변압기 고조파 영향

왜 배우는가: 변압기는 전력계통의 핵심 설비이며, 비선형 부하와 인버터·정류기 확산으로 고조파 전류가 늘어 변압기 손실 증가, 과열, 절연 열화, 용량 저감 문제가 현장에서 자주 발생한다. 그래서 기술사 시험에서 원인, 영향, 대책을 묶어 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제132회 1교시 11번, 제121회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 고조파는 기본파 정수배 주파수를 갖는 왜곡 전류·전압 성분으로, 변압기에서는 철손·동손 증가와 과열을 일으킨다.

핵심 키워드

• 고조파(Harmonics): 기본 주파수 60Hz의 정수배 성분
• 총고조파왜곡률(THD): 기본파 대비 고조파 실효값 비율
• K-Factor 변압기: 비정현파 전류의 가열 효과를 견디도록 설계된 변압기
• 와류손(Eddy current loss): 주파수 제곱에 비례하는 철심 손실
• 히스테리시스손: 주파수에 비례하는 철심 자화 손실
• 동손 증가: 표피효과에 의한 권선 저항 증가로 생기는 손실
• 역상분 고조파: 회전기 과열과 진동을 일으키는 성분
• 영상분 고조파: 델타결선 내를 순환하며 온도를 높이는 성분

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변압기에 들어오는 전류 모양이 사인파가 아니고 찌그러진 파형일 때 그 찌그러짐 속에 들어 있는 성분이 고조파다. 전력용 변압기는 이 성분 때문에 설계 때보다 더 많이 가열된다.

정식 정의는 다음과 같다. 고조파는 기본 주파수의 정수배인 주파수를 가진 전압·전류 성분이다. 비선형 부하가 기본파 전류를 왜곡시킬 때 생긴다. 왜곡된 전압 파형의 고조파 성분을 전압 고조파라 하고, 이는 계통 임피던스에 비례하여 나타난다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

총고조파왜곡률(THD) 은 모든 고조파 실효값의 제곱합 평방근을 기본파 실효값으로 나눈 값에 100%를 곱한 값이다. 전류 THD와 전압 THD로 나누어 쓴다. 전류 THD가 크면 변압기 권선 손실이 커지므로 변압기 영향 분석의 출발점이 된다.

와류손과 히스테리시스손 은 철손의 두 구성 요소다. 히스테리시스손은 자화 방향이 반주기마다 바뀌면서 생기며 주파수에 비례한다. 와류손은 철심 내 순환 전류에 의해 생기며 주파수의 제곱에 비례한다. 따라서 고차 고조파일수록 와류손 기여가 급격히 커진다.

K-Factor 는 비정현파 전류에 의한 가열 효과를 나타내는 계수다. 변압기 선정 시 부하의 K 계수를 추정하고, 같거나 더 높은 K 계수를 가진 변압기를 골라야 한다. 일반 표준 변압기를 고조파 부하에 그대로 쓰면 정격보다 낮게 사용(감용)해야 하는데, K-Factor 변압기는 이를 설계로 해결한다.

3. 등장 배경과 필요성

과거에는 변압기 부하가 대부분 조명과 전동기였고, 이들은 거의 정현파 전류를 흘렸다. 그래서 변압기 설계는 기본파 기준의 손실만 고려하면 충분했다.

인버터, 정류기, 무정전전원장치(UPS), 전력변환장치 등이 널리 보급되면서 부하 전류가 비선형 특성을 띠게 되었다. 이 부하들은 5차, 7차, 11차, 13차 등의 고조파 전류를 계통에 주입한다. 그 결과 변압기 철손과 동손이 증가하고, 온도 상승으로 절연 수명이 줄어든다.

고조파 문제는 데이터센터, 반도체 공장, 신재생에너지 연계 설비처럼 전력변환 설비가 많은 곳에서 더 두드러진다. 최근 AI 데이터센터 확산으로 대형 변압기 수요가 늘면서 고조파 대응 설계의 중요성이 커졌다.

