플리커

왜 배우는가: 플리커는 전압변동이 조명 깜빡임과 전자기기 장해로 나타나는 현상으로, 실무에서 아크로·용접기·대용량 전동기 같은 변동부하의 계통연계 검토와 전압 품질 관리에 직결된다. 배전 및 계통 연계 분야에서 발생원인, 측정 지표, 경감대책을 묻는 문항으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제127회 2교시 4번, 제119회 1교시 1번, 제91회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 플리커(Flicker)는 부하전류의 급격한 변동으로 전원 전압이 변동하여 조명의 밝기가 눈에 띄게 흔들리는 현상이다.

핵심 키워드

• 플리커(Flicker)
• 전압변동
• 전압변동률
• 단기 플리커 값(Pst)
• 장기 플리커 값(Plt)
• 무효전력 변동
• 직렬 리액터
• SVC(정지형 무효전력 보상장치)

2. 개념 풀이

플리커는 쉽게 말해 불이 깜빡이는 현상이다. 전등이 어두워졌다 밝아졌다 하거나 TV 화면이 일그러져 보이는 것이 대표적이다. 원인은 전원 전압이 짧은 주기로 흔들리는 것이다. 전압이 흔들리면 같은 전구라도 밝기가 함께 흔들린다.

정식 정의는 다음과 같다. 플리커는 부하 전류가 시간에 따라 빠르게 변할 때, 전원 임피던스에 의한 전압강하가 주기적으로 변동하여 발생하는 전압변동이 조명 등의 휘도 변화로 인지되는 현상이다. 전압의 변동폭과 반복 주파수가 함께 인간 시각에 영향을 준다.

핵심 용어를 풀어 쓰면 다음과 같다.

전압변동은 부하 변화에 따라 실효 전압이 기준값에서 벗어나는 현상이다. 정상상태에서 변동 폭이 작다면 장해는 적다. 변동이 반복되면 사람은 깜빡임으로 인지한다.

단기 플리커 값(Pst)은 10분 관측 구간에서 통계 처리한 지표다. 기준 P값 1.0은 시험 대상자의 50%가 눈에 띄고 불쾌하다고 느끼는 수준으로 정의되어 있다.

장기 플리커 값(Plt)은 2시간 구간의 Pst 값 여러 개를 3제곱 평균하여 구한다. 계통 측 장기 장해 판정에 쓰인다.

인지 특성상 플리커는 약 0.5~25Hz 대역의 반복 변동에 민감하다. 특히 5~15Hz 구간의 규칙적 변동은 사무실 조명에서 뚜렷하게 보인다. 이 대역은 플리커 판정의 핵심 주파수 범위이다. 그래서 같은 전압 변동폭이라도 주파수에 따라 장해 정도가 크게 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 설비가 대형화되면서 순간적으로 큰 전류를 소비하는 부하가 늘었다. 제강용 아크로, 저항 용접기, X선 장치, 대용량 전동기와 유도로 등이 대표적이다. 이들 부하는 무효전력 소비가 크고 부하 전류가 빠르게 변동한다. 그 결과 같은 계통에 연결된 일반 수용가의 조명이 깜빡인다.

전력 공급 측에서는 이 문제를 계통 설계 단계에서 다뤄야 했다. 전압변동이 커지면 전등뿐 아니라 전자기기, 제어장치, 정밀 공정도 영향을 받는다. 따라서 전력 공급자와 수용가가 함께 관리할 필요가 생겼다.

국내에서는 플리커 장해를 막기 위해 전등용 변압기에서 공급할 수 있는 단상 전동기의 용량을 기동 방식에 따라 제한하고 있다. 이 제한은 기동 시 발생하는 큰 전류가 전압변动을 일으키는 것을 막기 위한 것이다. 시설 계획 단계에서 전동기 기동 용량을 검토하는 이유가 여기에 있다.

플리커 판정 기준은 IEC 61000-3-3 등 국제 기준으로 정리되어 있다. 측정 장비의 요구사항은 IEC 61000-4-15에서 정한다. 이 기준들은 공급 측 전압변동의 허용 한계를 정량적으로 제시한다.

