[논문]장거리 배전선로에서 펌프구동용 대용량 전동기의 기동특성 분석 연구

이남형; 이광호; 김현일; 장정호

장거리 배전선로에서 펌프구동용 대용량 전동기의 기동특성 분석 연구
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이남형 (한국수자원공사 수자원연구원 설비에너지연구소) , 이광호 (한국수자원공사 수자원연구원 설비에너지연구소) , 김현일 (한국수자원공사 수자원연구원 설비에너지연구소) , 장정호 (한국수자원공사 수자원연구원 설비에너지연구소)

장거리 배전선로를 이용하여 대용량의 모터펌프를 기동할 경우 상대적으로 큰 임피던스 전압강하에 따른 모터의 기동불능 및 기동지연 등의 현상이 발생할 가능성이 있다. 본 논문에서는 K-water D 취수장에서 운영중인 2200kW 모터 기동시 발생하는 이상 현상에 대한 원인을 분석하고 이에 대한 해결책을 제시하였다. 특히 장거리 배전선로 환경하에서의 모터 기동시 문제점에 대한 해결책을 제시하기 위해 PTW를 이용하여 시뮬레이션하였다.

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문제 정의

또한 기동 완료 후 정상적인 운전중에도 전압강하로 인한 운전전류의 증가는 추가적인 전력요금의 부담을 초래하여 경제적으로도 바람직하지 않을 뿐만 아니라 모터의 과열운전에 따른 수명 단축을 촉진할 수 있는 요인이 될 수 있다. 본 고에서는 K-water의 D 취수장에서 발생한 모터 기동불능 현상에 대한 분석을 위하여 Power Tools for Windows(PTW)를 이용하여 이에 대한 해결책을 모색하였다.
일반적으로 정상동작중인 모터가 다른 모터의 추가 기동시 일시적인 전압강하로 인한 전류 증가 현상이 발생할 수 있으나 본 건의 경우처럼 지속되는 경우는 극히 이례적인 것으로서 이에 대한 원인을 분석하였다.

제안 방법

따라서 따라서 이 문제를 해결하기 위해서 다음과 같은 방안이 제시되엇고 각 방안에 대하여 PTW를 이용하여 전압강하 개선효과를 계산하였다.
정상동작중인 모터가 다른 모터의 추가 기동에 의한 전압강하로 인한 과도한 과전류가 흐르는 원인을 찾기 위하여 모터의 속도-전류-토오크 특성 곡선을 분석하였다.

성능/효과

모터 1대 정상운전(운전전류 196A)시의 전압강하 약 5% 상태에서 모터 추가 기동직후(t2)의 전압강하는 최대 약 32%로 관측되었으며 이후 2.5초 정도 전압강하가 지속되어 최대전압강하는 42%에 달하였다.
때문에 전압강하 개선 효과가 있다. 배전선로 굵기별 전압 강하율 시뮬레이션 결과 모터 2대 상시운전 기준으로 기동시 5% 정도의 전압강하 개선효과가 있었다. 다만 배전선로의 굵기를 변경할 경우 기존 전주의 풍압하중, 전주 사이의 경간 및 정전공사에 대비한 예비선로 이용 가능성 등이 고려되어야 하며 이 경우 공사비가 과다하므로 현실적인 대안은 아니다.
소프트스타터를 이용하여 기동전류를 정격전류의 2배로 제한하여 기동할 경우의 전압강하의 크기를 시뮬레이션한 결과 모터 2대 운전 기준으로 약 14% 전압강하 보상효과를 기대할 수 있음을 알 수 있다.
5~2배 정도의 낮은 전류로 기동할 수 있어 기동전류가 적으므로 전압 강하가 작은 장점이 있다. 인버터를 이용하여 기동전류를 정격전류 이내(100%)로 제한하여 기동할 경우의 전압강하의 크기를 시뮬레이션한 결과 모터 2대 운전 기준으로 대략 20% 의 전압강하 보상효과를 기대할 수 있음을 알 수 있다.
장거리 배전선로를 이용하여 대용량 모터를 기동할 경우에 발생할 수 있는 모터 기동불능 현상에 대한 원인 분석결과 기동전류에 기인한 과도한 전압강하가 그 원인으로 분석되었으며, 이에 대한 몇가지 대책을 제시하였고 Power Tools for Windows(PTW)를 이용하여 전압 강하량에 대한 정량적인 분석을 시도하였으며, 분석 결과 소프트스타터 또는 인버터를 적용하는 방법이 가장 효과가 좋음을 알 수 있었다.
현재 D취수장 주변압기(22.9/6.6kV)를 3번인 21, 900V 탭에 설정할 경우 대략 4.37%정도의 전압상승 효과가 있으며, 시뮬레이션 결과 모터 2대 상시 운전 기준으로 기동시 2%의 전압강하 보상효과가 있음을 알 수 있다. 변압기 탭조정에는 특별한 비용이 소요되지 않는 장점이 있다.

후속연구

그러나 기동시에 발생하는 수초 동안의 전압강하는 보상할 수 없기 때문에 기동용 전압강하보상기로서는 사용할 수 없고, 가격이 고가인 단점이 있다. 다만 배전선로의 길이가 길어 모터 운전시 큰 전압강하가 상시 발생하는 곳에 적용할 필요가 있으며, 아울러 향후 3대 상시 운전을 목표로 할 경우 본 전압강하보상기가 반드시 필요할 것으로 판단된다.

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