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고조파

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4
안 ,
고조파(QH)

고조파
고조파 발생과정과 발생원
고조파 영향
고조파 관리기준
고조파 대책

목차(고조파 QHH)

❓고조파

  • 기본주파수에 대해 2배, 3배, 4배와 같은 정수의 배에 해당하는 물리적 전기량
  • 고조파는 정수배 주파수에 의하여 기존 정현파가 파형이 찌그러지는 왜곡된 파형이 되어 전원 측으로 유입되어 설비에 악영향을 끼치는 이상현상
  • 고조파는 최근 변환기의 사용이 늘면서 모든 전기 설비에 영향을 끼쳐 소손, 열화, 불량 전원 양산 등의 영향으로 반드시 제거하여야 할 이상전원

1)종합 고조파 왜형율

(VTHD: VoltageTotalHarmonicDistrotion)

  • 고조파 전압, 전류의 실효치를 기본파 전압 전류의 실효치 비로 표현되며 고조파 발생 정도를 나타냄
  • 기본파전압, 전류 대비 고조파전압, 전류가 어느정도 찌그러진 정도를 평가 할때 적용
\[\frac{고조파 저압 실효치}{기본파저압실효치}\times 100[\%]\]
  • 전압 총합 왜형률(VTHD)
\[V_{THD}=\frac{\sqrt{V_2^2+V_3^2+V_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{V_1}\times 100[\%]\]
\[=\frac{\sqrt{\sum_{n=2}^n V_n^2}}{V_1}\times 100[\%]\]
  • 전류 총합 왜형률(ITHD)

기본파 전류 대비 고조파 전류의 함유율을 말한다

\[I_{THD}=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{I_1}\times 100[\%]\]
\[=\frac{\sqrt{\sum_{n=2}^n I_n^2}}{I_1}\times 100[\%]\]

2)전류 총합 수요 왜형률

(ITDD : CurrentTotalDemandDistrotion)

최대 부하 전류 대비 고조파 전류의 함유율로 고조파 전류 규제치의 판단 기준값으로 사용한다

\[I_{THD}=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{I_P}\]

3)등가방해전류

(EDC : EquivalentDisturbingCurrent)

전력계통에서 발생한 고조파는 인접해 있는 통신선에 영향을 주며, 통신선에 영향을 주는 고조파 전류의 한계를 등가방해전류(EDC)로써 규제하고 있다

\[EDC=\sqrt{\sum_{n=3}^n(S_n^2\times I_n^2)}[A]\]

4)고조파 전류 보정계수

  • 정의
    고조파 성분이 얼마나 있느냐에 따라서 상전류, 중성선 케이블 규격을 구하기 위하여 기본파에 여유율을 감안하여 선정하기 위한 것이다
  • 케이블에 고조파 전류가 흐르면
    • 케이블이 이상 가열된다
    • 3배수 고조파는 영상전류가 되어 중성선에 흘러서 중성선이 가열된다
    • OCGR을 오동작시키기도 한다
  • 고조파 전류 보정계수
상전규에 포함된
제3고조파 성분		상전류를 고려중성선 전류를 고려
0~15[%]1.0–
15~33[%]0.86–
33~45[%]–0.86
45[%]–1.0

5)보정계수 적용시 고려사항

  • 고조파함량: 보정계수는 제3고조파 전류를 기준으로 계산하고 제9, 15조파등의 고조파 성분이 10[%]이상 포함되어 있는 경우에는 낮은 보정계수를 적용한다
  • 케이블의 종류 및 크기:
    • 상전류가 중성선 전류보다 클 때는 상전류를 고려해서 케이블 규격을 정한다
    • 중성선 전류가 상전류보다 클 때는 중성선 전류를 고려한다
    • 4심 케이블의 중성선은 상도체와 같이 단면적과 재질로 한다

