목차(고조파 영향 QHE)
고조파(영향)
1️⃣변압기

1)변압기 과열
- Δ권선 내 순환전류로 인한 열 발생으로 변압기 열화 촉진
- 동손증가
- 철손증가
- 변압기 권선온도 상승
2)변압기 출력 감소
- 단상 변압기 출력감소
- 3상 변압기 출력감소
2️⃣발전기
1)발전기 과열
- 댐퍼봉 및 단락 동판에 고조파에 의한 발전기 역상전류 발생
- 역상 회전자계의 자속이 댐퍼 권선회로와 쇄교
- 댐퍼 권선손실이 증가하여 발전기 출력이 저하
- 고조파 전류에 의한 등가역상 전류
2)Hunting 발생
- 비상용으로 절체 시 전압왜형률이 증가되어 전원 품질 저하, 과열 및 Hunting의 원인
3️⃣콘덴서
1)역률 저하
- 비선형 부하는 고조파에 의한 무효 전력분에 의하여 역률이 저하


2)콘덴서 과열 및 소손
- 실효치 전류가 증가하여 콘덴서 과열:
고조파 전류는 임피던스가 낮은 콘덴서로 유입되어 과열 및 소손

- 콘덴서 단자전압 상승:
고조파 유입시 콘덴서 단자전압이 상승하여 콘덴서 내부소자나 층 간 절연 및 대지 절연파괴를 유발
- 콘덴서 실효용량 증가:
고조파 유입 시 콘덴서 실효용향 증대로 유전체 손실이 증가하고 내부소자의 온도 상승이 커져서 콘덴서의 열화를 촉진
4️⃣직 병렬 공진


- 전원측
- 콘덴서 측
5️⃣영상분 고조파
1)영상분 고조파 증가
- 선형부하
- 비선형 부하
- 따라서 평형 부하이고, 선형 부하일 때 중성선에 흐르는 전류는 중성선에서 벡터합이 되어 “0[A]”가 되고, 평형부하이고
- 비선형 부하일 때 중성선에 흐르는 전류는 영상 고조파(3, 9, 15차)전류가 중성선에 위상이 동일하여 벡터합이 아닌 스칼라합이 되어 중성선에 과전류가 흐른다.

2)케이블 과열
- 전류증가: 중성선에 기본파 전류는 존재하지 않으나 각상의 300%에 달하는 3차 영상 고조파 전류는 존재하여 중성선 과열

- 교류 도체저항 증가: 제3고조파는 기본파의 3배인 180[Hz]의 주파수 성분
교류저항
- 교류는 주파수에 따라 표피효과 상승으로 교류 도체저항 증가로 케이블의 발열이 발생

- 침투깊이
σ=도전율
μ=투자율
ω=2πf
3)대지전위 상승
- 중성선에 3고조파 전류가 많이 흐르면 중성선과 대지 간의 전위차는 중성선 전류와 중성선 리액턴스의 3배의 곱
- 고조파에 의한 주파수 및 전류가 증가하여 큰 전위차 발생 및 기기 오동작
4)통신선의 유도장해(TIF)

5)OCGR 오동작
- 구동토크
- 고조파가 있을경우 ω 증가하여 구동토크T증가로 유도원판형 계전기 동작하여 차단기 오동작
6)ELB/MCCB/ACB 오동작
ELB오동작 | ACB및MCCB동작 |
---|---|
ELB에 흐르는 전류 \[I_{rms}=\sqrt{I_1^2+I_3^2+I_5^2+…}\] 누설전류 \[I_g=2\pi fCV∝f\] 고조파 많으면 누설전류 증대, ELB오동작 | ACB가 MCCB가 동작전류의 피크치를 감지하여 동작할 경우 고조파가 함유되면 피크치가 높아져 오동작함 |
6️⃣계측기/계기 오차 증가
- 전압 및 전류의 유효 자속이 기본파에 고조파 성분이 중첩되어 비선형 특성을 가지므로 특정오차가 발생하며, Digital인 경우 고조파 성분을 충분하게 분석하지 않으면 측정오차 발생
- 계측기의 오차 변화 한계는 JIS C 1216에 제3고조파가 10% 함유시의 기준이므로 10%를 초과 시 오차는 더욱 커짐
- 지시계기의 오차 변화 한계는 JIS C 1102에 제3고조파rk 15%함유 시의 기준이므로 15%를 초과할 경우 오차는 더욱더 커짐
7️⃣소음 및 진동발생
고조파 전류 발생 → 여자 전압 왜형 → 진동증가 → 진동음 증가
목차(고조파 영향 QHE)
고조파(영향)
💯기출문제
○E04 교류계통 고조파 성분에 의한 통신유도계수에 대해 설명하시오
모범답(통신선유도계수 QHE04)
교류 계통에서 발생하는 고조파는 전력선과 통신선 간의 유도 결합을 통해 통신선에 원치 않는 전압을 유기시켜 통신 품질을 저하시키는 원인이 됩니다. 이러한 유도 현상의 정도를 나타내는 지표가 통신 유도 계수입니다.
1. 통신 유도 현상
전력선에 흐르는 고조파 전류는 주변에 자기장을 형성하고, 이 자기장은 통신선에 유도 전압을 발생시킵니다. 특히 고조파 성분은 주파수가 높기 때문에 유도 작용이 더욱 강하게 나타납니다. 통신선에 유도된 전압은 통신 신호에 잡음을 유발하여 통신 품질을 저하시키고, 심한 경우에는 통신 시스템의 오작동을 초래할 수 있습니다.
