플리커·고조파 저감

왜 배우는가: 플리커와 고조파는 전력품질 문제의 대표 현상으로, 비선형 부하와 대용량 전동기·아크로가 늘면서 배전계통 설계와 수용가 계약의 핵심 쟁점이 됐다. 두 현상 모두 원인이 부하 특성에 있고 대책이 공급측과 수용가측으로 나뉘어, 기술사 시험에서 원인-영향-대책을 묶는 논술 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제134회 3교시 5번, 제120회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 플리커는 부하 변동으로 전압이 주기적으로 흔들려 조명 깜빡임 등을 일으키는 현상이고, 고조파는 기본파 정수배 주파수 성분이 전압·전류 파형을 왜곡시키는 현상이다.

핵심 키워드

• 전압변동
• 플리커(Flicker)
• 고조파(Harmonics)
• 비선형 부하
• 왜형률(THD)
• 무효전력 보상
• 능동형 전력필터(APF)
• 중성선 과열

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 플리커는 전등이 깜빡이는 현상이고 고조파는 전기 파형이 찌그러지는 현상이다. 둘 다 부하가 전기를 불규칙하게 끌어가면서 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 플리커는 부하 전류가 빠르게 변동할 때 배전선로 임피던스 강하가 변해 전압 실효값이 반복적으로 변동하고, 그 결과 조명 밝기가 인간의 시감에 거슬리게 변하는 현상을 말한다. 고조파는 기본 주파수의 정수배 주파수를 갖는 정현파 성분으로, 비선형 특성의 부하에 정현파 전압이 인가될 때 파형이 일그러지면서 발생한다.

플리커(Flicker) 는 전압변동이 반복되며 발생하는 시감 장애다. 전압변동이 짧은 주기로 반복될수록 인간의 눈이 민감하게 느낀다. 플리커의 원인은 전압변동의 크기와 반복 빈도가 결합된 결과다.

고조파(Harmonics) 는 기본파의 정수배 주파수 성분이다. 주파수가 높을수록 표피효과와 누설 임피던스의 영향을 크게 받아 설비에 미치는 열적 영향이 커진다.

비선형 부하(Non-linear Load) 는 전압과 전류가 비례하지 않는 부하다. 전력전자 변환장치, 아크로, 용접기, 형광등 안정기가 대표적이다.

왜형률(Total Harmonic Distortion, THD) 은 기본파 실효값에 대한 고조파 성분 실효값의 비율이다. 전압 왜형률과 전류 왜형률로 나누어 평가한다.

무효전력 보상 은 부하가 소비하는 무효전력을 콘덴서·리액터·정지형 보상장치로 공급하거나 흡수해 전압변동을 줄이는 방법이다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 구조가 바뀌면서 플리커와 고조파가 함께 문제 되기 시작했다. 제강용 아크로, 대형 전동기, 용접기처럼 무효전력 소비가 크고 전류가 빠르게 변하는 설비가 배전계통에 직접 연결되면서 전압변동이 커졌다. 국내에서는 플리커 현상 때문에 전등용 변압기에서 공급 가능한 단상 전동기의 용량을 기동 방식에 따라 제한하고 있다.

이후 전력전자 기술이 확산되며 고조파 문제가 본격화됐다. 정류기, 인버터, 쵸퍼, 사이클로 컨버터 같은 변환장치는 전류를 짧고 급격한 펄스로 끌어가므로 전류 파형을 왜곡한다. 가전기기의 스위치모드 전원(SMPS), 에너지 절약형 조명, LED 조명기기도 같은 원리로 고조파를 만든다. 이렇게 발생한 고조파는 같은 배전계통에 연결된 설비와 부하 전반에 영향을 준다.

플리커와 고조파가 함께 다뤄지는 이유는 원인이 모두 부하의 비선형성과 급변성에 있기 때문이다. 대책도 공급 계통의 구조 개선과 수용가측 보상·필터링으로 겹쳐 있어, 하나의 원인에 대한 종합적 관리가 필요하다. 따라서 배전계통 설계와 수용가 연계 기준에서 두 현상을 함께 제한한다.

고조파 발생 기기의 방출 한도는 국제적으로 IEC 61000-3-2가 대표적이다. 이 표준은 정격 전류 16A 이하 기기의 2차부터 40차까지 고조파 전류 한도를 정한다. 플리커는 IEC 61000-3-3이 저압 공급계통에서 정격 전류 16A 이하 기기의 전압변동과 플리커를 제한한다.

