조상설비의 종류와 특징, 조상설비 관련 문제풀이

조상설비 : 조상설비란 송수전단 전압을 일정하게 유지되도록 무효전력을 조정한다.

무효전력을 조정하여 전압을 조정하고 역률을 조정하여 송전손실의 경감 및

안정도 향상을 목적으로 하는 설비이다.

  ① 무효전력 조정 ⇒ 전압조정, 역률 조정

  ② 역률 조정 - 역률이 "1"이 되게 조정

                   - 앞선 역률이 되게 조정 = 콘덴서

                   - 뒤진 역률이 되게 조정 = 리액터

     ※ 동기조상기 : (L, C) 콘덴서, 리액터 역할을 한다.

        비동기 조상기는 콘덴서, 리액터를 각각 별개의 개체로 부를 때 쓰는 말이다.

        동기조상기(동기전동기)의 설명에 앞선 전류, 전력의 위상관계를 알아 보자.

일반적(가정, 공장 등)으로 전력설비는 병렬로 접속하여 운전한다. 병렬회로에서는

전압이 일정하기 때문에 기준점을 전압을 기준으로 한다.

전원전압과 저항에 걸리는 전류는 동상이며 여기에 전압을 곱하면 유효전력이 된다.

리액터에 흐르는 전류는 저항 전류보다 위상이 90˚ 늦게 되고 여기에 전압을 곱하면

지상 무효전력이 된다. 콘덴서에 흐르는 전류는 저항전류보다 90˚ 앞서게 되고 여기에

전압을 곱하면 진상무효전력이 된다.

리액터에 흐르는 전류 (IL)과 콘덴서에 흐르는 전류 (Ic) 위상차가 180 ˚ 나게 되어

서로 반대방향으로 향하게 되므로 서로 상쇄관계에 있다.

합성전류 I 는 저항에 흐르는 전류(IR)와 리액터에 흐르는 전류(IL)의 벡터합이다.

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조상설비의 종류는 다음과 같다.

  ⊙ 전력용 콘덴서 (C) : 진상 무효전력 ⇒ 리액터의 지상 무효전력 조정

  ⊙ 분로 리액터 (L) : 지상무효전력 ⇒ 콘덴서의 진상 무효전력 조정

  ⊙ 동기조상기 (L,C) : 진상, 지상 무효전력

     ※ 비동기 조상기 : 전력용 콘덴서, 분로 리액터를 일컬음

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가. 동기 조상기

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▣ 동기조상기란 ? : 무부하로 운전하는 동기 전동기를 말한다.

▣ 동기조상기의 위상특성곡선 (V)곡선

   ⊙ 부하가 일정한 상태(조건)에서 계자전류(If)와 전기자 전류(I​a)의 관계를 나타낸

       곡선을 말한다.

위상특성 곡선

▣ 동기 조상기의 운전점

  ① a 점 운전 : 동기조상기의 역률 (cosΘ)이 "1"로 운전하는 곳이다.

    ※ 역률이 가장 나쁜 전동기 : 유도전동기의 경부하 운전

    ※ 역률이 가장 좋은 전동기 : 동기전동기

 ② b 점 운전 : a점에서 역률 (cosΘ)이 "1"로 운전을 하다가 계자전류(If)를 높이면

    전기자전류 (Ia= I)가 높아지고 진상역률이 되어 콘덴서 역할을 하게 된다.

 ③ c 점 운전 : a점에서 역률 (cosΘ)이 "1"로 운전을 하다가 계자전류(If)를 낮추면

    전기자전류 (Ia= I)가 작아지고 지상역률이 되어 리액터 역할을 하게 된다.

    이러한 이유로 동기전동기는 전력계통에서 유용하게 동기조상기로 사용하고 있다.