6)K-factor

  • K-factor는 변압기가 고조파 부하에 얼마나 잘 견딜 수 있는지를 나타내는 지수입니다. 
  • 고조파 전류는 변압기의 과열 및 수명 단축을 유발할 수 있으므로, K-factor가 높은 변압기는 고조파 부하에 더 잘 견딜 수 있습니다.
  • ANSI/IEEEE에서는 부하가 고조파 전류를 발생하는 경우 변압기의 과열을 방지하기 위하여 변압기의 용량을 저감시키는 계산과 factor가 기술되어있다
  • K-factor 적용방법
    • 설치된 변압기의 부하전류 중 고조파 함유량을 직접 실측 및 평가하여 변압기가 과열되지 않는 허용 부하용을 결정하여 용량을 저감시키는 방법
    • 설계단계부터 K-factor를 고려하여 변압기를 설계하는 방법
  • UL 1562-1994에도 명기되어 있으며, 고조파에 대한 변압기의 능력을 표시하는 표준척도로 사용하고 있다

고조파(QH)

고조파
고조파 발생과정과 발생원
고조파 영향
고조파 관리기준
고조파 대책

목차(고조파 QHH)

💯기출문제

○H03 종합 고조파왜형률을 설명하시오

모범답안(고조파측정방법 QHH11)

1)종합 고조파 왜형율

(VTHD : VoltageTotalHarmonicDistrotion)

  • 고조파 전압, 전류의 실효치를 기본파 전압 전류의 실효치 비로 표현되며 고조파 발생 정도를 나타냄
  • 기본파전압, 전류 대비 고조파전압, 전류가 어느정도 찌그러진 정도를 평가 할때 적용
\[\frac{고조파 저압 실효치}{기본파저압실효치}\times 100[\%]\]
  • 전압 총합 왜형률(VTHD)
\[V_{THD}=\frac{\sqrt{V_2^2+V_3^2+V_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{V_1}\times 100[\%]\]
\[=\frac{\sqrt{\sum_{n=2}^n V_n^2}}{V_1}\times 100[\%]\]
  • 전류 총합 왜형률(ITHD)

기본파 전류 대비 고조파 전류의 함유율을 말한다

\[I_{THD}=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{I_1}\times 100[\%]\]
\[=\frac{\sqrt{\sum_{n=2}^n I_n^2}}{I_1}\times 100[\%]\]

2)전류 총수요 왜형률

(ITDD : CurrentTotalDemandDistrotion)

최대 부하 전류 대비 고조파 전류의 함유율로 고조파 전류 규제치의 판단 기준값으로 사용한다

\[I_{THD}=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{I_P}\]

3)등가방해전류

(EDC : EquivalentDisturbingCurrent)

전력계통에서 발생한 고조파는 인접해 있는 통신선에 영향을 주며, 통신선에 영향을 주는 고조파 전류의 한계를 등가방해전류(EDC)로써 규제하고 있다

\[EDC=\sqrt{\sum_{n=3}^n(S_n^2\times I_n^2)}[A]\]

○H11 고조파 왜형률을 나타내는 전류THD와 전류TDD차이점을 설명하시오

모범답안(고조파측정방법 QHH11)

1)종합 고조파 왜형율

(VTHD : VoltageTotalHarmonicDistrotion)

  • 고조파 전압, 전류의 실효치를 기본파 전압 전류의 실효치 비로 표현되며 고조파 발생 정도를 나타냄
  • 기본파전압, 전류 대비 고조파전압, 전류가 어느정도 찌그러진 정도를 평가 할때 적용
\[\frac{고조파 저압 실효치}{기본파저압실효치}\times 100[\%]\]
  • 전압 총합 왜형률(VTHD)
\[V_{THD}=\frac{\sqrt{V_2^2+V_3^2+V_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{V_1}\times 100[\%]\]
\[=\frac{\sqrt{\sum_{n=2}^n V_n^2}}{V_1}\times 100[\%]\]
  • 전류 총합 왜형률(ITHD)

기본파 전류 대비 고조파 전류의 함유율을 말한다

\[I_{THD}=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{I_1}\times 100[\%]\]
\[=\frac{\sqrt{\sum_{n=2}^n I_n^2}}{I_1}\times 100[\%]\]

2)전류 총수요 왜형률

(ITDD : CurrentTotalDemandDistrotion)

최대 부하 전류 대비 고조파 전류의 함유율로 고조파 전류 규제치의 판단 기준값으로 사용한다

\[I_{THD}=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{I_P}\]

3)등가방해전류

(EDC : EquivalentDisturbingCurrent)

