IEC 파헤치기 · IEC deep dives KS C IEC 61921:2017

IEC 61921 파헤치기: 역률 보정 커패시터 뱅크IEC 61921 deep dive: power factor correction banks

뱅크의 정격 전압 선정, 리액터와 공진, 전압 상승, 돌입 전류, 개폐·보호 장치, 방전과 안전
Rated voltage selection, reactors and resonance, voltage rise, inrush, switching and protective devices, discharge and safety

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기준 문서: KS C IEC 61921:2017. 이 규격은 IEC 60831-1:2014와 IEC 61439-1·-2:2011을 인용합니다. · Based on KS C IEC 61921:2017.

① 한 장 요약 One-page summary

커패시터 단품을 모아 개폐기·제어기·리액터와 함께 외함에 넣은 저압 역률 보정 뱅크에 대한 규격입니다. 뱅크는 기본적으로 저압 배전반 규격(IEC 61439-1·-2)을 그대로 따르고, 커패시터라서 달라지는 부분만 이 규격이 덧붙입니다: 정격 전압 고르는 법, 리액터와 고조파, 개폐 장치의 1.3배 여유, 방전과 안전, 온도 상승 시험 조건, 그리고 부속서 B의 계산식.

IEC 61921 covers LV power factor correction banks as assemblies: they follow IEC 61439-1/-2 with capacitor-specific additions for rated voltage, reactors and harmonics, switching margins, discharge, temperature-rise testing and the Annex B formulas.

② 구조 지도 Structure map

1–5 일반1 적용범위 (61439-1·-2 준수)3.5 정격 무효전력 (리액터 포함)4 등급판 표시 17항목5 사용 조건 → 614396 설계·설치·운전·안전6.2.1 정격 전압의 선택6.2.2 개폐·과부하 보호 1.3배6.3.1.1 고조파 · 이조 리액터6.3.1.2 개폐 과전압6.3.2 고조파 왜곡 · 리플 제어 신호6.3.3–4 과전압 · 과부하 전류6.4.1 방전 장치 · 5분 대기6.4.2–6 잔류 전하 · 화재 · 모선7 설계 검증7.2–7.9 61439-1 준용 (강도·IP·절연 등)7.10 온도 상승: 1.2배 전류, 계산법 불가7.11–7.13 단락·EMC·기계적 동작8 정기 검증8.2–8.9 61439-1 준용8.10 정격 출력 검증부속서A 구리 도체 단면적 (규정)B 공식: 출력·공진·전압 상승·돌입·방전C 유사 설계의 정의D 온도 상승 시험의 추가 커패시터
설계 검증 대부분은 61439-1을 가리키고, 실무 핵심은 6장과 부속서 B입니다 · most verification refers to IEC 61439-1

③ 핵심 조항 Key clauses

3.5 정격 무효전력 · 4 표시 Rated reactive power and marking

뜻
뱅크의 정격 무효전력 Q_N은 리액터를 포함한 뱅크 전체 임피던스로 정격 전압·주파수에서 계산한 값입니다. 커패시터 단품 정격을 단순히 더한 값이 아닙니다.
예
440 V·50 kvar 커패시터에 7 % 리액터를 달아 400 V 계통에 쓰면 뱅크 출력은 50 × (400/440)² / 0.93 = 44.4 kvar입니다.
표시
등급판에는 제조자, 형식, 제조일, Q_N(kvar), U_N, f_N, 규격 번호를, 등급판이나 지침서에는 스텝 등급, 리액터 값(또는 리액턴스 비·동조 주파수), 주위 온도, IP, 옥내·옥외, I_cw, I_cc, 최대 허용 전류, U_i, U_imp를 적습니다.

6.2.1 정격 전압의 선택 Choice of rated voltage

뜻
뱅크 정격 전압은 커패시터의 영향을 고려한 계통 서비스 전압 이상. 직렬 리액터 때문에 커패시터 단자 전압이 오르면 커패시터 정격 전압도 올립니다. 경부하 때 전압이 지나치게 오르면 일부 또는 전부를 분리합니다.
식
U_C = U/(1 − p). 380 V, 7 %면 409 V → 보통 440 V급 커패시터를 씁니다.
함정
지나친 여유는 출력이 (U/U_N)²으로 줄어 손해입니다(비고 1). 최대 허용 전압은 IEC 60831-1(표 3)을 따릅니다.

