전력계통 플리커

왜 배우는가: 플리커는 조명 깜박임과 TV 화면 일그러짐, 민감 전자기기 오동작을 일으키는 전압변동 현상이며, 아크로·용접기·전동기 같은 변동부하를 수용가가 설치할 때 계통 연계 검토에서 반드시 따져야 하므로 실무에서 중요하다. 전력계통 품질 문제의 대표 유형으로 발생원인과 저감대책이 매 회차 반복 출제된다.

출제 이력: 제118회 4교시 2번, 제100회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장은 다음과 같이 쓴다.

플리커는 부하전류의 급변으로 계통 임피던스에 전압변동이 생겨 조명 밝기나 기기 동작이 눈에 보이게 흔들리는 현상이다.

핵심 키워드

• 플리커(Flicker): 전압변동으로 조명 밝기가 시간에 따라 눈에 띄게 변하는 현상
• 전압변동(Voltage Fluctuation): 부하전류 변동이 계통 임피던스에 전압강하를 만들어 생기는 전압 진폭의 반복·불규칙 변화
• 단기 플리커 강도 Pst: 10분 관측 구간에서 통계 처리한 단시간 플리커 지표
• 장기 플리커 강도 Plt: 2시간 동안 Pst 여러 값의 세제곱 평균으로 구한 장시간 플리커 지표
• 플리커미터(Flickermeter): 기준 램프와 눈-뇌 인지 모델로 플리커를 측정하는 계측기
• 무효전력 변동: 전압변동을 일으키는 주된 원인으로, 아크로·용접기 등이 크게 소비하는 값
• 약한 계통(Weak System): 단락비가 낮아 무효전력 변화에 전압이 크게 변하는 계통
• 보상 장치: SVC, STATCOM, 직렬 콘덴서, 직렬 리액터 등 플리커를 줄이는 설비

2. 개념 풀이

쉬운 말로 설명하면, 부하가 전기를 갑자기 많이 쓰거나 덜 쓰면 전압이 함께 출렁인다. 이 출렁임이 조명 밝기 변화로 보이는 것이 플리커다. 전구가 깜박이거나 TV 화면이 흔들리는 현상을 떠올리면 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 플리커는 전원 전압의 급속한 변동(전압변동)에 의해 조명 광속이나 휘도가 사람 눈에 인지될 정도로 변동하는 현상이다. 전압변동은 부하 전류가 계통의 전원측 임피던스를 지나면서 생기는 전압강하의 변화로 나타난다. 전압변동의 폭과 반복 빈도가 플리커의 크기를 결정한다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

전압변동은 부하 전류 변화에 따라 계통 임피던스 양단에 생기는 전압 진폭의 변화다. 일정 시간 안에 같은 방향으로 반복되거나 불규칙하게 나타난다. 전압 진폭 변화량 ΔV와 반복 빈도가 함께 플리커를 좌우한다.

단기 플리커 강도 Pst는 10분 관측 구간 동안 플리커 인지 신호를 통계 처리한 값이다. 기준 조건에서 Pst 값 1.0은 시험 대상자의 50%가 플리커를 눈에 띄고 거슬린다고 느끼는 수준에 대응한다.

장기 플리커 강도 Plt는 2시간 동안 측정한 Pst 값들의 세제곱 평균이다. 식은 다음과 같다.

$P_{lt}=\sqrt[3]{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}P_{st,i}^{3}}$

여기서 P_{st,i}는 i번째 단기 플리커 강도, N은 2시간 구간의 Pst 개수(12개)다. 세제곱 평균을 쓰는 이유는 큰 Pst 값에 더 큰 가중치를 주기 위함이다.

기준 램프와 눈-뇌 모델은 플리커미터의 핵심 구조다. 플리커미터는 230V/60W 또는 120V/60W 백열등을 기준 램프로 모사하고, 그 뒤에 사람의 시각 인지 특성을 모델링한 블록을 연결한다. 측정 요건은 IEC 61000-4-15에 정해져 있다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통에는 전기로, 아크로, 용접기, 대형 전동기, X선 장치처럼 전류가 빠르게 변하는 부하가 늘었다. 이런 부하는 무효전력 소비가 크고 부하전류의 크기가 짧은 시간에 크게 바뀐다. 그 결과 계통 전압이 출렁이고 같은 변압기에 연결된 조명과 민감한 전자기기가 영향을 받는다.

플리커 문제는 전압 품질 기준이 정비되면서 본격적으로 다뤄졌다. 전압 품질은 정상 범위 안에서의 변동도 문제 삼는 쪽으로 관심이 넓어졌다. 전압이 정상치의 90~110% 사이에서 반복하거나 무작위로 변하면 조명 장비에서 플리커가 발생할 수 있다는 점이 정리됐다. 플리커는 최대치 초과나 순간 정전 같은 사고가 아니라 계속 반복되는 변동이므로 허용 기준과 측정 방법이 따로 필요해졌다.

