[논문]전력용 커패시터의 전기적 스트레스 해석

김종겸; 박영진; 이은웅; 이동주

전력용 커패시터의 전기적 스트레스 해석
Analysis for Electrical Stress of Power Capacitor 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.57 no.4, 2008년, pp.370 - 376

김종겸 (강릉대학교 전기정보통신공학부) , 박영진 (강릉대학교 전기정보통신공학부) , 이은웅 (충남대학교 전기공학과) , 이동주 (충남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Power capacitors is widely used for power factor correction and component of passive filter in the user power systems. Recently, application of non-linear load is gradually increased. Non-linear load produces harmonic components of current. There are series resonance and parallel resonance when capacitors are applied in the user electrical application. If this harmonic component matches resonance, voltage and current is magnified and has severely an influences on capacitor. This paper purposes a new method for the magnitude of voltage and current by the frequency scan analysis without equivalent circuit for the actual circuit at the resonance condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 유도성 부하에 역률을 보상하는 기능과 비선 형부 하의 사용시 발생하는 고조파 전류를 줄이기 위해 리액터와 함께 설치한 커패시터가 직병렬 공진시에 받는 전압 및 전류의 크기를 주파수 스캔을 통해 분석하였다.
본 연구에서는 공진시에 받는 전기적인 스트레스 정도를 찾기 위해 살제 시스템의 구성도를 등가회로로 변환하지 않고 바로 필요한 부분한 대해 전압 및 전류의 크기를 해석할 수 있었다.
있다. 본 연구에서는 유도성 부하인 유도 전동기에 대해 낮은 역률을 보상하기 위해 부하측 단자에 커패시터를 설치한 경우에 대한 전력 및 역률 특성을 해석하였다.
본 연구에서는 커패시터가 선형 및 비선형부하에 칵각 역률 보상 및 고조파 저감을 위해 사용할 때 공진 등에 의해 받는 전압 및 전류 스트레스를 등가회로를 구성하지 않고서 바로 구성된 회로에서 임피던스 변화에 의한 전압. 및 전류의 크기를 주파수 스캔 특성으로 분석할 수 있다는 것을 입증하였다.

제안 방법

21# 유도전동기를 속도 제어할 수 있는 인버터를 적용하였다. 가변속 구동장치(ASD)의 컨버터에서 발생하는 5차 고조파를 줄이기 위한 수동형 필터에서 리액터와 커패시터는 각각 3.75[mH]와 7F]를 적용하였다 , [5]
이와 같은 기능에 대해 시스템에 포함된 인덕턴스 성분과 커패시턴스 성분이 공진을 일으킬 경우 전압 및 전류가 확대되어 수명을 줄일 수 있는 스트레스로 작용한다. 그래서 본 해석에서는 선형 및 비선형 부하에서 커패시터를 설치할 경우 역률 보상의 정도와 공진시에 발생하는 전압 및 전류의 크기를 주파수 스캔을 통해 분석하였다. 본 시스템에는 주파수 스캔은 전자계과도해석 프로그램을 이용하였다[13].

이론/모형

그래서 본 해석에서는 선형 및 비선형 부하에서 커패시터를 설치할 경우 역률 보상의 정도와 공진시에 발생하는 전압 및 전류의 크기를 주파수 스캔을 통해 분석하였다. 본 시스템에는 주파수 스캔은 전자계과도해석 프로그램을 이용하였다[13].