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나. 플리커 장해는 전압변동의 크기와 반복 주파수에 따라 달라진다. 전압변동 폭이 관련 기준이 정한 값 이상이면 5~15Hz 대역에서 조명 장해가 뚜렷해질 수 있다. 같은 폭이라도 반복 주기가 길면 인지 정도가 낮다.

4. 구성요소·원리·절차

플리커(Flicker)는 부하 전류가 빠르게 변할 때 계통 임피던스에서 생긴 전압강하가 조명 밝기를 흔들어 나타난다. 원인과 장해가 이어지는 구성요소는 아래 표와 같다.

플리커의 원리는 계통의 전압강하로 설명한다. 부하의 유효전력과 무효전력이 변하면 전압 변동분은 다음과 같이 근사한다.

$\Delta V \approx \frac{R\Delta P + X\Delta Q}{V}$

여기서 \Delta V는 전압 변동분(V), R과 X는 전원에서 부하점까지의 저항과 리액턴스(Ω), \Delta P와 \Delta Q는 유효·무효전력의 변동분(W, var), V는 기준 전압(V)이다. 같은 부하 변동이라도 계통의 임피던스가 작을수록 \Delta V가 줄어든다. 따라서 단락용량이 큰 계통에서 공급하면 플리커가 줄어든다.

플리커의 크기는 인지 기준으로 나타낸다. 단시간 값 P_{st}는 10분 관측 구간의 통계 처리로 구하고, 장시간 값 P_{lt}는 2시간 동안의 12개 P_{st} 값을 세제곱 평균하여 구한다.

$P_{lt}=\sqrt[3]{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}P_{st,i}^{3}}\quad (N=12)$

P_{st}는 단시간 플리커 값, P_{lt}는 장시간 플리커 값, N은 2시간 동안의 P_{st} 개수다. P_{st} 1.0은 시험 대상자의 50%가 플리커를 뚜렷하고 불쾌하게 느끼는 수준이다.

플리커 평가와 대책 선정의 절차는 다음과 같다.

• 부하의 기동 전류와 변동 빈도를 파악한다.
• 공급 지점의 단락용량으로 계통 임피던스를 구한다.
• 위 식으로 전압 변동분과 전압변동률을 계산한다.
• 플리커계로 P_{st}와 P_{lt}를 측정하거나 계산한다.
• 허용치를 넘으면 공급측 또는 수용가측 대책을 고른다.

플리커는 부하 변동에 의한 전압 변동이 조명 밝기를 흔들어 사람이 인지하는 현상이다.

5. 관련 법령·기준·표준

플리커의 측정 장치와 허용 기준은 국제 규격이 기준이다. 국내에서는 전등용 변압기에 연결하는 단상 전동기의 용량을 기동 방식에 따라 제한하는 방식으로 플리커를 관리한다. 주요 기준은 아래 표와 같다.

표의 기준값 중 Pst 1.0은 인지 한계이며, Plt 0.65는 장시간 허용치다. 두 값은 IEC 61000-3-3 의 한계값으로 쓰며, 전압 등급과 설비 용량에 따라 적용 대상이 다르다.

국내 기준은 전기사업법에 따른 전력 공급자의 전압 관리와 수용가 측 연계 조건으로 정리된다. 단상 전동기의 기동 용량 제한처럼 설비 기준으로 플리커를 막는 방식이 실무에서 쓰인다. 플리커 기준이 전압변동률과 연결되므로, 설계 단계에서 전압강하 계산과 함께 검토한다.

개정 연혁: 국제 규격은 측정 방법과 허용 한계를 함께 갱신하며, 국내 기준은 공급 조건과 설비 규정의 변경에 따라 조정된다.

6. 유형과 비교

플리커는 원인과 대책의 방향에 따라 여러 방식으로 구분할 수 있다. 수용가 부하의 성격에 따라 반복성 플리커와 비반복성 플리커로 나누고, 억제 대상에 따라 무효전력 보상형과 전압강하 보상형으로 나눈다. 아래 표는 부하 유형별 플리커 특성을 비교한 것이다.