2. 통신 유도 계수
통신 유도 계수는 전력선과 통신선 간의 유도 결합 정도를 나타내는 값으로, 다음과 같이 정의됩니다.
통신 유도 계수 = (통신선에 유도된 전압) / (전력선에 흐르는 고조파 전류)
통신 유도 계수는 단위 길이당 값으로 표시되며, 단위는 V/A/km 또는 mV/A/km 등이 사용됩니다. 통신 유도 계수가 클수록 통신선에 유도되는 전압이 커지므로, 통신 유도 장해의 위험이 높아집니다.
3. 통신 유도 계수에 영향을 미치는 요인
- 고조파 전류의 크기 및 주파수: 고조파 전류의 크기가 클수록, 주파수가 높을수록 통신 유도 계수가 증가합니다.
- 전력선과 통신선 간의 거리 및 배치: 전력선과 통신선 간의 거리가 가까울수록, 평행하게 배치될수록 통신 유도 계수가 증가합니다.
- 대지 저항: 대지 저항이 낮을수록 유도 전류가 잘 흐르기 때문에 통신 유도 계수가 증가합니다.
- 차폐 효과: 전력선이나 통신선에 차폐 케이블을 사용하면 유도 결합을 줄여 통신 유도 계수를 감소시킬 수 있습니다.
4. 통신 유도 장해 방지 대책
- 고조파 발생원 관리: 고조파 발생을 최소화하기 위해 고조파 필터 설치, 고효율 변압기 사용 등 고조파 저감 대책을 시행합니다.
- 전력선과 통신선 간의 이격 거리 확보: 전력선과 통신선 간의 충분한 이격 거리를 확보하여 유도 결합을 줄입니다.
- 차폐 케이블 사용: 전력선 또는 통신선에 차폐 케이블을 사용하여 유도 결합을 차단합니다.
- 접지 시스템 강화: 접지 시스템을 강화하여 유도 전류를 대지로 신속하게 흘려보냅니다.
- 통신선로 배치 변경: 통신선로의 위치를 변경하거나 꼬임선을 사용하여 유도 잡음을 상쇄시킵니다.
5. 결론
교류 계통의 고조파 성분은 통신 유도 장해를 유발할 수 있으며, 통신 유도 계수는 이러한 유도 현상의 정도를 나타내는 중요한 지표입니다. 효과적인 통신 유도 장해 방지 대책을 수립하기 위해서는 통신 유도 계수에 영향을 미치는 다양한 요인들을 종합적으로 고려해야 합니다.
●E05 고조파가 전기설비 및 기기에 미치는 영향, 장해의 형태에 대하여 설명하시오
모범답안(고조파영향 QHE05)
고조파가 미치는 영향
- 변압기과열, 변압기출력감소,
- 발전기과열, 헌팅현상
- 역률저하,콘덴서 과열 및 소손, 콘덴서 단자전압 상승, 콘덴서 실효용량증가,
- 직병렬공진
- 영상분 고조파에 의한 영향
- 영상고조파, 케이블과열, 대지전위상승, 통신선의 유도장해, OCGR오동작, ELB,MCCB,ACB오동작,
- 계측기 계기 오차
- 소음 및 진동발생
○E06 고조파가 전력용 변압기에 미치는 영향과 대책에 대하여 설명하시오
모범답안(고조파가 변압기에 미치는 영향 QHE09)
변압기

1)변압기 과열
- Δ권선 내 순환전류로 인한 열 발생으로 변압기 열화 촉진
- 동손증가
- 철손증가
- 변압기 권선온도 상승
2)변압기 출력 감소
- 단상 변압기 출력감소
- 3상 변압기 출력감소
○E07 3상 평형배선에서 4심 케이블의 고조파 전류 환산계수에 대하여 설명하시오
모범답안(고조파전류 환산계수 QHE07)
4심 케이블과 고조파 전류
3상 평형배선에서 4심 케이블은 3개의 상 도체와 1개의 중성선으로 구성됩니다. 이러한 시스템에서 고조파 전류, 특히 3차 고조파 전류는 중성선을 통해 흐르는 특징이 있습니다.
고조파 전류 환산계수는 이러한 고조파 전류의 영향을 고려하여 케이블의 허용 전류를 조정하는 데 사용되는 값입니다. 즉, 고조파 전류가 케이블의 온도 상승에 미치는 영향을 반영하여 실제 허용 전류를 보정하는 역할을 합니다.
왜 고조파 전류 환산계수가 필요한가?
- 고조파 전류의 열 효과: 고조파 전류는 기본파 전류와는 다른 주파수를 가지므로, 케이블 내에서 발생하는 손실이 다릅니다. 특히 3차 고조파 전류는 중성선을 통해 흐르면서 케이블의 온도 상승을 유발할 수 있습니다.
- 케이블 수명 단축: 고조파 전류에 의한 과도한 발열은 케이블의 수명을 단축시키고 절연 파괴를 유발할 수 있습니다.
- 정확한 허용 전류 산정: 고조파 전류 환산계수를 적용하여 케이블의 허용 전류를 정확하게 산정하면, 케이블의 안전성을 확보하고 시스템의 신뢰성을 높일 수 있습니다.