성능/효과

그림 2(c)는 권고하고 있는 커패시터 보다 약간 높은 등급인 20F]를 설치한 후의 전력 및 역률을 나타낸 것으로 역률은 95%까지 높아졌다. 그림 2(a)에서와 같이 역률 보상, 전에 유효, 무효, 피상전력이 일정한 간격을 유지하고 있지만, 그림 2(b) 및 에서와 같이 부하측에 역률 보상용 커패시터를 설치할 경우 전원 측에서 제공하는 무효전력은 점차 낮아지고, 유효 및 피상전력이 매우 가깝게 되어 상대적으로 역률이 높아짐을 확인할 수 있다.
그러나 그림 3(b)에서와 같이 필터의 부착 후에는 유효성분 전력은 줄어들고 무효성분 전력이 증가함에 따라 피상전력을 줄고, 역률도 함께 떨어짐을 확인할 수 있다. 결과적으로 비선형 부하의 단독 운전시 필터의 추가는 고조파 성분을 줄일 수 있지만 필터에서 필요한 전력 성분으로 인해 역률은 오히려 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
75배가 된다. 두 번째 병렬공진이 발생하는 주파수에서 전압은 기본파에 비해 13.65배가 되고, 전류는 357배가 된다. 이와 같은 높은 전압 및 전류의 크기를 줄이기 않을 경우 커패시터 및 리액터의 경우 스트레스를 받아 절연파괴로 소손이 일어나게 된다.
전류에 대해서는 5 차에서 병렬공진은 발생하지 않고 전압에서와 같은 주파수에서 병렬공진이 발생하고 있다. 따라서 5차 고조파를 줄이기 위해 설치한 커패시터는 237[Hz] 근처에서 9배의 높은 전압 및 92배의 전류 스트레스를 받게 됨을 확인할 수 있다. 커패시터가 안전하게 오래 사용되기 위해서는 이 주파수 영역을 피해야 한다.
구성된 회로에서 임피던스 변화에 의한 전압. 및 전류의 크기를 주파수 스캔 특성으로 분석할 수 있다는 것을 입증하였다.
따라서 같이 사용할 경우 전력 및 역률의 변화를 해석한 것이 그림 4에 나타내었다. 비선형 부하의 부족분을 선형부하가 보상하기 때문에 역률은 낮아지고, 전력에는 고조파 성분이 존재함을 확인할 수 있다.
이들 공진 주파수에서 전압 및 전류의 크기는 커패시터의 고장을 일으킬 정도로 매우 높아 전기적인 스트레스의 한 요인으로 작용함 수 있다는 것을 확인하였다.
해석결과 선형 및 비선형 부하의 개별 운전시 특정 차수에서 직렬 또는 병렬 공진현상이 단독으로 발생하지만, 혼합 운전할 경우 상호 영향으로 공진주파수가 여러 곳에서 나타났다. 이들 공진 주파수에서 전압 및 전류의 크기는 커패시터의 고장을 일으킬 정도로 매우 높아 전기적인 스트레스의 한 요인으로 작용함 수 있다는 것을 확인하였다.

후속연구

향후 본 연구를 결과로 기존 운영시스템에 대한 상태 분석과 새로 설계 적용하는 시스템에 대한 신뢰도 분석에 적용할 예정이다,

참고문헌 (13)

Thomas M. Blooming, "Capacitor Application Issues", IEEE Trans on IAS, Jul- Aug, pp.1013-1026, 2008
김종겸, "일반 및 고효율 유도전동기 특성 비교 해석", 대한전기학회 논문지, 제 56(P)권, No.4, pp.186-190, 2007. 12

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Ramasamy Natarajan, "Power System Capacitor", Taylor & Francis, 2005
김종겸, 손홍관, 이은웅, "선형 및 비선형 부하량에 따른 고조파 성분의 변화" 대한전기학회 논문지(B) 제51권 8호, No. 4, pp.441-448, 2002. 8
김종겸, 이은웅, 이동주, "불평형 전압으로 운전되는 비선형 부하의 고조파 특성 분석", 대한전기학회 논문지, 제 52(B)권, No.10, pp.491-500, 2003. 10
IEEE Std 519-1992, "IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, 1993
IEEE Std 18-2002, "IEEE Std For Shunt Power Capacitors"
IEEE Std 1036- 1992, "IEEE Guide for Application of Shunt Power Capacitors"
김일중, 김종겸, "불평형 전압 운전시 역률 보상용 커패시터의 특성 연구", 대한전기학회 논문지, 제 57(P)권, No.1, pp.36-40, 2008. 03

원문보기 상세보기
Ronald H. Simpson, "Misapplication of Power Capacitors in Distribution Systems With Nonlinear Loads-Three Case Histories", IEEE Trans on IAS, Vol. 41, No. 1, pp. 134-143, 2005. Jan/Feb
C. Boonseng et al., "Failure Analysis of Dielectric of Low Voltage Power Capacitors Due to Related Harmonic Resonance Effects", IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Volume 3, 28 Jan.-1. Feb. pp.1003-1008, 2001
V. E. Wagner et al., ''Effects of Harmonics on Equipment", IEEE Trans on PD, Vol. 8, No.2, pp.672-680, 1993. April
H.W. Dommel, "Electromagnetic Transients Program. Reference Manual (EMTP Theory Book)", BPA 1986

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