국내에서는 플리커를 막기 위해 전등용 변압기에 공급할 수 있는 단상 전동기 용량을 기동 방식에 따라 제한하고 있다. 이것은 부하 연계 단계에서 플리커를 미리 막으려는 제도적 장치다. 또한 신재생 발전설비가 저압 계통에 늘면서 PV 설비에 의한 전압변동과 플리

4. 구성요소·원리·절차

플리커는 부하전류가 빠르게 변동할 때 전원 계통의 임피던스에서 전압강하가 주기적으로 변하고, 이 전압 변동이 조명의 밝기 변화로 보이는 현상이다. 발생과 억제의 구조를 이해하려면 전원 측 단락용량, 부하 측 변동 부하, 보상장치의 세 요소로 나눠 보는 것이 답안 작성에 편하다.

표 아래 설명: 변동 부하는 전류 변동의 원인이고, 계통 임피던스는 그 변동을 전압 변동으로 바꾸는 매개다. 두 요소의 곱이 플리커의 크기를 결정한다.

플리커 발생 원리는 다음 식으로 정리한다. 부하 변동에 의한 전압 변동 크기는 근사적으로 다음과 같다.

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

여기서 ΔP·ΔQ는 부하의 유효·무효전력 변동분(W, var), R·X는 전원에서 부하점까지 선로의 저항·리액턴스(Ω), V는 기준 전압(V)이다. 무효전력 변동 ΔQ가 리액턴스 X에 곱해져 전압 변동의 주된 원인이 된다. 단락용량 Ssc가 크면 임피던스가 작아져 같은 부하 변동에도 ΔV가 작아진다.

플리커의 세기는 전압 변동 크기만이 아니라 변동 주파수에 따라 달라진다. 사람 눈은 약 8Hz 전후의 변동에 가장 민감하고, 이 대역에서 밝기 변화가 가장 잘 보인다. 따라서 같은 크기의 전압 변동이라도 반복 주파수가 이 대역에 들면 플리커가 커진다.

플리커 평가는 다음 절차로 이뤄진다.

• 측정: 전압 변동 波形을 플리커미터(flickermeter)로 측정하고 순시 플리커 값을 계산함.
• 단시간 평가: 10분 관측 구간의 통계 처리로 단시간 플리커 강도 Pst를 구함.
• 장시간 평가: 2시간 구간에서 여러 Pst 값의 3제곱 평균으로 장시간 플리커 강도 Plt를 구함.
• 판정: 기준값(Pst, Plt)과 비교하여 연계 가능 여부를 판단함.

장시간 평가식은 다음과 같다.

$P_{lt}=\sqrt[3]{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}P_{st,i}^{3}}$

여기서 N은 2시간 구간에 포함된 10분 구간의 개수(12개), Pst,i는 i번째 10분 구간의 단시간 플리커 값이다. 식의 3제곱은 큰 Pst 값에 가중치를 주기 위한 것이다.

Pst 1.0은 시험 대상자의 50%가 플리커를 인지하고 불쾌하게 느끼는 수준을 뜻한다. 이 기준이 플리커 평가 척도의 출발점이다.

저감 원리는 두 가지로 나뉜다. 첫째는 계통 측에서 단락용량을 키우거나 전용 계통·전용 변압기로 분리해 임피던스를 낮추는 방법이다. 둘째는 부하 측에서 무효전력 변동을 흡수하거나 전류 변동을 억제하는 방법이다. 전자는 임피던스를 줄이고, 후자는 ΔQ를 줄인다.

5. 관련 법령·기준·표준

플리커의 측정과 허용 기준은 국제표준 IEC 61000 계열이 기준이다. 플리커 측정기의 요구사항은 IEC 61000-4-15에 정의되어 있다. 허용 한계와 관측 구간은 IEC 61000-3-3에 규정되어 있다. 조명기기의 플리커 평가는 IEC TR 61547-1의 광 플리커미터(PstLM) 방법을 쓴다.

기준 수치는 다음과 같이 정리한다.

표 아래 설명: Pst·Plt 기준값의 허용 한계는 IEC 61000-3-3에서 규정하며, 연계 대상 기기의 종류에 따라 적용 값이 다르다. 국내에서는 전등용 변압기에서 공급 가능한 단상 전동기 용량을 기동 방식에 따라 제한하여 플리커를 억제한다.

전압 변동 자체의 정의도 함께 알아 둔다. 정상 전압 대비 RMS 전압이 반복적이거나 불규칙하게 변하면 플리커가 생긴다. 이때 변동 범위는 90~110% 이다. 순간 전압강하(sag)나 순간 과전압(swell)과는 구분한다.

국내 기준으로 플리커 억제를 위해 단상 전동기 용량을 기동방식별로 제한하는 규정이 있다. 구체 값은 전기사업자의 공급 규정을 따른다. 이 제한은 전압 변동이 조명과 TV 화면에 미치는 영향을 줄이기 위한 장치다.

개정 연혁: 플리커 평가 기준은 IEC 61000 계열이 개정되며 측정 방법이 정교해졌다.