[해설]
역률은 피상전력 중 유효전력의 비율로, 선로의 무효전류가 줄수록 1에 가까워진다.
전동기 같은 유도성 부하는 전압에 90° 뒤지는 지상 무효전류를, 콘덴서는 90° 앞서는 진상 무효전류를 흘린다. 두 전류는 방향이 반대라 상쇄되므로 선로의 무효전류가 줄어 역률이 개선된다.
콘덴서는 유효전력은 그대로 두고 무효전력만 줄인다는 점을 함께 기억한다.
[해설]
역률이 낮으면 같은 유효전력을 보내는 데 더 큰 전류가 필요하다. 이 전류 증가가 아래 문제점의 공통 원인이다.
- 전력손실 증가 — 선로 손실이 전류의 제곱(I2R)에 비례해 커진다.
- 전기요금 증가 — 역률이 90[%]에 못 미치면 기본요금이 할증된다.
- 전압강하 증가 — 전류가 커진 만큼 선로 임피던스에서 떨어지는 전압도 커진다.
- 부하용량 증가 — 같은 유효전력에 필요한 피상전력이 커져 변압기·선로 용량을 더 크게 잡아야 한다.
외우는 요령: '손실·요금·전압강하·설비용량'이 모두 늘어난다고 기억한다.
[해설]
콘덴서 용량이 부하의 지상 무효분보다 커지면 진상 역률(과보상) 상태가 되어 전압 상승·손실 증가 등 역률개선의 역효과가 나타난다.
따라서 콘덴서 용량의 상한은 부하의 지상 무효분보다 작게 잡는 것이 원칙이다.
[해설]
콘덴서를 필요 이상 달면 진상 역률(과보상) 상태가 되어 아래와 같은 결점이 생긴다.
- 고조파 왜곡의 증대 — 콘덴서가 고조파 전류를 끌어들이고 공진으로 키울 수 있다.
- 모선전압 과상승 — 남는 진상 무효전력이 전압을 올린다(특히 경부하 시).
- 앞선 역률에 의한 전력손실 — 역률이 앞서도 무효전류가 흘러 선로 손실이 생긴다.
- 설비용량 여력 감소로 과부하 — 늘어난 무효전류가 변압기·선로 용량을 차지한다.
- 계전기 오동작 — 전압 상승과 고조파 왜곡 때문에 보호계전기가 잘못 동작할 수 있다.
혼동 주의: 콘덴서를 적정하게 달면 손실이 줄지만, 과보상이면 오히려 손실이 다시 생긴다.
[해설]
개별 콘덴서를 전동기와 함께 개폐하면 전원 차단 직후 자기여자현상이 생길 수 있다.
콘덴서의 진상전류가 전동기의 무부하 전류보다 크면 관성으로 도는 전동기가 그 전류로 여자되어 유도발전기처럼 전압을 만든다.
그 결과 전동기 단자전압이 일시적으로 정격전압을 초과하게 된다.
그래서 실무에서는 개별 콘덴서 용량을 전동기의 무부하 여자전류 이하로 정한다.
[해설]
개별설치는 콘덴서를 각 부하 바로 옆에 두어, 무효전력이 생기는 자리에서 곧바로 보상하는 방식이다.
부하에서 전원까지의 배선에 무효전류가 흐르지 않게 되므로, 선로의 전력손실(I2R)이 가장 크게 줄어든다.
혼동 주의: 수전 모선에 모아 두는 집중설치는 관리가 쉽지만, 구내 배선의 손실을 줄이는 효과는 작다.
[해설]
개별 설치는 부하마다 콘덴서를 따로 달기 때문에 설치 대수가 많아진다.
- 설치 비용 증가 — 콘덴서와 부속설비를 부하 수만큼 갖춰야 해서 초기 비용이 커진다.
- 유지보수 비용 증가 — 점검·관리할 기기가 늘어 운영 비용이 커진다.
혼동 주의: 집중 설치는 비용·관리 면에서 유리하지만, 구내 선로 손실을 줄이는 효과는 작다.