6.2.2 개폐와 과부하 보호 Switching and overload protection

뜻
개폐·보호 장치와 연결부는 정격 전압·주파수 전류의 1.3배 이상을 연속 통전하고, 투입 때 높은 진폭·주파수의 과도 전류를 견뎌야 합니다. 특히 이미 통전된 스텝에 병렬로 투입할 때(back-to-back) 큽니다.
대책
직렬 리액터, 사전충전(pre-charging) 저항이 있는 커패시터용 접촉기, 반도체 스위치. 자동 제어로 자주 개폐하면 그에 맞는 개폐 장치와 퓨즈를 고르고, 퓨즈는 보통 적절한 과전류 보호가 되지 못한다는 점에 유의합니다.
숫자
예: 380 V, 이미 350 kvar가 켜진 상태에서 50 kvar 스텝 투입, 스텝 사이 5 µH → Î ≈ 3,934 A (52·I_N), 2,511 Hz. 100·I_N 이하로 하려면 약 1.3 µH 이상 필요.
-4.0k-2.0k02.0k4.0k05101520시간 ms · timeA한도 100·I_N = 7597 A (그림 위쪽 밖 · off scale)Î ≈ 3934 A (52·I_N), f ≈ 2511 Hz
병렬 투입 돌입 전류 예 (B.4.2, 감쇠는 가정) · back-to-back inrush example

6.3.1.1 고조파와 이조 리액터 · 부속서 B.2 공진 Harmonics, detuning reactors and resonance

뜻
고조파가 있는 계통에 뱅크를 달면 수명이 짧아질 수 있습니다. 각 스텝에 직렬로 이조 리액터를 넣으면 이를 완화합니다. 철심 리액터는 고조파에 의한 포화·과열에 주의합니다.
식
B.2: n = √(S/Q). 예: 1 000 kVA·6 % 변압기(S ≈ 16.7 MVA) 아래 400 kvar → n ≈ 6.45로 7차에 가깝습니다(약 8 % 아래). 7 % 리액터(n_r = 3.78)를 넣으면 공진이 n ≈ 3.26로 5차 아래로 내려갑니다.
0.111010013579111315고조파 차수 h · harmonic order|Z| / X_Sn = 6.45n = 3.26 (p 7.0 %)
모선에서 본 임피던스: 리액터 없음(주황)과 7 % 리액터(파랑). 봉우리가 병렬 공진 · bus impedance with and without reactor

부속서 B.3·B.4 전압 상승과 돌입 Voltage rise and inrush

식
ΔU/U ≈ Q/S → 위 예는 2.40 %. 단일 뱅크 투입 Î ≈ I_N·√(2S/Q) = 5,548 A (9.1·I_N), 주파수 f_N·√(S/Q) ≈ 387 Hz.
뜻
단일 뱅크 투입은 계통 인덕턴스가 커서 돌입이 비교적 작고, 문제는 대부분 스텝끼리 병렬 투입할 때입니다.

6.4 방전과 안전 Discharge and safety

뜻
각 뱅크·스텝에 방전 수단이 있어야 하고, 도전부를 만지기 전 자가 방전 후 단자와 접지를 단락할 때까지 5분 이상 기다립니다. 외부 방전 장치를 쓰면 커패시터와 방전 장치 사이에 개폐 장치를 두면 안 됩니다(내부 방전 저항이 없는 경우).
함정
직렬·스타 결선에서 소자가 파괴되면 단자 전압이 0이어도 위험한 "포획 전하"가 몇 달 남을 수 있습니다(6.4.2). 방전 장치는 단자 단락의 대체물이 아닙니다.

