고조파의 영향

비선형 부하로 부터 발생되는 전류 고조파의 크기가 커질수록 전압 고조파 또한 커지고 이러한 오염은 전력계통에 역전파되어 주변 전원으로 퍼져나가게 됩니다. 퍼져나간 고조파 오염은 계통에 연결되어 있는 전기기기에 오동작을 유발하거나 발열에 원인이 되어 효율을 감소시키거나, 허용용량을 넘어서도록 만들게 됩니다. 이러한 영향에 의하여 어떠한 문제점이 발생하는 지에 대하여 아래에 설명하였습니다.

대표적인 경우가 변압기입니다.  가정의 경우 전원은 보통 주상변압기라 불리는 전봇대 위에 매달려있는 변압기의 2차측에서 공급받습니다. 아파트와 같은 대형 건물의 경우는 지하에 소규모의 변전 시설이 있고 여기에 있는 변압기의 2차측으로 부터 각 호까지 전력이 전달됩니다. 이때, 변압기의 용량에 제한이 있기 때문에 하나의 변압기가 담당하는 시설의 갯수은 그 시설의 용도나 사용되는 전력량에 따라서 결정됩니다. 보통 사용될 것이라 예측되는 소비전력량보다 조금 크게 변압기의 용량을 선정하여 설치하게 되는것입니다. 용량은 곧 변압기가 꺼리낌없이 내어줄수 있는 최대 전류를 의미하기도 합니다.  그런데 이때, 수용가들의 비선형 전기기기로부터 고조파가 발생되게 되면 미리 계산해 두었던 수용가의 소비전력량에 따른 전류의 평균 크기는 변압기가 감당할 수 있을만큼이나 고조파로 인하여 순간적으로 공급되어야 할 전류의 크기는 매우 크기 때문에 변압기로부터 충분한 전류가 유입되지 못합니다. 이것은 결국 전압의 왜곡을 불러일으킵니다. 전압이 왜곡되면 다른 기기들은 왜곡된 전압을 받기 때문에 또 왜곡된 전류가 흐르게 됩니다. 그래서 결국 변압기의 용량이 감소된것으로 볼 수 있는 것입니다.  이를 감안하여 변압기의 출력이 감소한 비율을 나타낸 수치를 THDF(Transformer Harmonics Derating Factor)라고 합니다.변압기의 출력 감소를 의미하는 이 수치는 단상부하의 경우, 아래의 식으로 정의됩니다.      예를들어 단상부하로 인한 경우 실효치 100A의 전류가 피크는 300A라면 변압기 용량은 47.1%로 감소한 셈입니다. ANSI/IEEE C57-110에 의하면 THDF는 아래 식과 같습니다   결국, 용량이 부족한 변압기는 부하전류의 증가에 따라 와전류손실 및 표피효과에 의하여 코일의 동손, 코어의 철손이 증가되면서 발열이 발생합니다. 특히, 고조파전류가 변압기의 1차로 델타권선 내를 순환하게 되면서 그 영향이 더욱 커지게 됩니다. 결국 쓸데없는 전력이 낭비되게 되고 변압기는 그 스트레스를 그대로 받게되어 소음과 진동이 더 크게 발생합니다.

대부분의 부하는 유도성 부하이기 때문에 배전 계통에는 역율 보상용 커패시터들이 부착되어 있습니다. 이 커패시터는 평소에는 역율을 보상하여 무효전력으로 인하여 추가적으로 발생하는 송, 배전선의 전류크기를 줄는 역할을 합니다. 그런데 역율 커패시터는 용량성이기 때문에 고조파의 차수가 높아질 수록 임피던스는 역배수로 줄어들게 됩니다. 그러므로 고조파 전류가 발생하게 되면 그 중많은 양이 역율 커패시터를 통하여 흐르게 됩니다. 결국, 커패시터에는 이로인하여 열이 발생하게되고 이러한 열이 누적되면 수명이 급격히 감소되며 결국에는 파손에 이르게 됩니다       위 그림에서 표현되었듯이 비선형 부하에서는 단순히 기본파전압과 기본파 전류의 위상차로 역율을 정의할 수 없습니다. 비선형 부하에서 고조파는 위 그림에서 설명하였듯이 무효전력 증가에 관여하게 됩니다.    위 그림은 발전기의 댐퍼권선 구조에 대한 그림입니다. 댐퍼봉과 단락동판은 변류기의 2차측 권선작용을 하기 때문에 발전기에 역상전류가 흐르면 역상회전자계의 자속이 댐퍼권선회로와 쇄교하여 댐퍼권선등의 손실이 증가되고 출력을 저하시킵니다. 상용전원을 받았을 경우에 큰 문제가 없던 고조파 전류라고 할지라도 정전이 발생하여 비상용 발전기로 대체되면, 비선형 부하들에 의해 발생하는 고조파전류에 의하여 발전기가 과열될 수 있음을 의미합니다.    공진현상은 임의 지점에서의 임피던스들이 서로 직,병렬의 구조로 공액복소수 형태가 되면 발생하게 되는데 계통은 애초에 60Hz와 같은 저주파수에 대하여 설계가 되어있기 때문에 300Hz이상의 높은 주파수에서의 임피던스를 고려하고 있지 않습니다. 그러므로 고조파전류, 전압이 발생하게 되면 구성요소나 구조들에 의하여 공진현상이 발생 할 확률이 높아지게 됩니다. 공진현상이 발생하면 전압의 과상승이나 전류의 과상승으로 인하여 기기가 열화되거나 파괴될 수 있어서 계통에서는 꼭 피해야 하는 현상입니다.   일반적으로 중성선의 굵기는 다른상에 비하여 같거나 가늘게 선정하고 있습니다. 왜냐하면 이전에는 상간 불평형이나 고조파가 발생하지 않아서 다른 상에 비하여 전류가 적게 흐르게 되기 때문입니다. 그러나 점차적으로 단상부하들이 급증하고 있으며 비선형 부하의 점유율도 높아지게 되고 있음에 따라 불평형 상황과 고조파가 굉장히 많이 발생하고 있어 중성선에 큰 전류가 흐르게 되었습니다. 그에 따라 케이블이 과열되어 피복이 벗겨지다 합선과 같은 사고를 일으킬 수도 있습니다.     전압 및 전류의 유효자속이 기본파의 고조파 성분이 중첩되어 비선형 특성을 가지므로 정 오차를 발생하며 디지털인 경유 고조파 성분을 충분히 분석치 않으면 측정오차가 발생할 수 있습니다. 계측기의 오차 변화 한계는 JIS C1216에 3차 고조파가 10% 함유시의 기준이므로 10%를 초과 시 오차는 더욱 커지며 지시계기의 오차변화 한계는 JIS C 1102에 제 3고조파가 15% 함유시의 기준이므로 15%를 초과할 경우, 오차는 더욱 더 커질 수 있습니다.

출처 : http://www.it-power.co.kr/tech01_3.htm