고조파의 영향과 방지

고조파란

고조파란(Harmonics)란 기본파의 정부 배를 갖는 전압 또는 전류를 말하며, 일반적으로 50 차수 정도까지이며, 전력계통에서 제3고조파에서 제37고조파까지 고려한다. 50 차수 이상은 고주파(High Frequency) 또는 노이즈(Noise)로 구분한다. 주파수가 n배인 파동을 제 n차 고조파라 한다. 음의 경우 배음에 해당하는 것으로, 전기 진동·전자파 등의 경우에 사용되며, 기본 진동수에 대해 그 배수(倍數)에 따라 제2 또는 제3조파(調波)라고도 한다. 진동이 사인파가 아닌 변형된 파형인 경우는 반드시 고조파를 포함하고 있는데, 악기의 음색은 고조파를 포함하는 정도에 따라 달라진다.

발

1) 고조파의 발생

교류의 전기신호를 이용하여 작동하는 장치에서는 필연적으로 고조파가 발생하며, 교류를 직류로 변환하는 정류기 및 변압기 등에서도 발생된다. 고조파는 전력 품질 문제의 빈번한 원인이 된다. 전력 시스템의 고조파는 장비 및 도체의 가열 증가, 모터 및 기기의 오류 발생을 초래한다. 다양한 전기 장비가 전력 시스템에서 고조파의 영향을 받을 수 있다. 전기 모터는 모터의 철심에 설정된 자기 이력현상(hysteresis) 및 와전류로 인해 손실이 발생하며, 손실은 전류의 주파수에 비례한다. 고조파의 주파수가 높기 때문에 모터에서 전력 주파수보다 코어 손실이 더 높다.

이는 모터 코어의 가열을 증가시키며 과도한 열 발생 시에 모터 수명을 단축시킬 수 있다. 또한 5차 고조파는 큰 모터에서 반대 회전 방향으로 작용하는 반대 방향 기전력(counter electromotive force, CEMF)을 유발한다. 단순 사인(sine)파동 형태의 입력 전기 신호가 신호처리 과정에서 왜곡되는데 이 왜곡된 파동은 기본파에 여러 고조파가 합쳐진 형태로 해석될 수 있다.

전기설비 및 전력계통에서 고조파의 발생은 변압기 여자전류 및 전력 변환소자에 의한 발생이 대부분이다. 전기설비의 중요성이 증대됨에 따라 전력 변환소자 사용이 급격하게 증가하고 있기에 고조파 전류가 발생하여 전원의 질을 떨어뜨리고 과열 및 이상 전원을 유발함으로써 고장의 원인이 되기도 한다.

2) 고조파의 발생원인과 영향

변압기에서는 히스테리시스 현상에 의해 발생하며, 보통 제3고조파 성분이 주성분이고 제5고조파 이상은 무시된다. 제3고조파 성분은 변압기의 △결선으로 제거한다.

전력변환소자에서는 정현파를 구형파 형태로 사용하므로 고조파가 발생하게 되고, 아크로 및 전기로에서는 제3 고조파가 현저하게 발생하므로 이에 대한 대책이 필요하다. 회전기기는 슬롯으로 인해 발생하며 고조파는 슬롯 Harmonics라 한다. 일상생활에서 많이 사용하는 형광등은 점등회로에서 발생하고 차단기 및 개폐기의 스위칭 시에도 발생한다.

(1) 회전기기의 영향

전압의 파형이 왜곡되어 피크 전압이 상승하며, 이것으로 인한 절연이 파괴될 수 있으며, 전동기의 경우 출력이 저한된다. 또한 토크의 맥동이 발생하고 발전기의 경우에는 난조와 동기 이탈이 발생할 수 있다. 회전 시에는 주기적인 진동음이 발생하고 고조파 전류 증대에 의한 발열이 발생한다.

(2) 변압기의 영향

철심에서 고조파 전류에 의한 소음이 발생하고 손실이 증가한다. 고조파 전류는 변압기 △결선 내에서 순환하게 되며, 이 순환전류는 변압기에 열을 발생시킴으로 변압기의 열화현상을 촉진한다.

(3) 케이블의 영향

3상 4선식 회로에서 제3고조파 전류에 의하여 중성선이 과열되고 고조파 전류에 의한 리액턴스의 증가로 중성선에 대지 전위가 상승한다.

3) 고조파 방지대책

고조파 방지 대책은 고조파 장해를 발생시키는 측에서 대책과 고조파 장해를 받는 측에서 대측으로 나누는데 고조파 발생원의 크기와 전원 계통의 고조파 내량을 고려하여 고조파 발생량의 저감과 전원 계통의 고조파 내량의 증가하여야 한다. 

고조파 저감대책으로는 전력변환 장치의 펄스수를 크게 하고 고조파 필터를 사용하여 제거한다. 전력용 콘덴서에는 직렬 리액터를 설치하고 선로의 코로나 방지를 위해 복도체, 다도체를 사용한다. 고조파를 발생하는 기기들은 별도의 전력을 공급하고 다른 기기들로부터 분리시켜 사용한다. 변압기 결선에서 △결선을 채용하여 고조파 순환회로를 구성하여 외부에 고조파가 나타나지 않도록 한다.