전기박사의 `現問賢答`

3상이면 3상 UPS가, 단상이면 단상 UPS 설치해야

Q. 고조파에 관해 공부하던 중 고조파는 비선형 부하(반도체 전력 소자)에서 주로 발생이 되는 걸로 읽었습니다. 궁금한 것은 왜 정상적으로 공급된 교류전압, 전류가 비선형 부하를 거치면 고조파가 발생이 되는지 그 원리가 너무 궁금합니다.

그리고 왜 고조파는 홀수 즉 3, 5, 7 고조파 이런 식으로 정현파의 홀수 배로만 존재하고 발생하는 것인지도 이해가 안 가네요. 비선형 부하에서 발생한 고조파에 의해서 부하가 먹는 전압, 전류가 왜곡되면 그 부하가 정상적으로 동작할 수 있을까요? 고조파에 대해서 조금 자세히 알고 싶습니다.

A. 고조파 발생사유는 전력변환 소자를 이용하는 정류기, 전자기기 등에서 AC를 DC로 변환할 때 정현파 교류를 일정한 간격으로 직사각형 모양으로 자르는데요. 이때 자르고 남은 부분의 파형에 해당하는 전압, 전류가 전원 측 또는 부하 측의 파형과 합쳐져서 파형을 왜곡시킵니다. 이렇게 왜곡된 파형을 정상파와 직류성분 등으로 분류하면 정상파의 3배, 5배, 7배 등에 해당하는 파형이 분류됩니다. 이를 고조파라고 합니다.

이러한 고조파는 전원 측의 전력설비, 한전 선로 등에 영향을 주고 부하 측의 기기에도 영향을 줍니다. 전류고조파는 전원 측으로, 전압고조파는 부하 측으로 영향을 주는데요. 예를 들어 콘덴서부하 XC, 리액턴스부하 XL의 ω=2πf로 주파수와 관계가 있기 때문에 만약 5고조파(정상파의 5배 주파수)의 전류가 흐르면 임피던스에 5배의 차이가 발생합니다.

Q. 소방공부를 하다 보니 전로 저항과 절연저항이 나오던데 두 가지 차이가 무엇인지 잘 몰라서 글을 올려 봅니다. 얼핏 알기는 하지만 명확하게 말로 표현하려니 잘 안 돼서 질문을 올립니다.

A. 전로 저항은 선로저항을 말하는 것 같습니다. 선로의 저항은 제로가 이상적이나 선로의 단면적에 반비례하고 길이에 비례하는 값을 갖고 있습니다.

직류로 공급할 경우는 선의 무유도 저항만 고려하면 되겠으나 교류의 경우, 선의 유도성 리액턴스도 같이 고려해야 합니다. 선로의 유도성 리액턴스는 무유도 저항성분의 10%(선로 단면적이 작은 경우)에서 50%(선로 단면적이 큰 경우)까지이므로 송전, 전력계통의 계산 시 반드시 고려해야 하는 요소입니다.

이 때문에 전압강하가 발생하고 무유도성 부하를 사용한다 하더라도 역률의 문제도 발생합니다. 비접지 계통의 경우, 선로가 길어질수록 용량성 리액턴스로 인해 충전누설전류가 증가합니다. 이로 인해 비접지 계통에도 작게나마 누설전류가 발생하는 이유가 되고 인체접촉 시 감전의 위험도 있습니다.

이러한 선에서 발생하는 유도성, 용량성 리액턴스의 문제로 인해 전기계산이 복잡해지고 해석이 어려워집니다.

절연저항은 절연 즉, 전기 연결을 끊는다는 뜻으로 전기를 통하지 않게 하는 기술입니다. 모든 장비의 절연저항은 무한대가 되어야 이상적이나 습기, 먼지, 제품품질 불량 등의 이유로 절연이 파괴되어 누전이 됩니다.

Q. 변압기에서 왜 2차 측의 전류값이 더 높게 나오는 겁니까.

A. 단상으로 해석하겠습니다. 3상과 동일합니다. 전력=전압×전류입니다.

전력은 일정한 상태에서 전압이 높은 1차 측은 전류가 낮고 변환된 2차 측 전압은 낮으니 전류가 높아지기 때문에 2차 측 전류가 높게 나옵니다. 예를 들어 전력이 10VA라고 했을 때 1차 전압이 10V이면 전류는 1A이고 변환된 2차 전압이 1V이라고 했을 때 전류는 10A가 됩니다.

Q. 도면해석 공부하던 중 궁금한 점이 있어 질문 드립니다.

도면에 변압기에 관해서인데요. 변압기의 심벌이 그려져 있고 그 옆에 Z=6%@AA 이렇게 적혀 있습니다. 제가 보기에 냉각방식이 AA일 때 임피던스가 6%이라고 해석을 했는데 맞는지요?

그리고 맞는다면 저렇게 임피던스가 적혀 있는 변압기가 있고 안 적혀 있는 변압기도 있습니다. 왜 그런 것일까요?

