간선 고조파 전류

정의

간선 고조파 전류는 비선형 부하가 기본파의 정수배 주파수 성분을 간선에 주입하는 전류다.

비선형 부하는 다이오드, 사이리스터, IGBT 같은 반도체 소자를 포함하는 장치다.

정류기, 인버터, LED 조명, 형광등 안정기가 대표적인 비선형 부하다.

펄스 전류와 푸리에 분해

전기 기기는 전류를 사인파가 아닌 짧은 펄스 모양으로 끌어 쓴다.

펄스 전류를 푸리에 급수로 분해하면 기본파의 정수배 성분이 나온다.

정수배 주파수 성분이 고조파이며, 3차 고조파는 기본 주파수의 3배다.

짝수 차수는 대칭 조건에서 거의 나타나지 않는다.

중성선 합성

3상 4선식 간선에서는 중성선으로 고조파 전류가 흘러든다.

3의 배수 차수 고조파는 세 상에서 같은 위상으로 나타난다.

그래서 중성선에서 서로 상쇄되지 않고 더해져, 중성선 전류가 상전류보다 커질 수 있다.

계산 예

각 상에 3차 고조파 전류 30A가 있고, 상전류는 100A라고 하자.

중성선 전류는 각 상 영상분 고조파의 3배다. 그래서 3 × 30A를 계산한다.

중성선 전류는 90A로, 상전류 100A에 가깝다.

중성선 단면적을 상도체와 같게 두는 설계로는 부족할 수 있다.

THD와 TDD

앞 문제의 답은 60A다. 3 × 20A를 계산하면 된다.

THD는 측정 순간의 기본파 대비 고조파 비율이다.

TDD는 최대 수요전류 기준의 고조파 비율이며, IEEE 519가 수용가 한계를 정할 때 쓴다.

고조파 원인을 전동기 탓으로 쓰는 것은 흔한 감점 요인이다.

저감 대책

주요 대책은 중성선 증설, 수동·능동 필터, K형 변압기 등이다.

수동 필터는 구조가 단순하지만 공진 위험이 있어 공진 차수를 계산해야 한다.

능동 필터는 역위상 전류를 주입해 넓은 차수 범위의 고조파를 억제한다.

정리

앞 문제의 정답은 같은 위상으로 더해진다는 것이다.

정리하면 비선형 부하가 고조파를 만들고, 3고조파는 중성선에서 합성된다.

설계에서는 단락용량과 콘덴서 용량의 공진, 중성선 단면적을 함께 검토한다.

기출 답안은 발생원인, 파형, 영향, 대책 순서로 쓰면 점수가 높아진다.