고조파 전류 환산계수의 의미
고조파 전류 환산계수는 4심 케이블의 허용 전류 표에 제시되어 있으며, 일반적으로 1보다 작은 값을 가집니다. 이는 고조파 전류가 흐를 때 케이블의 허용 전류를 감소시켜야 한다는 것을 의미합니다.
- 환산계수 값이 작을수록: 고조파 전류의 영향이 크다는 것을 의미하며, 허용 전류를 더 크게 감소시켜야 합니다.
- 환산계수 값이 클수록: 고조파 전류의 영향이 작다는 것을 의미하며, 허용 전류를 적게 감소시켜도 됩니다.
고조파 전류 환산계수를 적용하는 방법
- 케이블의 허용 전류 확인: 케이블의 종류, 단면적, 설치 환경 등에 따라 허용 전류를 확인합니다.
- 고조파 전류 환산계수 찾기: 케이블의 종류와 고조파 차수에 따른 환산계수를 표에서 찾습니다.
- 허용 전류 보정: 허용 전류에 환산계수를 곱하여 실제 허용 전류를 산정합니다.
●E09 고조파가 전력용 변압기에 미치는 영향과 대책에 대하여 설명하시오.
모범답안(고조파가 변압기에 미치는 영향 QHE09)
변압기

1)변압기 과열
- Δ권선 내 순환전류로 인한 열 발생으로 변압기 열화 촉진
- 동손증가
- 철손증가
- 변압기 권선온도 상승
2)변압기 출력 감소
- 단상 변압기 출력감소
- 3상 변압기 출력감소
○E10 22.9[kV]3상4선 배전방식에서 중성선 영상고조파 전류의 영향에 대하여 설명하시오
모범답안(3고조파 영상전류 QHE31)
3고조파 전류는 기본 주파수의 3배수 주파수를 가지는 고조파 성분으로, 삼상 전력 시스템에서 특히 중요하게 다루어지는 고조파
영상전류란 삼상 전력 시스템에서 각 상의 전류가 크기가 같고 위상이 같은 성분을 의미
3고조파와 영상전류의 관계
- 3고조파의 특징: 3고조파는 각 상에서 위상이 같습니다. 즉, 3개의 상에 흐르는 3고조파 전류는 크기와 위상이 동일합니다.
- 영상전류의 정의: 영상전류 역시 각 상에서 크기와 위상이 동일한 전류 성분입니다.
- 연결: 3고조파의 위상 특성이 영상전류의 정의와 일치하므로, 3고조파 전류는 영상전류 성분을 포함하게 됩니다.
왜 3고조파만 영상전류가 될까요?
- 고조파 차수: 3의 배수가 되는 고조파(3차, 6차, 9차 등)는 모두 영상전류 성분을 포함합니다. 하지만 3차 고조파가 가장 일반적으로 발생하고 영향력이 크기 때문에 주로 3고조파를 중심으로 논의합니다.
- 위상 관계: 다른 고조파들은 각 상에서 위상이 다르기 때문에 영상전류 성분을 포함하지 않습니다.
3고조파가 영상전류가 되는 것의 의미
- 중성선 부담 증가: 영상전류는 중성선을 통해 흐르므로 중성선에 부담을 증가시킵니다.
- 기기 손상: 영상전류는 기기의 절연 파괴를 유발하거나, 변압기의 과열 등을 일으킬 수 있습니다.
- 통신 장애: 영상전류는 통신선에 유도되어 통신 장애를 일으킬 수 있습니다.
○E12 수용가에서전류고조파 왜형률을 평가할 경우에 고려하여야 할 역률과의 상관관계를 설명하시오
모범답안(고조파 역률 QHE12)
역률과 고조파의 상관관계
- 역률 저하:
- 고조파 전류는 기본파 전류와 위상이 다르기 때문에 유효 전력에 기여하지 못하고 무효 전력만 증가시킵니다.
- 이로 인해 전체 역률이 낮아지고, 전력 손실이 증가하며, 설비 용량이 과대하게 설계될 수 있습니다.
- 고조파 발생 증가:
- 저역률 상태에서는 전력 시스템의 임피던스가 변화하여 고조파 공진이 발생할 가능성이 높아집니다.
- 이는 고조파 전류의 증폭을 야기하여 고조파 문제를 더욱 악화시킵니다.
- 상호 작용:
- 고조파는 역률을 저하시키고, 저하된 역률은 다시 고조파를 증가시키는 상호 작용을 합니다.
- 이러한 순환적인 관계는 전력 시스템의 안정성을 저해하고, 설비 수명을 단축시킬 수 있습니다.
수용가 전류고조파 왜형률 평가 시 고려 사항
- 역률 개선:
- 고조파 왜형률을 줄이기 위해서는 우선 역률을 개선해야 합니다.
- 역률 개선용 콘덴서를 설치하여 무효 전력을 보상하고, 역률을 향상시킬 수 있습니다.
- 고조파 필터:
- 고조파 필터를 설치하여 특정 주파수의 고조파 전류를 흡수하여 고조파 왜형률을 감소시킬 수 있습니다.
- 고조파 발생원 분석:
- 비선형 부하(인버터, 정류기 등)를 파악하고, 필요한 경우 저감 대책을 수립해야 합니다.
