Re:전력계통에서의 고조파 발생, 영향 및 대책

[새벽하늘]

전력계통에서의 고조파 발생, 영향 및 대책

1. 고조파

교류전압전류는 정현파이지만 전력용 반도체의 전류장치, 인버터 등의 입력전류는 정현파가 되지 못하고 왜형파가 된다. 이 왜형파는 기본 주파수 즉 정수배의 주파수 성분이 중첩된 파형이 된다. 일반적으로 기본 주파수의 5, 7, ....의 주파수 성분이 중첩된 것으로 특별한 경우에는 3, 4배 또는 비정수배의 주파수 성분이 중첩되어 있는 것도 있다. 이와 같은 기본 주파수 파형의 위에 중첩되어 있는 것을 제5조파, 제7조파 등으로 부른다. 이와 같은 기본파 파형의 위에 중첩되어 있는 고주파 성분을 고조파라고 하며, 일반적으로 제5조파가 가장 많고 고조파  차수가 높을수록 적어지는 경향이 있다.

2. 고주파 발생원인
전력계통의 전압 및 전류파형 왜곡의 원인이 되는 고조파 원으로서 Thyristor 응용기기외에도 회전기기의 Slot에 의한 것, 변압기의 자화 특성에 의한 것 등이 있으나 회전기기의 경우는 그 양이 매우 적으며 변압기의 경우는 3고조파가 주 성분이나 변압기에 Delta 권선을 둠으로써 흡수할 수 있으며 다른 차수의 고조파는 적어 큰 문제가 되고 있지 않다.

3. 고조파발생 부하의 종류

1) 공장 : 압연설비, 크레인설비, 인쇄기, 공작기계, 고주파유도가열장치
2) 빌딩: DC 정류장치, UPS, VVVF 엘리베이터, VVVF 공조설비, 펌프설비
3) 공공시설 : 상하수도 펌프설비, 항만, 크레인설비, 전기철도의 정류기 또는 Thyristor설비

4. 고조파에 의한 영향

   고조파에 의한 장해는 전력계통측에 대한 것과 통신계통측에 대한 것으로 분류할 수  있다. 전력계통측에 대한 장해는 주로 낮은 차수의 고조파에 의하여 영향을 받으며 회전기와 콘덴서의 과열, 보호계전기의 오동작이나 계기의 지시불량, 전력계통의 공진현상등 을 들 수 있다. 통신계통의 장해는 비교적 주파수가 낮은 고조파에 의한 전화 회선의 음 성 잡음과 주파수가 높은 고조파에 의한 신호회선의 오동작을 들 수 있다.

  가 회전자 온도상승
    회전기에 역상전류가 흐르면 회전자에 2배 주파수의 와전류가 흘러 회전자 표면을 가열시킨다. 이와 동일
한 원리로 고조파가 회전기기에 유입될 경우 회전자의 주파수와 고조파의 주파수 차이에 의하여 회전자에
고조파가 유기됨으로 인하여 회전자가 가열한다.
    회전자에 유기되는 고조파는 역상성분의 경우 (h+1)차가 유기되고 정상성분의 경우 (h-1) 차가 유기된다.
즉 5고조파는 역상 성분이므로 회전자에는 6차 고조파가 유기되고 , 7조파는 정상성분이므로 동일하게 6
차 고조파가 유기된다.
    IEC 34-1에 의하면 역상전류의 제한치는 원통형발전기의 경우 8%, 돌극형에서는 12%로 제한하고 있다.
   나. 변압기에 미치는 영향
     고조파에 의하여 동손, 와류손 및 철손이 증가하여 변압기의 용량이 감소된다.
   다. Capacitor에 미치는 영향
     Capacitor에 고조파가 유입함으로 인하여 Capacitor의 과열을 유발하게 된다. KSC에 "고조파를  함유할 경우 고조파를 포함한 합성전류의 실효치가 135%에서 지속적으로 사용할 수 있어야 한다"로 규정되어있으므로제한치의 135%를 초과하지 말아야 한다.
   라. 직렬리액터의 과열  과전압발생
   마. 보호계전기의 오동작
   바. 싸이리스터의 제어불안정
   사. 지시계기 및 적산계기의 오차
   아. 통신선에 유도장애

