고조파 영향

왜 배우는가: 고조파는 콘덴서 과열, 변압기·회전기 손실 증가, 보호계전기 오동작 등 전력설비 전반의 고장과 오동작을 일으키는 대표적 전력품질 문제이다. 실무에서 비선형부하가 늘면서 설계와 유지관리의 핵심 쟁점이 되었고, 전기응용기술사 시험에서 영향과 대책을 묻는 형태로 반복 출제된다.

출제 이력: 제128회 4교시 6번, 제103회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고조파는 기본 주파수의 정수배 주파수를 갖는 전압·전류 성분으로, 비선형부하에 의해 발생하여 전력기기의 과열·오동작을 일으키는 전력품질 장해이다.

• 고조파(Harmonics): 기본파의 정수배 주파수 성분
• 비선형부하: 전류와 전압이 비례하지 않는 부하(인버터, 정류기 등)
• 종합 고조파 왜형률(THD): 기본파 대비 고조파 실효치의 비
• 병렬공진: 콘덴서와 계통 임피던스 사이에서 고조파가 증폭되는 현상
• 와전류손·히스테리시스손: 주파수에 비례하거나 제곱에 비례하여 증가하는 철심 손실
• 토크 맥동: 회전기에서 고조파 전류에 의해 생기는 주기적 토크 변동
• K-factor 변압기: 고조파 열에 견디도록 설계한 변압기
• PCC(공통결합점): 고조파 평가와 저감 책임을 따지는 측정 지점

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전원은 50Hz나 60Hz의 깨끗한 사인파인데 전기기기가 전류를 끊어 쓰면서 파형이 찌그러지고, 그 찌그러짐을 주파수 배수의 파형으로 나누어 본 것이 고조파다.

정식으로 정의하면, 고조파는 주기적 비정현파를 푸리에 급수로 전개했을 때 기본 주파수의 정수배 성분을 말한다. 3상 계통에서는 차수에 따라 정상분, 역상분, 영상분으로 나뉜다.

고조파 발생원은 ① 변환장치(인버터, 컨버터, 무정전전원장치, 정류기, VVVF 등), ② 아크로·전기로, ③ 형광등, ④ 회전기기, ⑤ 변압기, ⑥ 과도현상이다. 발생 크기가 큰 쪽은 ①과 ②이다. 이 둘은 지속적으로 큰 고조파 전류를 내므로 다른 기기와 선로에 미치는 영향이 크다.

종합 고조파 왜형률(THD)은 고조파 전압 실효치와 기본파 전압 실효치의 비로 나타낸다.

$THD_V = \frac{\sqrt{V_2^2 + V_3^2 + V_4^2 + \cdots}}{V_1} \times 100\%$

여기서 V_1은 기본파 전압 실효치, V_2, V_3, \cdots는 각 차수별 고조파 전압 실효치다.

TDD(총 수요 왜곡)는 최대 수요 전류 기준의 고조파 전류 비율이다. THD는 순간값을 측정한 값이고, TDD는 수요 전류 기준으로 평가하므로 두 값은 다르다. IEEE 519는 PCC에서 ISC/IL 비에 따라 TDD 한계를 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 설비와 가정에서 인버터, 정류기, 전력변환장치가 늘면서 비선형부하 비중이 커졌다. 과거에는 전동기 같은 선형부하가 주였으나, 지금은 전류가 정현파에서 벗어나는 경우가 많다.

전력용 콘덴서는 역률 개선을 위해 설치되는데, 계통 임피던스와 콘덴서 용량이 고조파 차수에서 병렬공진을 일으킬 수 있다. 일본의 1991~1994년 장해 사례 분석에서는 장해 기기의 대다수가 콘덴서와 직렬리액터였다. 장해 내용은 소손, 이상음, 과열이었다. 이 사례는 고조파 문제가 콘덴서 설비에서 먼저 드러난다는 점을 보여 준다.

또한 정지형 보호계전기와 디지털 계량기는 고조파에 민감하여 오동작이나 계량 오차를 일으킬 수 있다. 따라서 고조파 억제는 설비 수명, 보호 신뢰성, 전력요금 정산 모두와 관련된다.

