고조파 관리기준

1. 개요

가. 교류 전압, 교류전류는 본래 정현파이지만 정류장치, 인버터 등의 입력전류는 철심 등의 비선형 특성부하로 인해 정현파가 되지 못하고 왜형파가 된다.

나. 이 왜형파는 50[Hz] 또는 60[Hz] 기본 주파수의 정현파에 이것의 정수배의 주파수 성분이 중첩된 파형이 된다.

다. 일반적으로 기본 주파수의 5배, 7배 등의 기수 주파수 성분이 중첩되어 있다.

라. 이와 같은 기본 주파수 파형의 위에 중첩되어 있는 고주파 성분을 고조파라고 하고, 기본 주파수의 5배의 주파수 성분의 것을 제5고조파, 7배의 것을 제7고조파 등으로 일컬으며, 일반적으로 제5고조파가 가장 많고 고조파 차수 가 높을수록 적어지는 경향이 있다.

마. 고조파는 공급계통의 기본주파수(정현파 : 60[Hz])의 정수배 주파수를 가지는 정현파 전압·전류를 말하며, 왜곡 된 파형은 기본파와 고조파의 합으로 분리할 수 있음.

바. 정현파가 아닌 주기적인 파형을 왜형파라 한다. 이 왜형파는 전력계통이 부하와 기기의 비선형 적인 특성에 의하 여 발생하며 고속 퓨리에 변환 (Fast Furier Transform)을 통해 기본파 성분과 그 정수배의 주파수를 지닌 성분 으로 분해되고, 이 정수배의 주파수를 지닌 성분을 고조파라 한다. 전력계통에서는 일반적으로 기본파의 50배인 주파수(제50고조파)까지를 고조파라 칭한다.

 

2. 고조파 주요 발생원

가. 전력변환장치 : 컨버터, 무정전 전원장치, 정류기, VVVF등

나. 전기로 (저항로, 아크로, 유도로) 등과 같은 비선형 기기

다. 엘리베이터, 의료장비, 통신기기, 컴퓨터 등

라. 기타 형광등, 회전기기 및 변압기 등의 자기포화, 과도현상에 의한 것 등

 

3. 고조파 관리기준

고조파 관리기준은 국가별, 전압별, 설비별 등 계통상황에 따라 각각 다른 규정을 운용하고 있으며 제반 상황에 따라 서로 다른 관리기준을 적용하고 있다. 우리나라의 전기공급약관과 국제적으로 통용되고 있는 대표적인 기준을 소개 하면 다음과 같다.

 

1) 국내 기준 - 한국전력공사 전기공급 기본약관 시행세칙

구분	지중전선로가 있는 S/S에서 공급		가공선로가 있는 S/S에서 공급
	전압왜형률(%)	등가방해전류(A)	전압왜형률(%)	등가방해전류(A)
66kV 이하	3.0 이하	-	3.0 이하	-
154kV 이하	1.5 이하	3.8 이하	1.5 이하	-

 

* 배전계통에서 전압 고조파 왜형률은 5% 이하 (한국전기안전공사 검사·점검 기준)

* 등가방해전류 (EDC : Equivalent Disturbing Current) 전력계통에서 발생한 고조파는 인접해 있는 통신선에 영향을 주며, 통신선에 영향을 주는 고조파 전류의 한계 를 등가방해전류 (EDC)로서 규정한다.

* 전기공급약관 시행세칙 제26조 (전기사용에 따른 보호장치 등의 시설)의 규정에 의하여 고객의 설비에서 플리 커 및 고조파가 위의 기준치를 초과하는 경우네는 고객의 부담으로 보호장치를 시설하도록 규정한다.

 

2) 미국 기준 - IEEE Std. 519-1992

 

 ① 전압왜형률  

 개개의 수용가가 전력회사 네트워크에 주입할 수 있는 고조파 전류의 크기와 전력회사가 수용가에게 공급해야  하는 전압품질, 즉 고조파 왜형율을 규정한다.

구분	전압왜형률 (%)
	각 차수별 개별 전압왜형률		종합 전압왜형률 (THD)
69kV 이하	3.0 이하		5.0 이하
69kV ~ 161kV 미만	1.5 이하		2.5 이하
161kV 이상	1.0 이하		1.5 이하

* THD는 Total Harmonic Distortion의 약자로서 기본파가 함유하고 있는 종합고조파 왜형률 이다.

* 전력회사가 고객에게 공급해야 하는 전압품질, 즉 고조파 전압왜형률 규제치로서 미국의 기준을 나타내는 대표적인 규격이다.

