고조파 영향 및 대책

왜 배우는가: 고조파는 비선형 부하가 늘면서 변압기·전동기·케이블·커패시터 등 전기설비의 과열, 오동작, 수명 단축을 일으키는 대표적 전력품질 문제다. 실무 설계와 점검에서 고조파 대책을 빼놓을 수 없고, 기술사 시험에서도 영향·대책을 묻는 문항이 여러 교시에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제138회 4교시 3번, 제131회 1교시 3번, 제130회 3교시 5번, 제113회 3교시 4번, 제95회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고조파는 기본파 주파수의 정수배 주파수를 갖는 정현파 성분으로, 비선형 부하가 전압·전류 파형을 왜곡시켜 발생한다.

• 고조파(Harmonics)
• 기본파(Fundamental Wave)
• 비선형 부하
• 총고조파왜곡률(THD)
• 표피효과
• 영상분 전류
• 중성선 과열
• 삼배수 고조파

2. 개념 풀이

고조파를 쉽게 말하면 60Hz 전원 파형 위에 더해진 다른 주파수의 물결이다. 전원이 정확한 사인파라도 부하가 전류를 끊어 쓰거나 철심이 포화되면 파형이 찌그러지고, 찌그러진 파형은 여러 개의 정현파로 분해된다. 이때 가장 낮은 차수의 성분이 기본파이고, 그 정수배 주파수 성분이 고조파다.

정식으로는 기본파의 정수배 주파수를 갖는 정현파 성분을 고조파라 한다. 기본파의 정현파 전원이 비선형 특성을 가진 부하에 인가되면 파형이 일그러지는 왜곡파가 생기고, 부하의 비선형 특성에 따라 특유의 고조파가 포함된다. 차수 n의 고조파 주파수는 기본 주파수의 n배다. 예를 들어 60Hz 계통에서 제5고조파는 300Hz다.

고조파 왜곡(Harmonic Distortion)은 이상적인 사인파에서 벗어난 정도를 말한다. 그 정도를 하나의 수치로 나타낸 것이 총고조파왜곡률(THD, Total Harmonic Distortion)이다. THD는 기본파 실효값에 대한 고조파 성분 실효값의 비율로 정의한다.

고조파는 일반적으로 약 50차 이하 성분을 말한다. 그보다 높은 주파수 성분은 고주파(High Frequency)나 노이즈(Noise)로 구분한다. 전력계통 모의에서 다루는 고조파 범위는 제5고조파(300Hz)에서 제37고조파(2,220Hz)까지가 많이 쓰인다.

고조파는 발생 성질에 따라 두 가지로 나눈다. 정류기나 인버터처럼 전력전자 소자가 만드는 특성 고조파(Characteristic Harmonics)는 차수가 일정하게 예측된다. 아크로, 용접기, 형광등 안정기처럼 불규칙하게 나오는 비특성 고조파(Non-characteristic Harmonics)는 차수와 크기가 일정하지 않다.

전압 고조파와 전류 고조파는 구분해서 본다. 전압 고조파는 주로 전류 고조파가 전원 소스 임피던스에 흐르면서 생긴다. 전원의 소스 임피던스가 작으면 같은 전류 고조파에서도 전압 왜곡이 작다. 일반적으로 전압 고조파는 전류 고조파보다 작다.

3. 등장 배경과 필요성

고조파 문제는 전력전자 기기의 보급과 함께 커졌다. 과거 전력계통의 주요 부하는 전동기, 조명, 저항성 부하처럼 전류와 전압이 비례하는 선형 부하였다. 이후 인버터 구동 전동기, 정류 장치, 무정전 전원장치(UPS), LED 조명 등 비선형 부하가 많아지면서 전류 파형이 크게 왜곡되기 시작했다.