고조파 정의·원인·영향·저감대책

왜 배우는가: 고조파는 반도체 전력변환장치와 비선형 부하가 늘면서 전력품질 문제의 중심이 되었고, 변압기·케이블·보호기기의 과열과 오동작을 일으키므로 실무에서 반드시 다뤄야 한다. 기술사 시험에서도 정의, 발생원인, 영향, 대책을 묶어 반복해서 묻는 단골 주제다.

출제 이력: 제134회 2교시 3번, 제119회 3교시 5번, 제114회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고조파는 기본 주파수의 정수배 주파수를 갖는 정현파 성분으로, 주기적 비정현파 전압·전류를 푸리에 급수로 분해했을 때 기본파 이외의 성분을 말한다.

• 고조파(harmonics)
• 기본파(fundamental frequency)
• 차수(order, n차 고조파)
• 비선형 부하(non-linear load)
• 총 고조파 왜곡률(THD)
• 전류 왜곡(TDD)
• 공통 연결점(PCC)
• 능동 필터(Active Power Filter)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전기가 교류 사인파 모양으로 흘러야 하는데 이 모양이 찌그러져 있을 때 그 찌그러진 정도를 주파수 단위로 나눈 것이 고조파다. 전력 계통의 기본 주파수는 우리나라에서 60Hz이므로 2차 고조파는 120Hz, 3차 고조파는 180Hz다.

정식 정의는 다음과 같다. 주기적인 비정현파는 가장 낮은 기본 주파수의 정현파와 그 정수배 주파수를 가진 정현파들의 합으로 나타낼 수 있다. 이때 정수배 주파수 성분을 고조파(harmonics) 라고 한다. 주파수가 n배인 성분을 n차 고조파라고 부른다.

기본파(fundamental frequency) 는 기본이 되는 정현파이며, 전력 계통에서는 공칭 주파수 60Hz 성분이다. 기본파는 1차 성분으로 취급된다.

차수(order) 는 기본파 주파수에 대한 배수 n이다. 짝수차와 홀수차, 3의 배수 차수가 원인과 영향을 구분하는 기준이 된다.

비선형 부하(non-linear load) 는 전압과 전류가 비례하지 않는 부하를 말한다. 다이오드, 사이리스터, IGBT 같은 반도체 스위칭 소자가 대표적이다. 이 부하가 사인파가 아닌 전류를 끌어오면서 계통에 고조파가 생긴다.

총 고조파 왜곡률(THD) 은 기본파 성분에 대한 고조파 성분 전체의 비율을 백분율로 나타낸 값이다. 전압 THD와 전류 THD로 나누어 쓴다. 국제 기준인 IEEE 519는 같은 개념을 부하 기준으로 확장한 전류 왜곡(TDD) 을 사용한다.

공통 연결점(PCC) 은 여러 수용가가 전력회사 계통과 만나는 지점이다. 고조파 허용 한계는 보통 이 지점에서 평가한다.

3. 등장 배경과 필요성

과거 전력 부하는 전열기, 백열등, 유도전동기처럼 대부분 선형이었다. 이 시기에는 고조파가 문제가 되지 않았다. 산업이 고도화되면서 인버터, 컨버터, 정류기, 무정전전원장치(UPS), 가변속 구동장치(VFD), LED 조명, 전기차 충전기 같은 비선형 부하가 급속히 늘었다.

비선형 부하는 전류를 펄스 형태로 끌어오기 때문에 계통 전압에도 왜곡을 만든다. 전압 왜곡은 다른 수용가 설비까지 전파된다. 그 결과 설비의 과열, 보호계전기 오동작, 역률 저하, 통신 장해 같은 문제가 나타난다.

이 때문에 고조파 억제는 설계 단계부터 필요해졌다. 국내에서도 고조파 발생기기를 설치하는 수용가에 대해 발생 한도를 관리하는 제도와 권장 기준이 마련되어 있다. 전기설비 설계에서 고조파 해석과 저감 대책을 포함하는 것이 일반적인 요구사항이 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

고조파 발생과 영향을 설명하려면 계통을 구성하는 요소와 그 사이의 전류 흐름을 먼저 이해해야 한다. 고조파는 비선형 부하가 전류를 사인파가 아닌 형태로 끌어가면서 생기고, 그 전류가 계통 임피던스를 지나면서 전압까지 왜곡시킨다. 따라서 발생원, 전달 경로, 피해 설비를 하나의 흐름으로 묶어 보면 답안 구조가 잡힌다.