- 전압 왜형률:
- 전압 왜형률 또한 고려해야 합니다. 전압 왜형률은 고조파 전류에 의해 발생하며, 부하에 영향을 미쳐 추가적인 고조파를 발생시킬 수 있습니다.
- 계통 조건:
- 전력 계통의 임피던스, 고조파 발생원의 위치 등 계통 조건을 고려하여 적절한 대책을 수립해야 합니다.
○E16 고조파의 발생에 따른 영향에 대하여 10가지를 들고 설명하시오
모범답안(고조파영향 QHE05)
고조파가 미치는 영향
- 변압기과열, 변압기출력감소,
- 발전기과열, 헌팅현상
- 역률저하,콘덴서 과열 및 소손, 콘덴서 단자전압 상승, 콘덴서 실효용량증가,
- 직병렬공진
- 영상분 고조파에 의한 영향
- 영상고조파, 케이블과열, 대지전위상승, 통신선의 유도장해, OCGR오동작, ELB,MCCB,ACB오동작,
- 계측기 계기 오차
- 소음 및 진동발생
○E20 유도전동기의 출력에 영향을 미치는 고조파 전압계수
모범답안(유도전동기출력 QHE20)
유도 전동기는 전력 시스템에서 널리 사용되는 전기 기기이지만, 고조파 전압은 유도 전동기의 성능에 다양한 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 고조파 전압은 유도 전동기의 출력, 효율, 온도 상승 등에 영향을 미치며, 심한 경우 고장의 원인이 되기도 합니다.
1. 고조파 전압과 유도 전동기
고조파 전압은 기본 주파수 성분 외에 정수배의 주파수 성분을 포함하는 전압을 말합니다. 이러한 고조파 전압은 주로 비선형 부하(예: LED 조명, 컴퓨터, 전력 변환 장치 등)에서 발생하며, 전력 시스템에 다양한 문제를 일으킬 수 있습니다.
유도 전동기의 경우, 고조파 전압은 다음과 같은 영향을 미칩니다.
- 출력 감소: 고조파 전압은 유도 전동기의 회전력을 감소시켜 출력을 저하시킵니다. 특히 5고조파, 7고조파 등 특정 차수의 고조파는 회전 방향과 반대 방향으로 회전력을 발생시켜 출력 감소를 더욱 심화시킵니다.
- 효율 저하: 고조파 전류는 유도 전동기 권선에 추가적인 손실을 발생시켜 효율을 저하시킵니다.
- 온도 상승: 고조파 전류로 인한 추가적인 손실은 유도 전동기의 온도 상승을 유발합니다. 이는 유도 전동기의 수명을 단축시키고 절연 파괴의 원인이 될 수 있습니다.
- 소음 및 진동 증가: 고조파 전압은 유도 전동기의 소음 및 진동을 증가시킬 수 있습니다.
2. 고조파 전압 계수 (HVF)
고조파 전압 계수(Harmonic Voltage Factor, HVF)는 고조파 전압의 크기를 나타내는 지표로, 다음과 같이 정의됩니다.
HVF = (고조파 전압의 실효값) / (기본파 전압의 실효값)
HVF는 일반적으로 백분율(%)로 표시하며, 값이 클수록 고조파 함량이 높다는 것을 의미합니다.
3. 고조파 전압이 유도 전동기 출력에 미치는 영향
고조파 전압은 유도 전동기의 출력에 다양한 방식으로 영향을 미칩니다.
- 회전력 감소: 앞서 언급한 바와 같이 특정 차수의 고조파는 회전 방향과 반대 방향으로 회전력을 발생시켜 유도 전동기의 출력을 감소시킵니다.
- 손실 증가: 고조파 전류는 유도 전동기 권선에 추가적인 동손을 발생시키고, 철심의 히스테리시스 손실 및 와류 손실을 증가시켜 효율을 저하시키고 온도 상승을 유발합니다.
- 진동 및 소음 증가: 고조파 전압은 유도 전동기의 회전 속도 변동을 유발하여 진동 및 소음을 증가시킵니다.
4. 고조파 전압으로 인한 문제점 해결 방안
고조파 전압으로 인한 유도 전동기의 문제점을 해결하기 위해 다음과 같은 방법을 사용할 수 있습니다.
- 고조파 필터 설치: 고조파 필터를 설치하여 고조파 전류를 저감시킵니다.
- 고조파 저감 장치 사용: 고조파 저감 기능을 가진 인버터나 컨버터를 사용하여 고조파 발생을 억제합니다.
- 유도 전동기 설계 개선: 고조파에 강한 특성을 가진 유도 전동기를 사용합니다.
- 전력 시스템 개선: 전력 시스템의 임피던스를 조정하거나, 고조파 발생원을 관리하여 고조파 전압을 저감시킵니다.
●E21 고조파가 전동기에 미치는 영향과 대책에 대하여 전동기 종류별로 설명하시오
모범답안(고조파가 전동기에 미치는 영향 QHE21)
고조파는 전력 시스템의 질을 저하시키고, 다양한 전기 기기의 성능을 저하시키는 주요 원인 중 하나입니다. 특히, 전동기는 고조파에 매우 민감하게 반응하며, 고조파로 인해 다양한 문제가 발생할 수 있습니다.