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【동기조상기, 전력용콘덴서, 분로리액터 의 비교】

동기조상기	전력용콘덴서	분로리액터
회전기	정지기	정지기
규모가 크다.	규모가 작다	규모가 작다
리액터, 콘덴서 역할	콘덴서 C 역할	리액터 L 역할
진상, 지상 양용	진상무효전력	지상무효전력
조정이 연속적이다.	조정이 계단,단계적이다.	조정이 계단,단계적이다.
시충전(운전)이 가능하다.	시충전(운전)이 불가하다.	시충전(운전)이 불가하다.
전력손실이 크다	전력손실이 작다	전력손실이 작다
신증설, 유지보수 어렵다	신증설, 유지보수가 쉽다.	신증설, 유지보수가 쉽다.
송전계통에 사용	배전계통에 사용	배전계통에 사용

※ 전력용 콘덴서, 분로리액터는 무효전력 조정이 계단적 단계적이다.

   아래 그림과 같이 각각의 용량별로 무효전력을 조정하게 된다.

나. 페란티 현상

  ▣ 페란티 현상 : 페란티 현상이란 무부하 또는 전부하시 선로의 정전용량에 의하여 선로

                       에는 전원전압보다 90˚ 앞선 전류가 흐르게 되고 이로 인하여 수전단

                       전압이 송전단 전압보다 높아지는 현상을 말한다.

  페란티 현상이 발생하는 원인에 대하여 송전계통의 등가회로와 벡터도를 보면서 살펴보자.

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【R - L 부하 송전계통 】

아래 R-L 부하의 송전계통의 등가회로를 보자.

송전계통 등가회로

위 그림과 같이 송전단 전압은 100[V]을 보내면 선로저항과 선로의 리액턴스에 의하여

전압강하 10[V]가 발생하여 수전단 전압은 90[V]이 된다.

이것이 일반적인 송전계통의 송수전단 전압의 관계이다.

이를 벡터도로 나타내면 아래 그림과 같다.

송수전단 전압

일반적으로 송전단전압 Es 는 수전단 전압 Er과 전압강하 I·Zs의 합으로 나타낼 수 있다.

그러나 위는 예시이고 백터의 합이기 때문에 산술적 합은 아니다.

송전계통 벡터도

수전단 전압 Er을 기준으로 볼 때, 합성 전류는 R-L부하이기 때문에 얼마가 늦을 지는

모르지만 어째튼 Er보다는 합성전류 I가 위상이 늦게 된다.

그런데 저항에 의한 전압강하는 저항에서는 전압과 전류가 동상이므로

합성전류 I와 위상이 같게 된다. 한편 리액턴스에 의한 전압강하는 리액턴스에 걸리는 전압은

전류보다 90˚ 앞서기 때문에 전류와 동상인 IR보다 위상이 90˚ 앞서게 된다.

이렇게 발생한 전압강하

즉 저항에 의한 전압강하 IR과 리액터에 의한 전압강하 IXs의 합, 합성 전압강가는 IZs가 되며

이는 두 전압강하의 벡터합이 된다.

따라서 위 벡터도를 종합하여 보면 송전단전압은 전압강하에 의하여 수전단전압보다 높게 된다.

R-L 부하 : 송전단 전압 Es > 수전단 전압 Er

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【R - C 부하 송전계통 】

아래 R-C 부하의 송전계통의 등가회로를 보자.

송전계통 틍가회로1

위 그림에서는 송전단 전압 90[V]이고 송전선로의 전압강하가 있음에도 불구하고

진상 C부하가 송전계통의 지상부하를 상쇄하고도 남게되어

수전단 전압이 오히려 수전단 전압보다 높은 100[V]임을 알 수 있다.

이를 아래 벡터도를 보면서 살펴 보자.

