고조파

왜 배우는가: 고조파는 비선형 부하가 늘면서 비상발전기 용량 산정, 변압기·콘덴서·보호계전기 오동작 같은 실무 문제를 일으키는 핵심 전력품질 현상이다. 1교시 용어형과 3교시 논술형에 모두 반복 출제되므로 발생원인, 영향, 대책을 정의와 함께 체계적으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제126회 1교시 13번, 제89회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

고조파(Harmonic Frequency)는 기본파 주파수의 정수배가 되는 주파수 성분을 가진 정현파로, 비선형 부하에서 발생하여 전압·전류 파형을 왜곡시키는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 기본파(Fundamental Frequency): 계통의 전원 주파수
• 차수(Order): 기본파에 대한 정수배 번호, 제n고조파는 주파수가 n배이다
• 비선형 부하(Nonlinear Load): 부하 전류가 순시 전압에 비례하지 않는 부하
• 왜형률(THD): 기본파 실효치에 대한 고조파 실효치 비율
• 영상분 고조파(Zero-sequence Harmonic): 3차 및 그 정수배 고조파가 중성선에 합성되는 성분
• 표피효과(Skin Effect): 고주파 전류가 도체 표면으로 몰려 실효저항이 증가하는 현상
• 병렬공진(Parallel Resonance): 전력용 콘덴서와 계통 임피던스가 고조파 주파수에서 공진하는 현상

2. 개념 풀이

고조파는 쉽게 말해 전기 파형이 매끈한 사인파가 아니라 찌그러진 모양이 되었을 때, 그 찌그러짐을 주파수 성분으로 나눈 것이다. 기본 주파수가 정해지면 2차와 3차 고조파는 각각 그 주파수의 2배와 3배이다. 고조파가 많은 파형은 한 주기 안에서 여러 번 흔들리는 모양이 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 주기적인 비정현파는 푸리에 급수(Fourier Series)로 기본파와 기본파 정수배 주파수의 정현파 합으로 분해된다. 이때 기본파 이외의 성분을 고조파라 한다. 전력계통에서는 기본파의 양의 정수배 주파수를 고조파로 정의한다.

고조파의 핵심 원리는 비선형 소자다. 다이오드, 사이리스터, IGBT 같은 반도체 소자는 전압을 가해도 전류가 비례하지 않고 스위칭 동작으로 끊어지듯 흐른다. 그래서 전류가 정현파가 되지 못하고 구형파에 가까운 모양이 된다. 이 전류가 전원 측으로 되돌아가 계통 전압을 왜곡시킨다.

고조파는 차수 체계에 따라 분류한다. 짝수 고조파는 기본파의 짝수 배이고, 홀수 고조파는 기본파의 홀수 배이다. 3의 배수 고조파는 영상분으로 작용하여 중성선과 대지로 흐르므로, 3상 계통 분석에서 특히 중요하다. 전력계통에서 짝수 고조파는 흔하지 않으며 대칭 구조의 정류 회로에서는 주로 홀수 차수가 나타난다.

고조파의 크기는 차수가 높아질수록 줄어드는 경향이 있다. 다만 전류 고조파는 차수가 높아도 무시할 수 없는 경우가 있다. 따라서 고조파 해석에서는 보통 저차 고조파, 특히 5차와 7차를 중심으로 본다.

3. 등장 배경과 필요성

고조파 문제가 본격적으로 드러난 배경은 전력전자 기술의 확산이다. 인버터, 컨버터, 가변전압 가변주파수 장치(VVVF), 무정전 전원장치(UPS), 정류기 같은 변환장치는 에너지 절약과 제어 정밀도를 높이지만, 스위칭 동작으로 고조파 전류를 지속적으로 발생시킨다. 이런 장치는 건물과 산업 설비 곳곳에 퍼져 있다.

소방 분야에서도 필요성이 커지고 있다. 비상발전기는 정전 시 소방설비 전원을 공급하는 장치인데, 발전기 용량을 정할 때 고조파를 발생하는 전력전자 부하가 많으면 발전기 용량 산정을 단순 계산으로 끝낼 수 없다. 고조파는 발전기 내부 손실을 늘리고 전압 파형을 왜곡시켜 발전기의 실질 허용 출력을 떨어뜨린다. 발전기 제조업체가 제시하는 계산 방식을 참조해야 하는 이유다.

또한 고조파 장해는 기기 소손, 보호계전기 오동작, 통신 잡음처럼 여러 방면에서 나타나므로, 설계 단계에서 발생원을 파악하고 대책을 세우는 것이 중요하다. 고조파는 발생 기기를 분리하기 어렵고 원인과 결과가 떨어져 있어 사후 대응이 특히 어렵다. 그래서 설계와 점검 단계의 관리가 필요하다.