A. 맞습니다. 안 적혀 있는 경우 동일 용량의 변압기 중 하나만 표기를 하고 그 외의 것을 생략하는 경우도 있습니다.(도면의 경우)

그리고 저압의 변압기는 변압기 제작사 표준 임피던스를 따르기도 합니다.

OLTC /- 8×1.25%는 변압기에 부하가 연결되어 있을 때도 변압기의 탭(전압조정)이 가능한 조정기가 있다는 뜻으로 기준 전압의 1.25%씩 아래/위로 8단계 그러니까 -10%~ 10%까지 전압 조정이 가능하다는 이야기입니다.

Q. 공연장 리뉴얼 공사 시 음향장비의 전원부는 노이즈 제거를 위해서 아이솔레이션 트랜스를 설치하였습니다. 그런데 담당자 의견이 현재 트랜스로 인해서 음향상태가 더 안 좋다고 트랜스를 거치지 않게 해달라고 요청하네요.

문제의 발달은 트랜스를 거치지 않는 1차 측의 n상과 접지선을 전압측정 시는 0V가 되는데 트랜스를 거쳐서 나온 2차 측에서 n상과 접지선을 측정 시에는 4V에서 그 이후의 차단기를 투입 시 점점 전압이 상승하여 110V까지 나옵니다. 트랜스 제작회사에 문의 시 이래저래 해서 나오는 건데 허전압이니 트랜스의 외함과 n상을 묶어주면 괜찮다고 하네요.

제가 궁금한 건 담당자의 의견으로는 n상과 접지선의 전압 때문에 자꾸 음향이 안 좋고 조명기기 고장이 자주 발생한다고 하는 거예요. 허전압일 뿐인데 기기에 영향을 왜 미치는지 궁금합니다.

A. 단상 교류 220V를 사용하는 전자장치의 경우, 전원 측의 극성은 원칙적으로 문제가 되지 말아야 합니다. 단상 220V가 접지계통일 수도 있고 비접지 계통의 전원일 수도 있기 때문입니다.

전자장치의 전원 측은 약전류의 제어전압을 사용하기 위해선 단권 트랜스를 사용하면 안 되고 복권 트랜스를 사용해야 합니다. 복권 트랜스를 사용하고 2차 측에 접지를 잡고 그 접지가 건물의 접지와 연결되어야 완전한 접지가 됩니다.

질문에서는 비접지 계통의 단상 220V 전원(하트럴-하트럴)으로 공급되는 전원이 전자장비에 인가 시 장비에 노이즈가 발생한다는 말인데 전기적인 이론이나 상식으로는 이해하기 어렵습니다.

위에 언급했듯이 전자장비는 전원의 극성을 따지지 않고 받아들여야 하고 내부 전원부에 자체 트랜스와 접지를 구성하여 장비에 전원을 공급하면 되기 때문입니다.

만일, 이러한 기본적인 방법을 무시하고, 전원 측의 한 상이 무조건 0V 전위인 뉴트럴이 공급되어야 한다는 까다로운 장비가 있다면 이는 극히 예외적인 경우로 보이고 장비 전원 측의 구성이 일반적이지 않은 회로로 구성되었을 가능성도 있습니다.

일전에 레이더 구동장치가 110V를 받는 장비가 있었는데 상기와 같은 이유로 정상동작을 하지 않는다 하여 장비의 전원 측에 표기된 대로 110V 한 상을 접지잡아 (하트럴-뉴트럴)로 원하는 전원을 공급하였지만 문제는 해결되지 않았던 전례가 있었습니다.

만일, 복권 트랜스 2차의 한 상을 접지 잡아 문제가 해결되면 다행이겠으나 해결되지 않을 경우 이는 장비 측의 문제도 생각해야 합니다.

Q. UPS 설비를 단상으로 했을 때와 비교해서 3상 4선식으로 UPS 설비를 구축했을 때 장점과 단점에 대해서 알고 싶습니다.(설치비용, 효율, 유지 보수 등)

A. 단상이냐? 3상이냐? 하는 문제는 기본적으로 UPS가 들어갈 전력 계통도에 따르는 것이 가장 원만합니다. UPS는 없어도 한전 전력으로 모든 전력기기를 사용합니다. 전력 계통에서 UPS를 삽입할 때, 현재 사용하는 전력기기가 3상이 있으면 3상 UPS가 설치되어야 하고 단상밖에 없으면 단상 UPS를 설치합니다.

입력전력만을 기준으로 하면 단상 전력 장비의 용량이 30KVA 정도 되면 전력의 균형을 유지하기 위해 입력 3상/출력 단상 UPS를 사용하고 그 이상일 경우는 입/출력 3상 UPS를 사용합니다.(물론 아닌 경우도 있습니다)

전력용량이 10KVA 이하인 곳에서는 입/출력 단상 UPS가 많이 쓰입니다. 3상 UPS를 사용해야 하는 전력계통에 단상 3대를 설치하려면 설치비용과 설치면적이 증가하고 전력계통 전체 효율도 떨어지고(UPS 개별 효율은 높을 수도 있습니다) 유지 보수하는 개수가 증가합니다.