5. 고조파의 억제 대책

    가. 고조파의 발생량을 억제하는 최적의 방법은 이상변압기를 이용한 주파수  Multiplication에 의하여 Pulse수를 늘리는 방안이나 고조파의 계통유입량을 억제하는 filter를 설치하여야 한다.
AC filter는 각 고조파의 차수에 공진되도록 설계된 직렬 L-C회로 구성되어 역율보상용  Capacitor의 역할을하면서 공진차수의 고조파를 흡수하여 고조파의 계통유입량을  최소화하게 된다.
  나. Capacitor는 5,7,11,13,17차 이상의 고조파에 직렬 공진하도록 Series Reactor 용량을 산정한다. Series Resctor 용량선정시 계통모형의 차이와 기기 제작사의 여유율을 고려하여 흡수하고자 하는 고조파의 차수보다 약간 낮은 차수에서 직렬공진하도록 산정하는 것이 바람직하다. 이는 AC Filter설치시 병렬공진점은 AC Filter 공진점보다 작은  주파수에서 발생하기 때문이다.따라서 주 발생 고조파차수보다 0.3이 작은 차수에서 직렬공진하도록 Reactor를 선정한다.
    또한 고조파를 억제하기위하여 과도한 용량의  AC Filter를 설치하는 것은 계통에 과도   한 진상무효전력을 공급하게 되므로 고조파전류의 발생량이 많은 5차,7차 Filter 만을 설치 하는것이 바람직하다.

나. Active Filter (능동필터)
수동 Filter와 같이 공진특성을 사용하지 않고 인버터기술을 응용해서 부하와 역위상의 고조파를 발생시켜 고조파를 제거하기 위한 이상적인 filter이다. Active filter는 부하전류 I를 CT에서 검출하고 부하전류에 포함된 고조파 전류성분을 검출하여 이 고조파 전류의 기준신호로써 인버터에 흐르는 전류를 제어하는 것으로 고조파의 역위상의 전류를 Active filter 로 흐르게 함으로써 전원 전류에 포함된 고조파 전류성분을 상쇄하기 때문에 전원 전류는 정현파가 된다.
1) 변동하는 고조파에 대응할 수 있고 전압변동, 전압  Flicker의 저감에 효과적이다.
2) 모든 고조파에 대해 효과가 있으나 비교적 고차조파의 개선효과가 낮다.
3) 역율개선 등의 효과가 있으나 설비비가 고가이다.

다. 하이브리드 파워 Filter
교류필터와 Active Filter 각가의 특성을 가진 장치로서 교류휠터가 흡수하는 고조파 전류를 인버터로 제어하기 때문에 높은 휠터 효과가 얻어진다.

라. 콘덴서의 설치

콘덴서는 역율개선의 목적으로 수변전설비에 설치되어 있는데 역률개선 콘덴서는 발생고조파 전류를 분류시켜 유출전류를 억제한다. 역률개선 콘덴서는 리액터와 콘덴서가 직렬로 접속되어 있기 때문에 수동 필터의 특성을 가지고 있다.

마. 정류기의 多펄스화

펈수는 정류기 등의 변환장치에 있어서 전원전압의 1사이클중에 독립하여 생기는 전류의 수로 정의 하고 있으며, 실제로는 직류전압에 포함되어 있는 맥동 펈의 수와 같다. 예를 들면 3상 부리지 접속의 펄수 수는 6이되고 이 펄스의 수가 커지면 교류 전류에 포함되어 있는 고조파 次數가 높게되고 동시에 고조파 전류의 크기도 감소된다. (지하철 정류기의 12펄스화)

바. 계통분리, 고조파 耐量증가, 단락용량의 증가

6. 고조파의 규제치

1) 고조파의 전압 왜형율 목표 설정치(일본의 경우)

차수	3	5	7	11	13	17	19	23	25-39	총계
6.6kV	3.0	4.0	3.0	2.0	2.0	1.5	1.5	1.0	1.0	5.0%
특고계통	2.0	2.5	2.0	1.5	1.5	1.0	1.0	0.5	0.5	3.0%

2) 고조파 전류 유츌량 규제 (계약전력 단위 kW/mA, 일본의 경우)

차수	5	7	11	13	17	19	23	23이상
6.6kV	3.5	2.5	1.6	1.3	1.0	0.9	0.76	0.70mA
22kV	1.8	1.3	0.82	0.69	0.53	0.47	0.39	0.36mA
66kV	0.59	0.42	0.27	0.23	0.17	0.16	0.13	0.12mA

3) 우리나라의 경우 전기공급규정 시행지침에 고조파허용 기준치를 66kV이하는 3%, 154kV이상은 1.5%로 규정하고 있다. (한국전기공사 협회 '98년 보수교재, page 207)