전기 전문 블로그 "전기만 33년"입니다. 이번 포스팅에서는 개별 전동기의 역률 보상을 위해 설치하는 커패시터를 어떤 방식으로 설치해야 하는지를 검토해 보겠습니다. 많은 경우 커패시터만 단독으로 모터 회로에 연결하는데 이것이 합리적인 것인지 따져보고 또한 차단기나 전자 접촉기가 커패시터로 인한 돌입전류의 영향으로부터 문제가 없는지 확인해 보려고 합니다.
1. 커패시터 설치의 기본 회로
아래 그림에는 모터 개별 보상을 위한 커패시터 회로의 일반적인 배치가 나와 있습니다. 사용된 기기는 한류형 퓨즈와 돌입전류 방지용 리액터와 커패시터가 있습니다.
모터 퓨즈(또는 기타 보호 장치)는 모터 정격 전류의 3-7배인 기동 전류에 견딜 수 있는 정격입니다. 이 퓨즈들은 커패시터 장치를 보호하지 못합니다.
- 커패시터 HRC 퓨즈는 커패시터의 내부 고장 발생 시 커패시터를 보호하기 위해 특화되어 있습니다. 퓨즈 정격을 결정할 때 돌입 전류 및 커패시터 케이스 파열 곡선을 고려해야 합니다. 정격은 적어도 커패시터 정격 전류 1.7 이상이어야 합니다.
- 백투백(back-to-back) 커패시터 구성의 경우 돌입 전류를 제한하기 위해 돌입 리액터(Inrush Reactor)가 필요합니다. 개별 PFC가 있는 여러 모터의 경우와 동일한 버스에 커패시터 뱅크가 있는 경우입니다. 병렬로 다른 커패시터 뱅크가 없는 단일 모터는 돌입 리액터 없이 사용할 수 있지만 일반적으로 나중에 추가 모터의 경우 돌입 리액터가 사용되어야 합니다. 커패시터가 하나만 설치되는 경우가 거의 없으므로 이러한 돌입전류는 커패시터 뱅크에서 당연한 것으로 간주해야 할 것입니다. 아래 그림은 back-to-back 커패시터 설치에서 돌입전류가 커지는 현상을 설명합니다.
- 커패시터의 올바른 크기는 공급 장치에서 분리된 후에도 모터와 커패시터가가 연결되어 있는 경우에 자동 여자 현상을 방지하는 데 필수적입니다. 커패시터 전류가 모터 무부하 전류의 90% 미만으로 유지되는지 확인하는 것이 좋습니다. 보수적인 권장 사항은 커패시터 용량을 모터 용량의 30% 미만으로 제한하는 것입니다. 그렇지 않으면 공급 장치 분리 전에 커패시터를 모터에서 분리하기 위한 전용 전자 접촉기를 추가해야 합니다. 그러나 추가 비용과 설치 공간을 확인해야 합니다. 실제적인 관점에서 보면, 모터 역률이 0.8 이하로 비교적 낮고, 설치 역률 목표치가 0.95 이상으로 높은 경우에는 자동 여자가 발생할 가능성이 아주 높습니다.
2. 커패시터 보호용 퓨즈의 설치 기준
NEC 460-8B에 의하면 커패시터를 보호하기 위해서 과전류 보호 장치를 설치해야 합니다. 가장 단순한 것이 퓨즈인데요 3상에 모두 설치해야 합니다. 다만 커패시터가 전동기 회로의 과전류 보호 장치 후단에 설치되면 퓨즈는 별도로 필요 없습니다.
3. 커패시터용 도체의 용량
NEC 460-8A에 의하면 커패시터 회로의 도체는 커패시터 정격 전류의 135% 이상의 허용전류를 가져야 합니다. 그리고 모터 회로에 연결되는 경우 모터 메인 케이블 허용전류의 1/3 보다 커야 합니다.