• 전압변동 제한 대상: 조명 깜빡임과 시감 장애
• 고조파 전류 제한 대상: 중성선 과열, 설비 과열, 계전기 오동작
• 두 현상은 함께 설계 단계에서 검토해야 한다

4. 구성요소·원리·절차

플리커와 고조파는 비선형·변동성 부하가 전원 측에 전압·전류 왜곡을 일으키는 현상이다. 두 현상은 원인 부하가 같아도 나타나는 모습이 다르다. 플리커는 부하 전류의 크기가 빠르게 변할 때 전압 진폭이 흔들려 조명 깜빡임으로 보인다. 고조파는 부하 전류가 기본파의 정수배 주파수 성분으로 찌그러져 설비를 과열시키고 오동작을 일으킨다. 배전 설계에서는 두 현상을 분리해 원인과 대책을 따로 세운다.

표의 두 현상은 측정 지표가 다르다. 플리커는 시간 평가 값으로, 고조파는 왜형률로 판정한다. 두 값을 혼용하지 않는다.

플리커의 원리는 부하 전류 변동이 계통 임피던스에 의한 전압강하 변동으로 바뀌는 것이다. 변동 폭이 크고 단락용량이 작을수록 전압 변동이 커진다. 이 관계를 식으로 쓰면 다음과 같다.

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

여기서 \Delta V는 전압 변동량(V), R·X는 계통 저항·리액턴스(Ω), \Delta P·\Delta Q는 부하 유효·무효전력의 변동분(W, var), V는 공칭 전압(V)이다. 무효전력 변동 \Delta Q가 큰 아크로와 같은 부하일수록 플리커가 커진다.

고조파의 원리는 비선형 부하가 전류를 짧은 펄스로 끌어가는 것이다. 펄스 전류가 계통 임피던스를 지나며 전압 파형도 왜곡된다. 고조파 전류 I_h가 흐르면 도체 실효저항이 표피효과로 커져 손실이 늘어난다.

$P_{loss,h} = I_h^2 R_h$

R_h는 고조파 주파수에서의 실효저항(Ω), I_h는 h차 고조파 전류의 실효값(A)이다. 특히 3의 배수 고조파는 중성선에서 같은 위상으로 더해진다.

플리커 대책 절차는 다음 순서로 세운다.

• 부하별 전류 변동폭과 주기를 측정한다.
• 계통 단락용량과 부하 용량비를 구한다.
• 전력 공급자 측 대책(전용 계통·전용 변압기·단락용량 증대·승압)을 우선 검토한다.
• 수용가 측 대책(직렬 콘덴서, 부스터, SVC, 직렬 리액터)을 선정한다.
• 설치 후 플리커 값을 재측정해 기준 만족을 확인한다.

고조파 대책 절차는 다음과 같다.

• 고조파 차수별 전류·전압 왜형률을 측정한다.
• 공진 조건을 검토해 콘덴서 설치 위치를 정한다.
• 수동형 필터(L-C 조합)나 능동형 필터(APF)를 선정한다.
• 중성선 용량과 변압기 K-factor를 확인한다.
• 필터 설치 후 왜형률과 공진 여부를 재측정한다.

도식 1개:

플리커의 단락용량 대비 부하 변동 비율이 클수록 플리커가 커진다. 고조파는 표피효과로 도체 실효저항이 커져 설비 과열을 부른다.

5. 관련 법령·기준·표준

플리커와 고조파는 국제 규격과 국내 기준이 함께 적용된다. 국내 전력품질 관리는 한국전기설비규정(KEC)과 전기사업법 체계 아래 한전 배전 기준을 따른다. 세부 적용은 배전 공급 규정으로 정한다. 다음 표는 수험 범위에서 자주 쓰는 기준 수치를 모은 것이다.

위 표에서 전압 왜형률 값은 배전 계통 일반 기준이다. 수용가별 허용치는 계약 전압과 공급 조건에 따라 달라진다. 저압 기기 고조파 한도는 IEC 61000-3-2가 2차부터 40차까지 전류 한도를 정한다. 16A를 넘는 기기는 IEC 61000-3-12를 따른다.

국내에서는 플리커 때문에 전등용 변압기에서 공급 가능한 단상 전동기 용량을 기동 방식에 따라 제한한다. 이는 수용가 측 기동 전류 억제 대책과 연결된다.

국제 기준은 IEC 61000-3-3이 저압 16A 이하 기기의 전압 변동과 플리커를 제한한다. 16A 초과 기기는 IEC/TS 61000-3-5 등 별도 기준으로 다룬다.

교재 참고: 제한 수치는 계통 전압 등급과 적용 기준에 따라 달라지므로 답안에는 기준 명칭과 함께 쓴다.

6. 유형과 비교

플리커와 고조파는 모두 배전계통 전압·전류 품질을 해치지만 현상과 대책이 다르다. 두 현상을 나눠 이해해야 답안에서 원인과 대책을 정확히 연결할 수 있다.