고조파 개선 대책

전력 계통에서 고조파(Harmonics)를 관리하고 개선하는 것은 단순히 품질의 문제를 넘어, 설비의 수명과 안전에 직접적인 영향을 미치기 때문이다.
고조파는 기본 주파수(60Hz)의 정수배를 가지는 파형으로, 정현파를 왜곡시켜 여러 가지 부작용을 초래한다.
하여 고조파란 무엇? 그리고 필터링 및 억제, 제한 등 개선 대책에 대해 아래와 같이 살펴본다…

◈. 고조파 개선 대책

1. 고조파

최근 파워일렉트로닉스의 지속적 기술 성장과 생(省)에너지 필요성에 따라 부하는 인버터, 위상 제어장치, 정류기, UPS, DC컨버터 등 비선형부하가 크게 늘어나 있는 상황이다.
이런 비선형 부하는 정밀제어, 속도향상 등 부하 요구에 따른 것으로 그 추세는 빠르게 증가하고 있다.
여기에 사용자 욕구 또한 커져 앞으로의 증가추세는 더욱 빨라 질 것이며 그 응용범위 역시 확대될 것이다.
그런데 이런 비선형 부하의 증가는 고조파를 발생시켜 전원품질을 나쁘게 만든다.
전원품질이 나빠지면 생산설비는 물론 사용 중인 모든 전력설비까지 장애(Trouble)를 초래 하게 되는데 이는 막대한 손실이 된다.
그러므로 이런 고조파에 대해서 억제시키거나 또는 흡수, 상쇄제거의 필터링 방법을 통해 전원품질을 안정시킬 필요가 있다.
그래야 전력설비의 수명연장은 물론 손실저감 그리고 공산품 품질향상과 생산성 향상에 기여하게 된다.

고조파란 기본파 주파수의 정수배 조파를 말하는 것으로 2고조파 = 60Hz x 2 = 120Hz, 3고조파 = 60Hz x 3 = 180Hz……
기본파 주파수에 2배, 3배, 4배…… 즉, 정수배에 해당되는 물리적 전기량이다.

1). 고조파 발생원.
1-1). 변압기 여자전류
1-2). 용접기
1-3). Arc Furnaces
1-4). S C R 교류 위상제어장치
1-5). A C / D C 정류기
1-6). Inverter, Converter
1-7). 컴퓨터등 단상 정류장치
1-8). S M P S(Switch Mode Power Supply) & 전자식 안정기

2). 고조파 문제점(영향).
2-1). 전기설비의 과열 및 소손(콘덴서, 리액터, 변압기, 케이블, 발전기)
2-2). 제어시스템의 불안정
2-3). 전압변동
2-4). 중성선에 대전류(영상분 고조파)
2-5). 통신 및 O A기기 장해
2-6). 회전기 과부하
2-7). 역률저하 및 전력손실2-8). 소음 및 진동
2-9). Flat-topping (정현파 전압의 피크치가 낮아지는 현상)
2-10). 보호계전기, 제어장치 오동작 및 차단기 트립

3). 기기별 고조파 영향.

전기 기기명	영향의 종류	전기 기기명	영향의 종류
유도 전동기	진동 토크 회전 주기적 변동, 철손과 동손 증가	적산 전력계	자속의 비선형으로 측정오차 발생 전류 코일 소손
케이블	중성선 과열, 전기 화재 발생	음향기기, TV 앰프	다이오드, TR, 콘덴서 고장 수명저하, 잡음, 영상흔들림
콘덴서, 리액터	고조파 전류 유입에 의한 직, 병렬공진 과대(공진)전류, 과열, 소손, 진동, 폭발, 화재	컴퓨터 전산기기	평활콘덴서 과열, 논리회로의 오작동
변압기	철심 내 자속의 왜곡 소음, 철손 및 동손 증가 정격용량 저하, 소손, 폭발, 화재, 정전	정류기 정밀제어기기	제어신호의 위상변화에 의한 제어불능
형광등	역률개선용 콘덴서, 초크코일의 과열 및 소손	계전기	위상각 변화에 의한 오동작 및 오부동작
통신선	전자유도 장애에 의한 잡음	전력퓨즈	과전류에 의한 용단
계기용 변압기	측정 정밀도 오차 확대	N F B	과전류에 의한 오동작

4). 전류고조파 왜곡 규제치 (120 V ~ 69000 V)

T D D ; Total Demand Distortion (최대 부하전류에 대한 고조파전류 수용률)

5). 전압고조파 왜곡 규제치.

