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이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.
대용량형 순간 전압저하·정전대책 장치의 개발호쿠리쿠전력(北陸電力)_하타나카 코지(中 浩嗣)
최근 디지털 제어기술의 발달과 파워일렉트로닉스의 진보는 각종 생산설비의 고성능화·고효율화를 이루었다. 반면 이것은 전원의 이상에 대해 매우 민감하고 어느 정도 순간전압저하(이하, 순저)에도 영향을 받는 경향이 있다.
종래부터 컴퓨터 등의 정전·순저대책으로서 UPS가 이용되어 왔는데 각종 생산설비에 대해 이용할 경우, 범용 UPS의 용량이 비교적 작기 때문에 다수의 UPS를 분산해서 설치해야 하고 보수시 번거롭고 UPS의 전력손실도 크다는 등의 과제가 있었다. 그래서 특별고압수전 공장 등에서는 고압 피더 단위로, 고압수전 공장 등은 공장을 일괄적으로 보상 가능한 용량과 UPS와 같이 양호한 전력품질을 갖을 수가 있고 전력손실도 적은 고효율 순저·정전대책 장치를 개발하였기에 소개하기로 한다.
 개발 배경
당사는 뇌해나 빙설해에 따른 송전선 갤러핑 현상으로 발생하는 순저·정전에 대해서 전력설비에 대한 피뢰기설치나 송전선에 상간 스페이서의 설치에 따라 효과를 올려왔는데, 순저·정전의 발생을 무시하기란 현재의 기술로는 불가능하다.
한편, 반도체 공장 등에서는 생산설비의 고도화와 재고가 발생하지 않는 수주에서 납품까지가 스케줄 관리된 생산방식이 주류가 됨에 따라 약간의 순저라도 간단하게 불량품의 발생에 머무르지 않고 생산기회 손실로 막대한 손해를 입는 것이다.
그래서 당사는 마츠시타전기산업(주), 닛신전기(주)와 함께 대용량형 순간전압저하·정전대책장치(이하, 대용량형 순저·정전대책장치)를 개발했다.
 대용량형 순저·정전대책장치
1. 개발 목표성능
① 부하측 영향을 없애기 위해 순저·정전발생시의 부하측 전압은 무순단으로 한다.
② 장치효율은 상시 인버터 급전방식 UPS(약 90%)와 비교해서 대폭적인 향상을 도모한다.
③ 고압 피더단위로 보상가능한 용량으로 한다.
2. 대용량형 순저·정전대책 장치의 개요
이 장치의 기본회로를 <그림 1>에 나타낸다.
최대 특징은 교체스위치에 고속한류차단장치를 설치해 두었다는 점으로 이는 무순단 보상을 가능하게 한다.
고속한류차단장치는 <그림 2>와 같이 직류 리액터와 사일리스터 암, 다이오드 암으로 이루어진다.
단자 A-B 사이에 교류전류를 흘리면 전류는 정의 반 사이클은 암 1~직류리액터~암 4를, 부의 반사이클은 암 3~직류리액터~암 2를 흘러 직류 리액터에는 교류전류 파고치와 같은 크기의 직류전류가 흐른다.
이로써 통상시의 적용급전은 고속한류 차단장치의 교류측에서 본 임피던스가 0인 상태가 된다.
그러나 전원측(계통측)에 순저가 발생하면 이 장치는 부하측 전압을 일정하게 유지제어하기 위해서 쌍방향 컨버터에서 고속한류차단장치를 통해서 계통의 고장점에 전류가 흐르기 시작한다. 그 값은 통상시의 직류 리액터를 흐르고 있는 전원값을 넘어 증가하기 때문에 고속한류 차단장치의 직류 리액터에 의한 한류작용이 일어나고 고장점으로의 전류공급을 제어한다.
또 고속 순저검출로 사일리스터 정지지령(게이트 신호 오프)이 나오기 때문에 전류 0점을 억제한 시점에서 고장점으로의 전류공급이 차단된다. 사일리스터가 완전히 오프되기까지의 사이에 쌍방향 컨버터가 발생한 전압을 쌍방향 컨버터 내부에 설치한 교류 리액터와 고속한류차단장치의 직류 리액터로 분담함으로써 부하측 전압을 유지한다.
한류차단장치의 사일리스터가 완전히 오프되어 주회로와 전원계통을 분리하기까지 최장 3/4 사이클이 필요한데, 그 사이에도 고속한류 동작에 따라 부하출력전압이 유지되어 부드럽게 쌍방향 컨버터 자립운전으로 이행한다. 전원계통이 순저 뒤에 정전되었을 경우에는 쌍방향 컨버터의 자립운전을 계속해서 복전을 유지한다. 순저를 동반하지 않는 정전(단순방전)의 경우에도 쌍방향 컨버터 출력으로 부하출력전압이 유지된다.
그 후, 전원계통의 복전을 확인하면 쌍방향 컨버터는 위상동기제어 후에 고속한류차단장치의 사일리스터 도통지령(게이트 신호 온)에 따라 상용급전으로 돌아간다.
 이 장치의 구성은 1장치 전체를 총괄해 전술한 고속한류차단장치를 수용하는 마스터 유닛<그림 3> 및 2,000[kVA] 단위의 쌍방향 컨버터와 축전지를 수납하는 슬리브 유닛<그림 4>에 따라 구성된다. 이 장치는 사용개소 수요로 설치용량 10,000kVA＋6,000kVA의 총용량 16,000kVA가 필요했다. 기존에 제품화된 고속한류차단장치의 정격전류가 600A였기 때문에 당장 제품화할 수 있는 장치용량 상한이 6,000kVA로 제약되고 (6,000kVA＋4,000kVA)＋6,000kVA로 했다.