7.10 온도 상승 검증 · 부속서 D Temperature-rise verification

뜻
61439-1을 따르되, 시험 전류는 정격의 1.2배 이상이고 61439-1의 계산 방법은 쓸 수 없습니다. 전류를 올리려면 시험 전압·주파수를 높이거나, 외함 안에서 정격 커패시터와 병렬로 커패시터를 더합니다. 외함 밖에 더하거나 스텝을 통째로 더하는 방법은 허용되지 않습니다.

④ 숫자 모음 The numbers in one table

항목 Item값·식 Value조항
3상 출력 (측정 C 3개)Q = 2/3·(C_a + C_b + C_c)·ω·U_N²·10⁻¹² [Mvar]B.1
공진 차수n = √(S/Q)B.2
전압 상승ΔU/U ≈ Q/SB.3
단일 투입 돌입Î ≈ I_N·√(2S/Q)B.4.1
병렬 투입 돌입Î = U√2/√(X_C·X_L), f_s = f_N·√(X_C/X_L)B.4.2
방전 저항R ≤ t/[k·C·ln(U_N√2/U_R)]B.4.3
리액터 단자 전압U_C = U/(1 − p) (이 사이트 식, 6.2.1의 요구)6.2.1
개폐·보호 장치 연속 전류≥ 1.3 × 정격 전압 전류6.2.2
만지기 전 대기≥ 5분6.4.1.1
온도 상승 시험 전류≥ 1.2 × 정격 전류, 계산 방법 불가7.10

⑤ 계산기로 확인 Check it with the calculator

역률 보정 커패시터 뱅크 계산기는 부속서 B 식을 모두 쓰고, 공진 곡선·돌입 파형·방전 곡선을 그립니다. 단락전류 계산기에서 "이 모선에 커패시터 뱅크" 링크를 누르면 단락 전력 S가 넘어갑니다.

⑥ 함정과 원문 확인 Traps and source notes

  • "병렬"로 적힌 이조 리액터: 국문판 6.3.2.1은 "적합한 이조 리액터를 각 커패시터 스텝과 병렬로 배치하지 않는 한"으로 적혀 있지만, 6.3.1.1과 리액터의 원리상 직렬이 맞습니다. 번역 오류로 보입니다.
  • 인용판 차이: 61921은 IEC 60831-1:2014를 인용하지만, 국내 KS C IEC 60831-1은 IEC 2002판을 바탕으로 합니다. 숫자를 인용할 때 어느 판인지 확인합니다.
  • 목차 누락: 국문판 목차에는 부속서 A·B만 있지만 본문에는 부속서 C(유사 설계), D(온도 상승 시험 구성)가 있습니다.
  • 1.3배의 기준: 6.2.2의 1.3배는 "정격 전압·주파수의 정현파 전압에서 흐르는 전류" 기준입니다. 리액터가 있는 뱅크는 커패시터 단품 정격 전류가 아니라 뱅크 전류로 계산합니다.
  • 공진 판단의 S: 단락 전력 S는 변압기만으로 추정하면 실제보다 조금 크게 나옵니다(상위 계통 임피던스 무시). 계통이 바뀌면(변압기 병렬, 발전기 운전) 공진 차수도 바뀝니다.

확인 퀴즈 Check your understanding

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Q1. 단락 전력 S가 16.7 MVA인 모선에 400 kvar 뱅크(리액터 없음)를 달면 병렬 공진 차수는?Resonance order of 400 kvar on a 16.7 MVA bus?
Q2. 7 % 직렬 리액터를 넣으면 커패시터 단자 전압은?With a 7 % series reactor the capacitor terminal voltage is…
Q3. 뱅크의 개폐·보호 장치와 연결 장치가 연속으로 흘릴 수 있어야 하는 전류는?Switching and connecting devices must carry continuously…
Q4. 뱅크 온도 상승 설계 검증(7.10)에서 맞는 것은?Temperature-rise verification (7.10):

계산기로 확인하기 Try it in the calculators

규격 원문의 문장과 표를 옮기지 않고 풀어 썼으며 조항 번호로 근거를 밝혔습니다. 그림은 이 사이트에서 직접 그렸습니다. · Paraphrased with clause references; figures drawn by this site.