[해설]
콘덴서의 자동 역률 제어는 부하 변동에 따라 콘덴서 뱅크를 자동으로 증감시켜 목표 역률을 유지하는 것으로, 어떤 값을 검출 신호로 쓰느냐에 따라 방식이 나뉜다.
- 무효전력에 의한 제어: 계통의 무효전력량을 직접 검출해 투입·차단
- 역률에 의한 제어: 부하 역률이 기준치 이하로 떨어지면 투입
- 시간에 의한 제어: 부하 패턴이 일정한 경우 시간표(타임스위치)로 개폐
- 전압에 의한 제어: 모선전압 저하시 투입해 전압을 보상
- 전류에 의한 제어: 부하전류 크기를 기준으로 투입
[해설]
콘덴서 설비 사고는 대부분 도체 사이의 단락이나 유전체의 절연파괴에서 시작된다.
- 배선단락 — 설비 안의 배선끼리 닿아서 일어나는 단락 사고다.
- 층간 절연파괴 — 소자 내부 유전체 층이 열화되어 파괴되는 사고다.
- 소체파괴 — 콘덴서 소자 본체가 과전압·과열로 파괴되는 사고다.
- 모선단락 — 콘덴서 뱅크가 연결된 모선 쪽에서 일어나는 단락이다.
외우는 요령: 내부(층간·소체)의 파괴 2가지와 외부(배선·모선)의 단락 2가지로 나누어 외운다.
[해설]
고압 진상용 콘덴서는 보호계전기를 조합해 보호한다. 콘덴서 자체의 이상과 함께 계통의 지락·전압 이상까지 검출한다.
- 저전압 계전기 — 정전 때 콘덴서를 개방해, 복전 시 무부하 상태에서 과보상과 이상전압이 생기는 것을 막는다.
- 지락 과전압 계전기 — 비접지 계통에서 지락이 나면 나타나는 영상전압을 검출한다.
- 지락 과전류 계전기 — 지락 때 흐르는 영상전류를 검출해 차단한다.
- 과전압 계전기 — 계통 전압이 올라가 콘덴서 절연이 손상되는 것을 막는다.
- 과전류 계전기 — 콘덴서 내부 단락 등으로 생긴 과전류를 검출해 차단한다.
혼동 주의: 지락 보호는 영상전압을 보는 계전기와 영상전류를 보는 계전기 두 가지로 나뉘므로 짝지어 외운다.
[해설]
개별 콘덴서는 전동기 같은 부하와 한 몸으로 개폐되도록 본선에 직접 접속한다.
콘덴서 전용 퓨즈·개폐기·유입차단기를 따로 두면 콘덴서만 회로에 남거나 콘덴서만 분리되는 오조작이 생길 수 있다.
부하와 함께 개폐되어야 부하가 멈췄을 때의 과보상과 이상전압을 막을 수 있다.
[해설]
가연성 절연유를 넣은 콘덴서는 내부 고장으로 케이스가 파열되면 기름이 새어 불이 번질 수 있다. 그래서 가연성 벽·천장과 1[m] 이상 떼어 설치하는 것이 바람직하다.
이격거리를 두는 목적은 화재 확산 방지이다. 주변 마감을 불연재로 하고 통풍을 확보하는 것도 같은 취지이다.
직렬리액터를 설치해 돌입전류를 억제한다.
[해설]
돌입전류는 방전된 콘덴서를 전원에 투입하는 순간 흐르는 과도전류로, 이때 콘덴서는 단락된 것처럼 동작한다.
정격전류보다 훨씬 큰 전류가 아주 짧게 흐르고, 그 뒤 정상 충전전류로 줄어든다.
대책으로 직렬리액터를 넣어 회로 임피던스를 높이고, 투입 순간의 전류를 억제한다.
혼동 주의: 직렬리액터는 제5고조파를 억제하는 역할도 함께 한다.
[해설]
직렬리액터는 콘덴서와 직렬로 넣어 회로에 유도성 리액턴스를 더하는 기기이며, 아래 두 경우에는 반드시 설치한다.
