고조파 콘덴서 영향

왜 배우는가: 고조파가 콘덴서 회로에 미치는 영향은 역률개선 설비의 소손과 계통 공진 사고로 이어져 실무에서 반드시 점검해야 하는 문제다. 기술사 시험에서는 직렬·병렬 공진, 단자전압 상승, 대책을 묶어 반복 출제되므로 원리와 용어를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제133회 3교시 3번, 제128회 1교시 10번, 제126회 3교시 5번, 제113회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고조파 콘덴서 영향은 전력용 콘덴서 회로에 유입된 고조파 전류가 콘덴서와 계통 리액턴스의 공진을 일으켜 과전류·과전압을 발생시키고 기기를 손상시키는 현상이다.

핵심 키워드

• 고조파 전류: 기본파(60Hz)의 정수배 주파수를 갖는 전류 성분
• 직렬 공진: 콘덴서와 리액턴스가 상쇄되어 임피던스가 저항 성분만 남는 현상
• 병렬 공진: 콘덴서와 계통 리액턴스가 병렬로 공진하여 임피던스가 매우 커지는 현상
• 고조파 증폭: 병렬 공진점 부근에서 고조파 전류가 확대되는 현상
• 단자전압 상승: 콘덴서 양단에 기본파 전압과 고조파 전압이 겹쳐 정격을 초과하는 현상
• 직렬리액터(SR): 콘덴서에 직렬로 설치하여 공진점을 이동시키는 대책 기기
• 동조(tuning): 특정 차수 고조파에 맞춰 리액터와 콘덴서의 공진점을 정하는 방법
• THD(종합 고조파 왜형률): 기본파 대비 고조파 실효치의 비로 나타낸 왜곡 정도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 콘덴서는 고조파 전류를 만들지 않지만 계통의 인덕턴스와 짝을 이루어 특정 주파수에서 진동하기 쉬운 회로가 된다. 그 주파수에 고조파가 들어오면 전류나 전압이 크게 커진다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력용 콘덴서는 자신이 고조파를 발생시키지 않으나, 전원측 임피던스(리액턴스)와 콘덴서 리액턴스가 어떤 차수 n에서 같아지면 공진이 일어난다. 이때 콘덴서 회로가 고조파 전류의 통로가 되어 영향을 받는다.

용량성 리액턴스와 유도성 리액턴스: 콘덴서 리액턴스는 주파수에 반비례하고, 리액터(계통 인덕턴스) 리액턴스는 주파수에 비례한다. 두 값이 같아지는 주파수가 공진 주파수다.

직렬 공진: 콘덴서와 인덕턴스가 직렬로 연결된 회로에서 공진 주파수에 이르면 두 리액턴스가 상쇄되어 합성 임피던스는 저항분만 남는다. 저항이 작으면 큰 전류가 흐른다.

병렬 공진: 콘덴서와 계통 인덕턴스가 병렬로 연결된 회로에서 공진 주파수에 이르면 합성 임피던스가 매우 커진다. 작은 고조파 전원으로도 콘덴서와 인덕턴스 사이에 큰 순환전류가 흐르고, 병렬 조합 양단의 전압이 높아진다.

고조파 발생원: 정류기, 인버터, 아크로, 형광등, 회전기기 등 비선형 부하가 고조파 전류를 만든다. 전력 시스템에서 고조파는 기본 주파수의 양의 정수배로 정의된다. 예를 들어 제5고조파는 기본파의 5배이며 주파수는 300Hz다.

3. 등장 배경과 필요성

산업화로 전동기 같은 유도성 부하가 늘면서 지상 무효전력이 증가했고, 이를 줄이기 위해 전력용 콘덴서로 역률을 개선하는 방식이 널리 쓰이게 되었다. 역률이 낮아지면 전압강하와 전력손실, 전류 증가가 생기므로 콘덴서 설치는 계통 운영의 기본 대책이다.