고조파의 차수별 성질도 필요성을 설명하는 근거가 된다. 3의 배수 고조파(영상분)는 델타결선 내에서 순환하며 변압기 온도를 높이고, 3n-1 차수(역상분)는 회전기 회전자에 2배 주파수 기전력을 유발하여 과열과 진동을 일으킨다. 3n+1 차수는 정상분으로 회전 방향이 기본파와 같다.

이 세 가지 성질 때문에 변압기는 단순 정격 용량 선정만으로는 안전하지 않다. 고조파 전류의 크기와 차수를 함께 고려해야 하며, 이것이 대책 설계의 출발점이다. 시험에서도 영향과 대책을 짝지어 쓰는 것이 기본 답안 구조가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

고조파가 변압기에 미치는 영향은 크게 손실 증가, 과열과 용량 감소, 절연 열화, 진동·소음으로 나뉜다. 원인은 고조파 전류가 권선과 철심에 추가 손실을 만드는 데 있다. 고조파 차수에 따라 영상분·역상분 성분이 다르게 작용하므로 구성요소를 차수별로 나누어 이해해야 한다.

표의 항목은 서로 독립된 손실이 아니라 함께 누적된다. 특히 와류손은 고조파 차수의 제곱에 비례하므로 고차 고조파 영향이 크다.

고조파 차수별 대칭분은 다음과 같다. 정상분은 3N+1 차(4, 7, 10차), 역상분은 3N-1 차(2, 5, 8차), 영상분은 3N 차(3, 6, 9차)다. 영상분 성분은 델타 결선 내부로 순환하여 변압기 온도를 올린다.

고조파 전류는 주파수 제곱에 비례하는 와류손을 증대시켜 변압기 과열을 일으킨다

고조파 손실의 기본 관계는 다음과 같다.

$P_e = P_{e1}\sum_{h} h^2 \left(\frac{I_h}{I_1}\right)^2$

여기서 P_e는 고조파 포함 와류손(W), P_{e1}은 기본파 와류손(W), h는 고조파 차수, I_h는 h차 고조파 전류(A), I_1은 기본파 전류(A)다.

변압기 K-인자는 이 손실 증가를 반영한 지표다. 고조파 전류 성분에 의한 추가 손실 비율을 나타내며, 설계자는 부하의 K-인자 이상인 K등급 변압기를 선정한다.

고조파 영향 분석 절차는 다음과 같다.

• 부하별 고조파 전류 스펙트럼을 측정하거나 추정한다.
• 차수별 전류 I_h와 THD를 계산한다.
• 와류손 증가분과 K-인자를 산정한다.
• △결선의 영상분 순환 전류와 온도 상승을 검토한다.
• 변압기 용량을 감정하거나 K등급 변압기를 선정한다.
• 필터·다펄스 정류 등 대책을 결정하고 재검토한다.

5. 관련 법령·기준·표준

변압기 고조파 영향을 직접 규정한 국내 법령은 없다. 실무에서는 전기설비 기준과 제조사의 K등급 시험 기준을 따른다. 아래 표는 고조파 대책과 관련된 기준값을 정리한 것이다.

직렬리액터는 고조파 임피던스를 높여 콘덴서 공진을 피하는 역할을 한다. 3고조파용과 5고조파용은 관련 기준이 정한 리액터 용량 비율을 기준으로 쓴다.

K등급 변압기는 미국 UL 기준에서 K-인자 4, 13, 20, 30, 40, 50 중 하나로 표시한다. K-인자 값이 클수록 고조파 전류에 대한 내력이 크다. 국내에서도 고조파 부하가 많은 설비는 이 표시를 참고해 변압기를 선정한다.

IEC 61378-1은 반도체 변환기 설비용 전력변압기의 사양과 시험을 규정한다. IEC 60076은 유입형, IEC 60726은 건식 변압기에 적용된다. 국내 규정과 개념 차이가 있으므로 설계 기준은 해당 설비 기준을 우선한다.

고조파 관련 기준은 개정 연혁이 있으므로 최신 기준을 확인하여 쓴다. 현재 전기설비 기준은 한국전기설비규정(KEC)을 기준으로 한다.