인 근거는 추후에 공개하기로 합니다.

나. 본론

1. 저압전동기의 보호에 사용되는 과전류계전기와 전동기 회로의 역률을 개선하기 위한 콘덴서의 설치 위치에 따른 측정 전류값에 대한 실험

1-1. 실험1

부하의 조건


시험부하에 관한 사항 농형유도전동기 4극 폐쇄형 정격전압380/220 정격용량 : 30(22㎾)HP 정격전류(100% 부하시의 선전류) : 49[A] 역률보상후의 전류(계산치) : 44.74[A] 상전류(선전류의 1/√3)계산값 : 28.29 역률(100%부하시) : 82 % 효률(100%부하시) : 83.1 % 역률에 의한 계산 무효전력 : 15.340[Kvar] 보호계전방식 : EOCR(4E)계전기 채용 역률 90% 개선을 위한 설치 콘덴서의 용량 150㎌[8.161KVA] 기동방식 : Y-△기동 MCC~전동기간 전선의 굵기 : 상전류에 의해 선정되며 전선가닥수는 6가닥이 된다. 풍량제어방식 : VAV 제어	해설 그림1은 전동기의 보호에 전자식계전기(4E)를 사용하여 과부하, 단락, 지락, 결상, 역상에 대한 보호, 그림2는 열동계전기를 사용하여 과부하에 대한 보호를 한다. 콘덴서의 설치위치에 따른 콘덴서 용량의 적정여부 그림 1 및 2 모두 전동기의 △회로 내부에 설치하는 것으로 되어 있으나, 이는 전자접촉기를 상내부에 설치하므로서 상전류에 대응하도록하여 전자접촉기의 경제성을 감안한 것으로서 운전정지시 콘덴서의 차단을 위해 콘덴서를 △회로 내부에 설치하였으므로 이에 대해서는 콘덴서의 적정용량을 검토하여야 할 것으로 판단된다. ◆실측 전류값◆ 1. 콘덴서를 설치하지 아니한 경우 (가), (나) 및 (다)의 각 상 실측치는 28A로 일치. 2. 콘덴서를 설치한 경우 (가), (나)의 실측 전류치는 일치하지만 각상의 전류는 R상 : 17A, S상 : 16A, T상 : 13A로 측정됨. (다)의 측정치는 25A로 콘덴서가 접속되지 아니한 때의 전류와 일치.

	그림 3 정격용량 : 15(11㎾)HP 정격전류(100% 부하시) : 25.26 [A] 역률보상후의 전류(계산치) : 22(A) 역률(100%부하시) : 80.5 % 효률(100%부하시) : 82.7 % 역률에 의한 계산 무효전력 : 8.099[Kvar] 역률 90% 개선을 위한 설치 콘덴서의 용량 : 100㎌ [5.441KVA] ◆실측 전류값◆ 1. 콘덴서를 설치하지 아니한 경우 (가), (나) 및 (다)의 각 상 실측치는 25A로 일치. 2. 콘덴서를 설치한 경우 (가), (나)의 실측 전류치는 일치하지만 각상의 전류는 R상 : 9A, S상 : 11A, T상 : 11A로 측정됨. (다)의 측정치는 25A로 콘덴서가 접속되지 아니한 때의 전류와 일치.

2. 실험결과

실험은 그림2 및 3의 구조에 대해서 실시하였고, 콘덴서를 설치하고 측정한 전류와 콘덴서를 제거하고 측정한 전류치가 상기 값으로 측정되었다.
역률보상을 위한 콘덴서가 콘덴서의 전원측 전로에 역률보상분 이상의 전류 값이 감소되는데(어떠한 원인에 의해 일정한 값으로 되지는 않는다)직접적으로 영향을 주는 것으로 판단된다. 따라서 과부하보호를 위한 계전기(열동계전기 및 전자식계전기를 망라한다)가 오부동작할 우려가 많으며, 결국에는 전동기가 소손된 후 단락사고로 확대되어 배선용 차단기가 동작하게 된다.

3. 실험결과에 대한 영향인자로 예상되는 사항

전력용 콘덴서 보다 전원측에 설치된 과전류계전기는 역률보상분 만큼 감소된 전류를 검출하게 된다.
전력용콘덴서의 특성(용량)은 변화한다(입력전압, 주위온도, 환경, 고장에 기인한다)
전동기는 슬롯하모닉에 의한 고조파가 발생되며, 콘덴서는 발생된 고조파를 증폭한다. 증폭된 고조파는 콘덴서보다 전원측 회로에 영향을 준다.
Y-△ 기동방식에서의 콘덴서용량산정은 △회로내부에 접속하는 경우에는 용량의 검토가 필요하다.
전동기의 임피던스와 특성이 변화된 전력용콘덴서간에 병렬공진이 발생할 수 있다.(전류가 최소가 된다)
- 전동기는 극수가 작을수록 역율이 좋고, 또한 용량이 커질수록 역율이 좋아진다.
- 실제전동기의 특성을 고려하지 아니하고 내선규정에서 제시된 값으로 선정하는 경우와 역율개선 목표를 95% 이상으로 선정하는 경우에는 콘덴서 용량이 목표값 보다 초과하여 회로가 진상으로 될 수 있다.

