UPS - 순시전압 저하현상의 대책

UPS - 순시전압 저하현상의 대책

 

 

1. UPS의 개요와 동향

근래 일반 사회에 있어서 전기의 의존도는 점점 높아지고 있으며, 전력계통은 전력조류 제어기술, 초고압 송전기술, 계통운용기술의 고도화로 공급신뢰도가 향상되었지만 천재지변, 예측불허의 사고, 전력계통의 고장, 전력공급기기의 고장․수리보수 등으로 정전없이 공급한다는 것은 불가능하다.

위와 같은 상황에서 최소한의 보안전력으로 인명과 재산의 보호를 도모하고, 산업체의 경제적 손실을 최소화 하며, 특히 무정전이 요구되는 중요시설에 대해서 대책수립이 절실하며, 그 방법 중의 하나로 UPS(Uninterruptible Power System: 무정전전원장치)를 이용한다. 다만 UPS는 순간전압 저하 및 일정시간의 정전에 대한 수용가측의 대책이며, 전력 공급측의 고장, 장시간 정전에 대한 수용가측의 완벽한 대책은 불가능하다.

 

 

2. 순시전압 저하 현상

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1) 개요

뇌에 의하여 송전선의 전력계통에 사고가 발생한 경우 정전범위를 사고 설비에만 한정하기 위하여 전력설비의 자동보호기능에 의하여 사고설비를 고속으로 전력계통에서 분리하고 있다. 그러나 그 사고 송전선을 분리하기까지의 동안, 사고가 없는 전기설비로부터 전기의 공급을 받고 있는 수용가의 수전전압이 순간적으로 저하하는 일이 있다.

이 순간적인 전압저하를 순시전압 저하라고 한다.

이 순시전압 저하에 의한 장해를 방지하기 위하여는 먼전 송전선사고, 특히 송전선 사고원인의 대부분을 차지하는 뇌에 의한 사고 방지를 도모하고 전력설비로서도

① 피뢰기의 설치

② 가공지선의 다선화 등에 의한 뇌사고의 미연에 방지하는 대책의 강화를 도모하는 것과 동시에 순시전압 저하가 발생하여도 수용가의 설비에 영향을 최소화하기 위하여 사고구간의 분리를 고속으로 분리 등의 대응을 도모하고 있다. 그렇지만 이들 전력측에서의 대책에 대하여는 비용․기술 양면에서 현단계로서는 이것 이상의 개선을 바랄 수는 없는 상황에 있다.

이 때문에 순시전압 저하에 따른 기기나 제품 및 업무에의 영향, 설비(기기)상황에 적합한 대책을 강구해야 한다.

 

2) 순시전압 저하 발생 메커니즘

송전선에 사고가 발생하면 사고가 있는 송전선은 고속으로 전력계통에서 분리시키지만 분리까지의 아주 짧은 시간(0.07초～0.2초 정도) 사고 선로와 같은 계통에서 전기의 공급을 받고 있는 수용가는 순간적으로 전압이 저하한다. 즉 사고가 있는 송전선으로부터 공급을 받고 있는 수용가는 당연히 정전되지만 사고가 없는 송전선에서 전기의 공급을 받고 있는 수용가도 순간적인 전압저하가 발생한다.

순시전압 저하는 정전과 달리 광범위하게 발생한다.

< Fig01. 순시전압 저하와 정전 >

 

< Fig02. 순시전압 저하와 정전 - 사고송전선 >

 

< Fig03. 순시전압 저하와 정전 - 사고없는 송전선 >

 

3) 기기의 순시전압 저하 내량

기기의 순시전압 저하 내량을 그림(Fig04)에 나타낸다. 이 그림과 표01과 비교하면 기기는 순시전압 저하로 무엇인가 영향을 받는 것을 알 수 있다.

 

< 표01. 순시전압 저하 계속시간 >

	0.1초미만	0.1～0.2초	0.2～0.3초	0.3초 초과
특별고압	50%	50%	극히 드물다	극히 드물다
고압, 저압	40%	40%	20%	극히 드물다

 

 

< Fig04. 기기의 순시전압 내량 >

 

(주) 이 특성은 실측의 한 예이고, 메이커의 보증치는 아니다. 기종․부하 상황에 따라서 특성은 다르다.

 

기기의 순시전압 내량은 0.1초 이하로 사고 제거 시간에 비하여 극히 단시간의 내량 밖에 갖지 않고, 이 때문에 수용가측에서 무엇인가 대응이 필요하며, 순시전압저하의 영향을 받기 쉬운 기기와 그 대책에 대하여 정리하면 표2와 같다.

