전력 품질 보장을 위한 완화 솔루션을 사용하여 정수 처리장 전기 인프라 보호

전기 관련 비용은 정수 처리장 운영 예산의 최대 40%를 차지할 수 있으므로 정수 처리장 운영에 있어 효율성이 매우 중요합니다. 그러나 정수 처리장의 펌프, 모터 드라이브, 조명 장비, 컴프레서에는 고조파 왜곡, 라인 노칭, 전압 강하 및 상승, 전기 노이즈와 같은 전력 품질(PQ) 문제가 발생할 수 있습니다. 이러한 PQ 문제는 비효율성, 운영 중단 및 장비 손상의 원인이 됩니다.

PQ 문제 완화 장비로 정수 처리장의 문제를 해결할 수 있습니다. 드라이브 절연 변압기, 하드와이어 조정기, 전력선 조절기, 서지 보호 장치(SPD), 액티브 트래킹 필터와 같은 제품은 효율성을 높이고 정전을 방지하며 소중한 전기 자산의 손상을 방지하는 역할을 합니다.

이 기사에서는 정수 처리장의 전기 장비 설계자가 직면하게 되는 PQ 문제에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 이러한 문제를 완화하고 효율성을 극대화하기 위해 적용할 수 있는 SolaHD의 PQ 완화 장비를 소개합니다.

PQ 문제

정수 처리장의 에너지 공급(그림 1)은 일반적으로 안정적일 수 있지만, PQ 문제가 종종 발생합니다. 이러한 문제는 원치 않는 고조파 왜곡, 전압 강하 및 상승, 전기적 노이즈 등으로 나타납니다.

그림 1: 정수 처리장에 대한 에너지 공급은 비효율성, 정전 및 장비 손상을 초래할 수 있는 PQ 문제의 영향을 받을 수 있습니다. (이미지 출처: SolaHD)

정수 처리장의 PQ 문제는 번개와 같은 외부 원인 또는 전기 장비 자체와 같은 내부 원인으로 인해 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 품질이 좋지 않은 가변 속도 드라이브를 사용할 경우 비선형 부하가 펄스로 전류를 소비할 때 발생하는 고조파 왜곡을 생성할 수 있습니다(그림 2). 고조파로 인해 도체가 표준 공급 장치의 60Hz가 아닌 다른 주파수에서 전류를 전달할 수 있습니다.

그림 2: 비선형 부하가 펄스로 전류를 끌어와 도체가 표준 공급의 60Hz 이외의 주파수에서 전류를 전달하도록 할 때 고주파가 발생합니다. (이미지 출처: SolaHD)

전기 장비는 전압 사인파를 따라 특정 지점에 완전한 사인파 대신 비선형 전류를 끌어옴으로써 기본 주파수의 정수 배수인 고조파 주파수를 생성합니다. 저주파 고조파(예: 180Hz, 300Hz 또는 420Hz)는 저주파 전류 왜곡과 전력 시스템을 통해 흐르는 위상 편이 전류로 인해 발생합니다. 고주파 고조파(1kHz ~ 3kHz 사이)는 고전력 비선형 전자 스위치 부하에서 고전류의 스위칭으로 인해 발생합니다.

또 다른 고조파 현상인 라인 노칭은 DC 모터 드라이브, 모터 시동기, 전원 공급 장치와 같은 정수 처리 장비에서 전류 정류기의 스위칭으로 인해 발생합니다. 라인 노칭은 일반적으로 실리콘 제어 정류기(SCR)의 정류에 의해 생성됩니다. 전류가 전도성 SCR에서 다른 SCR로 전달되는 짧은 시간 동안 단락 회로가 생성됩니다. 새 SCR이 전도를 시작하는 동안 이전 SCR은 짧은 기간 동안 계속 전도합니다. 이로 인해 일반적으로 수 마이크로초(µs) 동안 위상 단락이 발생하며, 이는 전압을 낮추기에 충분한 시간입니다. 라인 노칭은 부하의 요구 사항을 충족하기 위해 변하는 정류 각도가 일정하지 않기 때문에 AC 하프 사이클 중 어느 지점에서나 발생할 수 있습니다.