관련 기준으로는 고조파 왜형률의 관리 기준이 있다.

4. 구성요소·원리·절차

고조파 문제는 발생원, 전달 경로, 피해 설비 세 요소로 나누어 보면 정리가 쉽다. 발생원은 비선형 부하이고, 전달 경로는 배전선로와 변압기이며, 피해 설비는 전력용 콘덴서, 발전기, 보호계전기 등이다. 답안에서는 이 세 요소를 먼저 그리고, 대책은 발생원 측이나 경로 중간에 배치한다.

• 비선형 부하: 전압과 전류가 비례하지 않는 부하. 정류기, 인버터, 전기로, 형광등 안정기, LED 전원(SMPS) 등이 해당한다.
• 전력변환장치: 전력전자 소자로 교류를 직류나 다른 주파수로 바꾸는 장치. 정류기(AC→DC), 쵸퍼(DC→DC), 인버터(DC→AC), 사이클로 컨버터(AC→AC)가 있다.
• 철심 포화: 변압기와 회전기의 철심이 포화되면 자화전류가 비정현파가 되어 고조파를 만든다.
• 영상분 고조파: 3의 배수 차수 고조파. 3상 4선식 계통에서는 중성선에 합산되어 흐른다.

고조파의 원리는 기본파의 정수배 주파수 성분이 중첩되는 것이다. 제n고조파의 주파수는 기본파의 n배이고, 크기는 일반적으로 차수가 높을수록 작아진다. 왜곡의 정도는 종합 고조파 왜형률로 나타낸다.

$THD=\frac{\sqrt{V_2^2+V_3^2+\cdots+V_n^2}}{V_1}\times100\,[\%]$

여기서 V_1은 기본파 전압 실효치, V_2 \sim V_n은 각 차수별 고조파 전압 실효치다.

고조파 장해의 진행 절차는 다음과 같다.

• 비선형 부하가 왜곡된 전류를 흘린다.
• 선로와 변압기 임피던스에서 고조파 전압강하가 생긴다.
• 전압 왜곡이 같은 모선의 다른 부하로 전파된다.
• 콘덴서와 계통 임피던스가 병렬공진하면 특정 차수 고조파가 증폭된다.
• 설비가 과열되거나 보호계전기와 계기가 오동작한다.

비상발전기의 용량 결정에서도 고조파를 고려한다. 발전기의 내부 임피던스는 상용 변압기보다 커서 고조파 전압 왜곡이 커지기 쉽다. 전력전자기기 부하가 많으면 발전기 제조업체의 계산방식을 참조하여 용량을 정한다는 기준이 있다.

발전기는 고조파 부하가 많을수록 용량 여유를 크게 잡아야 함

5. 관련 법령·기준·표준

고조파 관리는 개별 기기 규격보다 전압 왜곡 한계와 설비별 허용 조건으로 정한다. 국내에서는 전기설비 기준으로 한국전기설비규정(KEC)이 2021-01-01부터 적용된다. 발전기 설치와 용량 산정은 소방시설과 건설 기준에서 별도로 정한다.

위 표의 첫 두 행은 계산과 정의에 해당하여 확실하다. 전압 왜곡 한계와 직렬리액터 비율은 널리 쓰이는 값이지만 적용 규격과 전압 등급에 따라 달라지므로 확인이 필요하다. 중성선 영상분 전류는 3배라는 점이 고조파 과열 원인을 설명하는 핵심이다.

발전기 용량 산정은 세 가지 방법 중 가장 큰 값으로 정한다. 방법은 정격 운전 상태의 부하 용량, 최대 기동 전동기의 허용 전압강하를 고려한 용량, 기동 순서상 마지막 전동기를 기동할 때의 용량이다. 전동기는 특별한 언급이 없으면 직입기동으로 계산한다. 이 조건은 고조파 부하가 있을 때도 그대로 적용하되, 고조파 부하는 별도 계수로 보정한다.

발전기실 설치 기준은 화재와 침수로부터 발전기를 보호하는 데 목적이 있다. 내화구획 또는 눈이나 비의 침입을 방지할 수 있는 적절한 장소에 설치하고, 조도 기준을 함께 확인한다.

6. 유형과 비교

고조파 대책은 크게 수동 필터(Passive Filter)와 능동 필터(Active Filter)로 나뉜다. 두 방식은 구성과 제거 원리가 다르므로 부하 구조와 계통 조건에 맞춰 고른다.