6). 왜형율
기본파 실효치에 대한 전체고조파 실효치의 비율로 고조파 발생 정도와 파형 왜곡을 나타낸다.
6-1). 전압고조파 왜형율 (Voltage Total Harmonic Distortion)

6-2). 전류고조파 왜형율 (Current Total Harmonic Distortion)

 

2. 고조파 대책

고조파 대책에는 첫 번째 고조파 발생량을 억제하는 방법과 두번째 발생고조파에 대해 계통 유출을 억제키 위해 분로 회로를 만들어 흡수하는 방법 그리고 세 번째로 발생원의 고조파를 검출하여 상쇄 제거하는 방법이 있다.비용면에선 고조파 유출을 억제하는 방법이 가장 유리하고 다음으론 분로회로를 통해 흡수하는 방법이 그다음으론 상쇄제거하는 방법이 유리하다.
반면 동일용량 기준으로 효과면에서는 상쇄제거하는 방법이 억제, 흡수하는 방법보다 효과가 가장 높고 당사 능동고조파 필터의 경우 97%이상의 고조파를 상쇄제거 할 수 있다.

아래는 여러 대책에 대해 설명한 것으로 콘덴서뱅크는 콘덴서 측 입장에서의 고조파 억제 대책 설명과 전원 측에서 바라본 콘덴서 뱅크의 고조파 흡수 효과 두가지에 대해 기술한다.

1). 콘덴서 뱅크 고조파 유입 억제.
계통발생 고조파에 대해 유도성 회로를 부여 고조파를 억제한다.
Series Reactor Reactance에 따른 n차수별 Impedance.

No

Reactance

Capacitor회로의 n차수 조파별 합성Impedance – Z.

2nd

3rd

4th

5th

7th

9th

1

6% (j6 / -j100)

-j38Ω

-j15.3Ω

-j1Ω

j10Ω

j27.7Ω

j42.8Ω

2

13% (j13 / -j100)

-j24Ω

j5.6Ω

j27Ω

j45Ω

j76.7Ω

j105Ω

3

15% (j15 / -j100)

-j20Ω

j11.6Ω

j35Ω

j55Ω

j90.7Ω

j123Ω

4

29% (j29 / -j100)

j8Ω

j53.6Ω

j91Ω

j125Ω

j188Ω

j249Ω

– % Reactance ; (XL / Xc) x 100 %
– (-)용량성, (+)유도성
– 기본파 6% Reactance Z = XL + Xc = -j94Ω
– 직렬리액터는 자속밀도를 낮춰 설계 제작한다.
– 콘덴서는 전위경도를 낮춰 설계 제작한다.

2). 리액터(A C L, D C L) 적용.

– 리액터 설치 예 –

고조파 발생부하 1차 교류입력 전원 측에 교류리액터(A C L)를 설치하여 고조파에 대한 전원 측 리액턴스를 크게하므로 발생원측 고조파가 전원 측으로 유출되는 것을 방지하고 직류리액터(D C L)는 고조파 발생부하 직류 측에 설치 직류파형의 맥동(Ripple)을 낮춤으로 고조파 발생량 자체를 경감시키는 역할을 하게 된다.
아래 표는 3상 브리지(콘덴서 평활)의 고조파 발생량이며 교류리액터를 설치한 경우 약 50%, 여기에 직렬리액터 추가 설치시 55% 이상 고조파가 저검되는 것을 확인 할 수 있다.
교류 리액터는 용량이 클 수록 고조파 유출 억제효과가 크지만 리액터 용량이 클 수록 전압강하가 커져 전압강하에 따른 부하 측 문제 발생이 없는 적정용량을 선정해야 한다.
교류 리액터 설치는 고조파 저감 효과로 교류 전원 측 Notching Voltage가 많이 개선된다.

– 3상 브리지(콘덴서 평활) 리액터 설치에 따른 고조파 발생량 –

3). 정류기의 다펄스 방식 채용.
정류기의 발생 고조파차수는 다음과 같다
n = k p ±1
n = 발생 고조파 차수, k = 양의 정수 (1, 2, 3,,,,,) p = pulse 수
만약 6pulse 정류라면 발생고조파는 5, 7, 11, 13, 17, 19,,,,, 조파가 되고
12pulse라면 11, 13, 23, 25, 35, 37,,,,,,이 된다.
그러므로 변환기의 상수를 6상 -> 12상 -> 24상 전파정류 할 수록 저차수의 고조파가 없어지게 돼 고조파 저감효과를 보게된다.
한편 상수를 늘려갈 수록 고조파 저감효과는 크게되나 제어가 복잡해지고 장치 가격이 상승하므로 신뢰성과 경제성을 고려한 선정이 필요하다.

