플리커

왜 배우는가: 플리커는 전압변동이 조명 밝기 변화로 드러나는 현상으로, 실무에서는 아크로·용접기·대형 전동기 등 변동부하를 수용하는 계통의 품질 관리와 연계 허용 기준을 정할 때 핵심이 된다. 시험에서는 배전계통 원인과 대책, 수용가 대책, 정의·관리기준·경감대책 형태로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제139회 1교시 10번, 제110회 1교시 12번, 제101회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

플리커는 부하 전류의 급변으로 계통 임피던스에 전압변동이 생기고, 그 변동이 조명의 밝기 변화로 나타나는 현상이다.

• 플리커(Flicker)
• 전압변동(Voltage Fluctuation)
• 단기 플리커 강도(Short-term flicker severity, Pst)
• 장기 플리커 강도(Long-term flicker severity, Plt)
• 급변부하(Fluctuating Load)
• 단락용량(Short-circuit Capacity)
• 무효전력 보상(Reactive Power Compensation)
• 플리커미터(Flickermeter)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전등이 깜빡거리는 현상이다. 전압이 빠르게 오르내리면 백열등 밝기가 따라 변하고, 사람 눈은 일정 주파수 이상의 밝기 변화를 민감하게 느낀다. 그래서 전압 크기 자체보다 변동의 빠르기와 반복 횟수가 문제가 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 플리커는 전원 전압의 빠른 변동으로 인해 조명의 가시적 밝기가 변하는 현상이다. 전압 강하는 부하 전류 변화가 계통의 전원측 임피던스를 지나면서 생긴다. 이 변동이 시간적으로 반복되면 플리커가 된다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 단기 플리커 강도(Pst): 10분 관측구간에서 통계 처리한 인지 강도 값이다. 값 1.0은 시험자의 50%가 눈에 띄고 불쾌하다고 느끼는 수준으로 정해져 있다.
• 장기 플리커 강도(Plt): 2시간 동안의 여러 Pst 값을 세제곱 평균하여 구한다.
• 플리커미터: 백열등과 인간의 시각 반응을 모사한 장치로, IEC 61000-4-15에 요구사항이 규정되어 있다.

일반 전압변동은 전압 크기가 규정 범위를 벗어나는 현상이지만, 플리커는 전압이 90~110% 범위에서 반복적으로 흔들릴 때 나타날 수 있다. 따라서 플리커는 전압 편차 관리와 별도로 변동의 주파수와 크기를 함께 본다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 설비가 대형화되면서 제강용 아크로, X선 장치, 전동기, 용접기, 유도로, 저항로처럼 무효전력 소비가 크고 부하전류가 빠르게 변하는 설비가 늘었다. 이런 부하가 같은 계통에 연결되면 다른 수용가의 조명과 전자기기에도 영향이 전파된다. 그래서 전력 공급자는 연계 기준을 두고 부하 측에서 변동을 억제하도록 요구한다.

국내에서는 플리커 현상 때문에 전등용 변압기에서 공급 가능한 단상 전동기의 용량을 기동 방식에 따라 제한하고 있다. 즉 플리커는 설비 용량과 기동 방식을 정하는 계통 설계 기준으로 쓰인다. 전자기기 중에는 TV 화면이 일그러지거나 일정 전력에 의존하는 산업 공정이 흔들리는 피해도 보고된다.

플리커 관리가 필요한 이유는 세 가지로 정리된다. 첫째, 사람의 시각적 불쾌감과 피로를 줄인다. 둘째, 민감한 전자기기와 생산 공정의 안정성을 지킨다. 셋째, 부하 증설과 계통 연계 시 허용 기준을 객관적으로 판단한다.

Pst 1.0 = 시험자 50% 인지 수준

위 표는 플리커 지표의 구분을 보여 준다. Pst는 10분, Plt는 2시간 기준이므로 측정 시간을 혼동하지 않도록 한다.

4. 구성요소·원리·절차

플리커는 세 요소가 겹쳐 생긴다. 첫째 변동부하가 전류를 빠르게 바꾼다. 둘째 계통 임피던스가 그 전류 변동을 전압 변동으로 바꾼다. 셋째 사람의 시각이 밝기 변화를 깜박임으로 느낀다. 셋 중 하나라도 없으면 플리커는 문제가 되지 않는다. 답안에는 이 세 요소를 먼저 쓰고 원리로 넘어간다.