PQ 문제의 원인은 외부 및 내부에 여러 가지가 있지만, 약 80%는 전압 강하로 인해 발생합니다. IEEE에서는 60Hz에서 정상 전압보다 10%에서 90%까지 전압이 감소하는 것을 전압 강하라고 정의합니다. 전압 강하 이벤트의 지속 시간은 60초 미만이나 8밀리초(ms)보다는 깁니다(그림 3).

그림 3: 전압 강하는 전압이 10%에서 90%까지 감소하는 것으로, PQ 문제의 80%의 원인이 됩니다. (이미지 출처: SolaHD)

전압 상승은 전압 강하에 비해 발생 빈도는 덜하지만 그 심각성은 비슷합니다. 전압 상승은 절반 주파수 주기에서 수 초 동안 일시적으로 전압 레벨이 증가하는 과전압 상태입니다(그림 4). 이러한 장애는 정수 처리장의 대규모 장비 부하를 종료하거나 역률 보정(PFC) 커패시터 스위칭과 같은 기타 이벤트로 인해 발생할 수 있습니다.

그림 4: 전압 상승은 반 주파수 주기에서 수 초 동안 일시적으로 전압 레벨이 상승하는 현상입니다. (이미지 출처: SolaHD)

기타 전압 문제 및 노이즈

전기 장비 및 배전 시스템은 전압 과도, 중단, 불균형 등 다른 전압 문제를 일으킬 수 있습니다. 전압 스파이크라고도 하는 과도 전압은 단 몇 µ초 동안 지속되는 전압의 급격한 증가를 말합니다(그림 5). 낙뢰, 기계적 스위칭, 커패시터 또는 커패시터 뱅크 스위칭, 고장 후 전원 시스템 재전원, 변압기 스위칭, 특정 장비의 갑작스러운 정지는 모두 과도 상태의 원인이 될 수 있습니다.

그림 5: 과도 전압은 몇 µ초 동안 전압이 상당히 증가하는 현상입니다. (이미지 출처: SolaHD)

전압 중단은 몇 초에서 수십 초 동안 공급 중단이 지속되는 현상을 말하는데, 일반적으로 중단이 5초 이상 지속될 경우 지속적 중단이라고 합니다. 일반적으로, 에너지 유틸리티의 발전 또는 배전 네트워크에서 발생하는 사고나 장비 고장으로 인해 발생합니다.

전압 불균형은 3상 시스템에서 가장 흔하게 발생하는 문제 중 하나로, 정상적인 밸런스 상태는 3상 전압의 크기가 동일하고 위상각이 120° 변위된 상태입니다. 한 위상이 다른 위상에 비해 너무 과부하가 걸리면 해당 위상의 전압이 낮아져 불균형이 발생하게 됩니다.

전기 스위칭 노이즈는 전압이나 전류의 유입 또는 유출로 인해 전원을 켜거나 끌 때 모든 장비에서 발생할 수 있으며, 노이즈로 인해, 원치 않는 영향을 주거나 전자 회로를 손상시키는 급격한 전압 변화이 발생합니다(그림 6).

그림 6: 전기 노이즈는 전자 회로를 손상시킬 수 있는 급격한 전압 변화를 일으킵니다. (이미지 출처: SolaHD)

PQ 문제가 처리장 장비에 미치는 영향

PQ 문제는 다양한 방식으로 정수 처리장의 효율성, 신뢰성 및 수명에 영향을 미칩니다. 예를 들어 고조파는 중성 도체 및 변압기 과열, 회로 차단기 트립, 높은 중성 전류 생성, 시스템 용량 감소, 전기 커넥터 느슨해짐 등 정수 처리장 전체의 장비에 영향을 미칠 수 있습니다.

라인 노칭은 수처리 시설의 민감한 로직 및 통신 전자 장치를 손상시킬 수 있는 고주파 고조파를 생성합니다. 또한 노칭에 의해 생성된 추가 전류 흐름은 전자파 간섭(EMI) 필터와 회선 필터에 과부하를 일으킵니다. 또한 전압 노칭은 PFC 커패시터에 추가적인 손실을 발생시키고 작동 온도를 상승시킬 수 있습니다.

전압 강하 시 발생하는 문제로는 일정한 토크 부하에서 AC 모터를 사용하는 워터 펌프가 더 많은 전류를 소비하고 효율이 떨어지며 때로는 과부하 릴레이가 트립되는 경우가 있습니다.