- 부하설비가 제5고조파를 내는 경우 — 콘덴서가 고조파를 키우지 않게 해 전압 파형의 일그러짐을 막는다.
- 콘덴서 투입 때 생기는 큰 돌입전류가 전원계통과 부하설비에 악영향을 줄 우려가 있는 경우 — 리액턴스가 전류의 급상승을 눌러 돌입전류를 막는다.
외우는 요령: 설치해야 하는 경우는 고조파와 돌입전류 두 가지이고, 효과는 각각 파형 개선과 돌입전류 방지로 짝지어 쓴다.
[해설]
전력용 병렬 콘덴서의 설치 위치는 역률 개선 효과와 관리 편의를 따져 정한다.
- 부하측 설치 — 무효전력이 생기는 곳에서 바로 보상하므로 선로 손실을 줄이는 효과가 가장 크다.
- 수전측 모선 집중 설치 — 한 곳에 모아 관리와 비용 면에서 유리하지만, 구내 선로 손실은 별로 줄지 않는다.
외우는 요령: 효과는 부하측이 크고, 관리는 수전측이 쉽다.
[해설]
직렬리액터는 콘덴서 회로가 제5고조파에 대해 유도성이 되도록 리액턴스를 더한다. 이로써 고조파와 돌입전류 문제를 함께 줄인다.
- 제5고조파 제거 — 콘덴서와 계통 사이에서 고조파가 커지는 것을 막아 파형을 개선한다.
- 돌입전류 억제 — 콘덴서를 투입하는 순간 흐르는 큰 충전전류를 리액턴스가 제한한다.
- 개방 시 과전압 억제 — 콘덴서를 끊을 때 재점호로 생기는 과전압을 누그러뜨린다.
- 파형의 일그러짐 개선 — 고조파가 줄어 전압 파형이 정현파에 가까워진다.
- 고조파 전류의 유입 억제 — 고조파 전류가 콘덴서로 몰려 과열되는 것을 막는다.
- 계전기 오동작 방지 — 고조파와 돌입전류 때문에 보호계전기가 잘못 동작하는 것을 막는다.
실무 기준: 이론상으로는 콘덴서 용량의 4%면 되지만, 여유를 두어 리액터 용량은 보통 6%로 한다.
[해설]
병렬 콘덴서의 정기점검은 외관을 위주로 보면서 소손·화재의 초기 징후를 찾는 것이다.
- 유 누설 유무 — 절연유가 새면 절연 성능이 떨어진다.
- 용기 발청 유무 — 외함에 녹이 슬면(부식) 누유와 절연 약화로 이어진다.
- 단자 이완 및 과열 유무 — 단자가 느슨하면 접촉저항이 커져 과열과 소손의 원인이 된다.
세 가지 모두 방치하면 콘덴서가 파손되거나 화재로 번질 수 있다.
[해설]
방전코일은 콘덴서 개방 후 남아있는 잔류전하를 신속히 방전시켜 재투입시 이상전압이나 감전사고를 막기 위한 장치로, 전압 등급에 따라 방전시간과 잔류전압 기준이 다르다.
| 구분 | 방전시간 | 잔류전압 |
|---|---|---|
| 고압·특고압 | 5초 이내 | 50[V] 이하 |
| 저압 | 3분 이내 | 75[V] 이하 |
[해설]
직렬리액터는 콘덴서 회로가 제5고조파에서 유도성이 되도록 만들어 고조파 확대를 막는다.
이론값은 제5고조파에서 유도성이 되는 최소 조건에서 구한다.
5ωL > 1/(5ωC)
ωL > (1/25) × 1/(ωC) = 0.04 × XC
그래서 이론상 4%이고, 실제로는 주파수 변동과 콘덴서 용량 오차를 고려해 여유를 두고 6%를 쓴다.
[해설]
리액터는 설치 위치에 따라 역할이 달라지므로 직렬·분로·소호·한류를 각각의 목적과 짝지어 외운다.
- 직렬 리액터 — 콘덴서와 직렬로 넣어 제5고조파를 제거한다.