전력계통에서 발생한 고조파는 인접해 있는 통신선에 영향을 주며, 통신선에 영향을 주는 고조파 전류의 한계를 등가방해전류(EDC)로써 규제하고 있다

\[EDC=\sqrt{\sum_{n=3}^n(S_n^2\times I_n^2)}[A]\]

○H13 최근 정지형 전력변환기기에 이해 전력 품질을 저해하는 고조파의 발생이 증가하고 있다.다음에 대해서 설명하시오

  • 고조파의 정의
  • 고조파의 발생원
  • 고조파의 측정방법
  • 수동형 전력필터와 능동형 전력필터의 특징
모범답안(고조파 QHH13)

❓고조파

  • 기본주파수에 대해 2배, 3배, 4배와 같은 정수의 배에 해당하는 물리적 전기량
  • 고조파는 정수배 주파수에 의하여 기존 정현파가 파형이 찌그러지는 왜곡된 파형이 되어 전원 측으로 유입되어 설비에 악영향을 끼치는 이상현상
  • 고조파는 최근 변환기의 사용이 늘면서 모든 전기 설비에 영향을 끼쳐 소손, 열화, 불량 전원 양산 등의 영향으로 반드시 제거하여야 할 이상전원

모범답안(고조파 발생원 QHO14)

고조파 발생원인

  • 고조파 전류의 발생은 대부분 전력 전자소자를 사용하는 기기에서 발생한다
  • 종류
    • 변환장치(인버터, 컨버터, 무정전 전원장치(UPS), 정류기,VVVF장치등)
    • 아크로, 전기로
    • 형광등
    • 회전기기
    • 변압기
    • 과도현상에 의한 것 등
  • 형광등, 회전기기, 변압기, 과도현상 등은 순간적으로 발생되고 크기도 작아 큰 문제는 없으나, 변환장치 및 아크로, 전기로는 고조파 크기가 크고 지속적이기 때문에 다른기기나 선로에 주는 영향이 대단히 크다

모범답안(고조파측정방법 QHH11)

1)종합 고조파 왜형율

(VTHD : VoltageTotalHarmonicDistrotion)

  • 고조파 전압, 전류의 실효치를 기본파 전압 전류의 실효치 비로 표현되며 고조파 발생 정도를 나타냄
  • 기본파전압, 전류 대비 고조파전압, 전류가 어느정도 찌그러진 정도를 평가 할때 적용
\[\frac{고조파 저압 실효치}{기본파저압실효치}\times 100[\%]\]
  • 전압 총합 왜형률(VTHD)
\[V_{THD}=\frac{\sqrt{V_2^2+V_3^2+V_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{V_1}\times 100[\%]\]
\[=\frac{\sqrt{\sum_{n=2}^n V_n^2}}{V_1}\times 100[\%]\]
  • 전류 총합 왜형률(ITHD)

기본파 전류 대비 고조파 전류의 함유율을 말한다

\[I_{THD}=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{I_1}\times 100[\%]\]
\[=\frac{\sqrt{\sum_{n=2}^n I_n^2}}{I_1}\times 100[\%]\]

2)전류 총수요 왜형률

(ITDD : CurrentTotalDemandDistrotion)

최대 부하 전류 대비 고조파 전류의 함유율로 고조파 전류 규제치의 판단 기준값으로 사용한다

\[I_{THD}=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\cdot\cdot\cdot}}{I_P}\]

3)등가방해전류

(EDC : EquivalentDisturbingCurrent)

전력계통에서 발생한 고조파는 인접해 있는 통신선에 영향을 주며, 통신선에 영향을 주는 고조파 전류의 한계를 등가방해전류(EDC)로써 규제하고 있다

\[EDC=\sqrt{\sum_{n=3}^n(S_n^2\times I_n^2)}[A]\]

모범답안(고조파대책 필터설치 QHC13)

5️⃣필터의 설치

1)수동필터

  • 부하단 근처에 저임피던스 회로 (L-C동조필터, 고차수 필터)를 설치하여 고조파 전류가 그 회로에 흡수되게 한다
  • 부하에서 발생하는 고조파의 종류 및 크기를 측정하여 차수별 Passive Filter를 설계한다

2)능동필터

  • 부하에서 발생하는 고조파 전류의 크기 및 차수를 검출하여 역고조파를 발생시켜 상호 상쇄시켜 정현파 구현

○H15 K-factor적용 변압기와 허용용량계수를 적용하여 산출예를 들어 설명하시오

모범답안(K-factor QHH23)