전압 상승은 일반적으로 즉각적인 장비 고장으로 이어지지는 않지만 반복적인 노출로 인해 시스템이 과도하게 스트레스를 받아 약화될 수 있습니다. 또한 전압 상승으로 인해 회로 차단기 및 기타 보호 장치가 오작동할 수도 있습니다. 전압 상승과 관련된 또 다른 문제는 절연 성능 저하로, 화재를 유발하여 정수 처리 시설의 안전한 운영에 위협을 초래할 수 있습니다.

정전이 발생하면 정수 처리장 운영이 중단되고 전기 장비의 수명이 단축될 수 있습니다. 또한, 대부분의 모터 제어 회로와 공정 제어 시스템은 전압 중단 후 자동으로 재시작되도록 설계되지 않았습니다.

전압 불균형은 심각한 장비 손상을 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 유도 모터에 불평형 전압이 공급되면 일반적으로 전압 불균형 크기의 몇 배에 달하는 라인 전류가 발생합니다. 즉, 5%의 전압 불균형이 있는 모터에 20 ~ 30%의 전류 불균형이 초래될 수 있습니다. 추가 전류는 모터의 저항(I²R) 손실을 유발하여 수십 °C의 온도 상승을 초래합니다.

전기 노이즈는 빠른 속도와 극도로 낮은 전력 수준으로 작동하기 때문에 정수 처리장에서 사용되는 솔리드 스테이트 센서 및 제어 장치에 심각한 문제가 됩니다. 신호 전압이 낮을수록 허용 가능한 노이즈 전압의 진폭이 줄어듭니다.

PQ 문제 완화

전압 변화, 드라이브 유도 접지 전류 감소, 공통 모드 노이즈 감소라는 세 가지 필수 기능을 수행하는 드라이브 절연 변압기를 사용하여 고조파를 완화할 수 있습니다. 변압기는 비선형 부하의 열을 견딜 수 있어야 하는데 SolaHD의 23-22-112-2 드라이브 절연 변압기를 예로 들 수 있습니다. 이 변압기는 120V 또는 240V 입력을 받고, 120V 출력을 제공하며, 출력 고조파 왜곡(입력 범위 내 최대 부하 시)이 총 RMS 콘텐츠의 3%에 불과합니다. 고조파의 유효 또는 RMS 값은 한 주기 동안의 고조파 성분의 평균 전력을 나타냅니다.

드라이브 절연 변압기는 중화 코일을 추가하여 고조파가 거의 없는 출력을 제공합니다(그림 7). 어떻게 작동하는지 알아보려면 중화 코일이 분리된 기존 변압기라고 생각하시면 됩니다. 이제 개방 회로 코일은 자기 플럭스의 일부가 코어의 중앙 다리를 통해 바깥쪽 다리로 통과할 때 전압이 유도되며 이 전압은 출력 권선의 누설 플럭스로 인해 홀수 고조파 함량이 높습니다.

그림 7: 23-22-112-2 드라이브 절연 트랜스포머는 중화 코일을 추가하여 고조파가 거의 없는 출력을 제공합니다. (이미지 출처: SolaHD)

누설 플럭스는 두 가지 경로를 통해 출력 권선으로 돌아갈 수 있는데 첫 번째 경로는 중화 코일을 우회하고 두 번째 경로는 중화 코일로 연결됩니다. 이러한 자기 경로의 릴럭턴스를 제어함으로써 중화 코일에 결합된 2차 플럭스의 정도를 제어할 수 있습니다. 중화 코일은 극성 첨가제와 함께 2차(또는 출력) 코일에 연결됩니다.

이 절연 변압기의 출력은 전압이 일정하며 고조파가 거의 없습니다. 고조파는 중화 코일에도 여전히 존재하지만, 2차 권선의 플럭스가 이러한 고조파를 유도하기 때문에 각 코일의 고조파는 약 180° 위상을 벗어난 상태로 상쇄됩니다.

SolaHD는 고조파 감소를 위해 63-23-125-4 250VA(볼트암페어) MCR 하드와이어 조정기도 제공하는데 이 조정기는 120V, 208V, 240V 또는 480V 입력과 120V 출력을 제공합니다. 출력 고조파 왜곡(입력 범위 내 최대 부하 시)은 총 RMS 콘텐츠의 3%입니다.

