고조파 대책

왜 배우는가: 고조파는 인버터, 정류기, 조명 등 비선형 부하가 늘면서 전력품질 문제의 핵심이 되었고, 변압기·역률 개선용 콘덴서·보호기기에 미치는 영향이 실무에서 직접 문제가 된다. 대책 문항은 계통측·수용가측·기기측을 나누어 묻는 형태로 여러 교시에 반복 출제되었다.

출제 이력: 제132회 1교시 6번, 제129회 2교시 5번, 제110회 2교시 5번, 제98회 4교시 2번, 제96회 4교시 5번, 제89회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

고조파는 기본 주파수의 양의 정수배 주파수를 갖는 전압·전류 성분으로, 비선형 부하에서 발생하여 전력계통의 파형을 왜곡시키는 현상이다.

핵심 키워드

• 고조파(Harmonics): 기본파의 정수배 주파수 성분
• 비선형 부하: 정류기, 인버터, 형광등 등 전류가 사인파가 아닌 부하
• 전류 고조파: 비선형 부하가 직접 만드는 고조파 전류
• 전압 고조파: 전류 고조파가 전원 임피던스를 지나며 생기는 전압 왜곡
• 총합 고조파 왜곡률(THD): 기본파 대비 고조파 성분의 크기 비율
• 고조파 억제 대책: 발생 억제, 흡수, 계통 분리로 나뉘는 저감 방법

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전기 기기가 전압을 받아 전류를 끌어갈 때 그 전류 모양이 매끈한 사인파가 아니라 찌그러진 파형이 되는 현상이다. 찌그러진 파형은 여러 개의 사인파가 겹친 것으로 볼 수 있다. 이때 겹친 성분 중 기본파의 정수배가 되는 것을 고조파라고 부른다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력 시스템에서 고조파는 기본 주파수의 양의 정수배인 주파수 성분을 말한다. 예를 들어 60Hz 계통의 3차 고조파는 180Hz이다. 푸리에 급수는 복잡한 주기 파형을 기본파와 고조파의 합으로 분해하는 수학 도구이며, 고조파 해석의 바탕이 된다.

핵심 용어를 차례로 본다. 비선형 부하는 전압과 전류가 비례하지 않는 부하이며, 다이오드·사이리스터·IGBT 등 반도체 스위칭 소자를 포함하는 장치가 대표적이다. 정류기는 교류를 직류로 바꾸는 과정에서 전류를 펄스 형태로 끌어가므로 전류 고조파를 만든다.

전류 고조파와 전압 고조파는 구분해야 한다. 전류 고조파가 원인이고, 전압 고조파는 그 결과다. 전원 측 임피던스가 작으면 전압 왜곡은 작다. 평형 3상 3선 계통에서는 선간 전압과 선전류에 3의 배수 고조파가 나타나지 않지만, 4선 계통에서는 3의 배수 고조파가 중성선으로 흐른다.

짝수 고조파는 반주기 대칭 때문에 일반적으로 나타나지 않는다. 3상 델타 결선 변압기나 전동기는 3의 배수 고조파를 억제하는 효과가 있다. 이 점은 대책 설계에서 활용된다.

3. 등장 배경과 필요성

반도체 전력변환 기술이 발전하면서 고조파 문제가 커졌다. 과거에는 발열체나 백열등 같은 선형 부하가 대부분이었으나, 인버터 가변속 구동, 무정전전원장치, 스위칭 모드 전원, LED 조명 등 비선형 부하가 급증했다. 이들 기기는 에너지 효율이 높은 대신 전류 파형을 크게 왜곡시킨다.

고조파가 문제가 되는 이유는 계통 전체로 전파되기 때문이다. 비선형 부하에서 생긴 고조파 전류는 전원 임피던스를 따라 상위 계통과 다른 수용가로 흐르며, 같은 계통의 다른 설비에 전압 왜곡을 일으킨다. 그 결과 변압기 손실 증가, 전동기 과열, 계전기 오동작, 역률 콘덴서의 공진 같은 문제가 나타난다.