고조파가 전동기에 미치는 영향
- 손실 증가: 고조파 전류는 전동기의 동손과 철손을 증가시켜 효율을 저하시키고, 과열을 유발하여 수명을 단축시킵니다.
- 진동 및 소음 증가: 고조파 전류는 전동기 내부에 불균일한 자기장을 형성하여 진동과 소음을 발생시킵니다.
- 토크 리플 증가: 고조파 전류는 토크 리플을 증가시켜 운전 성능을 저하시키고, 기계적 스트레스를 증가시킵니다.
- 절연 파괴: 고조파 전압은 절연 파괴를 유발할 수 있으며, 특히 고주파 성분의 고조파는 절연 열화를 가속화시킵니다.
- 보호 계전기 오동작: 고조파 전류는 보호 계전기의 오동작을 유발하여 불필요한 정지 시간을 초래할 수 있습니다.
전동기 종류별 고조파 영향 및 대책
1. 유도 전동기
- 영향:
- 동손과 철손 증가
- 토크 리플 증가
- 진동 및 소음 증가
- 절연 수명 단축
- 대책:
- 고조파 필터 설치: 고조파 전류를 흡수하여 전동기로 유입되는 고조파를 감소시킵니다.
- 인버터 제어 개선: 인버터 출력 파형을 개선하여 고조파 발생을 줄입니다.
- 전동기 설계 변경: 고조파에 강한 특성을 가진 전동기를 사용합니다.
2. 동기 전동기
- 영향:
- 유도 전동기와 유사하게 동손, 철손 증가, 토크 리플 증가 등이 발생합니다.
- 계자권에서의 추가 손실 발생
- 대책:
- 유도 전동기와 동일한 대책 외에, 계자권 설계를 고려하여 고조파 영향을 줄일 수 있습니다.
3. 서보 모터
- 영향:
- 고속 운전 시 고주파 고조파에 의한 손실 증가가 심합니다.
- 정밀 위치 제어 성능 저하
- 대책:
- 고조파 필터 설치, 인버터 제어 개선 외에, 서보 드라이브의 제어 알고리즘을 개선하여 고조파 영향을 줄일 수 있습니다.
고조파 저감 대책
- 고조파 발생원 억제:
- 비선형 부하(정류기, 인버터 등)의 사용을 최소화하거나, 능동형 필터를 사용하여 고조파를 상쇄시킵니다.
- 고조파 필터 설치:
- LC 필터, 활성 필터 등 다양한 종류의 필터를 사용하여 특정 주파수의 고조파를 흡수합니다.
- 인버터 제어 개선:
- PWM 방식 개선, 스위칭 주파수 상승 등을 통해 인버터 출력 파형을 개선합니다.
- 전동기 설계 변경:
- 고조파에 강한 특성을 가진 전동기를 사용하거나, 기존 전동기를 개조하여 고조파 내성을 향상시킵니다.
- 계통 임피던스 조정:
- 계통 임피던스를 조정하여 고조파 공진 현상을 방지합니다.
○E22.3상 평형 배선의 상전류에 고조파가 포함되어 흐르는 경우 4심및 5심 케이블에 고조파 전류에 대한 보정계수 적용
모범답안(고조파전류에대한 보정 QHE22)
3상 평형 배선에서 고조파 전류가 흐르는 경우, 4심 및 5심 케이블의 고조파 전류에 대한 보정계수 적용은 케이블의 허용 전류 용량을 계산하는 데 매우 중요합니다. 고조파 전류는 전력 시스템에 다양한 문제를 일으킬 수 있으며, 특히 케이블의 과열 및 수명 단축을 유발할 수 있습니다. 따라서 고조파 전류를 고려하여 케이블을 선정하고 설치해야 합니다.
1. 고조파 전류와 케이블
- 추가적인 열 발생: 고조파 전류는 케이블 도체 내에서 추가적인 열을 발생시켜 케이블의 온도 상승을 유발합니다. 이는 케이블의 허용 전류 용량을 감소시키는 요인이 됩니다.
- 중성선 전류 증가: 3상 4선식 배전 방식에서 고조파 전류는 중성선 전류를 증가시킬 수 있습니다. 특히 3고조파 성분은 중성선에서 상쇄되지 않고 누적되어 중성선 과열의 원인이 될 수 있습니다.
2. 4심 및 5심 케이블의 특징
- 4심 케이블: 3개의 상 도체와 1개의 중성선으로 구성됩니다. 고조파 전류로 인한 중성선 전류 증가에 취약할 수 있습니다.
- 5심 케이블: 3개의 상 도체, 1개의 중성선 및 1개의 접지 도체로 구성됩니다. 접지 도체를 통해 고조파 전류의 일부를 흘려보낼 수 있어 4심 케이블에 비해 고조파 전류에 대한 영향이 적습니다.
3. 고조파 전류 보정계수
- 4심 케이블: 중성선 전류 증가를 고려하여 보정계수를 적용합니다.
- 5심 케이블: 접지 도체를 통한 고조파 전류 분산을 고려하여 보정계수를 적용합니다.
4. 고조파 전류 보정계수 적용 시 고려 사항
- 고조파 함량: 고조파 전류의 크기와 종류에 따라 보정계수가 달라집니다. 고조파 함량이 높을수록 보정계수도 커져야 합니다.
