전기산업기사 필기, 전력공학의 조상설비 및 송전 계통의 안정도 개선책

전기산업기사 필기, 전력공학의 조상설비 및 송전 계통의 안정도 개선책

전력공학의 조상설비 (무효전력 보상 설비)

조상(調相, Power Factor Correction) 설비는 전력 계통에서 무효 전력을 조정하여

전압 조정과 계통 안정성 향상에 기여하는 설비를 의미합니다.

 

주요 종류로는 동기 조상기, 병렬 콘덴서, 분로 리액터 등이 있습니다.

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1. 동기 조상기 (Synchronous Condenser)

개념

동기 조상기는 무효 전력을 보상하는 목적으로 운전되는 동기 전동기입니다.

• 무부하로 운전되며, 계자 전류( I(f)​ )를 조정하여 무효 전력을 공급하거나 흡수함.
• 발전기처럼 회전하는 기계식 장치로, 동기 발전기에서 출력축에 부하가 연결되지 않은 상태에서 사용됨.

원리

• 계자 전류를 조정하면 발전기 모드 또는 동기 모터 모드로 작용하여 무효 전력을 조정함.
• 계자전류 증가 → 진상 무효 전력 공급 (전압 상승 효과)
• 계자전류 감소 → 지상 무효 전력 흡수 (전압 저하 효과)

장점

✅ 지속적인 무효 전력 조정 가능 (무단 조정)
✅ 계통 안정도 향상에 기여
✅ 전압 조정 기능이 우수
✅ 고조파 발생이 없음

단점

❌ 기계적 회전 장치이므로 유지보수가 필요
❌ 손실(마찰, 철손, 동손 등)이 크다
❌ 응답 속도가 느림

 

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2. 병렬 콘덴서 (Shunt Capacitor)

개념

• 송전선로나 배전선로에 병렬로 설치되어 무효 전력을 공급하여 전압을 상승시키는 역할을 함.
• 특히, 지상 무효 전력 보상(즉, 역률 개선) 용도로 사용됨.

원리

• 콘덴서는 전압이 높을수록 더 많은 무효 전력을 공급하는 성질을 가짐.
• 전력 계통에서 부하가 증가하여 전압 강하가 발생할 때, 콘덴서가 무효 전력을 공급하여 전압을 상승시킴.
• 무효 전력 공급량:

 

장점

✅ 설치 및 유지보수가 용이
✅ 고속 응답 (빠른 무효 전력 보상 가능)
✅ 역률 개선 효과가 큼 (전기요금 절감 효과)

단점

❌ 고조파 증폭 문제 발생 가능
❌ 전압이 높을수록 무효 전력 공급량이 증가하여 과보상 위험
❌ 과도상태에서 서지 전압 발생 가능

 

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3. 분로 리액터 (Shunt Reactor)

개념

• 무부하 상태에서 송전선로의 전압이 과도하게 상승하는 것을 방지하기 위해 무효 전력을 흡수하는 역할을 함.
• 주로 장거리 송전선로에서 발생하는 페란티 현상(Ferranti Effect, 경부하 시 선로 말단 전압 상승)을 억제하기 위해 사용됨.

원리

• 유도성 성질을 가지므로 무효 전력을 흡수하여 전압을 낮춤.
• 무효 전력 흡수량: 

 

장점

✅ 송전선로의 페란티 현상 억제
✅ 전압 상승을 방지하여 안정도 유지

단점

❌ 설치 비용이 높음
❌ 과도 시 불필요한 전압 강하 가능

 

 

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4. 송전 계통의 안정도 개선책 

송전선로의 안정도 개선 방법은 크게 동적 안정도(Dynamic Stability) 개선과

정적 안정도(Steady-State Stability) 개선으로 나눌 수 있습니다.

(1) 정적 안정도 개선책

• 발전기의 계자 전류를 증가시켜 전압 상승
• 동기 조상기(Synchronous Condenser) 설치
• 병렬 콘덴서(Shunt Capacitor) 설치
• 송전선의 리액턴스를 줄이기 위해 다회선화
• 고속 차단기 설치 (빠른 사고 제거를 통한 안정도 유지)

(2) 동적 안정도 개선책

• 고속 여자기(Exciter) 사용 (발전기의 응답 속도 증가)
• 위상 조절기(Phase Shifter) 설치 (전압과 전류의 위상 차이 조절)
• FACTS (유연 송전 시스템) 적용 (SVC, STATCOM 등)
• 초고속 차단기 사용 (사고 제거 시간 단축)

🔹 핵심 요점 정리 (시험 출제 가능성 높은 개념)

✅ 동기 조상기

• 무부하 동기 전동기
• 무효 전력 공급/흡수 조절
• 응답 속도 느림, 유지보수 필요

✅ 병렬 콘덴서

• 무효 전력 공급하여 전압 상승
• 역률 개선 효과 큼
• 고조파 증폭 가능

✅ 분로 리액터

• 무효 전력 흡수하여 전압 강하
• 페란티 현상 억제
• 설치 비용이 높음

✅ 송전선로 안정도 개선책

• 정적 안정도 개선: 동기 조상기, 병렬 콘덴서, 리액턴스 저감
• 동적 안정도 개선: 고속 여자기, 위상 조절기, FACTS 장치