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1) 무효전력의 정의 및 종류
무효전력은 교류 회로에서 유효전력(실제 일에 사용되는 전력)과 달리 전자기장 에너지의 저장과 방출을 반복하면서 회로의 전류·전압의 위상차에 의해 발생하는 전력을 말한다. 무효전력은 계통 전압 조정과 전력 품질에 중대한 영향을 미친다.
(1) 진상 무효전력
- 주로 진상 전류에 의해 발생한다.
- 전압 상승에 기여하며, 계통의 콘덴서, 상아 전부하선의 대치 정전용량 등에 의해 공급된다.
- 대표적인 진상 무효전력 공급원:
- 전력용 콘덴서
- SVC (Static Var Compensator)
- STATCOM
(2) 지상 무효전력
- 주로 지상 전류에 의해 발생한다.
- 전압을 저하시킨다.
- 주된 공급원:
- 분로 리액터
- 장거리 송전선
- 무부하 변압기
2) 무효전력의 역할 및 전력계통에서의 영향
- 무효전력의 적절한 공급은 계통 전압 유지에 필수적이다.
- 공급이 부족하거나 과다하면 계통 전압이 불안정해지고, 송전 손실 및 전력 기기의 열화가 발생한다.
3) 무효전력 과부족 시 문제점 및 대책
| 구분 | 진상 무효전력 공급 부족 시 (발생량 < 소비량) | 지상 무효전력 공급 부족 시 (발생량 < 소비량) |
|---|---|---|
| 주요 문제점 | ① 계통 전압 이상 저하 ② 송전 손실 증가 ③ 계통 안정도 저하 ④ 전력기기 효율 저하 및 전기 품질 악화 ⑤ 발전기의 과부하(지상) 운전 ⑥ 동기 조상기의 진상 운전 | ① 계통 전압 이상 상승 ② 전압 상승으로 기기 수명 단축 ③ 전력기기 절연 열화 촉진 ④ 고조파 발생 우려 ⑤ 발전기의 자연대비(진상) 운전 ⑥ 송전설비 계통 운전 곤란 |
| 대책 | ① 전력용 콘덴서(SC) 투입 ② 무효전력 소비 감소 ③ 역률 개선 기기 사용 ④ 수용가 측 무효전력 보상 설비 설치 ⑤ SVC/STATCOM 투입(지상 운전) | ① 분로 리액터(sh.R) 투입 ② 충전용량 저감 ③ 콘덴서 차단 ④ 전력용 리액터 보강 ⑤ SVC/STATCOM 적용(대용량 설비) |
4) 수식 예시
전압강하식
$[
E_s = E_r + I (R \cos \theta + jX \sin \theta)
]$
무효전력
$[
Q = E I \sin \theta
]$
유효전력
$[
P = E I \cos \theta
]$
복소전력
$[
S = P + jQ
]$
5) 상세 개념 요약
- 진상 무효전력 공급 부족은 전압이 저하되어 발전기 과부하, 역률 저하, 송전 손실이 크게 증가한다.
- 지상 무효전력 공급 부족은 전압이 상승하여 기기 열화, 고조파 증가, 절연 파괴를 초래할 수 있다.
- SVC, STATCOM 등의 능동형 무효전력 보상 장치를 활용하여 실시간 보상을 수행하는 것이 중요하다.
- 설비용량이 큰 경우 동기 조상기와 분로리액터의 조합으로 안정적인 운전을 도모한다.