- 분로(병렬) 리액터 — 장거리 선로나 지중 선로의 충전전류 때문에 수전단 전압이 송전단보다 높아지는 페란티 현상을 막는다.
- 소호 리액터 — 중성점에 넣어 1선 지락 때 지락전류를 제한하고 아크를 소멸시킨다.
- 한류 리액터 — 선로에 직렬로 넣어 단락전류를 제한하고 차단기의 용량 부담을 줄인다.
혼동 주의: 지락전류는 소호 리액터가, 단락전류는 한류 리액터가 제한한다.
[해설]
페란티 현상은 무부하나 경부하일 때 수전단전압이 송전단전압보다 높아지는 현상이다.
무부하일 때는 부하전류가 거의 없어 선로의 대지 정전용량 때문에 생기는 충전전류(진상전류)가 주로 흐르고, 이 전류가 선로 인덕턴스를 지나며 수전단전압을 끌어올린다. 그래서 정전용량이 큰 케이블 계통이나 장거리 초고압 선로에서 잘 나타난다.
대책은 분로 리액터를 설치해 진상전류를 상쇄하는 것이다.
[해설]
전력퓨즈의 성능은 전류-시간 특성으로 나타내며, 수험서에서는 이를 세 가지 특성으로 나눈다.
- 용단 특성 — 정격을 넘는 전류가 흐를 때 전류 크기에 따라 몇 초 만에 녹아 끊어지는지 나타낸다.
- 단시간 허용특성 — 기동전류처럼 짧게 흐르는 과전류에는 녹지 않고 견디는 한계다.
- 전차단 특성 — 퓨즈 엘리먼트가 녹기 시작한 뒤 아크가 소호되어 전류가 완전히 끊길 때까지의 특성이다.
외우는 요령: '녹는 선(용단)·버티는 선(허용)·끊기는 선(전차단)' 세 곡선으로 묶어 기억한다.
[해설]
SVC(정지형 무효전력 보상장치)는 사이리스터로 리액터와 콘덴서를 제어해 무효전력을 연속으로 조정하는 장치다.
- 응답특성이 빠르다 — 반도체로 제어하므로 수 사이클 안에 동작한다.
- 조작에 제한이 없다 — 기계적으로 여닫는 부분이 없어 개폐 횟수에 제약이 없다.
- 유지·보수가 간단하다 — 회전부나 가동부가 없어 마모가 적다.
- 신뢰성이 높다 — 움직이지 않는 정지기라 기계적 고장 요인이 적다.
혼동 주의: 회전기인 동기조상기는 응답이 느리고 보수할 곳이 많아 SVC와 대비된다.
[해설]
전력퓨즈는 평상시의 부하전류는 그대로 통전시키고, 단락전류처럼 매우 큰 이상전류가 흘렀을 때만 신속히 용단·차단하도록 설계된 소자이다.
반대로 완만하게 증가하는 과부하전류의 차단에는 적합하지 않아, 과부하 보호는 별도의 과부하계전기(열동계전기 등)가 담당하도록 조합해 사용한다.
[해설]
퓨즈는 회로에 직렬로 넣는 가용체로, 전류를 흘리는 역할과 끊는 역할을 혼자 맡는다.
- 부하전류 — 정상적인 부하전류는 녹지 않고 안전하게 계속 흘린다.
- 과전류 — 과전류나 단락전류가 흐르면 가용체가 녹아 끊어지면서 회로를 차단해 전로와 기기를 보호한다.
별도의 계전기 없이 퓨즈 스스로 이상을 감지하고 차단한다는 점이 차단기와 다르다.
[해설]
전력퓨즈의 성능은 전류-시간 특성으로 나타내며, 수험서에서는 이를 세 가지 특성으로 나눈다.
- 용단 특성 — 정격을 넘는 전류가 흐를 때 전류 크기에 따라 몇 초 만에 녹아 끊어지는지 나타낸다.
- 단시간 허용특성 — 기동전류처럼 짧게 흐르는 과전류에는 녹지 않고 견디는 한계다.
