전력계통에서 고조파는 대부분 전력변환용 전자장치 (정류장치,
역변환장치, 화학용 전해설비의 정류기, 사이리스터 등)를 사용하는 기기에서
발생하고 있으며, 또한 이의 사용이 많아져 이로 인한 고조파 전류가 발생하여
전원의 질을 떨어뜨리고 과열 및 이상상태를 발생시키고 있다.
전력 변환용
전자장치부하는 전원의 정현파에 비해 방형파 전류를 필요로 하는 경우이며,
이로인해 사인파와 방형파의 차이에 상당하는 전류가 전원으로 흘러 전원의 정현파와
합성되어 고조파의 형태를 이룬다. 또한, 고조파(Harmonics)란 기본파의 정수배를
갖는 전압,전류를 말하며, 일반적으로 50차수 정도까지를 말한다.
그이상은 고주파(High Frequency) 혹은 Noise로 구분된다. 전력계통에서 논의되는
고조파의 범위는 제3고조파에서 제37고조파 까지이다.
무정전 전원장치나 전동기 가변속 구동장치는 전력변환기인
인버터를 사용하게 된다. 인버터는 전압 및 주파수를 변환하는데 이용하며, 이
경우 상용전원인 60㎐ 주파수 이외에 원하지 않는 고조파 성분이 포함되게 되어
다른 부하기기에 영향을 주게 된다.
기기 |
발생원인 |
기타 |
전력 변환장치 |
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대책 필요 |
아크로 전기로 |
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회전기기 |
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변압기 |
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형광등 |
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콘덴서로 흡수 |
과도현상 |
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SA설치 |
종류 |
고조파 발생율 |
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정류기, CVCF등 |
3상 전파정류 |
0.35 |
6상 전파정류 |
0.2 |
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VVVF,
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Thyristor 방식 |
0.35 |
Diode방식 |
0.35 |
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승강기 |
직류 Thyristor
- Reonard 방식, |
0.35 |
배전계통의 변압기나 대규모 배전선로 등은 유도성이
되며, 부하설비가 용량성이 되는 경우 공진 조건이 성립하면 이 고조파 전류는
더욱 증폭되어 각종계전기의 오동작, 정밀전자기기의 동작불량, 기기손상 및
과열의 원인이 될 수 있다.
최근 건축물의 전기설비는 그 규모가 커지게
되면서 고조파 전류,전압맥동,전계,자계 등의 전자기 현상에 의한 교란을 받게
된다. 따라서 가급적 양질의 전원, 즉 주파수,파형,전압 등이 안정되어야 인텔리젼트
빌딩에 대응한 전기설비의 기능을 만족할 수 있다.
배전계통에서 다수의 고조파
전류원이 접속된 경우 고조파 전류의 위상에 따라 그 크기가 커지기도 하고 약해지기도
한다. 전력변환기에서 발생하는 고조파 전류의 위상은 변환기의 위상제어각에
의해 결정되므로 부하조건에 따라 변화한다. 사무자동와 컴퓨터들은 콘덴서 입력형
정류회로가 내장되어 있어 전류가 펄스형태로 되어 전원전압의 최대값과 상호
중첩되는 경우 고조파 성분이 커지는 경우도 있다. 불특정 기기에서 발생되는
고조파전류는 내부 임피던수에 따라 달라지며 이고조파 전류는 또 다른 부하계통에
영향을 준다.
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구분 |
영향 |
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전력 계통 영향 |
통신선의 |
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계통의 |
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공진 |
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전력 기기 영향 |
회전기 |
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변압기 |
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콘덴서 |
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조명 |
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변환 |
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케이블 |
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파워퓨즈 |
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계전기 |
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기타 |
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고조파에 의한 불평형을 이해하기 위하여 정상분(1,4,7,10,..),
역상분(2,5,8,11,..), 영상분(3,6,9,12,..)으로 구분한다.
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상 수 |
발 생 차 수 |
||||||||
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계산식 |
3 |
5 |
7 |
9 |
11 |
13 |
23 |
24 |
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단상 |
2·2±1 = 3, 5 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
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6상 |
1·6±1 = 5, 7 |
- |
☆ |
☆ |
- |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
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12상 |
1·12±1 = 11, 13 |
- |
- |
- |
- |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
고조파를 억제하기 위해서는 고조파 발생원 자체에서
최대한 억제하도록 하여야 한다.
인텔리젼트빌딩에서는 각종설비 및 기기들이
서로 기능적으로 결합되어 있어 어떤 기기에서 발생한 고조파 전류가 전혀 관계가
없는 기기에 영향을 미치는 사례가 빈번하므로, 어느 정도까지의 고조파에 대해
동작성능을 보장할 수 있는가 하는 허용레벨을 파악하여 대책을 강구하여야 한다.
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고조파 차수 |
고조파 전압 % |
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2 |
0.3 |
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차수 |
3 |
5 |
7 |
11 |
13 |
17 |
19 |
23 |
25~39 |
합계 |
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배전계통 |
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 |
대책 |
내용 |
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변환장치의 |
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전원측에
교류 |
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전원 단락용량의 증대 |
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변압기
및 |
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필터설치 |
인버터기술을 응용(액티브필터의 signal processor에 의해 고속분석)해서 부하와 역위상의 고조파를 발생시켜 구 고조파를 제거하는 장치로서 변동하는 고조파에 대응할 수 있고, 전압변동, 전압플리커의 저감에도 효과적이다. 모든조파에 대해 효과가 있지만 비교적 고차조파의 개선효과는 낮다. 선정시에는 기능과 가격에 상당한 차이가 있으므로 주의하여야 한다 . - 하이브리드파워필터 교류필터와 액티브필터 각각의 특성을 모두 가진 장치. 교류필터가
흡수하는 고조파전류를 인버터로 제어하기 때문에 높은
필터효과 얻음.설치비는 교류필터와 액티브필터 중간정도. - Passive Fliter 고조파전류를 바이패스하기 위해 콘덴서와 리액터를 직렬로 조합시켜 특정 차수에 대하여 저 임피던스 분포를 만들어 주는 것으로 저차형 고조파 저감을 위한 Band Pass Filter와 고차형의 High Pass Filter 등으로 구분되며, 그림과 같은 임피던스 특성을 가지고 있다.
Passive Filter 용량선정시 계통에 필요한 무효분(콘덴서용량)을 구하고 각 조파별로 필요한 콘덴서 용량으로 분배한 후 고조파 차수에 따라 용량에 적합한 리액터용량을 구하는 순으로 한다. 이때 Q값을 얼마로 할 것인지, 콘덴서에 과전류가 유입될 수 있는지, 전원계통과의 병렬공진의 영향은 없는지 등을 검토하여야 한다. |
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기기의
고조파 |
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고조파
성분 발생 |
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콘덴서 회로의 대책 |
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UPS의 경우 |
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강압변압기에 의한 |
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영상전류 제거장치 NCE |
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UHF(LINEATOR)설치 |
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2000년
최근에 개발되어 현장에 적용되고 있는 Filter로 고조파 개선효과가
크고 Passive Filter의 단점인 공진, LC값 고정 등의 문제점이 없어
장래에 확산될 것으로 판단된다.