– 정류 상수와 고조파 발생 차수 –

4). 위상변위 방법.
수전 변압기의 결선방식을 다른 조합으로 하거나 Phase Shifter를 사용하여 pulse수를 증가시키는 방법이다.
아래 그림과 같이 위상변위를 주면 정류기 A, B측에서 발생되는 고조파는 30º의 위상차를 가지므로 전원 측에서의 합성고조파 중저차수 고조파가 크게 감소한다.

계산에 따르면 이론고조파 5, 7차고조파 발생량은 0이되나 실제 측정시는 약간 발생하고 있다.

제 5, 7고조파가 서로 상쇄(Cancle) 돼 전체 고조파 왜형율이 감소된다. (참고문헌 인용)

– 3상 브리지의 고조파전류 발생량 –

펄스수는 정류기 등의 변환장치에 있어서 전원전압의 1사이클 중에 독립하여 발생하는 전류(轉流:Commutation) 수로 정의하고 있으며 실제로는 직류전압에 포함된 맥동펄스의 수와 같다.
예컨대 3상 브리지 접속의 펄스수는 6이 되고 이 펄스수가 많아지면 교류전류에 포함된 고조파 전류의 차수는 높아지며 동시에 그 크기는 감소하게 된다.

– 12펄스 변환장치는 교류전압의 위상을 30도 어긋나게 놓을 수 있는 2대의 6펄스 변환장치를 직류측으로하여 직렬 또는 병렬로 접속하여 구성한다.
– 2대의 6펄스 변환기용 변압기의 교류측 전류에 포함된 5차 및 7차고조파 전류의 위상은 180도 다르게 돼 전원측에서 상쇄된다.
– 교류전압의 위상을 30도 어긋나게 놓으면 직류전압의 맥동수는 6펄스의 2배인 12가 된다.
이렇게 펄스수가 증가함에 따에 고조파 전류는 감소하게 된다.

5). Phase Shift T R 적용.
이의 적용은 기존 전력계통에 Phase Shift T R을 삽입하여 인위적으로 위상을 30º 변위시켜 줌으로 제 5차 7차 고조파를 상쇄시키는 방법이다.

– 고조파 차수별 정상, 역상, 영상 고조파 구분 –

고조파는 불평형으로 나타내며 불평형 속에 포함된 고조파는 정상 고조파, 역상 고조파, 영상 고조파로 나뉘어진다.
상기는 전동기 속도제어에서 Phase shift T R 설치를 표현한 것으로 30도 위상 변위를 준 상태이다.
여기서 제 5고조파는 역상분 고조파로 5 x 30º = 150º에서 기본파변위 30º가 같은 상순이므로 합쳐저 180º가 되고 제 7고조파는 정상분 고조파로 7 x 30º = 210º에서 기본파변위 30º를 빼주게 되므로 180º가 된다.
이 5고조파와 7고조파는 위상이 반대로 서로상쇄돼 고조파 저감 효과가 크게 된다.

6). 콘덴서뱅크의 고조파 흡수 효과.
역률개선 목적으로 설치한 콘덴서뱅크는 시스템 구성상 L – C 직렬 회로로 돼 있어 수동필터의 특성을 갖게 된다.
이런 특성의 콘덴서뱅크는 고조파전류를 분류 흡수하게 되므로 전원 측으로 유출을 억제시키게 된다.
이는 고조파 필터링 측면에서 큰 장점이 된다.
그러나 콘덴서 입장에선 고조파 Stress 때문에 기대수명이 단축 돼 불리하게 작용된다.

6-1). 고압 측 회로의 고조파 억제율
– 전원 측 임피던스 ; j20%(10MVA)
– 콘덴서 용량 ; 200kVA
– 직렬리액터 ; 콘덴서 리액턴스의 6%
– 고조파 발생 전류 In ; 20A

ⓐ. 전원 측 임피던스를 (기준용량 10MVA PU로 변환)

ⓑ. 콘덴서 측 임피던스

ⓒ. 고압 측 제 5차 고조파 유출전류 Isn 계산 ?

