고조파의 발생 원인

전기기기는 교류 전압원으로부터 전력을 공급받게 됩니다. 이렇게 전기기기는 전력을 공급받아 다른 에너지의 형태로 변환하거나 특정 목적의 일을 수행하게 되는데 이때 전기기기의 입력단 구조에 따라 입력 전류에 차이가 발생합니다.  입력전류 형태에 따라 전기기기를 구분하자면 아래의 그림 1과 같이 선형 부하와 비선형 부하로 구분지을 수 있습니다

그림 2에서 볼 수 있듯이 선형부하의 입력전류는 정현파임에 반하여 비선형 부하의 입력전류는 주기적이나 정현파가 아닙니다 . 즉 , 비선형부하의 입력측 전류에는 고조파 성분이 포함되어 있습니다 . 반도체 기술의 발전으로 인하여 현재 대부분의 전기기기는 다이오드 , 트랜지스터 , 사이리스터에 의하여 구성된 전원회로를 가지고 있으며 점점 선형 부하에 비하여 비선형 부하의 비중이 급격히 증가되고 있는 추세이기 때문에 현재의 공장 , 빌딩 혹은 가정의 입력측 전류에는 매우 많은 고조파 성분이 포함된 상태 입니다 . 위와같은 이유로 비선형 부하 는 전력품질의 관점에서 보면 그림 3과 같이 고조파 전류원 으로 볼 수 있으며 이로 부터 발생된 고조파 전류는 전원단으로 역류하게 됩니다.  .

그림 3의 Ih는 비선형 부하(non-linear load)를 고조파 전류원(current source)으로 등가(equivalent)한 것이며 Zh는 고조파전류원의 소스 임피던스(source impedance)입니다. 국내의 전기 발전, 송전 및 배전은 최근까지 공기업이었던 한국전력에 의하여 통합관리되고 품질관리에 많은 투자를 하여 자유 경쟁 시장이었던 외국의 전력품질에 비하여 매우 훌륭한 것으로 평가받고 있습니다. 그림 3에서의 V1은 한국전력으로부터 공급받는 전원이라고 할 수 있습니다. 그러므로 국내에서 측정된 V1 전압은 매우 깨끗한 정현형태를 띄고 있으며 순간 정전이나 잡음도 거의 없는 훌륭한 전원이라고 할 수 있습니다. 그러나 앞서 말씀드렸던 바와 같이 최근 전력반도체 사용이 잦아짐에 따라 비선형 부하로 부터 발생된 고조파 전류가 전원 측으로 역류하면서 그림 3에서 변압기를 통과한 전압인 V2는 일그러진 형태를 띄는 경우가 늘어남에 따라 전압에도 고조파가 포함되게 됩니다. 이러한 V2에서의 고조파 크기가 커질수록 V1에 고조파 크기도 커지게 되며 심하면 도시전체에 고조파전압이 퍼지거나 배전소나 변전소에서의 정전, 열화등의 현상을 불러올 수 있습니다. 실제로 2003년 3월, 수도권의 한 변전소에서 일요일 특정시간대에 동일한 유형의 원인불명 고장이 반복적으로 발생해 수천호의 수용가가 정전피해를 입은 일을 정밀 규명한 결과, 전력수용가 측으로 부터 발생한 과다한 고조파 유입에 따른 것으로 드러났습니다. 결국, 전력회사가 전기사고의 원인이 아니라 그 전기를 사용하는 수용가가 원인이 될 정도로 고조파의 심각성이 드러난 것입니다. 게다가 국내에서도 2000년에 전력 도매 부분에서의 일부 자유화가 실시되어 일반전기사업자 뿐만 아니라 특정 규모 전기사업자에 의한 전력공급이 가능한 상태이며, " 전기사업자에 의한 신에너지 등의 이용에 관한 특별조치법 "의 제정에 따라 태양광이나 풍력에 의한 발전설비가 보급되는 추세에 있지만 신에너지에 의하여 생산되는 전력의 품질은 대형 원자력, 석탄, 가스발전소에서 생산하는 품질에 미치지 못하는 상태 입니다. 그래서 새로운 발전시스템이 전력계통과 연계되어 동작하기 위해서는 전력 품질의 개선이 시급히 이루어져야 합니다. 이렇게 현재의 전력구조와 시장은 점점 복잡해 지고 있으며 이에 따라 기존보다 상대적으로 적은 고조파 전류, 전압에 의하여도 큰 사고나 장애가 발생할 확률이 높아지게 되고 있습니다. 비선형 부하(전기기기)는 종류 및 용량에 따라 차수별 고조파 발생량에 차이가 있습니다. 그래서 고조파 총량에 대한 수치로서 부하나 전원선의 고조파 크기 정도를 판단하는 기준으로 사용합니다. 이를 " 전 고조파 왜형율(THD, Total Harmonic Distortion) "이라고 부르며 전압THD는 아래와 같은 수식으로 정의되어 있습니다.

위 식에서의 V의 밑숫자는 고조파 차수로서 1은 1차 고조파 즉, 기본파를 의미하고 2는 2차 고조파를 의미합니다. 전류의 경우도 마찬가지 수식을 적용합니다. 아래에 특히 그 중에 매우 사용빈도가 높고 그 용량이 커서 특히 고조파 장애를 유발시키는 대표적인 것들의 고조파 차수별 크기의 평균수치를 정리하였습니다.

출처 : http://www.it-power.co.kr/tech01_2.htm