IEC 60831에 따르면 차단기나 케이블의 허용 전류는 커패시터 정격 전류의 1.5배로 결정됩니다. 그 이유는 아래의 자료에 잘 설명되어 있습니다. (슈나이더사 자료) IEC61921에 의하면 커패시터의 전류는 최대 1.5배를 넘지 못하도록 되어있습니다. 그러므로 1.5배의 안전율을 고려하면 충분합니다.
KS C IEC 60871-1의 33항에도 아래와 같이 1.3 x 1.15 = 1.5배의 값을 적용하도록 규정하고 있습니다.
저압 커패시터에 대한 규격인 KS C IEC 60831-1의 21항에도 아래와 같이 1.3 x 1.15 = 1.5배의 값을 설명하고 있습니다.
4. 커패시터용 스위치의 설치 여부
NEC 460-8C에 따르면 커패시터 회로에는 전용의 스위치가 설치되어야 합니다. 이 스위치는 커패시터 정격 전류의 135% 이상의 용량을 가져야 합니다. 다만 커패시터가 모터 컨트롤러의 부하 측에 설치되는 경우에는 스위치를 생략할 수 있습니다.
3번에서 설명한 바와 같이 IEC 기준에서는 정격전류의 1.5배의 정격을 가지는 스위치나 차단기를 적용하도록 하고 있습니다. 이 점을 유의하시기 바랍니다.
위의 자료는 EEP 자료에서 카피한 것인데 NEC와 IEC의 기준을 합친 내용입니다. 그리고 리액터가 있어서 전류가 줄어드는 경우도 포함하고 있습니다. 그래서 결론적으로 이 자료를 사용하면 됩니다. https://electrical-engineering-portal.com/building-capacitor-bank-reactive-power-compensation-panel
위의 자료는 Eton 사의 자료에서 발췌한 것입니다. 보호장치별 적용 시 참고하면 좋겠습니다.
chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/design-guides---consultant-audience/canada/cag/eaton-power-factor-capacitors-detuned-filters-consulting-application-guide-tb02608001e-tab-35-ca08104001e-ca.pdf
5. 커패시터의 돌입 전류를 낮추는 방법과 이유
백투백(back-to-back) 커패시터 구성의 경우 돌입 전류를 제한하기 위해 돌입 리액터(Inrush Reactor)가 필요합니다. 돌입 전류는 커패시터 정격 전류의 100배 이내로 제한되어야 합니다. (100In)
아래 자료는 KS C IEC 60871-1에서 발췌한 자료입니다. 고압 커패시터에 적용되는 기준입니다. 스위칭 작용으로 인한 과전류의 피크 값은 최대 100 In까지 제한된다고 명시하고 있습니다.
저압 커패시터 규격인 KS C IEC 60831-1의 33항 과부하 전류에서 다음과 같은 기준이 있습니다.
결론적으로 커패시터의 돌입 전류는 정격전류의 100배 이내로 제한되어야 합니다. 이를 위해서 몇가지 방법이 제시됩니다.
1) 돌입전류 감쇠 리액터를 사용하는 방법 (Inrush current limit reactor)
위 자료는 예전 프로젝트 자료인데 실제로 Inrush Reactor의 사이즈 계산은 변수가 많습니다. 각 업체에서 정형화된 수식이나 %리액턴스를 제시하지 않고 있습니다. 향후 더 정확한 자료를 찾으면 보완하도록 하겠습니다.
2) 감쇠 저항을 가지고 있는 콘텍터(Contactor) 사용하는 방법
6. 메인 차단기와 전자 접촉기의 용량에 미치는 커패시터의 돌입전류와 정격전류의 영향
일반적으로 전동기용 메인 차단기나 전자 접촉기(Contactor)는 전동기의 기동 전류를 고려하여 선정되기 때문에 커패시터의 돌입 전류를 흘릴 수 있습니다. 따라서 별도의 고려를 하지는 않는 것이 일반적입니다.
7. 기본 수식 (참고용)
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