그림 8: 63-23-125-4 MCR 하드 와이어 조정기는 총 RMS 콘텐츠의 3%의 출력 고조파 왜곡을 제공합니다. (이미지 출처: SolaHD)

하드와이어 조정기는 SolaHD의 철공진 변압기 기술을 사용하여 제작되었습니다. 철공진은 장치에 두 개의 분리된 자기 경로를 생성하는 변압기 설계 기법으로, 두 경로 간의 결합이 제한적입니다. 이 설계의 장점은 입력 전류에 기본 전류에 비해 고조파 전류가 무시할 수 있을 정도로 적다는 것입니다. 변압기의 출력 측에는 병렬 공진 탱크 회로가 있으며 1차측에서 전력을 끌어와서 부하에 전달되는 전력을 대체합니다.

철공진 변압기는 비선형 회로를 형성하여 공진을 통해 공급 전압의 변화를 줄여 부하에 보다 일관된 전압을 제공합니다.

변압기의 릴럭턴스는 특정 자기 플럭스 밀도(포화) 이상에서 급변합니다. 변압기를 사용하면 한 자기 경로(공진 경로)는 포화 상태가 되고 다른 자기 경로는 불포화 상태로 유지됩니다. 이러한 방식으로 작동하면 1차 전압의 추가 변화로 인해 포화 전압 또는 2차 전압이 변경되지 않고 조정이 이루어집니다.

전력 조절기는 전압 강하로부터 중요한 프로세스 시스템을 보호하기 위해 배포됩니다.

전압 조정기와 강하 내성이 있는 전원 공급 장치도 공급 전압 강하로부터 보호합니다.

전압 상승은 서비스 입구, 분기 패널 또는 근처의 민감한 전용 전자 부하에 설치할 수 있는 SPD로 처리할 수 있습니다. 전압이 급증하면 SPD는 전류를 접지선으로 전환합니다. 정상적인 전류 흐름에는 영향을 주지 않으면서 임계값을 초과하는 과도 펄스의 경우 전원이 접지로 효과적으로 단락됩니다.

SolaHD의 STCHSP121BT1RU SPD(그림 9)는 AC 전원 및 저전압 신호 라인에 대한 서지 억제 기능을 제공합니다. 이 억제기는 공통 모드 및 일반 모드 노이즈 필터링과 금속 산화물 배리스터(MOV) 보호 기능을 갖추고 있습니다. 과도 상태에 대한 응답 시간은 5나노초(ns) 미만이며, 최대 서지 전류 내성은 39킬로암페어(kA)입니다. SPD는 또한 낙뢰와 같은 이벤트의 과도 전압에 대한 보호 기능을 제공하기는 하지만 낙뢰 보호 시스템 전체를 대체할 수는 없습니다.

그림 9: STCHSP121BT1RU SPD 억제기는 공통 모드 및 일반 모드 노이즈 필터링과 MOV 보호 기능을 제공합니다. (이미지 출처: SolaHD)

노이즈 완화는 SolaHD STFV025-24L과 같은 액티브 트래킹 필터를 사용하여 구현됩니다. 이 장치는 입력 AC 전원 라인을 지속적으로 추적하여 고주파 노이즈가 감지되면 응답합니다. 이 필터는 저역 통과 인덕터-커패시터(LC) 필터를 통해 저전압/고주파 노이즈를 제거합니다. 저에너지, 고주파 노이즈 감소를 위해 LC-저항(LCR) 필터가 사용되며 각 위상에 위치한 인덕터와 중성 도체는 라인의 최대 전류 소비를 처리할 수 있는 크기입니다. STFV025-24L의 응답 시간은 <5ns이며, 일반적인 카테고리 A 링웨이브(6kV, 200A, 100kHz)에 대한 과도 감소는 <10V 피크입니다.

결론

효율성을 높이고 정전을 방지하며 소중한 전기 자산의 손상을 방지하려면 PQ 문제를 예방하는 것이 중요합니다. 이러한 문제에는 고조파 왜곡, 전압 강하 및 상승, 과도 전압, 전기 노이즈 등이 있습니다. 이러한 문제를 해결하려면 다층적인 접근 방식이 필요합니다. 드라이브 절연 변압기, 하드와이어 조정기, 전력 조절기, SPD, 액티브 라인 필터 등 다양한 보호 장비를 제공할 수 있는 SolaHD와 같은 공급업체와 협력하면 필요한 안전장치를 더 쉽게 제공할 수 있습니다.