커패시터 스위칭 시 높은 돌입 전류 방지: 안정적인 전력 시스템을 위한 검증된 전략

커패시터 스위칭 시 높은 돌입 전류(Inrush Current) 방지 방법

커패시터 스위칭 시 높은 돌입 전류 소개

정전용량 스위칭 응용은 용량성 전류에 국한되지 않으며, 커패시터 뱅크, 가공선, 케이블의 투입 과정에도 적용됩니다. 커패시터 뱅크 스위칭은 차단기 접점 양단에 매우 큰 과도 전압을 유발하는 것으로 알려져 있습니다.

용량성 스위칭은 일반적으로 산업용 또는 공공망에서 저~중간 전류 스위칭이 특징이며, 회복 전압 상승률이 낮습니다. 최근 개발된 SF6 퍼퍼 타입 차단기는 유지보수 없이 긴 기계적/전기적 수명을 자랑하며 이 스위칭 작업에 적합하게 설계되었지만, 이상적인 시나리오는 달성하기 어렵습니다.

차단기가 널리 적용되는 전력 시스템 회로에서 차단기 단자 간 전압 불평형은 높은 돌입 전류를 유발할 수 있으므로, 용량성 전류 차단 시 스위칭 소자의 유전체에 문제를 일으킬 수 있습니다. 커패시터 뱅크의 커패시터가 과도한 돌입 전류로 손상될 수 있습니다.

전력 시스템에는 전압 조절, 역률(PF) 개선, 전체 시스템 고조파 필터링 등 다양한 용도의 커패시터 뱅크가 설치되어 있습니다.

전력 시스템 배전 과정에서 케이블 네트워크가 용량성 부하를 생성합니다. 시스템에서 전류 차단 시 용량성 부하가 충전되고, 이 커패시터 충전으로 인해 유전체 재착화와 함께 고 과전압이 발생하여 회로 손상 위험이 있습니다.

대용량 돌입 전류가 변전소를 통해 흐르기 시작하면 보호 시스템에 영향을 미치며, 스위칭 시 선로 전압이 약간 낮은 주파수에서 진동하기 시작하면 그 크기가 회로 내 최대 전압의 2배가 되어 심각한 위험을 초래할 수 있습니다. 본 글에서는 높은 돌입 전류를 최소화하는 방법과 기본 권장사항을 다룹니다.

돌입 전류 방지를 위한 커패시터 배치 방법

돌입 전류를 무시할 수 있는 수준으로 최소화하는 두 가지 커패시터 배치 방법이 있습니다. 각각 설명하겠습니다.

단일 커패시터 뱅크 회로

첫 번째 시나리오

위 회로를 고려해 보세요. 단상 회로로 용량성 회로의 집중 정수 요소를 가집니다. 차단기가 차단 시 접점을 닫고, 커패시터 1개와 인덕터 2개가 있으며, 회로 저항은 약 0이고 L₁ > L₂라고 가정합니다.

회로에 차단기가 있어 회로 차단을 정의합니다. 이 회로 형태를 분리된 커패시터 뱅크라 부릅니다.

이 경우 전류는 회로 파라미터와 초기 상태에 따라 달라집니다. 시간 t₀에 커패시터가 전압 v₀로 충전되어 있다고 가정하면, 전류는 다음 식으로 계산할 수 있습니다.

여기서:

이 시나리오에서는 감쇠로 인해 전류가 감소하고 전체 회로 전류가 안정화됩니다.

백투백 커패시터 뱅크 회로

두 번째 시나리오:
뱅크 투 뱅크 용량성 스위칭으로 알려져 있습니다. 다이어그램을 살펴보세요.

이 경우 커패시터 2개와 인덕터 2개가 있으며, 차단기가 차단 시 접점을 닫을 때 b-b' 지점(차단기 양 접점 간 전압 차이)에서 유전체 파괴가 발생하면 전류 식은 다음과 같이 계산됩니다.

여기서:

이 전류는 회로 내 최대 전류의 약 10배에 달할 수 있지만, 하나의 커패시터(국부적)에만 영향을 미치며 나머지 시스템은 안전합니다.

높은 돌입 전류 방지 조치

높은 돌입 전류를 해소하기 위한 권장사항입니다.

1. 회로에 저항이 있어야 합니다. 저항이 있으면 전류가 어느 정도 소모됩니다.
2. 시스템에 추가 리액턴스를 배치하세요. 추가 리액턴스 배치로 시스템에 추가 에너지 손실이 발생하며 커패시터의 영향을 저감시킵니다.

동기 스위칭(Synchronous Switching)

차단기 접점 간 유전체 파괴로 높은 과전압이 발생하므로, 이 문제를 근본적으로 해결해야 합니다. 차단기가 차단 상황에서 접점을 닫을 때 차단기 양 접점 간 전압 차이가 0이 되도록 해야 합니다.

플러스/마이너스 요인이 항상 존재하므로 이상적인 상황 달성은 불가능합니다. 따라서 동기 스위칭이 해결책 중 하나입니다. 센서를 사용하여 모든 뱅크를 동기 뱅크로 변환하는 '스마트클로즈 커패시터 스위치(SmartClose Capacitor Switch)'라는 장치가 개발되었습니다.

스마트클로즈 스위치의 특징과 작동 원리

각 차단기의 커패시터 측과 전원 측 전압 파형을 감지하는 6개의 전압 센서가 있습니다. 별도의 커패시터 뱅크 컨트롤러가 닫기 명령을 내리면, 스마트클로즈 커패시터 스위치는 각 차단기의 양단 전압 차이가 0이 될 때 각 차단기를 독립적으로 닫고, 모든 회로에 제로 전압 투입을 수행합니다.

각 커패시터 뱅크의 별도 컨트롤러가 뱅크 투입 시점을 결정하면, 스마트클로즈 스위치가 이를 인지하여 동기 투입을 자동으로 수행합니다.