전력품질 현상

왜 배우는가: 전력품질 현상(순간전압강하, 플리커, 고조파, 과도현상 등)은 민감 부하의 오동작과 설비 손상을 일으켜 설계·운영 단계에서 반드시 판정해야 하는 문제다. 기술사 시험에서 정의, 분류, 파형, 기준 수치를 묻는 문제가 반복적으로 출제된다.

출제 이력: 제126회 4교시 6번, 제93회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력품질 현상은 전압·전류 파형이 정상 정현파에서 벗어나 부하 설비의 정상 동작을 방해하는 전기적 현상의 총칭이다.

핵심 키워드

• 전압강하(Voltage Sag): 짧은 시간 동안 전압 실효값이 낮아지는 현상
• 전압상승(Voltage Swell): 짧은 시간 동안 전압 실효값이 높아지는 현상
• 순간정전(Interruption): 전압이 거의 0에 가까워지는 현상
• 플리커(Flicker): 전압 변동으로 조명 밝기가 눈에 띄게 흔들리는 현상
• 고조파(Harmonics): 기본파 정수배 주파수 성분이 파형을 왜곡하는 현상
• 과도현상(Transient): 짧은 시간에 발생하는 급격한 전압·전류 변화
• 전압 불평형(Voltage Unbalance): 3상 전압의 크기나 위상이 어긋나는 현상
• 순시전압강하(Instantaneous Voltage Sag): 전압강하 중 지속시간이 짧은 구간을 가리키는 실무 용어

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전력품질 현상은 전기가 "깨끗한 사인파"에서 얼마나 벗어났는지를 보는 것이다. 바다의 파도가 일정하게 오르내리는 것처럼 교류 전압도 정해진 모양과 크기를 유지해야 한다. 그 모양이 흔들리거나 찌그러지면 전력품질이 나빠졌다고 본다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력품질 현상이란 전원 공급 측에서 발생하거나 계통 내부 부하에 의해 발생하여 전압의 크기, 주파수, 파형 모양, 위상 평형 중 하나 이상이 정상 허용 범위를 벗어나는 전기적 사건을 말한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

전압강하는 계통 사고나 대용량 부하의 기동 전류로 인해 전압 실효값이 정격의 일정 비율 이하로 짧게 떨어지는 현상이다. 일반적으로 실효값 기준 정격의 일정 비율 이하로 떨어지는 범위이며, 지속시간은 관련 기준이 정한 짧은 시간 범위로 정의한다.

전압상승은 지락 사고 중 건전상 전압 상승, 대용량 부하 차단, 콘덴서 개폐 등으로 전압 실효값이 정격보다 높아지는 현상이다. 지속시간 기준은 전압강하와 같은 범위를 쓴다.

순간정전은 전압 실효값이 정격의 10% 미만으로 떨어지는 현상이다. 보호 계전기 동작 후 재폐로가 이뤄지는 동안 주로 발생한다. 전압 10% 미만

플리커는 전압 변동의 주기와 크기가 특정 조합일 때 사람의 눈이 밝기 변화를 느끼는 현상이다. 아크로, 용접기, 전동기 기동이 대표적 원인이다. 측정 지표는 단시간 플리커 값 Pst와 장시간 플리커 값 Plt를 쓴다. Pst는 10분, Plt는 2시간 관측 구간을 기준으로 한다. Pst 10분, Plt 2시간

고조파는 기본 주파수의 정수배 성분이다. 비선형 부하인 정류기, 인버터, 전력변환장치가 전류 파형을 찌그러뜨려 발생시킨다. 고조파 왜곡률(THD)로 크기를 표현한다.

과도현상은 스위칭, 낙뢰, 콘덴서 투입 등으로 순간적으로 발생하는 고주파 성분이다. 지속시간이 매우 짧아 파형 기록 장치로만 확인할 수 있다.

전압 불평형은 3상 전압의 크기나 위상각이 서로 달라 정상분과 역상분이 생기는 현상이다. 단상 부하의 편중, 3상 부하의 불균형 등이 원인이다.

3. 등장 배경과 필요성

과거 전력 시스템은 대부분 선형 부하와 전동기 중심이었다. 그러나 반도체 기반 전력변환장치, 컴퓨터, 디지털 제어기, LED 조명이 보급되면서 전압 변화에 매우 민감한 부하가 늘었다. 이로 인해 짧은 순간의 전압 이상도 생산 중단이나 데이터 손실로 이어지는 상황이 많아졌다.

또한 반도체 공정, 데이터센터, 의료 시설 등 고품질 전력을 요구하는 산업이 확대되면서 전력품질 관리가 설비 신뢰도의 핵심 요소가 되었다. 계통 측면에서도 재생에너지 연계와 전력전자 기기 증가로 전압 변동과 고조파 발생이 복잡해졌다.