그러므로 억제율은?

6-2). 저압 측 회로의 고조파 억제율
– 전원 측 임피던스 ; j20%(10MVA)
– 변압기 용량 ; 500kVA (%Z = 5%)
– 콘덴서 용량 ; 200kVA
– 직렬리액터 ; 콘덴서 리액턴스의 6%
– 고조파 발생 전류 In ; 20A

ⓐ. 전원 측 임피던스를 (기준용량 10MVA PU로 변환)

ⓑ. 콘덴서 측 임피던스

ⓒ. 저압 측 제 5차 고조파 유출전류 Isn 계산 ?

그러므로 억제율은?

이상과 같이 고조파 발생원이 저압일 경우 저압측에 콘덴서를 설치하는게 고압 측에 설치하는 것 보다 억제효과가 우수하나 이는 이론 적 해석이고 막상 고조파 발생원과 근접한 곳에 직렬리액터 6%의 콘덴서 뱅크 설치시 고조파 장애로 콘덴서뱅크 운전이 불가 할 수 있다.

7). 수동필터(Passive Filter) 설치.
수동(Passive) 고조파 필터는 억제코자 하는 n 차 고조파에 대해 L / C or R // L / C 공진(Band pass or High pass) 분로 회로를 만들어 고조파를 흡수 제거 하는 방식이다.
수동 필터의 제작 설치는 고도의 기술을 요하는 설비로 사전에 충분한 계통조사가 이뤄져야 한다.
그렇지 않을 시 계통 임피던스 변화에 따라 필터링 실패가 일어 날 수도 있고 또한 전원 측과의 병렬 공진이 발생할 수 있어 이를 충분히 검토한 후 설계에 반영 해야 한다.
또한 수동 필터는 콘덴서를 사용하게 되므로 역률개선 역할을 함께 수행하게 된다.
즉, 진상 전류 발생(공급) 원이 된다.
이는 크나큰 장점이지만 무부하 경부하시에 진상 역률이 될 수 있으므로 이에 따른 대책이 함께 수립돼야 한다.

8). 능동필터(Active Filter) 설치.
능동형(Active) 고조파 필터란 자체적으로 고조파 발생기가 된다.
즉, 고조파 생성기 or 발생장치라 할 수 있다.
부하 측 고조파에 대해 180도 반대 위상의 고조파를 선로에 공급 부하 측 고조파를 상쇄 제거하는 방식이다.
이는 계통 고조파를 97%이상 저감할 수 있어 효과면에서 가장 우수한 필터가 된다.
또한 수동필터의 단점인 계통 공진과 진상운전을 피할 수 있으며 각 상별 선별적 보상이 가능해 상 불평형도 해소 할 수 있다.
그리고 역률을 개선할 수 있으며 부하 증설에 능동적 대처가 가능해 별도의 콘트롤러 추가 없이 파워 모듈만을 추가해 용량을 키울수 있다.

 

◇. 장점 ; -. 계통에서 발생되는 고조파에 대해 IEEE Std 519-1992 규제치 內에서 관리할 수 있게 된다.
-. 발생 고조파에 대해 최대97% 이상 감쇄할 수 있어 고조파 장해로부터 설비를 보호하게 된다.
◇. 단점 ; -. 투자비가 비교적 고가이다.
-. 별도의 설치공간이 필요하다.

9). 그외 대책.
– PWM방식의 Converter 채용 ; 법용인버터 왜형율을 5%이하까지 낮출 수 있다.
– 계통 분리 ; 고조파 발생부하와 일반부하를 분리한다.
– 단락용량 증대 ; 단락용량을 키우면 공진차수가 높아져 고조파가 저감된다.

10). 피해 기기측 대책.
– 전력용 콘덴서 ; 설계 전위경도를 낮추고 온도기호를 ‘D’ 등급으로 높여 고조파 내량을 키운다.
– 직렬리액터 ; 시스템 설계에서 콘덴서에 대한 리액턴스를 높이고 자속밀도 및 전류밀도를 낮춰 제작한다.
– 전력용 변압기 ; ANSI C57.110의 K-Factor 규정을 적용해 제작한다.
– 발전기 ; 등가 역상전류를 확인 후 필요 용량배수를 적용해 제작한다.
– 기타설비 ; 고조파에 견디도록 고조파 내량설계를 한다.