저차 고조파의 발생원인 및 대책

 

 

 

 

 

 

 

 

 

고조파(Harmonics)란?
주파수가 n배인 파동을 제 n차 고조파라 한다. 음의 경우 배음에 해당하는 것으로, 전기진동, 전자파 등의 경우에 사용
되며, 기본 진동수에 대해 그 배수에 따라 제 2 또는 제 3 고조파라고도 한다. 진동이 Sin파가 아닌 변형된 파형인 경우는 반드시 고조파를 포함하고 있는데, 악기의 음색은 고조파를 포함하는 정도에 따라 달라진다.
다시 설명해서 고조파는 정수배를 갖는 전압, 전류를 말하며 일반적으로 50차수 정도 까지를 말한다. 그 이상은 고주파
(High Frequency) 혹은 Noise로 구분된다.

전력계통에서 논의되는 고조파의 범위는 제 5 고조파에서 제 37 고조파 까지를 의미하고, 고조파의 대상이 되는 주파수 범위는 일반적으로 약 50차 (약 3kHz)까지를 말하며, 노이즈와는 구별되는 파형이다.
고조파 중에서 특히 3, 5, 7차 고조파가 현실적으로 문제가 되며 직류 사용기기 에서는 고차 고조파(11차 이상 고조파)가 다수 나타나기도 한다.

1. 고조파 발생원인 및 종류

산업의 고도화와 급속한 통신문화의 확산 등으로 전력 품질 (무정전, 정주파수, 정전압) 향상에 대한 욕구가 커져 국내의 경우 이미 오래 전부터 많은 설비 투자와 기술개선이 이루어져 현재로서는 상당한 수준에 이르고 있으나 지금까지
순 정현파 공급, 즉 고조파 문제는 그 피해의 심각성이 크게 인식되지 않아 상대적으로 다른 항목에 비하여 주목 받지
못하고 있는 실정 입니다. 

고조파의 발생 요인은 크게 두 가지 원인으로 구분할 수 있다.
1) 근래에 사용이 급격히 늘어난 첨단 제어장치, 전력 전자기기 등 다양한 반도체 전력변환 설비와
2) 기존 전력기기(변압기 및 회전기)의 비선형 특성 영역에서의 운전으로 인한 것을 들 수 있습니다.

이러한 비선형 부하의 유형이나 양이 증대하면서 전원 측에 많은 고조파 전류가 흐르게 되었으며 전압/전류의 왜형 발생으로 계통 내의 전력 설비에 악영향을 미쳐 전력 품질상의 심각한 문제가 발생하게 되었습니다.

변환장치에 의한 고조파	변환장치(정류기, 인버터, VVVF)내의 Power Electronics에 의한 고조파는 2차 부하측의 DC, AC 변환시 구형파가 전원으로 유입되어 발생한다.
아크로에 의한 고조파	3상 단락 혹은 2상 단락, 아크 끊김과 같은 극단적인 변동의 ARC로 사용이 반복될 때 발생, 제 3고조파가 현저하며 변압기 델타결선해도 흡수 안된다.
회전기에 의한 고조파	회전기내의 Slot에 의한 Slot하모닉스로서, 고차수 고조파로 발생량이 미소하여 문제시 안된다.
변압기에 의한 고조파	변압기의 자화특성(히스테리시스 현상)으로 변환전류의 위상차로 인한 여자전류내 고조파가 함유됨, 특히 제 3고조파가 주성분임.
과도현상	전압의 순시동요, 계통서지, 개폐기의 개폐 등 일시적인 현상.
전력용 콘덴서와 전원측 유도성 리액턴스의 공진	고조파의 직접발생원인은 아니나 전원 측 유도성 리액턴스와 콘덴서의 용량성 리액턴스가 직,병렬 공진 시, 전력용 콘덴서로 유입된 고조파의 확대현상을 초래함.
송전선로의 코로나	코로나 방전은 전위경도 30kv/cm 초과시 교류전압의 반파마다 전압의 최대치 부근에서 발생하여 고조파 전압,전류 발생됨.

2. 고조파(Harmonics)의 특성

전기 사용장소의 고조파 장해현상을 쉽게 이해하는 방법은 고조파를 전류원으로서 보는 것입니다.
전력 변환장치, 인버터, OA기기 등 반도체 응용기기와 같이 비선형 특성을 갖는 부하에 정현파 전압을 인가하면 흐르는 전류는 왜형파가 되며 정현파와는 많은 차이가 납니다. 

즉, 전류 I 는

위 식 (2.1)처럼 상용 주파수 성분(I1)과 그 정수 배의 주파수 성분(In)과의 합성된 파형입니다.
즉, 왜형파 전류는 각 고조파 성분의 중첩으로서 표현할 수 있습니다. 

이러한 고조파 발생원을 전류원으로서 다루면 고조파 전류는 다음과 같은 특성을 갖습니다.

가) 고조파 전류원은 차수마다 존재하며, 발생한 전류는 부하단에서 전력계통으로 유출합니다.
나) 고조파 전류는 임피던스에 반비례하여 분류되며, 전 계통에 걸쳐서 흐릅니다.
다) 계통 임피던스는 주파수에 의해서 변하기 때문에 고조파 회로는 발생 차수만큼 존재합니다.
라) 실제 회로의 파형은 기본파와 복수 고조파의 순치시가 합성된 것입니다.
마) 배전 계통의 고조파 전압은 계통의 여러 곳에서 유입하는 고조파 전류와 계통 임피던스에 의해서 발생합니다.