따라서 전력품질 현상을 정확히 구분하고 측정하며, 발생 원인에 맞는 억제 대책을 세우는 것이 필요하다. 발생 원인을 모르면 대책도 맞지 않으므로 현상별 정의와 기준을 먼저 정리해야 한다.

이 배경은 한 줄로 요약하면, 민감 부하 증가와 전력전자 기기 확대가 전력품질 관리의 필요성을 키웠다는 것이다.

4. 구성요소·원리·절차

전력품질 현상은 전원 전압의 크기, 파형, 주파수가 정상 범위에서 벗어나는 현상을 통칭한다. 현상은 전압변동(순간전압강하·순간전압상승·정전), 플리커, 고조파, 전압불평형으로 나뉘며, 각 현상의 발생 원인과 영향이 다르므로 구성요소를 구분해 답안에 옮겨 쓴다. 전압 현상의 크기는 정상 전압에 대한 상대 크기(p.u.)로 표현한다.

구성요소별 역할은 다음과 같다.

표의 부하측 항목은 아크로·용접기·전동기처럼 무효전력 소비가 크고 전류 크기가 빠르게 변하는 부하를 가리킨다. 이런 부하는 전압 변동의 원인이 된다.

원리는 선로 임피던스에 의한 전압 강하식으로 설명한다. 전압 변동 \Delta V는 유효전력 P와 무효전력 Q, 선로 저항 R과 리액턴스 X로 근사한다.

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

P는 유효전력(W), Q는 무효전력(var), R·X는 선로 저항·리액턴스(Ω), V는 기준 전압(V)이다. 무효전력 Q가 급변하면 \Delta V도 급변하고, 이 변동이 조명 깜빡임으로 나타나는 것이 플리커다.

플리커는 부하 전류의 빠른 변동이 전압 변동을 일으켜 조명 깜빡임으로 나타나는 현상이다

순간전압강하의 원리는 고장 전류나 기동 전류가 흘러 전원 측 전압이 일시적으로 낮아지는 것이다. 전압이 정상의 90% 이하로 떨어졌다가 회복되는 현상으로 정의한다. 발생 과정은 다음 절차를 따른다.

• 선로나 부하에서 단락 고장 또는 대용량 전동기 기동이 발생한다.
• 고장·기동 전류가 전원 임피던스에 흘러 모선 전압이 순간적으로 떨어진다.
• 보호계전기가 고장 구간을 차단하거나 기동 전류가 감소하면 전압이 회복된다.
• 회복 과정에서 전동기 재가속이나 제어기 오동작이 추가로 생길 수 있다.

고조파 전류 I_h의 전압 왜곡은 다음 식으로 본다.

$V_h = Z_h \cdot I_h$

Z_h는 차수 h에서의 계통 임피던스(Ω), I_h는 차수 h의 고조파 전류(A), V_h는 해당 차수의 고조파 전압(V)이다. 임피던스는 차수에 비례해 커지므로 고차 고조파가 전압 왜곡을 더 크게 만든다.

전압 불평형률은 역상분 전압 V_2와 정상분 전압 V_1의 비로 나타낸다.

$\text{불평형률}(\%) = \frac{V_2}{V_1} \times 100$

5. 관련 법령·기준·표준

전력품질의 판정 기준은 주로 국내 전기 공급 규정, 계통 연계 기준, 국제 기준(IEC 계열)을 따른다. 기준 번호는 확실한 것만 쓰고, 나머지는 기준 이름으로 쓴다.

플리커 판정은 IEC 61000-4-15의 플리커미터 측정 방식과 IEC 61000-3-3의 한계값을 따른다. 단기 플리커 지표 P_{st}는 10분 관측 구간, 장기 플리커 지표 P_{lt}는 2시간 구간으로 계산한다. P_{st} 값 1.0은 시험 대상자의 50%가 플리커를 인지하고 불쾌하다고 느끼는 수준에 대응한다.

기준값 표는 다음과 같다.

플리커 기준 P_{st} 1.0과 P_{lt} 기준값은 IEC 61000-3-3의 저전압 공급 기기 한계값이다. 순간전압강하의 지속 시간과 전압 범위는 일반적인 전력품질 정의에 따른다. 실제 계통 적용 시에는 해당 전력 공급 규정의 수치를 우선한다.

개정 연혁으로는 국내 계통 연계 기준과 전기설비 기준이 신재생에너지 확대에 맞춰 고조파·전압변동 관련 조항을 갱신해 왔다. 구체적인 개정 조항은 이 절에서 번호로 쓰지 않는다.