⚡ 전기기사 전력공학 이론: 03-03 조상 설비의 모든 것

전기기사 시험 합격을 위한 완벽 가이드: 조상 설비 마스터하기

📚 목차

1. 조상 설비의 기본 개념
2. 조상 설비의 종류와 특징
3. 역률 개선의 원리와 효과
4. 조상 설비 용량 계산법
5. 실전 문제 풀이
6. 자주 묻는 질문(Q&A)

1. 조상 설비의 기본 개념

1.1 조상 설비란? 🤔

조상 설비(Power Factor Improvement Equipment)는 전력계통의 역률을 개선하기 위해 설치하는 설비입니다. 주로 진상용 콘덴서를 사용하여 지상 역률을 개선하고, 때로는 리액터를 사용하여 진상 역률을 개선합니다.

1.2 조상 설비가 필요한 이유

• 📈 전력 손실 감소
• 💰 전기 요금 절감
• 🔋 전압 강하 방지
• ⚡ 설비 용량 효율화

2. 조상 설비의 종류와 특징

2.1 진상용 콘덴서

• 특징: 무효전력을 공급하여 지상 역률 개선
• 장점:
  • 설치가 간단
  • 유지보수 용이
  • 손실이 적음
• 단점:
  • 고조파에 취약
  • 개폐 시 과전압 발생 가능

2.2 동기 조상기

• 특징: 진상/지상 운전 모두 가능
• 장점:
  • 연속적인 무효전력 조정 가능
  • 계통 안정도 향상
• 단점:
  • 설치비용 높음
  • 유지보수 비용 많음

2.3 정지형 조상기(SVC)

• 특징: 전력전자 소자를 이용한 무효전력 보상
• 장점:
  • 응답속도가 빠름
  • 정밀한 제어 가능
• 단점:
  • 고조파 발생
  • 설치비용 높음

3. 역률 개선의 원리와 효과

3.1 역률 삼각형

아래 그림은 역률 개선의 원리를 보여주는 기본적인 역률 삼각형입니다:

유효전력(P) 무효전력(Q) 피상전력(S)

3.2 역률 개선 전후 비교

다음 그림은 역률 개선 전후의 변화를 보여줍니다:

개선 전 개선 후

3.3 역률 개선의 효과

1. 전류 감소
   • 역률 개선 전: I₁ = P/(V×cosθ₁)
   • 역률 개선 후: I₂ = P/(V×cosθ₂)
2. 손실 감소
   • 손실 감소율 = (1 - (cosθ₁/cosθ₂)²) × 100%
3. 전압 강하 감소
   • 전압 강하 = IR×cosθ + IX×sinθ

4. 조상 설비 용량 계산법

4.1 기본 계산식

Q = P × (tanθ₁ - tanθ₂)
여기서,
Q: 필요한 조상설비 용량[kvar]
P: 부하의 유효전력[kW]
θ₁: 개선 전 역률각
θ₂: 개선 후 목표 역률각

4.2 실무 적용 예시

📝 예제: 200kW 부하의 역률을 0.7에서 0.9로 개선하고자 할 때

풀이:

1. θ₁ = cos⁻¹(0.7) = 45.57°
2. θ₂ = cos⁻¹(0.9) = 25.84°
3. tanθ₁ = 1.020
4. tanθ₂ = 0.484
5. Q = 200 × (1.020 - 0.484) = 107.2kvar

5. 실전 문제 풀이

5.1 기출문제 분석

🔍 2023년 기출문제

문제: 200kW 부하의 역률을 0.7에서 0.95로 개선하고자 한다. 
필요한 콘덴서 용량은?

① 115kvar
② 125kvar
③ 135kvar
④ 145kvar

해설:

1. tanθ₁ = √(1/0.7² - 1) = 1.020
2. tanθ₂ = √(1/0.95² - 1) = 0.329
3. Q = P(tanθ₁ - tanθ₂)
4. Q = 200(1.020 - 0.329) = 138.2kvar
5. 정답: ③ 135kvar

6. 자주 묻는 질문(Q&A)

Q1: 역률이 낮으면 어떤 문제가 발생하나요?

A: 역률이 낮으면 다음과 같은 문제가 발생합니다:

• 전력 손실 증가
• 전기 요금 상승
• 설비 용량 부족
• 전압 강하 증가
• 전력 설비 효율 저하

Q2: 조상설비 용량은 어떻게 결정하나요?

A: 조상설비 용량은 다음 요소들을 고려하여 결정합니다:

1. 현재 역률과 목표 역률
2. 부하의 유효전력
3. 부하 특성(변동성)
4. 경제성 분석
5. 설치 공간

Q3: 진상용 콘덴서와 지상용 리액터는 언제 사용하나요?

A:

• 진상용 콘덴서: 부하의 역률이 지상(지연)일 때 사용
• 지상용 리액터: 부하의 역률이 진상(앞섬)일 때 사용
• 대부분의 산업용 부하는 지상 역률이므로 진상용 콘덴서를 주로 사용

Q4: 역률 개선의 경제적 효과는 어떻게 되나요?

A: 역률 개선 시 다음과 같은 경제적 효과가 있습니다:

1. 전기 요금 감소 (역률 요금제 적용)
2. 전력 손실 감소로 인한 에너지 비용 절감
3. 설비 용량 증대 효과로 신규 설비 투자 비용 절감
4. 설비 수명 연장으로 인한 유지보수 비용 절감

💡 마무리

시험 준비 포인트

1. 조상 설비의 기본 개념 완벽 이해
2. 계산식 암기 및 적용 연습
3. 단위 변환 실수 주의
4. 기출문제 반복 연습

추천 학습 방법

1. 이론 정리 노트 작성
2. 개념별 문제 풀이
3. 오답 노트 정리
4. 공식 암기 및 활용