송전계통 벡터도2

위 벡터도에서 당초 선로의 전류는 수전전압 Er보다 위상이 낮았는데 부하의 정전용량이

선로의 리액턴스 성분을 상쇄하고도 남게 되어 저항에 의한의 전압강하(Ir)과 같이 수전

전압(Er)보다 위상이 앞서게 된다. 저항에 의한 전압보다 리액터에 의한 전압은 90˚ 앞서게

되므로 전체 임피던스 전압은 IZs가 된다. 이를 종합하여 보면

부하의 정전용량 성분이 선로의 리액턴스 성분을 상쇄하고도 남아

전류의 위상이 전압보다 앞서게 되어 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지게 된다.

R-C 부하 : 송전단 전압 Es < 수전단 전압 Er

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※ 페란티 현상의 원인과 대책

① 원인 : 선로의 정전용량(C), 앞선전류, 진상전류, 충전전류

② 대책 : 분로리액터 (병렬리액터) 설치

 

【 조상설비 관련 문제풀이 】

 

1. 전력계통에 전압을 조정하는 가장 중용한 수단은 ? 계통의 무효전력 조정

   ※ 전압조정 : 무효전력 조정

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2. 전계통이 연계되어 운전되는 전력계통에서 발전전력이 일정하게 유지되는 경우

   부하가 증가하는 경우, 주파수는 어떻게 되는가 ? 주파수는 감소한다.

전동기 출력

  부하 증가 ↑ ⇒ 유효전력 증가 ↑ ⇒ 회전수 감소 ↓

  부하 감소 ↓ ⇒ 유효전력 감소 ↓ ⇒ 회전수 증가 ↑

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3. 전력계통의 주파수 변동은 무엇의 변화에 기인하는가? 유효전력 : 부하

   ※ 전압조정 ⇒ 무효전력 조정

      주파수 조정 ⇒ 유효전력 조정

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4. 조상설비라고 할 수 없는 것은 ? ④

  ① 분로 리액터 ② 동기조상기 ③ 비동기조상기 ④ 상선표시기

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5. 수전단전압이 송전단 전압보다 높아지는 현상은 ? 페란티 현상

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6. 페란티 현상이 발생하는 주요 원인은 ? 선로의 정전용량

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7. 초고압 장거리 송전선로에 접속되는 1차 변전소에 분로리액터(병렬리액터)를 설치

   하는 목적은 ? 페란티 현상 방지

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8. 동기조상기란 ? 무부하로 운전하는 동기전동기로서 역률, 위상을 조정할 수 있다.

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9. 진상전류만이 아니라 지상전류도 잡는다 어떤 기기인가 ? 동기조상기

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10. 동기조상기에 대한 설명으로 옳은 것은 ? ④

  ① 정지기의 일종이다.

  ② 연속적인 전압조정이 불가하다.

  ③ 계통의 안정도를 증진시키기 어렵다.

  ④ 송전선의 시송전에 이용할 수 있다.

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11. 동기조상기에 대한 설명중 틀린 것은 ? ①

  ① 선로의 시충전이 불가능하다.

  ② 중부하시에 과여자 운전하여 앞선전류를 취한다.

  ③ 경부하시에 부족여자 운전하여 뒤진전류를 취한다.

  ④ 전압조정이 연속적이다.

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12. 전력계통의 전압조정 설비의 특징에 대한 설명중에서 옳지 않은 것은 ? ③

  ① 병렬콘덴서는 진상 능력만을 가지고 병렬리액터는 진상능력이 없다.

  ② 동기조상기는 무효전력의 공급과 흡수가 모두 가능하여 진상 및 지상용량을 가진다.

  ③ 동기조상기는 조정의 단계가 불연속이다.

  ④ 병렬리액터는 장거리 초고압 송전선 또는 지중선 계통에 충전용량 보상용으로 주요

     발변전소에 설치된다.

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13. 동기조상기의 설명으로 옳은 것은 ? ③

  ① 동기발전기의 V곡선을 이용한다.

  ② 전부하로 운전하는 동기전동기이다.

  ③ 계자회로를 과여자로 운전하면 콘덴서 역할을 한다.

  ④ 선로의 페란티 현상을 억제하는 역할을 한다. (분로(병렬)리액터)