고조파란 무엇인가 발생원인 영향 측정 분석 저감대책

 

 

 

 

1. 개요

 

고조파(Harmonics)는 기본 주파수의 정수배에 해당하는 주파수를 가지는 전기 신호를 의미한다. 전력 시스템에서 고조파는 전력 품질에 악영향을 미치며, 설비의 효율성과 안정성을 저하시킬 수 있다. 따라서 고조파의 이해와 관리가 매우 중요하다.

 

 

2. 고조파의 발생원인

 

고조파는 주로 비선형 부하에서 발생한다. 비선형 부하란 전압과 전류의 관계가 직선적이지 않은 부하를 말하며, 부하에 걸리는 전압이 변해도 그에 따라 전류가 비례해서 변하지 않는 부하이다. 다음과 같은 장비들이 비선형 부하에 해당된다:

전력전자 장치: 인버터, 정류기, 스위칭 전원 공급장치 등
조명 장비: 형광등, LED 조명 등
모터와 드라이브: 가변 속도 드라이브, DC 모터 등

컴퓨터 및 서버  IT장비

이들 장비는 전력을 변환하는 과정에서 비선형적인 특성을 보이며, 이에 따라 기본 주파수의 정수배에 해당하는 고조파 전류가 발생하게 된다.

 

 

3. 고조파의 영향

 

고조파는 전력 시스템과 설비에 다양한 부정적인 영향을 미친다:

전력품질저하 : 전력품질을 저하시켜서 전력손실을 증가시키고 오작동을 초래한다.

전압 왜곡: 전압 파형을 왜곡시켜 전력 품질을 저하시킨다. 민감한 전자 장비의 오작동을 유발할 수 있다.

발열 및 효율저하 : 추가적인 발열을 유발하며, 변압기, 전동기 등의 과열과 효율 저하로 이어질 수 있다.

전기적 소음: 전기적 소음을 증가시켜 통신 장비의 간섭을 일으킬 수 있다.
보호 장치 오작동: 보호 장치는 주파수에 민감하므로 고조파의 존재는 오작동을 유발할 수 있다.

 

 

 

4. 고조파의 측정 및 분석

 

1) 고조파 분석기

고조파 분석기는 전력 품질 모니터링 장비로, 다음과 같은 기능을 제공합니다:

• 주파수 스펙트럼 분석: 신호의 주파수 성분을 분해하여 각 성분의 크기와 주파수를 측정합니다.
• THD (Total Harmonic Distortion) 측정: 전체 고조파 왜곡률을 측정하여 시스템의 전력 품질을 평가합니다.
  H1​은 기본파의 크기, Hn​은 n차 고조파의 크기입니다.

2) 디지털 오실로스코프

디지털 오실로스코프는 신호의 시간 영역과 주파수 영역을 모두 분석할 수 있으며, 다음과 같은 기능을 제공합니다:

• 파형 분석: 시간 영역에서의 신호 파형을 관찰하여 비정상적인 왜곡을 확인합니다.
• FFT (Fast Fourier Transform): 주파수 영역에서의 신호 성분을 분석하여 고조파 성분을 식별합니다.

 

5. 고조파 저감대책

 

고조파를 저감하기 위한 방법은 다음과 같다:

 

필터 : 수동/능동필터 사용

변압기 : 델타와이 / K계수 변압기 사용

접지 및 배선 : 다중접지, 트위스트 페어 케이블, 차폐케이블

조정장치 : 무효전력 보상장치, 전력조정장치, 리엑터

선형부하 사용 및 장비 개선

 

 

6. 결론

 

고조파는 전력 시스템에서 발생할 수 있는 중요한 문제 중 하나로, 전력 품질과 설비의 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 따라서 고조파의 원인과 영향을 정확히 이해하고, 적절한 저감 대책을 마련하는 것이 필수적이다. 고조파 관리의 중요성은 앞으로도 계속될 것이며, 기술의 발전과 함께 고조파 문제를 효과적으로 해결하는 방법이 지속적으로 연구되어야 한다.