 

② 전류왜형률

 (Isc : 단락전류, IL : 최대부하전류, h : 고조파 차수, TDD : 종합전류왜형률)

 - 69[kV] 미만   

Isc / IL	h < 11	11 ≤ h < 17	17 ≤ h < 23	23 ≤ h < 35	h ≥ 35	TDD
20 미만	4.0% 이하	2.0% 이하	1.5% 이하	0.6% 이하	0.3% 이하	5.0% 이하
20 이상 50 미만	7.0% 이하	3.5% 이하	2.5% 이하	1.0% 이하	0.5% 이하	8.0% 이하
50 이상 100 미만	10.0% 이하	4.5% 이하	4.0% 이하	1.5% 이하	0.7% 이하	12.0% 이하
100 이상 1,000 미만	12.0% 이하	5.5% 이하	5.0% 이하	2.0% 이하	1.0% 이하	15.0% 이하
1,000 이상	15.0% 이하	7.0% 이하	6.0% 이하	2.5% 이하	1.4% 이하	20.0% 이하

 - 69[kV] 이상 161[kV] 미만 

Isc / IL	h < 11	11 ≤ h < 17	17 ≤ h < 23	23 ≤ h < 35	h ≥ 35	TDD
20 미만	2.0% 이하	1.0% 이하	0.75% 이하	0.3% 이하	0.15% 이하	2.5% 이하
20 이상 50 미만	3.5% 이하	1.75% 이하	1.25% 이하	0.5% 이하	0.25% 이하	4.0% 이하
50 이상 100 미만	5.0% 이하	2.25% 이하	2.0% 이하	0.75% 이하	0.35% 이하	6.0% 이하
100 이상 1,000 미만	6.0% 이하	2.75% 이하	2.5% 이하	1.0% 이하	0.5% 이하	7.5% 이하
1,000 이상	7.5% 이하	3.5% 이하	3.0% 이하	1.25% 이하	0.7% 이하	10.0% 이하

 - 161[kV] 이상

Isc / IL	h < 11	11 ≤ h < 17	17 ≤ h < 23	23 ≤ h < 35	h ≥ 35	TDD
20 미만	2.0% 이하	1.0% 이하	0.75% 이하	0.3% 이하	0.15% 이하	2.5% 이하
20 이상 50 미만	3.5% 이하	1.75% 이하	1.25% 이하	0.5% 이하	0.25% 이하	4.0% 이하

 

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4. 전압왜형률 및 전류왜형률 규제치를 초과할 경우 문제점

1) 전동기 및 발전기

 ① 기기의 과열 및 효율저하     ② 토크 저하 및 맥동 발생    ③ 기기의 수명 단축

 

2) 변압기

 ① 철손 및 동손 증가     ② 변압기의 발열 및 소음발생    ③ 변압기 용량 감소

 

3) 전력케이블

 ① 케이블의 과열 및 코로나 발생    ② 케이블의 절연파괴

 

4) 전력용 콘덴서

 ① 계통과의 공진    ② 콘덴서의 수명 감소    ③ 과열로 인한 절연물 소손 우려    

 

5) 전자 방지

 ① 장비의 오동작     ② 전압 Notching 현상     ③ 신호수신 불량

 

6) 지시계기

 ① 계기의 오동작 및 측정값의 오차 발생

 

7) 개폐기와 계전기

 ① 개폐장치에 열과 손실 발생     ② 국부적 절연 손상     ③ 퓨즈의 용량감소

 

8) 통신장애

 ① 통신상태 저하    ② 유도장해 발생

 

9) 정지형 전력변환장치

 ① 콘덴서 사용 시 과열     ② 오동작 발생     ③ 비정수 고조파 발생     ④ 제어회로의 부품 고장

 

 

송전선의 1선 지락사고 시 송전선과 병행 가설된 통신선이 받는 전자유도장해

5. 고조파 억제 대책

 고조파 전류가 상한치를 초과하는 경우에는 고조파 유출전류를 저감하여 상한치 이내로 억제하기 위한 대책이 필요하다. 이러한 억제대책에는 기기로부터 발생하는 고조파 전류 등을 저감시키는 방법과 기기로부터 발생한 고조파 전류를 분류시켜 유출전류를 저감시키는 방법이 있다.

일반적으로 고조파 억제 대책은 다음과 같다.

 

가. 리액터의 (ACL, DCL)의 설치

나. 역률 개선 콘덴서 설치 (고압측 또는 저압측)

다. 변환기의 다펄스화 : 출력계수 증가 (정류기의 다상화)

라. PWM 컨버터 채용

마. 위상변위 : Phase Shift TR 설치

바. 하이브리드 고조파 필터 설치  (적용대상 : 컨버터, UPS 정류부, 엘리베이터, 싸이리스터 제어장치 등)