 

< 표02. 순시전압 저하의 영향과 그 대책 >

전압저하의 영향			대책방법
설비	적용개소의 예	영향
무정전형 CVCF 전원장치(배터리 붙이)가 없는 컴퓨터	•공장의 프로세스 제어용 컴퓨터	•10～20% 이상의 전압저하가 0.003～0.02초 계속하면 컴퓨터가 정지한다.	•무정전형 CVCF(배터리 붙이) 전원장치 설치
마그넷 스위치를 사용하는 모터	•공장모터의 대부분	•50% 정도 이상의 전압 저하가 0.005～0.02초 계속되면 마그넷 스위치가 동작하여 모터가 정지한다. •모터정지에 따라 생산이 정지한다.	•마그넷 스위치를 지연석방식이나 래치식등으로 변경하여 제품이나 기기보호면에 영향을 미치지 않는 범위에서 순시전압 저하시의 스위치의 동작을 지연시킨다.
사이리스터 등을 사용한 가변속 모터	•일반 산업용 모터 •엘리베이터 •정수장, 하수처리장의 펌프용 모터	•20% 이상의 전압저하가 0.005초에서 0.03초 계속되면 모터가 정지한다. •모터 정지 때문에 공장의 조업, 엘리베이터, 수도등이 정지한다.	•모터의 제어방식을 전압저하시, 사이리스터 순변환기(컨버터) 또는 역변환장치(인버터)를 로크 상태로하여 전압이 복귀한 후 자동적으로 정상운전으로 되돌리는 순시전압 저하대책 붙이로 한다. •마그넷 스위치를 사용하고 있는 경우는 마그넷 스위치의 대책도 한다.
짧은 시한의 부족전압 릴레이를 설치한 수전설비(분산형, 즉 코․제너레이션 장치의 수용가도 해당)		•부족전압릴레이(UVR)의 동작시간이 짧은 경우 정지한다.	•제품 및 기기보호면에서의 영향을 미치지 않는 범위에서 부족전압릴레이의 동작 정전시간을 연기한다. •코․제어 보호용은 순저시간 이상의 한시로 한다.
고압방전램프	•스포츠 시설, 점포, 도로 등의 조명	•20～30% 이상의 전압이0.01초～0.1초 계속하면 소등한다.	•순시 재점등형으로 바꾼다.
•퍼스컴 •워프로 •워크스테이션		•10～30% 이상의 전압이 0.01～0.1초 계속하면 데이터가 소멸된다. •하드디스크에 기록중, 순시전압저하가 있으면 하드디스크내 전 테이타의 판독, 기록이 불가능해진다.	•소용량 UPS가 염가로 시판되어 있으며, 이것을 사용한다. •프로그램에 오토 세이브기능이 있는 경우 이것을 사용한다. •일정기간마다 세이브 하는 기능을 사용한다.

 

4) 순시전압 저하가 발생하는 사고

사고중에 어느정도 전압이 발생하는가는

① 1선 지락, 2선 단락의 사고 양상

② 중성점 접지방식

(특히 1선 지락시의 전압 저하 정도는 중성점 접지방식에 따라 다르다.)

③ 사고점과 수용가의 거리 등의 요인에 따라 다르다.

순시전압 저하는 전원에 가까운 개소에서의 사고일수록 계통말단의 사고보다 영향범위가 넒어진다.

< Fig04. 사고점에 따른 전압구배(a) >

 

< Fig05. 사고점에 따른 전압구배의 양상(b) >

 

 

3. 순시전압 저하의 방지대책

1) 무정전 전원장치(UPS)에 의한 대책

UPS에 의한 순시전압 저하의 방지대책은 과거 전동발전기를 이용한 UPS방식이 사용되었으며, 전력용 반도체의 발달로 CVCF(정전압 정주파수 전원장치)와 배터리를 조합한 UPS장치(이하 정지형UPS)가 많이 사용되고 있으며, 최근에는 엔진을 이용한 배터리가 필요 없는 Dynamic UPS를 일부 적용하고 있으며,

① 컴퓨터용 전원장치(은행, 우체국의 온라인 시스템)

② 방송통신기기(TV, 라디오, 방송설비, 무선통신설비, 전화교환설비)

③ 플랜트 계측설비(화학 플랜트, 석유 플랜트, 철구 플랜트, 상하수도 플랜트)

④ 관제․관리 시스템(공항관제, 교통관제, 항만관리)

⑤ 비상전원(병원, 백화점, 호텔 등의 조명설비, 터널 조명)등의 안정화 장치로 널리 사용되고 있다.

 

특히 정지형UPS는 그림(Fig06)와 같이 구분할 수 있고, 순시전압 저하 대책면에서는 반드시 배터리 붙이(상시 부동충전방식)의 것을 선택해야 한다.

 

< 표03. 순시전압 저하에 따른 정지형UPS 장치의 분류 >

 

2) 기기별 순시전압 저하대책

2-1) 마그넷 스위치

전자개폐기는 일반적으로 여자에 의해서 폐로를 유지되고 있기 때문에 여자전압이 일정값 이하로 내리면 개로해 버린다. 이 현상을 순시전압 저하시 하지 않도록 하기 위해서는 다음과 같은 대책이 필요하다.