다. 대책

1. 참고서적

1-1. 내선규정에서 정한 사항

내선규정 제340-3 저압진상용 콘덴서를 개개의 부하에 설치하는 경우의 시설

콘덴서의 용량은 부하의 무효분보다 크지 아니할 것(콘덴서 용량변화에 영향을 주는 특성에 의해 진상회로가 되지 않을 것)
콘덴서는 현장조작개폐기 또는 이에 상응하는 개폐기보다 부하측에 설치할 것.
[주] 전류계가 있는 경우에는 전류계의 전원측에서 분기하는 것을 원칙으로 한다
본선에서 분기하여 콘덴서에 이르는 전로에는 개폐기 등의 장치를 하여서는 아니된다.
이하 생략

제715-3 고압 및 특별고압콘덴서를 개개의 부하에 시설하는 경우

현장조작 개폐기보다 부하측에 접속하고 또한 다음 각호에 의하여 시설하는 것을 원칙으로 한다.
[주] 콘덴서는 개개의 부하에 설치하고 공용하지 아니하는 것이 좋다.
콘덴서의 용량은 부하의 무효분보다 크지 아니할 것(콘덴서 용량변화에 영향을 주는 특성에 의해 진상회로가 되지 않을 것)
콘덴서는 본선에 직접 접속하고 특히 전용의 개폐기, 퓨즈, 유입개폐기 등을 설치하지 말 것. 이 경우 콘덴서에 이르는 분기선은 본선의 최소굵기보다는 적게하지 않을 것.

2. 결론

2-1. 참고서적의 내용에 관한 의견

내선규정에서 언급한 "[주] 전류계가 있는 경우에는 전류계의 전원측에서 분기하는 것을 원칙으로 한다"는 유추컨데 전류계에 흐르는 전류를 정확하게 읽기 위한 조치로 판단되지만, 실험의 결과와 같이 계전기(열동계전기 또는 전자식계전기)의 부하측에 역률개선용 콘덴서를 설치하므로서 전동기 보호에 지장을 초래하는 것으로 판단된다.
현재의 대체적인 설계도가 전동기조작 및 보호회로에서 콘덴서의 위치를 무의식적으로 임의위치로 설계되고 있는 바, 내선규정은 다음과 같이 수정되어야 타당하다고 사료된다.
★ 역율보상용 콘덴서를 각각의 전동기에 설치하는 경우 과전류 계전기(열동계전기 또는 전자식으로서 과전류 검출기를 말한다) 또는 전류계가 있는 경우 과전류계전기 및 전류계의 전원측에서 분기하여 설치하여야 한다. ★

2-2. 대책

2-2-1. Y-△ 기동방식에 대한 대책

상기와 같이 MCC 결선도가 고착화되는데는 제조상의 배려 및 경제성을 고려한 것이나, 콘덴서에 대한 제어만을 생각하고 전동기보호에 콘덴서의 설치위치가 영향을 주는 것을 간과한 것이다. 대책은 아래와 같이 예를 든다.

Y-△ 기동방식의 경우 권장되는 회로는 그림 "권장되는 결선도"와 같이 전자접촉기 1개를 전동기의 선전류에 대응하는 용량의 것으로 선정하고 콘덴서의 위치를 전류계 및 과전류계전기의 전원측에 설치한다.
기존설비에 대한 대책은
- 각각의 전동기별로 설치된 콘덴서의 위치를 계전기의 전원측에서 분기접속한다.
- 열동계전기를 그림 " 기존설비에 대한 대책"의 예와 같은방법으로 수정한다.
- 콘덴서를 분리하고 수전점 또는 MCC 그룹 전체를 적정한 용량의 콘덴서로 조합하고 역률에 따라 자동제어한다.
- 인출형의 경우 인출전에 콘덴서를 먼저 분리한 후 유니트를 인출하여야 하는 번거로움이 발생된다. 또한 신규의 경우에는 인출되는 유니트와 함께 콘덴서도 같이 분리되도록 하거나, 인출형 유니트 제작시 콘덴서를 별도로 분리할 수 있는 콘텍터를 별도로 설치하게 되므로 원가상승요인이 된다.
- 콘덴서는 반드시 방전코일이 삽입된 것을 사용하여야 한다.
- 그림 " 기존설비에 대한 대책중" 콘덴서의 설치위치는 부득이하여 그대로 두는 것이고, 설치위치가 △회로 내부에 위치하고 있으므로 용량의 적합여부 검토가 필요하다.

2-2-2 직입기동의 경우

기기의 "배치를 권장되는 결선도(직입)"에 의한다.
콘덴서를 제거한다.

상기 내용에 대하여 상세히 알고 싶으신 분은 현장의 전동기에 대하여 직접 측정해 보신후 의견을 게시할 수 있으며, 의견의 게시는 기술정보 공유의 방에서만 토론하실 수 있습니다. 당사에서는 본건에 대하여 더 세밀히 조사한 후 발표하겠습니다.

참고로 강조하건데 역률개선용으로 시중에 설치되고 있는 콘덴서도 엄연히 내구연한이 있으며, 또한 주위여건에 따라 용량은 변화할 수 있다는 것입니다. 또한 이러한 현상이 쉽게 발견되지 않은 것은 콘덴서 부하측의 전류측정은 MCC가 구조상 번거롭기 때문입니다.