[전력] 고조파가 전력계통에 미치는 영향에 대한 분석

안녕하세요 여러분 민(Min) 입니다. 이번 포스팅에서는 고조파가 전력계통에 미치는 영향에 대한 이야기를 풀어보고자 합니다. 

고조파는 말 그래도 정격보다 높은(우리나라 기준 60Hz) 주파수를 의미합니다. 

 

전력 시스템의 고조파는 교류(AC)의 이상적인 정현파 파형이 왜곡될 때 발생합니다. 이러한 왜곡은 시스템에 비선형 부하가 존재하기 때문에 발생합니다. 이러한 비선형 부하는 원활하지 않고 펄스 단위로 전류를 끌어와 기본 전력 주파수(50 또는 60Hz)의 배수인 추가 주파수를 시스템에 주입합니다.

고조파가 문제가 되는 이유는 다음과 같습니다.

* **장비 가열 증가:** 고조파 전류는 변압기, 모터 및 케이블에 과도한 가열을 일으킬 수 있습니다. 이는 기본 전류가 동일하더라도 고조파의 존재로 인해 발열을 결정하는 RMS(root-mean-square) 전류가 증가하기 때문입니다. 과열은 장비의 수명을 단축시키고 조기 고장을 초래할 수 있습니다.

----------[장비 가열에 대한 자세한 내용]--------------

전력 시스템의 고조파로 인해 장비 발열이 증가하는 것은 **RMS 전류 증가**라는 현상 때문입니다. 분석은 다음과 같습니다.

* **일반 AC 전원:** 정상적인 시스템에서 AC 전류는 사인파를 따라 원활하게 번갈아 나타납니다. RMS(Root Mean Square) 전류 값은 장비에 대한 가열 효과를 정확하게 반영합니다.

* **고조파의 영향:** 고조파가 도입되면 부드러운 사인파가 왜곡되어 더 복잡한 파형이 생성됩니다. 기본 주파수(50 또는 60Hz) 전류가 크게 증가하지 않더라도 전체 RMS 전류 값은 올라갑니다.

* **RMS가 중요한 이유:** RMS 전류는 장비에 발생하는 유효 가열 전류를 나타내기 때문에 중요한 매개변수입니다. 왜곡된 파형과 동일한 가열 효과를 생성하는 "평균" 전류를 계산하는 방법으로 생각하십시오.

비유를 들어 설명드리자면 다음과 같습니다. 

* 원활한 교통 흐름(정상 AC 전류)이 있는 고속도로를 상상해 보십시오. 차량의 평균 속도는 전체 교통량을 정확하게 반영합니다.
* 이제 가다 서다를 반복하는 교통 상황(고조파)이 있는 출퇴근 시간을 상상해 보십시오. 개별 차량의 평균 속도는 크게 변하지 않더라도 전체 교통 밀도(RMS 전류)는 크게 증가합니다.

고조파로 인해 RMS 전류가 증가하면 변압기, 모터 및 케이블에서 더 많은 열이 발생합니다. 기본 전력이 더 높지 않더라도 추가 고조파 주파수가 전체 가열 효과를 더해줍니다.

고려해야 할 몇 가지 추가 사항은 다음과 같습니다.

* **철 손실:** 고조파는 변압기 내 히스테리시스 및 와전류 손실을 증가시켜 가열에 더욱 기여할 수 있습니다.
* **표피 효과:** 더 높은 주파수(고조파)에서는 전류가 도체 전체에 균일하게 흐르지 않고 표면에 흐르는 경향이 있습니다. 이 표피 효과는 케이블의 저항과 가열을 증가시킵니다.

고조파가 RMS 전류와 추가 가열 효과를 어떻게 증가시키는지 이해함으로써 장비의 적절한 기능과 수명을 보장하기 위해 전력 시스템의 고조파를 완화하는 것의 중요성을 인식할 수 있습니다.

----------[장비 가열에 대한 자세한 내용] 끝--------------

* **전압 왜곡:** 전력 시스템의 임피던스를 통해 흐르는 전류 고조파는 전압 왜곡을 유발합니다. 이러한 왜곡된 전압은 전자 장비 및 제어 시스템의 오작동을 일으킬 수 있습니다.
* **전력 시스템 효율성 감소:** 고조파는 유용한 작업을 수행하는 데 기여하지 않기 때문에 낭비되는 에너지를 나타냅니다. 이로 인해 에너지 비용이 높아질 수 있습니다.
* **보호 장치의 오작동:** 고조파 전류는 회로 차단기와 같은 보호 장치를 혼동시켜 불필요하게 작동하고 전원 공급을 중단시킬 수 있습니다.

 

 

다음은 전력 시스템의 고조파 소스(원인) 중 일부입니다.
* **전력 전자 장비:** 가변 속도 드라이브, 정류기, 방전 램프와 같은 장치가 일반적인 원인입니다.
* **아크 용광로 및 용접 기계:** 이러한 산업 공정은 상당한 고조파 왜곡을 생성합니다.
* **포화 변압기:** 변압기가 과부하 상태이거나 포화점에 가깝게 작동하는 경우 변압기 자체가 고조파 소스가 될 수 있습니다.

 

고조파 문제를 완화하기 위해 전력 시스템 엔지니어는 다음과 같은 다양한 기술을 사용합니다.

* **고조파 필터:** 이 필터는 기본 주파수가 통과하도록 허용하면서 고조파 주파수를 선택적으로 감쇠시킵니다.
* **K 등급 변압기:** 고조파로 인한 추가 가열을 처리하도록 설계된 변압기입니다.
* **부하 관리:** 비선형 부하를 시스템 전체에 더욱 균등하게 분배하는 전략입니다.

전력 시스템 엔지니어는 고조파를 해결함으로써 효율적이고 안정적인 전력 공급을 보장할 수 있습니다.

따라서, 실시간 또는 주기적인 고조파 관리가 필요하며 전기/전력 엔지니어가 신경써야하는 중요한 부분 중 하나입니다. 

 

긴 글을 읽어주셔서 감사합니다.