K-factor

  • K-factor는 변압기가 고조파 부하에 얼마나 잘 견딜 수 있는지를 나타내는 지수
  • 고조파 전류는 변압기의 과열 및 수명 단축을 유발할 수 있으므로, K-factor가 높은 변압기는 고조파 부하에 더 잘 견딜 수 있습니다.
  • ANSI/IEEEE에서는 부하가 고조파 전류를 발생하는 경우 변압기의 과열을 방지하기 위하여 변압기의 용량을 저감시키는 계산과 factor가 기술되어있다
  • K-factor 적용방법
    • 설치된 변압기의 부하전류 중 고조파 함유량을 직접 실측 및 평가하여 변압기가 과열되지 않는 허용 부하용을 결정하여 용량을 저감시키는 방법
    • 설계단계부터 K-factor를 고려하여 변압기를 설계하는 방법
  • UL 1562-1994에도 명기되어 있으며, 고조파에 대한 변압기의 능력을 표시하는 표준척도로 사용하고 있다

모범답안(허용용량계수적 QHH15)

허용 용량 계수란?

허용 용량 계수는 변압기가 설치 환경 및 냉각 방식에 따라 얼마나 많은 부하를 감당할 수 있는지를 나타내는 계수입니다. 변압기의 실제 부하 용량은 정격 용량에 허용 용량 계수를 곱하여 계산합니다.

산출 예시

다음은 K-factor 적용 변압기와 허용 용량 계수를 적용하여 변압기 용량을 산출하는 예시입니다.

조건

  • 부하 용량: 100 kVA
  • 부하 역률: 0.8
  • 고조파 함량: THD-I = 10%
  • 설치 환경: 실내, 자연 냉각
  • 주변 온도: 40℃

K-factor 결정

고조파 함량(THD-I)이 10%이므로, K-factor는 4 이상인 변압기를 선정해야 합니다. 일반적으로 K-4, K-13, K-20 등의 K-factor를 가진 변압기가 사용됩니다. 여기서는 K-4 변압기를 사용한다고 가정합니다.

허용 용량 계수 결정

실내, 자연 냉각 방식의 변압기 허용 용량 계수는 일반적으로 1.0입니다. 주변 온도가 40℃이므로, 온도 상승에 따른 용량 감소를 고려해야 합니다. 제조사에서 제공하는 온도별 허용 용량 계수표를 참고하여 적절한 계수를 적용합니다. 여기서는 0.95를 적용한다고 가정합니다.

필요 변압기 용량 계산

  • 부하 유효 전력 (P): 100 kVA * 0.8 = 80 kW
  • 부하 피상 전력 (S): 100 kVA
  • 고조파 전류로 인한 추가 부하: 100 kVA * 10% = 10 kVA
  • 총 부하 피상 전력 (St): 100 kVA + 10 kVA = 110 kVA
  • 필요 변압기 용량 (Sr): 110 kVA / 0.95 = 115.8 kVA

변압기 선정

계산된 필요 변압기 용량보다 큰 용량을 가진 변압기를 선정해야 합니다. 여기서는 150 kVA K-4 변압기를 선정한다고 가정합니다.

결론

위 예시에서는 고조파 부하와 설치 환경을 고려하여 150 kVA K-4 변압기를 선정했습니다. K-factor 적용 변압기는 고조파 전류로 인한 과열 위험을 줄여주며, 허용 용량 계수를 고려하여 변압기가 안전하게 부하를 감당할 수 있도록 합니다.

○H18 K-factor가 13인 비선형부하에 3상750[V]몰드변압기로 전력을 공급하는 경우 고조파 손실을 고려한 변압기 용량을 계산하시오

모범답안(고조파손실을고려한 용량계산 QHH18)

K-factor란?

K-factor는 변압기가 고조파 부하에 얼마나 잘 견딜 수 있는지를 나타내는 지수입니다. 고조파 전류는 변압기의 과열 및 수명 단축을 유발할 수 있으므로, K-factor가 높은 변압기는 고조파 부하에 더 잘 견딜 수 있습니다. K-factor 13은 비교적 높은 수준으로, 어느 정도의 고조파 함량을 가진 부하에 적합합니다.

