산업현장에서 전기요금 절감과 역률 개선을 목적으로 진상콘덴서를 분전함에 설치하는 경우가 많다. 일반적인 유도전동기 중심의 선형 부하에서는 효과적인 방식이지만, 고주파 열처리기와 같은 비선형 부하가 연결된 분전함에 콘덴서를 직접 설치하는 것은 심각한 전력 품질 문제를 유발할 수 있다.
1. 고주파 열처리기의 전기적 특성
고주파 열처리기는 내부에 정류기, 인버터, 고주파 변압기 구조를 가지며, 이 과정에서 부하 전류는 정현파가 아닌 고조파 성분이 포함된 왜형 전류로 흐른다. 특히 5차, 7차 이상의 고조파 전류가 다량 발생하며, 이 고조파는 일반적인 콘덴서 설계 조건을 벗어난다.
2. 콘덴서 전류의 비정상적 증가
정격 440V, 20kVAR 콘덴서의 정격전류는 약 26.5A 수준이다. 그러나 고주파 열처리기 가동 시 콘덴서 전류를 측정하면 47~48A 수준으로 정격의 약 2배까지 상승하는 사례가 발생한다.
이는 콘덴서가 고조파 주파수 영역에서 임피던스가 급격히 낮아지면서 역률 개선 장치가 아닌 고조파 전류 흡수 장치로 동작하기 때문이다.
3. 공진 현상 발생 위험
고주파 설비가 연결된 계통에서 콘덴서를 설치하면 변압기 리액턴스와 콘덴서 용량이 특정 고조파 주파수에서 일치하며 전기적 공진 현상이 발생할 수 있다.
- 콘덴서 과전류 및 과전압
- 콘덴서 단자부 과열 (실측 59~63℃)
- 콘덴서 절연 열화 및 수명 단축
- 차단기 반복 트립 및 설비 정지
4. 역률 수치 착시 문제
콘덴서를 고주파 설비 분전함에 설치하면 계측상 역률이 개선된 것처럼 보일 수 있으나, 이는 실제 유효전력 개선이 아닌 고조파 무효성분의 우회 현상이다.
결과적으로 변압기 RMS 전류 증가, 배선 발열, 전압 왜형 확대로 이어진다.
5. 변압기 및 타 설비 영향
고주파 열처리기에서 발생한 고조파 전류는 상위 변압기(400kVA)를 통해 동일 계통의 타 설비로 전달된다.
특히 100HP 콤프레사와 같은 회전기 설비에서는 모터 발열 증가, 진동, 보호계전기 오동작 등의 문제가 발생할 수 있다.
6. 권장 해결책
- 고주파 설비 분전함과 콘덴서 분리 설치
- 6% 또는 7% 디튠드 리액터 적용
- 능동형 또는 수동형 고조파 필터 적용
- 고주파 설비 전용 변압기 계통 분리
7. 결론
고주파 열처리기가 설치된 분전함에 진상콘덴서를 직접 연결하는 것은 역률 개선 효과보다 위험 요소가 훨씬 크다. 콘덴서 전류가 정격의 2배 이상 상승하고, 단자 온도가 60℃ 이상 지속된다면 이는 명백한 고조파 및 공진 이상 신호이다.
따라서 반드시 콘덴서 분리 설치와 고조파 대책을 병행한 전력 품질 설계가 필요하다.