- 케이블의 종류 및 크기: 케이블의 종류와 크기에 따라 허용 전류 용량이 다르므로, 이에 따라 적절한 보정계수를 적용
- 설치 환경: 케이블의 설치 환경(예: 온도, 습도, 주변 기기 등)에 따라 허용 전류 용량이 달라질 수 있으므로, 이를 고려하여 보정계수를 적용
5. 결론
3상 평형 배선에서 고조파 전류가 흐르는 경우, 4심 및 5심 케이블의 고조파 전류에 대한 보정계수를 적절하게 적용하여 케이블의 허용 전류 용량을 계산해야 합니다. 이는 케이블의 과열 및 수명 단축을 방지하고 안전한 전력 시스템을 구축하는 데 매우 중요
○E25 전기수용설비에서 3상4선식 배전방식에서 중성선의 과전류현상과 영상고조파 전류의 영향
모범답안(3고조파 영상전류 QHE31)
3고조파 전류는 기본 주파수의 3배수 주파수를 가지는 고조파 성분으로, 삼상 전력 시스템에서 특히 중요하게 다루어지는 고조파
영상전류란 삼상 전력 시스템에서 각 상의 전류가 크기가 같고 위상이 같은 성분을 의미
3고조파와 영상전류의 관계
- 3고조파의 특징: 3고조파는 각 상에서 위상이 같습니다. 즉, 3개의 상에 흐르는 3고조파 전류는 크기와 위상이 동일합니다.
- 영상전류의 정의: 영상전류 역시 각 상에서 크기와 위상이 동일한 전류 성분입니다.
- 연결: 3고조파의 위상 특성이 영상전류의 정의와 일치하므로, 3고조파 전류는 영상전류 성분을 포함하게 됩니다.
왜 3고조파만 영상전류가 될까요?
- 고조파 차수: 3의 배수가 되는 고조파(3차, 6차, 9차 등)는 모두 영상전류 성분을 포함합니다. 하지만 3차 고조파가 가장 일반적으로 발생하고 영향력이 크기 때문에 주로 3고조파를 중심으로 논의합니다.
- 위상 관계: 다른 고조파들은 각 상에서 위상이 다르기 때문에 영상전류 성분을 포함하지 않습니다.
3고조파가 영상전류가 되는 것의 의미
- 중성선 부담 증가: 영상전류는 중성선을 통해 흐르므로 중성선에 부담을 증가시킵니다.
- 기기 손상: 영상전류는 기기의 절연 파괴를 유발하거나, 변압기의 과열 등을 일으킬 수 있습니다.
- 통신 장애: 영상전류는 통신선에 유도되어 통신 장애를 일으킬 수 있습니다.
○E26 비선형부하가 연결되어 있는 회로에서 역률을 계산하는방법
모범답안(비선형부아 역률 QHE26)
비선형 부하와 역률
비선형 부하란 전류 파형이 전압 파형과 정현파 관계를 유지하지 않는 부하를 말합니다. 대표적인 예로는 컴퓨터, TV, 인버터 등이 있습니다. 이러한 비선형 부하는 고조파를 발생시키고, 이로 인해 회로의 역률이 저하됩니다.
역률은 유효 전력과 피상 전력의 비율로, 전력 시스템의 효율을 나타내는 지표입니다. 역률이 낮다는 것은 무효 전력의 비율이 높다는 것을 의미하며, 이는 전력 손실 증가, 전압 강하, 설비 용량 과대 설계 등 다양한 문제를 야기합니다.
비선형 부하에서 역률 계산의 어려움
비선형 부하가 연결된 회로에서 역률을 계산하는 것은 선형 부하에 비해 복잡합니다. 왜냐하면 고조파 성분이 존재하기 때문에 단순히 전압과 전류의 유효값을 이용하여 역률을 계산할 수 없기 때문입니다.
비선형 부하에서 역률 계산 방법
1. 고조파 분석
- FFT (Fast Fourier Transform): 전류 파형을 주파수 성분으로 분해하여 각 고조파 성분의 크기와 위상을 분석합니다.
- THD (Total Harmonic Distortion): 전체 고조파 왜곡률을 계산하여 고조파의 영향 정도를 평가합니다.
2. 역률 계산
- 기본파 역률: 기본파 전압과 전류의 위상차를 이용하여 계산합니다.
- 왜형 역률: 고조파 전류에 의한 역률 저하를 나타내는 지표로, 전체 고조파 전류의 제곱의 평균값과 기본파 전류의 제곱의 비율의 제곱근으로 계산합니다.
- 전체 역률: 기본파 역률과 왜형 역률의 곱으로 계산합니다.
수식:
- 왜형 역률 (Distortion Power Factor, DPF):
- 전체 역률 (Total Power Factor, TPF):
PF: 기본파 역률, THD: 전체 고조파 왜곡률
3. 전력 분석기 활용
- 전력 분석기를 이용하면 고조파 분석과 역률 계산을 자동으로 수행할 수 있습니다. 전력 분석기는 전압, 전류, 전력 등 다양한 전기량을 측정하고 분석하는 장비입니다.
비선형 부하에서 역률 개선 방법
- 역률 개선용 콘덴서: 무효 전력을 보상하여 역률을 개선합니다.
- 능동형 필터: 고조파 전류를 상쇄하여 고조파를 감소시킵니다.
- 비선형 부하의 개선: 고조파를 적게 발생시키는 비선형 부하로 교체하거나, 제어 방식을 개선합니다.