고조파 손실

고조파 전류는 변압기 권선에 추가적인 손실을 발생시킵니다. 이 손실은 동손(구리 손실)과 철손(히스테리시스 손실 및 와전류 손실) 증가로 이어져 변압기의 온도 상승을 유발합니다. 따라서 고조파 손실을 고려하여 변압기 용량을 계산해야 합니다.

변압기 용량 계산 방법

일반적으로 다음과 같은 단계를 거쳐 변압기 용량을 계산합니다.

부하 용량 및 특성 파악

  • 부하 용량 (kVA): 비선형 부하의 총 용량을 파악합니다.
  • 부하 역률: 부하의 역률을 파악합니다.
  • 고조파 함량: 고조파 전류의 크기 및 종류를 파악합니다. (THD-I 등)

고조파 손실 계수 적용

  • K-factor: K-factor 13에 해당하는 고조파 손실 계수를 적용합니다. 이 계수는 변압기 제조사에서 제공하는 자료를 참고하거나, 관련 규정 (예: IEEE Std C57.110)을 참고하여 결정합니다.
  • 고조파 손실 증가분: 고조파 손실 계수를 이용하여 고조파로 인한 손실 증가분을 계산합니다.

필요 변압기 용량 계산

  • 총 부하 용량: 부하 용량에 고조파 손실 증가분을 더하여 총 부하 용량을 계산합니다.
  • 변압기 용량 선정: 계산된 총 부하 용량보다 큰 용량을 가진 표준 변압기를 선정합니다.

예시 계산

다음은 예시 계산을 통해 변압기 용량을 산정하는 과정입니다.

조건

  • 부하 용량: 100 kVA
  • 부하 역률: 0.8
  • 고조파 함량: THD-I = 15% (예시)
  • K-factor: 13
  • 변압기 전압: 3상 750V

고조파 손실 계수 적용

  • K-factor 13에 대한 고조파 손실 계수는 제조사 자료 또는 관련 규정을 참고하여 결정합니다. 여기서는 예시로 1.15를 적용한다고 가정합니다.

필요 변압기 용량 계산

  • 부하 유효 전력 (P): 100 kVA * 0.8 = 80 kW
  • 부하 피상 전력 (S): 100 kVA
  • 고조파 손실 증가분: 100 kVA * (1.15 – 1) = 15 kVA
  • 총 부하 피상 전력 (St): 100 kVA + 15 kVA = 115 kVA
  • 필요 변압기 용량 (Sr): 115 kVA / 0.95 (변압기 효율 고려) = 121 kVA (약)

변압기 선정

계산된 필요 변압기 용량보다 큰 용량을 가진 표준 변압기를 선정합니다. 예를 들어 150 kVA 또는 200 kVA 변압기를 선정할 수 있습니다.

추가 고려 사항

  • 주변 온도: 높은 주변 온도는 변압기 용량 감소를 유발할 수 있으므로, 이를 고려하여 변압기 용량을 선정해야 합니다.
  • 냉각 방식: 변압기의 냉각 방식 (자연 냉각, 강제 냉각 등)에 따라 허용 용량이 달라질 수 있습니다.
  • 단락 용량: 변압기의 단락 용량은 사고 시 안전을 확보하는 데 중요한 요소입니다.

○H19 고조파와 노이즈를 비교 설명하시오

모범답안(고조파와 노이즈 QHH19)

고조파

주로 비선형 부하(변압기, 정류기 등)에서 발생하는 정현파의 정수배 주파수 성분을 의미합니다. 즉, 기본 주파수(예: 60Hz)의 2배, 3배 등의 주파수를 가진 성분들이 합쳐져 전압 또는 전류 파형을 왜곡시키는 현상입니다. 고조파는 주로 전력 시스템에서 발생하며, 전력 품질 저하, 장비 손상, 통신 장애 등을 유발할 수 있습니다.

노이즈

좀 더 광범위한 개념으로, 원하지 않는 신호를 모두 포함합니다. 고조파도 노이즈의 한 종류라고 볼 수 있지만, 노이즈에는 고조파 외에도 전자기 간섭, 열잡음, 샷 노이즈 등 다양한 종류가 있습니다. 노이즈는 전기 시스템뿐만 아니라 통신 시스템, 측정 시스템 등 다양한 분야에서 발생하며, 신호의 정확성을 저하시키고 시스템의 성능을 저해할 수 있습니다.