고조파 발생원과 전류 왜곡은 기본 원리를 나타내는 핵심어다. 비선형 부하는 반도체 스위칭 소자를 포함하는 장비를 뜻한다. 정류기, 인버터, 가변속 구동장치, 형광등 안정기, 사무기기 전원장치가 대표적이다.

비선형 부하가 사인파가 아닌 전류를 끌어오면, 그 전류가 계통 임피던스를 지나며 전압 왜곡을 만든다.

표의 구성은 전원측에서 부하측으로 흐르는 순서로 읽는다. 전력용 콘덴서는 계통의 특정 차수 임피던스를 낮추어 고조파를 키울 수 있으므로 별도로 점검한다.

원리는 푸리에 급수다. 주기적인 비정현파는 기본 주파수의 정수배 주파수를 갖는 정현파의 합으로 나타난다. 전력 계통의 n차 고조파 전류 I_n은 기본파 전류 I_1과 함께 전류 파형을 이룬다. 고조파 전류가 임피던스 Z_n을 지나면 전압 강하 V_n = I_n \cdot Z_n이 생기고, 이것이 전압 고조파가 된다. I_n은 암페어(A), Z_n은 옴(Ω), V_n은 볼트(V)이다. 임피던스는 차수가 높을수록 리액턴스 성분 때문에 커지는 경향이 있으므로 고차 고조파 전압이 상대적으로 두드러진다.

고조파가 전력에 미치는 영향은 실효값과 역률로 설명한다. 전체 고조파 왜곡률 THD는 기본파 대비 모든 고조파 성분의 비율로 정의한다. 전류 기준 THD는 \mathrm{THD}_I = \frac{\sqrt{\sum_{n=2}^{\infty} I_n^2}}{I_1} \times 100\% 로 쓴다. 여기서 I_n은 n차 고조파 전류(A), I_1은 기본파 전류(A)다. 고조파가 많으면 변위역률은 그대로여도 왜곡역률이 낮아져 실제 역률이 떨어진다.

고조파 발생 절차는 다음과 같이 정리한다.

• 비선형 부하가 스위칭을 하며 비정현 전류를 끌어온다.
• 비정현 전류가 계통 임피던스를 지나 전압 고조파를 만든다.
• 전압 고조파가 같은 모선의 다른 부하로 전파된다.
• 콘덴서·리액터 등과 공진하면 특정 차수에서 고조파가 증폭된다.
• 과열·오동작·계측 오차 등 설비 피해가 나타난다.
• 측정으로 THD와 차수별 크기를 확인하고 저감 대책을 선정한다.

3상 계통에서는 대칭 조건에 따라 차수가 제한된다. 짝수 고조파는 반주기 대칭 때문에 일반적으로 나타나지 않는다. 3상 델타 결선 변압기와 모터는 3의 배수 고조파를 순환전류로 억제하는 경향이 있다. 이 때문에 5차, 7차, 11차, 13차 같은 6n±1 차수가 계통에서 주로 문제가 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

고조파 관리 기준은 국제 표준과 국내 전기설비 기준으로 나뉜다. 국제적으로는 IEEE 519가 고조파 왜곡 한계의 기준으로 널리 쓰인다. 이 표준은 공통 결합점(PCC)에서 평가하고, 가용 단락전류와 최대 수요전류의 비율 I_{SC}/I_L에 따라 허용 한계를 정한다. 최신 판은 2014년판으로 소개된다.

TDD 15% 이하의 기준에서 모든 고조파 전류의 RMS 값은 기본파 수요전류의 15% 이하여야 한다. 11차 이하 각 고조파 크기는 12% 이하, 11차~17차 고조파는 5.5% 이하로 제시된다. 이 값은 단락비가 큰 계통에서 적용되는 대표 수치다.

전압 왜곡 기준은 병원과 공항에 엄격한 값을 둔다. 병원과 공항은 THD-v 3% 이하, 일반 계통은 THD-v 8% 이하로 쓴다.

표의 값은 적용 조건이 있다. 단락비와 수요전류 조건에 따라 TDD 한계가 달라지므로 단락용량을 함께 기록한다. 국내에서는 전기설비 기준 체계인 한국전기설비규정(KEC)과 기술기준의 고조파 항목을 함께 참조한다. 조문 번호는 확인되지 않아 이름만 적는다.

국내 기준의 개정 흐름은 전기설비 기준의 현행화에 맞춘다. 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되었다. 이전의 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체되었다. 고조파 허용 기준의 세부 값은 설계 시점의 현행 기준을 따른다.