표의 세 요소는 서로 독립이 아니다. 단락용량이 작을수록 같은 부하 변동에도 전압 변동폭이 커진다. 따라서 대책은 부하 쪽과 계통 쪽 양쪽에서 세울 수 있다.

원리는 옴의 법칙을 계통 임피던스에 적용하면 얻는다. 부하의 유효전력 변화 \Delta P와 무효전력 변화 \Delta Q가 있을 때 전압 변동 크기는 다음과 같이 근사한다.

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

여기서 R은 계통 저항(Ω), X는 계통 리액턴스(Ω), V는 기준 전압(V), \Delta V는 전압 변동폭(V)이다. 식에서 보듯 임피던스가 작을수록 \Delta V가 줄어든다. 또 무효전력 변동분 \Delta Q를 보상하면 X\,\Delta Q 항이 줄어 플리커가 완화된다. 이 두 관계가 공급자측·수용가측 대책의 이론적 근거다.

플리커의 크기는 측정 절차로 정량화한다. 측정 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 부하 전류와 전압의 시간 변화를 기록한다.
• 전압 변동 파형을 플리커미터 입력으로 넣는다.
• 플리커미터가 기준 전구와 시각 모델로 밝기 변화를 환산한다.
• 10분 관측구간의 통계로 단시간 플리커 강도 Pst를 산출한다.
• 2시간 동안의 Pst 값 12개의 3제곱 평균으로 장시간 플리커 강도 Plt를 산출한다.

Plt 식은 다음과 같다. $P_{lt}=\sqrt[3]{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}P_{st,i}^{3}}$ 여기서 N은 2시간 동안의 Pst 값 개수(12), P_{st,i}는 i번째 10분 구간의 Pst이다. 3제곱을 쓰는 이유는 짧은 고강도 구간이 평균을 지배하게 하기 위해서다.

5. 관련 법령·기준·표준

플리커의 측정과 허용 기준은 국제 표준이 기본이다. IEC 61000-4-15는 플리커미터의 요구사항을 정한다. 플리커미터는 230V/60W 또는 120V/60W 백열등을 기준 전구로 쓰고 사람의 시각 모델을 결합한다. IEC 61000-3-3은 저압 공급계통에 연결되는 정격전류 16A 이하 기기의 전압 변동과 플리커 한도를 정한다. 정격 75A 초과 기기에는 별도 기준인 IEC 61000-3-5가 적용된다.

표의 Pst 1.0은 시험 대상자의 50%가 플리커를 인지하고 불쾌하게 느끼는 수준이다. 따라서 Pst 1.0 이하는 대다수 사람이 불쾌감을 느끼지 않는 한계로 해석한다. 답안에서는 이 정의를 함께 쓰면 기준값의 의미가 분명해진다.

국내에서는 한국전기설비규정(KEC)이 2021-01-01부터 전기설비 기술기준의 세부 기준을 대체하여 적용된다. 전력계통의 플리커 관리는 공급 측 계통 기준과 수용가 연계 기준으로 나눠 적용한다. 고압 수용가의 플리커 허용치는 계통 단락용량과 공급 전압 등급에 따라 정해지므로, 답안에서는 기준값을 계통 조건과 함께 적는다.

계산 예제는 다음과 같다. 주어진 값은 단락용량 S_{sc}가 100MVA, 공급 전압 V가 22.9kV, 전압 변동폭 \Delta V가 0.3%이다. 전압 변동폭을 기준으로 허용 가능한 부하 변동 \Delta S를 구하면 \Delta S \approx S_{sc}\cdot \dfrac{\Delta V}{100} = 100\,\text{MVA}\times 0.003 = 0.3\,\text{MVA}이다. 결과 0.3MVA는 단락용량의 0.3%이므로 상식 범위에 있다. 단락용량이 10MVA로 줄면 같은 허용 변동을 얻는 데 부하 변동이 0.03MVA로 줄어 플리커가 훨씬 쉽게 나타난다.