고조파와 노이즈의 비교표

구분고조파노이즈
정의기본 주파수의 정수배 주파수 성분원하지 않는 모든 신호
발생 원인비선형 부하, 스위칭 소자 등전자기 간섭, 열잡음, 샷 노이즈 등 다양
특징주파수가 일정하고 정수배 관계주파수, 진폭, 위상이 불규칙
영향전력 품질 저하, 장비 손상, 통신 장애신호 왜곡, 시스템 성능 저하

왜 고조파와 노이즈를 구분해야 할까요?

  • 원인 분석: 고조파와 노이즈의 발생 원인이 다르기 때문에, 각각의 문제를 해결하기 위한 대책이 다릅니다.
  • 대책 수립: 고조파는 필터, 능동형 전력 조절기 등을 이용하여 제거할 수 있으며, 노이즈는 차폐, 접지, 필터링 등 다양한 방법으로 감소시킬 수 있습니다.
  • 시스템 설계: 시스템 설계 시 고조파와 노이즈에 대한 충분한 고려가 필요합니다. 예를 들어, 고조파가 심한 환경에서는 고조파 필터를 설치하거나, 노이즈에 강한 부품을 사용해야 합니다.

○H23 고조파K-factor

모범답안(K-factor QHH23)

K-factor

  • K-factor는 변압기가 고조파 부하에 얼마나 잘 견딜 수 있는지를 나타내는 지수
  • 고조파 전류는 변압기의 과열 및 수명 단축을 유발할 수 있으므로, K-factor가 높은 변압기는 고조파 부하에 더 잘 견딜 수 있습니다.
  • ANSI/IEEEE에서는 부하가 고조파 전류를 발생하는 경우 변압기의 과열을 방지하기 위하여 변압기의 용량을 저감시키는 계산과 factor가 기술되어있다
  • K-factor 적용방법
    • 설치된 변압기의 부하전류 중 고조파 함유량을 직접 실측 및 평가하여 변압기가 과열되지 않는 허용 부하용을 결정하여 용량을 저감시키는 방법
    • 설계단계부터 K-factor를 고려하여 변압기를 설계하는 방법
  • UL 1562-1994에도 명기되어 있으며, 고조파에 대한 변압기의 능력을 표시하는 표준척도로 사용하고 있다

○H30 변압기의 K-factor에 대하여 설명하시오

모범답안(K-factor QHH23)

K-factor

  • K-factor는 변압기가 고조파 부하에 얼마나 잘 견딜 수 있는지를 나타내는 지수
  • 고조파 전류는 변압기의 과열 및 수명 단축을 유발할 수 있으므로, K-factor가 높은 변압기는 고조파 부하에 더 잘 견딜 수 있습니다.
  • ANSI/IEEEE에서는 부하가 고조파 전류를 발생하는 경우 변압기의 과열을 방지하기 위하여 변압기의 용량을 저감시키는 계산과 factor가 기술되어있다
  • K-factor 적용방법
    • 설치된 변압기의 부하전류 중 고조파 함유량을 직접 실측 및 평가하여 변압기가 과열되지 않는 허용 부하용을 결정하여 용량을 저감시키는 방법
    • 설계단계부터 K-factor를 고려하여 변압기를 설계하는 방법
  • UL 1562-1994에도 명기되어 있으며, 고조파에 대한 변압기의 능력을 표시하는 표준척도로 사용하고 있다

○H28 고조파를 발생하는 비선형 부하에 전력을 공급하는 변압기의 용량을 계산하는 K-factor로 인한 변압기 출력 감소율에 대하여 설명하시오

모범답안(K-factor QHH23)