주의 사항
- 고조파 종류: 3차 고조파는 중성선으로 흐르기 때문에 특별히 고려해야 합니다.
- 측정 환경: 정확한 측정을 위해 노이즈가 적은 환경에서 측정해야 합니다.
- 계산 오차: 측정 오차나 계산 오류가 발생할 수 있으므로 주의해야 합니다.
○E27표피효과에 대하여 설명하고, 표피효과가 전기 및 통신케이블의 도체에 미치는 영향에 대하여 설명하시오
모범답안(표피효과 LMS17)
표피효과(Skin Effect)
1)정의
- 도체에 교류 전류가 흐를 때, 교번자속에 의한 기계전력에 의해 전류가 도체 전체에 균등하게 분포되지 않고 도체 표면 근처에 집중되는 현상
- 도체의 중심부에는 전류가 거의 흐르지 않고 표면으로 갈수록 전류 밀도가 높아지는 현상
- 도체 단면적은 실효적으로 축소되는 결과를 초래
2)원인
- 전류가 일정한 상태에서 전선 단면적 내의 중심부일수록 전류가 만드는 전자속과 쇄교하므로 같은 단면적을 통과하는 자력선 쇄교수가 커져 인덕턴스가 증가하여 전류의 흐름을 방해
- 중심부일수록 위상각이 늦어져 전류가 도체 외부로 몰리게 된다
3)영향을 주는 요소
- 침투깊이
(침투깊이가 작다는 것은 표피효과가 크다는 의미)
- 주파수(f), 전선단면적(A), 도전율(σ), 투자율(μ)이 클수록 증가하고 온도(t)에 반비례한다
4)표피효과의 영향
- 저항 증가: 전류가 도체 표면에만 흐르면서 실제 전류가 흐르는 단면적이 감소하게 됩니다. 이는 도체의 저항 증가로 이어져 전력 손실을 증가시키고, 발열을 유발할 수 있습니다. 특히 고주파 전류의 경우에는 표피 효과가 더욱 심해져 저항 증가가 더욱 커집니다.
- 신호 감쇠: 통신 케이블의 경우, 표피 효과는 신호의 감쇠를 유발할 수 있습니다. 특히 고주파 신호의 경우에는 표피 효과로 인해 신호가 도체 표면에만 집중되어 전송 거리가 짧아지고 신호 품질이 저하될 수 있습니다.
- 케이블 설계: 표피 효과는 케이블 설계에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 고주파 신호를 전송하는 케이블의 경우에는 표피 효과를 줄이기 위해 도체의 표면적을 넓히거나, 여러 개의 가는 도체를 꼬아서 사용하는 방법을 사용합니다.
5)개선대책
- 가공선-복도체, 지중선-분할도체를 사용한다
- 중공연선을 사용한다
●E29 인버터 제어회로를 운전하는 경우 역룰 개선용 콘덴서의 설계 및 선정 방안에 대하여 다음 사항을 설명하시오.
1)인버터 종류 및 역률 개선용 콘덴서 설치 개념
2)콘덴서 회로 부속기긱 및 용량 산출
3)직렬리액터 설치 시 효과 및 고려사항
인버터 종류 및 역률 개선용 콘덴서 설치 개념 QHE29)
인버터 종류 및 역률 개선용 콘덴서 설치 개념
1.1 인버터 종류
인버터는 크게 전압형 인버터와 전류형 인버터로 나눌 수 있습니다.
- 전압형 인버터: DC 전압을 스위칭하여 AC 전압을 생성하는 방식으로, PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식을 주로 사용합니다.
- 전류형 인버터: DC 전류를 스위칭하여 AC 전류를 생성하는 방식으로, 주로 대용량 전동기 구동에 사용됩니다.
일반적으로 역률 개선용 콘덴서는 전압형 인버터에 많이 사용됩니다.
1.2 역률 개선용 콘덴서 설치 개념
역률 개선용 콘덴서는 인버터의 AC 출력단에 병렬로 연결됩니다. 콘덴서는 인버터에서 발생하는 고조파 전류의 일부를 흡수하여 역률을 개선하는 역할을 합니다.
콘덴서 회로 부속 기기 및 용량 산출
콘덴서 회로 부속 기기 및 용량 산출
2.1 콘덴서 회로 부속 기기
- 콘덴서: 역률 개선의 핵심 부품으로, 고조파 전류를 흡수하는 역할을 합니다.
- 리액터: 콘덴서와 직렬로 연결하여 고조파 전류의 흐름을 제한하고, 콘덴서의 과전류를 방지하는 역할을 합니다.
- 개폐기: 콘덴서 회로를 개폐하는 역할을 합니다.
- 퓨즈: 콘덴서 회로의 과전류를 보호하는 역할을 합니다.
- 방전 저항: 콘덴서에 축적된 전하를 방전시키는 역할을 합니다.
2.2 콘덴서 용량 산출
콘덴서 용량은 다음과 같은 방법으로 산출할 수 있습니다.
- 계산에 의한 방법: 부하의 역률, 목표 역률, 부하 용량 등을 이용하여 계산합니다.
- 도표에 의한 방법: 역률 개선용 콘덴서 용량 계산 도표를 이용하여 간편하게 산출합니다.