- 전차단 특성 — 퓨즈 엘리먼트가 녹기 시작한 뒤 아크가 소호되어 전류가 완전히 끊길 때까지의 특성이다.
외우는 요령: '녹는 선(용단)·버티는 선(허용)·끊기는 선(전차단)' 세 곡선으로 묶어 기억한다.
[해설]
퓨즈를 선정할 때는 사용전압, 통전전류, 차단해야 할 최대전류, 설치환경을 모두 확인해야 정상 부하에서는 동작하지 않으면서 사고시에는 확실히 차단하는 퓨즈를 고를 수 있다.
- 정격전압: 회로 전압 이상일 것
- 정격전류: 부하전류에 여유 있게 견딜 것
- 정격 차단전류: 예상되는 최대 단락전류 이상일 것
- 사용장소: 옥내·옥외, 온도 등 설치환경에 적합할 것
[해설]
전력퓨즈는 정상 운전 중 생기는 과도전류에는 녹지 않고, 사고전류에만 동작하도록 골라야 한다.
- 기동전류 — 전동기가 기동할 때 정격의 수 배 전류가 잠깐 흐르는데, 이때 녹으면 안 된다.
- 과부하 — 허용 범위 안의 일시적 과부하에는 견뎌야 한다.
- 여자 돌입전류 — 변압기에 전원을 넣는 순간 큰 여자전류가 흐르는데, 이때 오동작하면 안 된다.
- 보호기기와 협조 — 상위·하위 차단기나 계전기와 동작 시간·전류를 맞춰 사고 구간만 끊어야 한다.
외우는 요령: 동작하지 말아야 할 전류 세 가지(기동·과부하·여자돌입)에 보호협조를 더해 네 가지로 기억한다.
[해설]
전력퓨즈는 가용체 하나로 감지와 차단을 함께 하므로 차단기와 계전기를 조합한 것보다 구조가 단순하다.
- 고속도 차단한다 — 계전기 판정 없이 바로 녹아 끊어지며, 한류형은 반 사이클 안에 차단한다.
- 릴레이가 필요없다 — 퓨즈 스스로 과전류를 감지해 동작한다.
- 소형·경량이다 — 별도의 조작기구가 없다.
- 가격이 싸다 — 구조가 단순하다.
- 소형으로 큰 차단용량을 갖는다 — 전류를 제한하는 한류 작용 덕분에 큰 단락전류도 끊을 수 있다.
혼동 주의: 다시 투입할 수 없고 과도전류에도 녹아 끊어지기 쉽다는 점은 퓨즈의 단점이다.
[해설]
퓨즈는 엘리먼트가 녹아서 회로를 끊는 일회용 소자라서 구조 자체에서 오는 약점이 있다.
- 차단시 이상전압 발생 — 전류를 급하게 끊는 한류 동작 때문에 과전압이 생긴다.
- 비보호 영역이 존재 — 최소 차단전류보다 작은 전류 구간에서는 차단을 보장하지 못한다.
- 재투입 불가 — 한번 녹으면 퓨즈를 새로 갈아야만 다시 전원을 넣을 수 있다.
- 사용중 열화하여 결상되기 쉽다 — 오래 쓰면 엘리먼트가 약해져 한 상만 끊기는 결상이 생길 수 있다.
- 과도전류로 용단되기 쉽다 — 기동전류·돌입전류에 녹아 버리는 오동작 우려가 있다.
혼동 주의: 소형·경량, 저렴함, 뛰어난 한류 효과는 퓨즈의 장점이므로 단점 문항에 섞어 쓰지 않는다.
[해설]
퓨즈의 단점인 오동작·비보호영역, 결상, 한류형의 차단 과전압을 용도에 맞는 선정과 보조 보호로 보완한다.
- 전용 전력퓨즈 사용 — 변압기용·전동기용·콘덴서용 등 용도에 맞는 퓨즈를 써서 오동작과 비보호영역을 줄인다.
- 결상계전기 사용 — 한 상만 끊어진 결상 상태로 운전되어 전동기가 소손되는 것을 막는다.