K-factor

  • K-factor는 변압기가 고조파 부하에 얼마나 잘 견딜 수 있는지를 나타내는 지수
  • 고조파 전류는 변압기의 과열 및 수명 단축을 유발할 수 있으므로, K-factor가 높은 변압기는 고조파 부하에 더 잘 견딜 수 있습니다.
  • ANSI/IEEEE에서는 부하가 고조파 전류를 발생하는 경우 변압기의 과열을 방지하기 위하여 변압기의 용량을 저감시키는 계산과 factor가 기술되어있다
  • K-factor 적용방법
    • 설치된 변압기의 부하전류 중 고조파 함유량을 직접 실측 및 평가하여 변압기가 과열되지 않는 허용 부하용을 결정하여 용량을 저감시키는 방법
    • 설계단계부터 K-factor를 고려하여 변압기를 설계하는 방법
  • UL 1562-1994에도 명기되어 있으며, 고조파에 대한 변압기의 능력을 표시하는 표준척도로 사용하고 있다

모범답안(변압기 출력에 미치는 영향 QHH28)

K-factor가 변압기 출력에 미치는 영향

  • 고조파 전류에 의한 추가 손실: 고조파 전류는 변압기의 권선과 철심에서 추가적인 손실을 발생시킵니다. 이러한 손실은 변압기의 온도를 상승시키고, 수명을 단축시키는 주요 원인입니다.
  • 용량 감소: K-factor가 클수록 변압기 내부에서 발생하는 손실이 커지므로, 안전하게 사용하기 위해 변압기의 용량을 감소시켜야 합니다. 즉, K-factor가 높을수록 변압기의 출력 감소율이 커지는 것입니다.
  • 변압기 수명 단축: 과도한 손실은 변압기의 절연 파괴를 유발하여 수명을 단축시킬 수 있습니다.

K-factor를 이용한 변압기 용량 계산

K-factor를 이용하여 변압기의 용량을 계산하는 방법은 다음과 같습니다.

  1. K-factor 값 결정: 변압기의 종류, 크기, 고조파 특성 등을 고려하여 적절한 K-factor 값을 선택합니다. 일반적으로 제조사의 카탈로그나 관련 규격에서 확인할 수 있습니다.
  2. 용량 감소율 계산: K-factor 값을 이용하여 다음과 같은 공식으로 용량 감소율을 계산합니다.
    • 용량 감소율 (%) = 100 × (1 – 1 / √(1 + K))
  3. 실제 사용 용량 계산: 변압기의 정격 용량에 용량 감소율을 곱하여 실제 사용 가능한 용량을 계산합니다.

예시:

  • K-factor가 10인 변압기의 경우, 용량 감소율은 약 22%입니다. 즉, 100kVA의 변압기라면 실제 사용 가능한 용량은 약 78kVA가 됩니다.

K-factor를 고려해야 하는 이유

  • 변압기 수명 연장: K-factor를 고려하여 변압기의 용량을 적절하게 설정하면, 과부하를 방지하고 수명을 연장할 수 있습니다.
  • 시스템 안정성 확보: 변압기의 과열을 방지하여 시스템의 안정성을 확보할 수 있습니다.
  • 전력 손실 감소: 불필요한 전력 손실을 줄여 에너지 효율을 향상시킬 수 있습니다.

결론

K-factor는 비선형 부하로 인해 발생하는 고조파 전류가 변압기에 미치는 영향을 고려하여 변압기의 용량을 감소시켜야 하는 정도를 나타내는 중요한 지표입니다. K-factor를 정확하게 적용하여 변압기를 설계하고 운용함으로써 시스템의 안정성과 효율성을 높일 수 있습니다.

주의사항:

  • K-factor는 변압기의 종류, 크기, 고조파 특성 등 다양한 요인에 따라 달라질 수 있습니다.
  • 정확한 K-factor 값은 변압기 제조사의 자료나 관련 규격을 참고해야 합니다.
  • K-factor 외에도 고조파 필터 설치, 인버터 제어 개선 등 다양한 방법을 통해 고조파 문제를 해결할 수 있습니다.