용량이 작은 전력 계통에 5KVA 3상 UPS를 설치한다면 불필요한 비용지출이 되겠죠. 혼자 결정하기 곤란하시면 UPS 설치 계획을 공개하시고 몇 개 UPS 업체에서 납품제안서를 받으세요.

Q. 3상 4선식의 Y 결선의 경우 중성점접지는 어떤 케이블로 하며 전류가 흐르나요?

A. 중성점의 접지선은 GV 사용이 통상적 방법입니다. 그리고 중성점에 CT나 ZCT 등의 보호회로가 없을 시 아주 적정합니다. 하지만 달리 적용하여야 하는 경우가 있습니다.

변압기 중성점 접지방식에서 CT나 ZCT가 적용된 회로이라면 타 접지와의 혼용 사용에 의한 보호가 무용지물이 되므로 혼용을 할 수 없도록 일반 CABLE 사용이 바람직하다고 판단됩니다.

중성점과 접지부 사이에 CT나 ZCT가 있다면 색상을 달리하는 CABLE이 적정하다고 판단됩니다.

CT나 ZCT 등이 채택된 중성점 접지계통에서 일반적 GV CABLE을 사용 시 처음 작업 시에는 그럴 일이 희박하겠지만 향후 타 설비 증설 시 등에서 이 GV에서 TIE를 한다면 CT나 ZCT의 보호회로가 무용지물이 될 가능성이 있습니다. 이를 방지하기 위해서는 일반적으로 TFR-CV 사용을 권장해 드립니다.

참고로 HRG, NGR의 1차 CABLE도 TFR-CV 사용은 당연하겠지요.

Q. 현장에서 50kW 모터가 새로 입고되었다고 할 때, 케이블과 차단기를 선정해서 공사해야겠는데요. 어떻게들 선정하시는지요?

A. 케이블 선정은 거리가 60M 이상 시에는 전압 강하식으로 그 이하는 전선의 정격전류를 가지고 합니다. 그러나 기본은 두 가지 방식에서 나오는 굵기 중 큰 것을 선정하여야 합니다.

3상 MOTOR의 전압강하식은 17.8LI/1000e입니다. 차단기 정격전류는 MOTOR 정격전류의 3배로 하여야 합니다.

Q. 인버터제어와 VVVF와 소프트스타터의 개념을 찾아봐도 헷갈리는데요. 쉬운 개념 설명 좀 부탁합니다.

A. 인버터는 DC의 전압을 AC의 전압으로 변환시키는 전력장치를 말합니다. VVVF는 인버터와 같은 용어로 부르지만, 기본적으로 AC를 DC로 변환하고 그것을 다시 DC에서 AC로 변환하여 SPEED를 제어하는 (전압과 주파수를 제어하는) 전력변환 장치입니다.

소프트스타터는 MOTOR를 기동할 때 MOTOR를 부드럽게 기동키 위하여 기동 시에만 전압을 제어하는 전력장치입니다.

결론은 인버터와 VVVF는 실제 용도는 다르지만, DC를 AC로 전력 변환한다는 의미로 같이 사용하고 소프트스타터 기능도 가지고 있지만, 소프트스타터는 단지 기동 시만 전압&주파수를 변환시키는 전력변환 장치입니다.

Q. 변전실 정류반 배터리가 폭발할 수가 있는지요? 있다면 그 원인은 무엇인가요!

로케트 배터리는 2008년산이고 2009년에 9개 교체하였습니다. 그런데 이 배터리가 26일 1개 폭발하여 다음날 1개 교체하였답니다. 그런데 또 1개가 더 폭발하여 교체했습니다. 계속해서 배터리가 왜 폭발하는 걸까요? 무보수 배터리는 수명이 4-5년인 걸로 알고 있습니다. 전압은 정상적인데 폭발하는 이유가 무엇일까요?

A. 배터리는 주위 온도에 따라 충전전압을 조정해 주어야 하며 일반적으로 기준 온도는 24℃로 되어 있습니다. 만약 변전실 온도가 높다면 충전전압을 조정해 주어야 합니다.(배터리 제작사 매뉴얼 참조)

배터리의 이상 유무는 내부임피던스로 판단하는 것이 확실합니다. 2009년에 일부 배터리를 교체한 이유는 모르겠지만, 내부임피던스와 방전용량을 측정하신 것인지 아니면 단지 전압이 차이가 나서 교체하신 것은 아닌지요?

주위 온도가 30℃를 넘는다면 배터리 내부에서 가스 발생량이 증가하고 충전전압이 높게 설정되면 온도가 더욱 상승하여 폭발하는 경우도 있습니다.

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