- 절연강도 상향 — 계통 절연강도를 퓨즈가 차단할 때 생기는 과전압보다 높게 해서 기기의 절연파괴를 막는다.
외우는 요령: 세 대책은 오동작·비보호영역, 결상, 과전압이라는 단점에 하나씩 대응한다.
| 정격전류의 배수 | 불용단시간 | 용단시간 |
|---|---|---|
| 4배 | ( ① ) | − |
| 6.3배 | − | ( ③ ) |
| 8배 | 0.5초 이내 | − |
| 10배 | ( ② ) | − |
| 12.5배 | − | 0.5초 이내 |
| 19배 | − | ( ④ ) |
② 0.2초 이내
③ 60초 이내
④ 0.1초 이내
[해설]
전력퓨즈의 시간-전류 특성은 불용단시간과 용단시간 두 기준으로 정한다. 불용단시간은 그 전류에서 끊어지지 않고 견뎌야 하는 시간이고, 용단시간은 그 시간 안에 반드시 끊어져야 하는 시간이다.
불용단 쪽은 4배 60초 이내, 8배 0.5초, 10배 0.2초 이내 순으로 짧아진다. 용단 쪽은 6.3배 60초 이내, 12.5배 0.5초, 19배 0.1초 이내 순이다.
외우는 요령: 두 열 모두 60초 → 0.5초로 줄어들고, 마지막 값은 불용단 0.2초·용단 0.1초로 용단 쪽이 더 짧다.
| 계통전압 [kV] | 퓨즈 정격 | |
|---|---|---|
| 퓨즈 정격전압 [kV] | 최대 설계전압 [kV] | |
| 6.6 | ① | 8.25 |
| 13.2 | 15 | ② |
| 22 또는 22.9 | ③ | 25.8 |
| 66 | 69 | ④ |
| 154 | ⑤ | 169 |
② 15.5[kV]
③ 23[kV]
④ 72.5[kV]
⑤ 161[kV]
[해설]
전력퓨즈 정격은 계통전압 < 퓨즈 정격전압 < 최대 설계전압 순으로 한 벌씩 짝지어진 표준값이다.
- 6.6[kV] 계통 — 정격전압 7.5[kV](최대 설계전압 8.25[kV]).
- 13.2[kV] 계통 — 최대 설계전압 15.5[kV](정격전압 15[kV]).
- 22·22.9[kV] 계통 — 정격전압 23[kV](최대 설계전압 25.8[kV]).
- 66[kV] 계통 — 최대 설계전압 72.5[kV](정격전압 69[kV]).
- 154[kV] 계통 — 정격전압 161[kV](최대 설계전압 169[kV]).
혼동 주의: 값이 섞이지 않도록 빈칸이 정격전압 열인지 최대 설계전압 열인지부터 확인한다.
| 설치 목적 | 리액터 명칭 |
|---|---|
| 단락사고 시 단락전류를 제한한다. | ( ① ) |
| 페란티 현상을 방지한다. | ( ② ) |
| 중성점 접지용으로 아크를 소호시킨다. | ( ③ ) |
② 분로리액터 (병렬리액터, 페란티 현상 방지)
③ 소호리액터 (중성점 접속, 1선 지락 시 아크 소호) [tip] 한단·분페·소아 — 한류는 단락, 분로는 페란티, 소호는 아크
[해설]
전력계통용 리액터는 설치 목적에 따라 이름과 접속 위치(직렬·병렬·중성점)가 달라진다.
- 한류리액터는 선로에 직렬로 넣어 임피던스를 키워서 단락전류를 제한한다.
- 분로리액터는 선로에 병렬로 넣어 충전전류(진상 무효전력)를 상쇄한다. 이로써 수전단 전압이 송전단보다 높아지는 페란티 현상을 막는다.
- 소호리액터는 변압기 중성점에 접속한다. 1선 지락 때 대지정전용량과 병렬공진을 일으켜 지락 아크를 스스로 꺼지게 한다.
혼동 주의: 제5고조파를 제거하는 것은 콘덴서에 직렬로 다는 직렬리액터다.