또한 계통의 고조파를 고려할 때는 다음의 세가지를 고려할 필요가 있습니다.
①고조파 발생원 ②회로의 임피던스 ③대상기기의 고조파 내량 등.
어떤 기기가 고조파 장해를 받는다면 우선 ①, ②를 조사하여 고조파 분류 계산을 하고 해당 기기의 접속점 전압, 전류를 구할 수 있습니다.

이 값과 ③대상기기의 허용기준을 비교하여 상한치를 초과하면 장해를 받고 있는 것으로 판단 합니다.


3. 고조파(Harmonics)에 의한 문제점은 이해 쉽고 간략하게 그림로 보겠습니다.

※. 배전 계통에서의 고조파 장해

무정전 전원 공급 장치 및 전동기 가변속 구동장치 등은 전력전자 소자로 구성되어 있는데 이것들이 고조파를 유발하는 근본 원인이라 할 수 있습니다.
부하에서 발생하는 고조파 전류는 전원으로부터 부하단 말단까지의 임피던스에 의하여 전압 강하를 일으키고, 이 전압강하에 따라 비록 전원 전압파형이 순 정현파라 할지라도 부하단의 전압 파형은 왜형파가 됩니다.
전압 왜형은 각종 계전기 오동작, 정밀 전자기기의 동작 불량, 기기 손상 및 과열의 원인은 물론 에너지 손실을 야기합니다.

※. 자화 현상.
고조파 전류에 의한 자속은 변압기 철심에 자화현상을 발생시키며, 손실은 주파수가 높을수록 손실이 커지게 됩니다.
또한, 고조파가 변압기에 유입되면 때로는 금속성 소음이나 이상 고음을 만들기도 하며, 소음의 크기도 평소보다 10~20(dB)정도 높아집니다.

◈  고조파 전류 → 여자전압 왜형 → 진동 증가 → 금속성 소음 및 이상 고음
◈ 같은 level의 음도 주파수 대역에 따라 크게 느껴짐 (500 ~ 5000㎐)

4. 고조파 저감 대책

계통측면에서의 대책	계통의 단락용량 증대	배전선의 저항과 리액턴스를 낮추어 공급점의 단락용량을 크게함.
	공급배전선의 전용선화	배전선의 단락용량을 증대하는 것은 한계가 있어 용량이 큰 고조파 발생기기의 전원공급 배전선을 전용선화 함.
	배전선의 선간전압의 평형화	반도체 정류기에 공급전원이 불 평형시, 특히 제3고조파 발생이 크므로 각상의 부하의 밸런스를 유지할 것.
	계통절체	고조파의 원인과 발생을 정확히 알 수 있을 때 고압배전계통 수용가 공급분의 계통절체 또는 변전소 뱅크의 변경으로 선로정수를 변경하여 공진상태 회피시킴.
수용가측의 대책	교류필터	콘덴서와 리액터로 고조파전류를 흡수하는 장치. 구성이 간단하고, 취급 및 보수가 용이한 설비. 특정 주파수에는 큰 효과가 있는 반면, 분로를 만들지 않는 주파수의 개선효과는 낮고, 역률개선효과가 있다. 경제적이다.
	액티브필터	인버터기술을 응용해서 부하와 역위상의 고조파를 발생시켜 고조파를 제거하는 장치. 변동하는 고조파에 대응할수 있고, 전압변동, 전압 플리커의 저감에도 효과적이다. 모든 고조파에 대해 효과가 있지만, 비교적 고차 저조파의 개선효과는 낮다.
	하이브리드파워필터	교류필터와 액티브필터 각각의 특성 모두 가진 장치. 교류필터가 흡수하는 고조파전류를 인버터로 제어하기 때문에 높은 필터효과 얻음. 설치비 교류필터와 액티브필터 중간정도.

5. 고조파의 관리 기준

오래 전부터 선진국에서는 고조파 장해에 대한 심각성을 인식하고 고조파 관리 기준안을 마련하고 있으나 국내에서는
아직 특별한 관리기준이 없는 실정입니다.
최근에 들어와서 몇몇 기관에서 고조파 발생이 예상되는 경우에 한하여 대책을 수립하도록 권고하고 있습니다.

고조파는 우리 일상생활에도 충분히 접할 수 있는 그런 파형입니다. 단지 우리가 느끼지 못할 뿐, 우리는 어떤 고조파든 일상생활에서 느끼고 있습니다. 처음에 고조파의 정의를 어떤 기기의 동작에 의한 미세한 잡음으로만 알았습니다.

이러한 잡음, 즉 노이즈가 기기의 큰 영향을 미치는지도 이번 조사를 통해 알았습니다.
물론 전기기기 시간에 노이즈에 대해 배웠지만 이렇게 크게 영향을 미치는지는 몰랐습니다.
위의 설명했듯이 고조파라는 것은 주파수의 n배로 나타나는 것이 고조파며, 고조파는 50차수까지 존재합니다.
하지만 전력계통에서는 37차수 고조파까지를 영향영역에 포함시킵니다.


자료 출처 : http://www.crossups.com/GE/Harmonic_stap_kor_r0.pdf


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