Analysis of Heat Source Distribution in Low Voltage Condenser

Abstract - In this study, the heat source distributions at the end side and the center of the electrode are analyzed to estimate the electrical stress due to the harmonics from the nonlinear loads. The governing equation at the analysis area of low voltage condenser are numerically solved using the finite element software package to analyze the effects of heat source distribution due to the 5th and 7th harmonics, which can exist normally in the distribution network and can be applied to the low voltage condenser. Finally, the heat source distribution from the harmonics is compared and analyzed with the heat source distribution from the fundamental component of the applied voltageKey Words : Condenser, Non-linear load, Harmonics, Power factor † 교신저자, 시니어회원 : 강릉원주대학교 전기공학과 교수․공박E-mail : jgkim@gwnu.ac.kr*정 회 원 : 충남대학교 전기공학과 박사과정수료** 정 회 원 : 호서대학교 기계공학과 교수․공박***정 회 원 : 강릉원주대학교 전기공학과 교수․공박 접수일자 : 2010년 5월 5일 최종완료 : 2010년 6월 23일 1. 서 론 저압 배전계통에는 전압에 대해 거의 정현적인 전류파형을 갖는 선형 부하(linear load)뿐만 아니라 정류기, 가변속 제어장치(ASD)와 같이 고조파 성분이 포함되어 있는 비선형 부하(non-linear load)가 많이 사용되고 있다. 콘덴서는 전동기와 같은 유도성 부하에 필요한 무효성분 전력을 전원측을 대신하여 제공하여 전원측 역률을 개선할 뿐만 아니라 주파수가 높아짐에 따라 임피던스가 낮아지는 특성을 이용하여 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류 성분을 흡수하는 필터로 사용되고 있다. 또한 콘덴서는 저압 배전계통에서 부하측 단자 또는 변압기 2차측에 설치되어 역률보상용으로 널리 사용되고 있다. 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류를 저감하기 위해서 수동필터로 사용되는 경우, 비선형 부하장비의 입력부에 설치하는 경우가 일반적이다[1].그리고 전압파형의 왜형을 경감시키고 콘덴서 투입시의 돌입전류를 억제할 목적으로 콘덴서는 직렬 리액터와 조합하여 사용할 경우 계통 또는 비선형 부하로부터의 고조파를 콘덴서가 흡수하게 된다. 그러나 대부분의 전력전자기기는 전원측에 많은 양의 고조파를 반송하는 비선형 부하로서 그 고조파 전류 성분은 전원측에 위치한 역률보상용 저압 콘덴서에 유입되어 그 수명을 단축시키는 주요한 요인으로 작용한다[2,3]. 특히, 각 고조파 발생원에서 발생한 고조파 성분들과 여러 고조파 발생원의 조합에 의한 다양한 고조파 성분에 대한 분석 및 실험적인 검증을 한 바가 있는데 특히, 5고조파와 7고조파 성분에 의한 영향이 큰 것을 확인하였다[2,4].콘덴서 수명에 영향을 주는 요소로서는 전압, 전류, 그리고 온도 등이 있다. 전압의 증가는 전류의 증가와 관련되며 특히 콘덴서에 고조파의 유입은 전류의 증가와 함께 내부 온도를 높이게 된다. 따라서 콘덴서에 고조파 성분을 포함한 전압의 증가는 콘덴서 수명에 큰 영향을 주기 때문에 이러한 전기적 스트레스를 줄이기 위해서라도 고조파 전압에 의한 특성 해석이 필요하다.본 연구에서는 저압 콘덴서에 정격전압 및 정격전압의 1.3배 인가시 전기적 스트레스의 1차적인 원인이 되는 변위전류와 전도전류에 의한 열원 분포를 유한요소해석 소프트웨어[4]를 이용하여 정량적으로 분석하였다. 또한 저압 콘덴서에 주로 유입되는 비선형 부하로부터의 5고조파 성분과 7고조파 성분 인가시 그 콘덴서 내부 열원분포를 해석하고 기본파 인가시의 열원분포와 비교 분석 하였다.