4. 구성요소·원리·절차

고조파 영향은 발생원, 전달 경로, 피해 기기의 세 요소로 나누어 보면 체계적으로 정리된다. 발생원은 비선형 부하이고, 전달 경로는 전원 계통과 배전선로이며, 피해 기기는 콘덴서·회전기기·변압기·보호계전기·통신설비 등이다.

표의 발생원은 고조파 크기와 지속성에 따라 구분된다. 변환장치와 아크로·전기로는 고조파 전류 성분이 크고 지속적이어서 주된 문제가 된다. 형광등·회전기기·변압기는 발생량이 작거나 순간적이라 영향이 상대적으로 작다.

원리는 다음과 같다. 고조파 전류는 기본파의 정수배 주파수를 가지므로 임피던스가 주파수에 비례하는 선로·기기에서 전압 강하와 손실을 키운다. 특히 전원 측 인덕턴스와 전력용 콘덴서가 특정 차수에서 병렬공진을 일으키면 고조파 전류가 증폭된다. 이때 계통 전체에 전압 왜곡이 생긴다.

손실 측면에서 히스테리시스 손실은 주파수에 비례하고 와전류 손실은 주파수의 제곱에 비례한다. 따라서 고조파가 많은 기기일수록 철심 발열이 커진다. 회전기기에서는 고조파 전류가 고정자에 흐르면 회전자에 유도 전류가 흘러 회전자 과열과 맥동 토크가 생긴다.

고조파 영향 발생 절차는 다음과 같다.

• 비선형 부하가 기본파 외의 고조파 전류를 발생시킨다.
• 고조파 전류가 전원 임피던스와 배전선로를 통해 계통으로 전달된다.
• 전력용 콘덴서와 계통 인덕턴스가 특정 차수에서 공진하면 고조파 전류와 전압이 증폭된다.
• 증폭된 고조파가 콘덴서, 회전기기, 변압기, 계전기, 계기에 과열·과전압·오동작을 일으킨다.
• 고조파 전류가 중성선에 모이면 3고조파로 인해 중성선이 과열된다.

고조파 영향의 핵심은 전원 임피던스와 콘덴서의 병렬공진에 의한 고조파 증폭이다

다음 도식은 고조파 발생부터 기기 피해까지의 흐름을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

고조파 관리의 대표 기준은 종합 고조파 왜형률(THD)과 총 수요 왜곡(TDD)이다. THD는 기본파 실효치에 대한 고조파 실효치의 비로 정의되며, 고조파 왜곡의 정도를 나타내는 가장 널리 쓰이는 지표다.

표의 값은 IEEE 519 권장 한계로, 국내 전기설비 기준의 강제 규정과는 구분하여 이해해야 한다. 전류 한계는 가용 단락전류와 최대 수요전류의 비율에 따라 달라지므로 값만 외우지 말고 비율과 함께 기억한다. 전압 한계는 계통의 공급 용도에 따라 다르게 적용된다.

전력용 콘덴서의 허용 전류도 주요 기준이다. 콘덴서에는 기본파 전류와 고조파 전류가 합산되어 흐르므로 허용 최대 사용 전류를 넘지 않도록 설계해야 한다. 이때 직렬리액터는 콘덴서의 공진 주파수를 기본파 대비 낮은 쪽으로 이동시켜 고조파 증폭을 억제한다.

개정 연혁 측면에서 IEEE 519는 이후 개정을 거치며 TDD 개념이 도입되었고, 기존의 THD 중심 평가에서 수요 기준 평가로 확장되었다. 국내에서는 고조파 관리 기준을 설비별 기술기준과 계통 연계 규정에서 나누어 관리한다.

6. 유형과 비교

고조파 영향은 발생원, 피해 대상, 피해 형태에 따라 나누면 정리가 쉽다. 발생원은 크게 변환장치·아크로·형광등·회전기기·변압기로 나뉘며, 그 중 변환장치와 아크로가 지속적이고 고조파 전류 성분이 커서 영향이 크다. 피해 대상은 전력기기와 보호·계측·통신 설비로 구분한다.