고조파 발생·영향

왜 배우는가: 고조파는 반도체 전력변환장치와 LED·인버터 확산으로 전력계통에서 점점 더 자주 생기며, 변압기·모터·커패시터·보호계전기 등 거의 모든 설비에 영향을 준다. 기술사 시험에서도 발생 원인, 설비별 영향, 대책을 묶어 반복해서 묻는 핵심 주제라서 정확한 정의와 용어를 먼저 잡아 두어야 한다.

출제 이력: 제137회 1교시 13번, 제117회 1교시 13번, 제101회 2교시 3번, 제92회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

고조파는 기본파 주파수의 정수배 주파수를 갖는 정현파 성분으로, 비선형 부하에 의해 전압·전류 파형이 왜곡되어 생기는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 고조파(Harmonics): 기본파(50 또는 60Hz)의 양의 정수배 주파수 성분
• 비선형 부하(Non-linear load): 전류가 전압에 비례하지 않아 사인파가 아닌 전류를 끌어오는 부하
• 왜형률(Distortion factor): 전체 신호에서 고조파 성분이 차지하는 정도
• 전류 고조파(Current harmonics): 비선형 부하가 직접 만들어 전원으로 되돌려 보내는 고조파
• 전압 고조파(Voltage harmonics): 전류 고조파가 계통 임피던스에 의해 전압을 왜곡시킨 것
• 표피효과(Skin effect): 주파수가 높을수록 전류가 도체 표면으로 몰려 실효저항이 커지는 현상
• 영상분 고조파(Zero-sequence harmonics): 3의 배수 고조파가 3상에서 같은 위상으로 중성선에 모이는 성분
• 공진(Resonance): 계통 리액턴스와 커패시터 리액턴스가 같아져 고조파 전류가 증폭되는 현상

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전기가 정해진 모양(사인파)으로 흐르지 않고 찌그러져 흐르는 것이다. 찌그러진 파형은 여러 개의 단순한 사인파가 겹친 것과 같다. 이때 겹쳐진 작은 파형 하나하나가 고조파이다.

정식 정의는 다음과 같다. 일반적인 교류 전력계통에서 전류는 50 또는 60Hz의 사인파로 흐른다. 비선형 부하가 연결되면 전류가 사인파가 아닌 모양으로 바뀐다. 푸리에 급수 변환을 적용하면 이 복잡한 파형은 기본파와 그 정수배 주파수를 가진 사인파들의 합으로 분해된다. 여기서 정수배 주파수 성분이 고조파이다. 3차 고조파는 기본파의 3배 주파수이므로 60Hz 계통에서는 180Hz가 된다.

비선형 부하를 이해하는 것이 핵심이다. 다이오드, 트랜지스터, IGBT, MOSFET 같은 반도체 소자는 모두 비선형 부하이다. 정류기, 인버터, 주파수 변환장치(VFD)가 대표적이다. 컴퓨터, 프린터, 형광등, 배터리 충전기도 전류가 짧은 펄스로 흐르므로 고조파를 만든다.

전류 고조파와 전압 고조파는 구분해야 한다. 비선형 부하는 전류 고조파를 만든다. 이 전류가 전원의 내부 임피던스를 지나면서 전압을 왜곡시키면 전압 고조파가 된다. 전원 임피던스가 작으면 전압 고조파는 작다. 따라서 전압 파형은 대부분 기본파로 근사할 수 있다.

이 구분은 채점에서 중요하다. 실제 전력이 어떻게 전달되는지에 대해서도 근거가 있다. 전압을 기본파로 근사하면 고조파 전류는 부하에 전달되는 유효전력에 기여하지 않는다. 전압과 전류 고조파가 곱해져 만드는 평균 전력은 0이 되기 때문이다. 다만 전압 고조파도 함께 커지면 이 근사가 깨지고 고조파 유효전력이 생긴다.

짝수 고조파와 3의 배수 고조파도 기억해야 한다. 정상적인 3상 계통에서 짝수 고조파는 반주기 대칭성 때문에 거의 나타나지 않는다. 3상 파형이 대칭이면 변압기와 전동기의 Δ결선이 3의 배수 고조파를 억제한다. 다만 단상 부하가 많으면 3차 고조파가 중성선으로 모여 문제가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

고조파 문제는 전력 변환 기술의 발전과 함께 커졌다. 과거에는 변압기, 회전기, 전기로처럼 철심 포화나 아크로 인한 고조파가 주로 문제였다. 최근에는 인버터 기반의 가변속 구동, 전력전자 방식의 전원장치, LED 조명이 빠르게 늘어나면서 고조파 발생원이 크게 늘었다.