- 프로그램에 의한 방법: 전력 시스템 해석 프로그램 등을 이용하여 정확하게 산출합니다.
직렬 리액터 설치 시 효과 및 고려 사항
직렬 리액터 설치 시 효과 및 고려 사항
3.1 직렬 리액터 설치 시 효과
- 고조파 전류 제한: 콘덴서와 직렬로 연결된 리액터는 고조파 전류의 흐름을 제한하여 콘덴서의 과전류를 방지하고, 고조파 전류로 인한 문제점을 완화합니다.
- 전압 파형 개선: 리액터는 콘덴서와 함께 LC 필터를 구성하여 고조파 전압을 저감시키고, 전압 파형을 개선합니다.
- 콘덴서 수명 연장: 고조파 전류로 인한 콘덴서의 스트레스를 줄여 수명을 연장합니다.
3.2 직렬 리액터 설치 시 고려 사항
- 리액터 용량 선정: 리액터 용량은 콘덴서 용량과 함께 고려하여 결정해야 합니다. 너무 작은 리액터는 고조파 전류를 충분히 제한하지 못하고, 너무 큰 리액터는 역률 개선 효과를 저하시킬 수 있습니다.
- 리액터 손실: 리액터는 자체적으로 손실을 발생시키므로, 리액터 손실을 고려하여 리액터 용량을 선정해야 합니다.
- 공진 현상: 콘덴서와 리액터가 특정 주파수에서 공진을 일으킬 수 있으므로, 공진 주파수를 피하도록 리액터 용량을 선정해야 합니다.
○E31 3고조파 전류가 영상전류가 되는 이유에 대하여 설명하시오.
모범답안(3고조파 영상전류 QHE31)
3고조파 전류는 기본 주파수의 3배수 주파수를 가지는 고조파 성분으로, 삼상 전력 시스템에서 특히 중요하게 다루어지는 고조파
영상전류란 삼상 전력 시스템에서 각 상의 전류가 크기가 같고 위상이 같은 성분을 의미
3고조파와 영상전류의 관계
- 3고조파의 특징: 3고조파는 각 상에서 위상이 같습니다. 즉, 3개의 상에 흐르는 3고조파 전류는 크기와 위상이 동일합니다.
- 영상전류의 정의: 영상전류 역시 각 상에서 크기와 위상이 동일한 전류 성분입니다.
- 연결: 3고조파의 위상 특성이 영상전류의 정의와 일치하므로, 3고조파 전류는 영상전류 성분을 포함하게 됩니다.
왜 3고조파만 영상전류가 될까요?
- 고조파 차수: 3의 배수가 되는 고조파(3차, 6차, 9차 등)는 모두 영상전류 성분을 포함합니다. 하지만 3차 고조파가 가장 일반적으로 발생하고 영향력이 크기 때문에 주로 3고조파를 중심으로 논의합니다.
- 위상 관계: 다른 고조파들은 각 상에서 위상이 다르기 때문에 영상전류 성분을 포함하지 않습니다.
3고조파가 영상전류가 되는 것의 의미
- 중성선 부담 증가: 영상전류는 중성선을 통해 흐르므로 중성선에 부담을 증가시킵니다.
- 기기 손상: 영상전류는 기기의 절연 파괴를 유발하거나, 변압기의 과열 등을 일으킬 수 있습니다.
- 통신 장애: 영상전류는 통신선에 유도되어 통신 장애를 일으킬 수 있습니다.
○E32.고조파가 전력용 변압기와 회전기에 미치는 영향과 대책을 설명하시오
모범답안(고조파의 영향 변압기 회전기 QHE32)
변압기

1)변압기 과열
- Δ권선 내 순환전류로 인한 열 발생으로 변압기 열화 촉진
- 동손증가
- 철손증가
- 변압기 권선온도 상승
2)변압기 출력 감소
- 단상 변압기 출력감소
- 3상 변압기 출력감소
발전기
1)발전기 과열
- 댐퍼봉 및 단락 동판에 고조파에 의한 발전기 역상전류 발생
- 역상 회전자계의 자속이 댐퍼 권선회로와 쇄교
- 댐퍼 권선손실이 증가하여 발전기 출력이 저하
- 고조파 전류에 의한 등가역상 전류
2)Hunting 발생
- 비상용으로 절체 시 전압왜형률이 증가되어 전원 품질 저하, 과열 및 Hunting의 원인
○E34.전기설비에서 영상분 고조파가 콘덴서에 미치는 영향을 설명하시오
모범답안(고조파의 영향 콘덴서 QHE34)
콘덴서
1)역률 저하
- 비선형 부하는 고조파에 의한 무효 전력분에 의하여 역률이 저하


2)콘덴서 과열 및 소손
- 실효치 전류가 증가하여 콘덴서 과열:
고조파 전류는 임피던스가 낮은 콘덴서로 유입되어 과열 및 소손

- 콘덴서 단자전압 상승:
고조파 유입시 콘덴서 단자전압이 상승하여 콘덴서 내부소자나 층 간 절연 및 대지 절연파괴를 유발
- 콘덴서 실효용량 증가:
고조파 유입 시 콘덴서 실효용향 증대로 유전체 손실이 증가하고 내부소자의 온도 상승이 커져서 콘덴서의 열화를 촉진
목차(고조파 영향 QHE)
고조파 영향
🌐V1103Z24 / QHE
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