○H30 변압기의 K-factor에 대하여 설명하시오

모범답안(K-factor QHH23)

K-factor

  • K-factor는 변압기가 고조파 부하에 얼마나 잘 견딜 수 있는지를 나타내는 지수
  • 고조파 전류는 변압기의 과열 및 수명 단축을 유발할 수 있으므로, K-factor가 높은 변압기는 고조파 부하에 더 잘 견딜 수 있습니다.
  • ANSI/IEEEE에서는 부하가 고조파 전류를 발생하는 경우 변압기의 과열을 방지하기 위하여 변압기의 용량을 저감시키는 계산과 factor가 기술되어있다
  • K-factor 적용방법
    • 설치된 변압기의 부하전류 중 고조파 함유량을 직접 실측 및 평가하여 변압기가 과열되지 않는 허용 부하용을 결정하여 용량을 저감시키는 방법
    • 설계단계부터 K-factor를 고려하여 변압기를 설계하는 방법
  • UL 1562-1994에도 명기되어 있으며, 고조파에 대한 변압기의 능력을 표시하는 표준척도로 사용하고 있다

●H33 고조파에 대한 다음사항을 설명하시오

1)고조파의 정의
2)고조파 발생 원인
3)3상 평형 배선의 상전류에 고조파가 포함되어 흐르는 경우 4심 및 5심 케이블 고조파전류의 보정계수
4)보정계수 적용 시 고려사항

모범답안(고조파 QHH13)

❓고조파

  • 기본주파수에 대해 2배, 3배, 4배와 같은 정수의 배에 해당하는 물리적 전기량
  • 고조파는 정수배 주파수에 의하여 기존 정현파가 파형이 찌그러지는 왜곡된 파형이 되어 전원 측으로 유입되어 설비에 악영향을 끼치는 이상현상
  • 고조파는 최근 변환기의 사용이 늘면서 모든 전기 설비에 영향을 끼쳐 소손, 열화, 불량 전원 양산 등의 영향으로 반드시 제거하여야 할 이상전원

모범답안(고조파 발생원 QHO14)

고조파 발생원인

  • 고조파 전류의 발생은 대부분 전력 전자소자를 사용하는 기기에서 발생한다
  • 종류
    • 변환장치(인버터, 컨버터, 무정전 전원장치(UPS), 정류기,VVVF장치등)
    • 아크로, 전기로
    • 형광등
    • 회전기기
    • 변압기
    • 과도현상에 의한 것 등
  • 형광등, 회전기기, 변압기, 과도현상 등은 순간적으로 발생되고 크기도 작아 큰 문제는 없으나, 변환장치 및 아크로, 전기로는 고조파 크기가 크고 지속적이기 때문에 다른기기나 선로에 주는 영향이 대단히 크다

모범답안(고조파 전류 보정 계수 QHH33)

고조파 전류 보정 계수

고조파 전류 보정 계수는 고조파 전류로 인한 케이블의 전류 증가를 고려하여 케이블의 허용 전류 용량을 조정하는 데 사용되는 계수입니다. 일반적으로 4심 케이블과 5심 케이블의 고조파 전류 보정 계수는 다르게 적용됩니다.

  • 4심 케이블: 4심 케이블은 3개의 상 도체와 1개의 중성선으로 구성됩니다. 고조파 전류가 흐르는 경우 중성선 전류가 증가할 수 있으며, 이는 케이블의 허용 전류 용량에 영향을 미칩니다. 따라서 4심 케이블의 고조파 전류 보정 계수는 중성선 전류 증가를 고려하여 결정됩니다.
  • 5심 케이블: 5심 케이블은 3개의 상 도체, 1개의 중성선 및 1개의 접지 도체로 구성됩니다. 5심 케이블은 접지 도체를 통해 고조파 전류의 일부를 흘려보낼 수 있으므로 4심 케이블에 비해 고조파 전류에 대한 영향이 적습니다. 따라서 5심 케이블의 고조파 전류 보정 계수는 4심 케이블에 비해 작게 적용될 수 있습니다.

모범답안(보정계수 적용시 고려사항 QHH33)

보정계수 적용시 고려사항

  • 고조파함량: 보정계수는 제3고조파 전류를 기준으로 계산하고 제9, 15조파등의 고조파 성분이 10[%]이상 포함되어 있는 경우에는 낮은 보정계수를 적용한다
  • 케이블의 종류 및 크기:
    • 상전류가 중성선 전류보다 클 때는 상전류를 고려해서 케이블 규격을 정한다
    • 중성선 전류가 상전류보다 클 때는 중성선 전류를 고려한다
    • 4심 케이블의 중성선은 상도체와 같이 단면적과 재질로 한다

고조파(QH)

고조파
고조파 발생과정과 발생원
고조파 영향
고조파 관리기준
고조파 대책

목차(고조파 QHH)

🌐V1103Z24 / QHH

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