① 래치형 선택

이 타입은 전자석을 여자하여 투입한 후는 래치에 의하여 기계적으로 유지하는 것으로 개폐빈도가 적은 개소에 적합하다. 또한 개로하기 위해서는 개로전용 전원 또는 콘덴서 트립회로가 필요하다.

② 지연석방형 채택

순시 정전이나 순시 전압 저하가 있는 경우, 조작코일에 병렬로 접속한 콘덴서에 의하여 1～3초 정도, 회로를 그대로 유지하도록 한 것이다. 이 방식은 화학 플랜트나 방적기기 등에 순시전압저하로 석방되어서는 안되는 중요회로나 기억회로에 적합하다.

③ 전압저하 시나 정정시는 배터리로 운전하는방법

④ CVCF나 배터리로 무정전 전원으로 조작하는 방법

 

2-2) 부족전압계전기(UVR)

부족전압계전기는 전압저하 시나 재송전시, 기기보호의 관점에서 널리 채택되고 있다. 일례로써 유도전동기에의 영향을 설명하면 유도전동기는 발생토크가 단자전압의 제곱에 비례하기 때문에 일정기기의 부하를 접속한 전동기의 단자전압이 저하하면 전동기가 과부하로 되고 전압강하가 크면 구속상태로 되어 고정자권선을 손상한다. 또 전력측에서 보면 복전시 한 번에 다수의 전동기가 가속되면 그들의 시동전류로 계통에 큰 요란을 주기 때문에 바람직한 것이 아니고, 이것을 방지하기 위하여서도 유효하다.

 

2-3) 전동기 가변속 구동제어장치와 영향․대책

사이리스터, 트랜지스터 내지 GTO(게이트 턴 오프 사이리스터)를 사용한 가변속 구동제어장치는 대폭적인 전력절약과 고도의 속도제어가 가능하기 때문에 모터의 가변속 운전용에 널리 채용되고 있다. 가변속 구동제어 장치에는 표04와 같이 분류한다.

 

< 표04. 전동기 가변속 구동장치 >

가변속 구동장치	전동기
인버터 장치	유도전동기
세르비우스 장치	권선형 유도전동기
레오너드 장치	직류전동기
사이리스터 장치	동기전동기

이들 장치는 전압이 저하하면 정상인 제어가 곤란하고 특히 전원측에 전력을 회생하는 기능을 가지는 가변속 구동제어장치, 예를들면 병렬구성의 레오너트장치, 전류형 인버터장치, 사이리스터 모터장치에서는 회생운전중에 순시전압 저하가 발생하면 사이리스터 회로중의 사이리스터 소자가 전류(輾流)실패하여 부하 단락상태로 되어 퓨즈의 용단이나 소자의 파괴에 이를 가능성이 있다.

순시전압 저하 대책면에서 보면 각 장치 모두 기본적으로 다음과 같이 사고방식에 입각하여 대책이 필요하다.

○ 순시전압저하시에 회로(직류리액터, 사이리스터등)를 확실하게 보호한다.

○ 릴레이회로, 제어회로의 전압을 콘덴서 등으로 유지한다.

○ 복선시 이상이 발생하지 않도록 확실하게 재기동 시퀀스를 짠다.

 

2-4) 고압방전 램프의 대책

① 순시전압 저하의 영향

수은램프나 고압 나트륨의 고압방전 램프는 램프 내부의 증기압이 낮으면 비교적 낮은 전압으로 방전(점등)을 개시하지만 증기압이 높은 경우는 고전압을 인가하지 않으면 방전할 수 없다. 그래서 순시전압 저하로 일단 소등하면 램프 내부의 증기압이 충분히 저하하기 까지 재점등되지 않고 안정점등(정격출력)하기까지에는 일정시간을 요한다.

② 순시전압 저하대책

이상과 같이 고압방전 램프 조명설비에서는 송전이 개시되어도 10분 내외의 정지상태가 되므로 그 동안 인명, 기타 중대사고의 발생, 등 피해가 일어날 가능성이 있다. 이 때문에 순시전압 저하나 정전빈도가 많은 설비의 즉시 점등이 요구되는 장소에서는

○ 순시 재점등형 수은 램프

○ 순시 재점등 수은 램프용 안정기

○ 전구나 형광등을 병용 할 필요가 있다.

 

펄스회로에서 고전압을 발생시켜 소등 직후에도 재점등 가능하다.

 

< Fig06. 순시 재점등형 안정기의 기본회로 >

 

2-5) 퍼스컴, 워프로, 워크스테이션의 대책

○ 내장전지에 의한 데이터 백업기능 붙이 사용

○ UPS나 콘덴서를 활용한 순시전압 대책 유닛 사용

○ 오토 세이브 기능이 있는 프로그램의 사용 등