 또한 6,000kVA 장치의 경우에는 마스터 유닛 1조에 대해 슬리브 유닛(2,000kVA) 3조를 병렬접속하고 또 4,000kVA 장치의 경우에는 마찬가지로 슬리브반(2,000kVA) 2조를 병렬접속해서 장치를 구성하고 있다.
이 장치는 상시상용 급전방식으로 상시 대기상태에서의 손실을 억제하고 있다. 장치의 사양개요를 <표 1>에 나타낸다.
3. 장치의 유의점
장치의 특징으로 고효율화가 있다. 그러나 장치용량이 매우 커서 손실에 따른 발열을 생각해야 했다. 그래서 당초, 옥외설치로 폐열을 직접 대기로 방출하는 것을 생각했지만 강설기에 적설로 인해 장치 흡기구가 막혀 내부 온도가 상승해 장치가 정지되는 것을 염려해 옥내설치로 했다.
단, 이번에는 설치공간이 한정되어 있었기 때문에 수용건옥을 이층건물로 하고 장치에 대해 다음과 같은 처치를 실시했다.
① 슬리브 유닛, 고압변압기를 유닛의 측면삽입인출 구조로 했다.
② 각 반 문을 개방방향으로 짧게 하기 위해 관음구멍을 뚫음.
③ 직각 이동가능한 고압 CB 인출용 리프터 채용.
④ 건물의 벽면, 흡기 갤러리와 접근해서 설치가 필요하기 때문에 방적사양화.
이상, ①~③에 따라 유닛 전·후면의 보수 공간은 1,100mm를 실현하고 있다. ④는 토털 설치공간을 작게 하기 위한 처치이긴 해도 건물의 에어콘리스화(전동배기 팬을 이용한 강제환기)로 시스템 전체의 에너지절감에 기여하고 있다.
이 장치의 정전보상시간은 정격용량에서 장치주위온도 5℃일 때 10초다. 이 시간은 축전지 성능에 크게 좌우된다. 구체적으로는 부하율과 축전기 주위온도로 변화한다.
예를 들어 부하율 80%에서는 주위온도가 5℃라도 정전보상시간이 120초, 또 정격용량에서 주위온도가 20℃가 되면 정전보상시간은 60초가 된다.
이번에는 주위온도를 적정하게 유지하기 위한 대책을 건물측에서 시행했다.
① 이 장치 상부에서 방출되는 폐열을 높은 효율로 모아 배기하려면 장치 상부에 후드를 설치하고 후드 내부에 온도센서를 설치해 중간 덕트 팬을 제어하고 높은 효율로 폐열처리한다.
② 흡기 갤러리를 가동 루버 방식으로 하고 외부온도가 낮은 동절기에는 루버를 닫아 필요 이상의 온도저하를 방지한다.
이들 처치에 따라 장치 성능을 확실하게 발휘할 것으로 예상된다.
4. 대용량형 순저·정전대책 장치의 시험
시험항목 및 방법은 JEC, JEM에 준거해서 실시하는 외에 단락발전기를 이용해서 순저정전현상을 모의한 종합동작시험 및 현지설치시의 실제를 고려한 다중 뇌보상 동작시험, 보상한계시험을 시행해 장치기능을 검증했다.
그리고 순저가 발생했을 때 쌍방향 컨버터에서 상용계통측 고장점에 흐르는 전류가 고속한류차단장치의 직류 리액터 전류(직전의 부하전류 값과 동등한)보다 커지지 않으면 한류효과를 기대할 수 없고 보상전압 확립까지 약간이긴 해도 시간이 늦어지는 현상이 나타난다는 사실이 판명되었다. 이는 순저가 발생시 보상전압에 약간의 딥이 되어 나타난다. 이 딥 축소를 위해 장치 튜닝을 시행한 결과, 3상 단락고장 100% 전압저하시에도 전압 딥 잔존전압 50%(장치설치계통에서 변화), 딥 폭 1ms 이하로 하는 데 성공했다.
5. 현지 가동상황
이 장치는 마츠시타전기(주) 반도체사 우오즈공장에 설치해 2004년 4월부터 가동에 들어갔다.
현재까지 24회의 순저발생에 대해 모든 케이스에서 해당 장치를 보상동작을 시행했는데, 생산설비에서 순저피해가 발생하지 않는다. 순저가 발생한 케이스 중에는 1회째의 순서에서 이 장치가 보상동작하고 완료직전에 2회째의 순저가 발생하는 다중 뇌 케이스도 있었지만 보상동작이 계속되어 생산설비의 구제에 성동했다. 보상동작 파형의 일례를 <그림 5>에 나타낸다. 보상계통측 3상 단락고장에 따른 고장계속시간 73.2ms, 전압저하율 51%의 순저에 대한 보상동작이다.
 현장적용의 포인트
이 장치는 높은 전원품질이 요구되는 반도체 공장에서의 보상동작을 통해 성능을 확인할 수 있었다. 또한 고압 피더의 일괄보상으로 목적이 되는 라인을 구멍마다 커버할 수도 있고 전원품질 구분이 이루어지지 않는 현장에서도 적용이 용이하다.
연축전지는 에너지 축적소자로 지금까지 사용되어 온 신뢰성도 있고 적정한 리사이클에 따라 환경에 대한 악영향도 주지 않는다. 이번에 사용한 고출력 MSE형 연축전지의 기대수명은 7~9년(25℃에서)이기 때문에 장치기대수명의 약 15년을 고려하면 사용기간 중에 1회의 교환이 필요하다.
<Energy News>
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