CQ4L

H 고조파*

—

제공

4
안

Q 전력품질

고조파(QH)

고조파
고조파 발생과정과 발생원
고조파 영향
고조파 관리기준
고조파 대책

❯고조파

  • A고조파 harmonics
    VTHD, ITHD, ITDD, EDC
    고조파전류보정계수, K-factor
  • O 고조파(발생과정과 발생원)
    harmonics Occurrence process
  • E 고조파(영향) harmonics effect
    변압기과열, 출력감소,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
  • M고조파 관리기준
    harmonics Management standards
    고조파총합외형률THD, 등가방해전류EDC, 총합수요왜형률TDD
  • C고조파 대책
    harmonic countermeasures
    변압기의 다펄스화, 단락용량증대, 기기용량선정시고려, 교류리액터설치,필터설치,전자장치설치,

고조파(QH)

고조파
고조파 발생과정과 발생원
고조파 영향
고조파 관리기준
고조파 대책

💯기출문제

●C01.전원계통에 유입되는 고조파를 억제하기 위한 수동필터와 능동필터의 원리를 비교 설명하시오

○C133.고조파 장해를 방지하기 위해 설치하는 수동필터와 능동필터의 특징을 비교 설명하시오

모범답안(수동필터 능동필터)

수동필터

  • 부하단 근처에 저임피던스 회로를 설치하여 고조파 전류가 그회로에 흡수되게 한다
  • 부하에서 발생하는 고조파의 종류 및 크리를 측정하여 차수별 passive filter를 설치한다

능동필터

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

●C02.인텔리전트 빌딩의 고조파 발생에 대한 대책을 설명하시오

변압기의 다펄스화, 단락용량의증대,기기용량선정시고려,교류리액터설치,필터설치,전자장치설치(ZED)

○A03.종합 고조파왜형률을 설명하시오

모범답안(종합 고조파왜형율)

종합 고조파왜형율(VTHD)

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

**

○E04 교류계통 고조파 성분에 의한 통신유도계수에 대해 설명하시오

●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
\[E_c=\frac{W_c}{W_{c1}}\times 100[\%]\]
  • 철손증가
\[E_c=\frac{W_i}{W_{i1}}\times 100[\%]\]
  • 변압기 권선온도 상승
\[\Delta\theta_o=\Delta\theta_1\times(\frac{I_e}{I_i})^{1.6}\]

2)변압기 출력 감소

  • 단상 변압기 출력감소
\[THDF=\frac{\sqrt2 I_{rms}}{I_{peak}}\]
  • 3상 변압기 출력감소
\[ THDF= \sqrt {\frac{P_{LL-R^{(pu)}}}{P_{LL^{(pu)}}}}\times 100[\%]\]

○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

  1. 케이블의 허용 전류 확인: 케이블의 종류, 단면적, 설치 환경 등에 따라 허용 전류를 확인합니다.
  2. 고조파 전류 환산계수 찾기: 케이블의 종류와 고조파 차수에 따른 환산계수를 표에서 찾습니다.
  3. 허용 전류 보정: 허용 전류에 환산계수를 곱하여 실제 허용 전류를 산정합니다.

○08.인버터 제어방식에 의한 전동기를 사용하는 경우는 주파수 변환에 의한 고조파가 발생한다. 이때 발생하는 고조파에 의한 전기설비의 오동작을 방지하기 위해 설치하는 노이즈필터용 접지에 대하여 고려할 사항을 쓰시오

●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
\[E_c=\frac{W_c}{W_{c1}}\times 100[\%]\]
  • 철손증가
\[E_c=\frac{W_i}{W_{i1}}\times 100[\%]\]
  • 변압기 권선온도 상승
\[\Delta\theta_o=\Delta\theta_1\times(\frac{I_e}{I_i})^{1.6}\]

2)변압기 출력 감소

  • 단상 변압기 출력감소
\[THDF=\frac{\sqrt2 I_{rms}}{I_{peak}}\]
  • 3상 변압기 출력감소
\[ THDF= \sqrt {\frac{P_{LL-R^{(pu)}}}{P_{LL^{(pu)}}}}\times 100[\%]\]

○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.

○A11.고조파 왜형률을 나타내는 전류THD와 전류TDD차이점을 설명하시오

모범답안(THD TDD)

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

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

○E12.수용가에서 전류고조파 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.

○a13.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)

❓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 총수요 왜형률

(ITDD : CurrentTotalDemandDistrotion)

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

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

2️⃣발생원인

  • 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

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

○O14.배전설비 간선의 고조파 전류의 발생원인, 영향, 대책

모범답안(발생원인 QHO14)

고조파 발생원인

  • 고조파 전류의 발생은 대부분 전력 전자소자를 사용하는 기기에서 발생
  • 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

고조파영향

고조파대책

○E15 K-factor적용 변압기와 허용용량계수를 적용하여 산출예를 들어 설명하시오

○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

○17.고조파 발생원이 많은 수용가에서 역률을 개선하는 방법

모범답안(고조파 역률개선)

고조파 발생원이 많은 수용가에서 역률 개선 방법

  1. 능동형 전력 필터(APF) 설치:
    • 고조파 성분과 반대 위상의 전류를 주입하여 고조파를 상쇄시키는 가장 효과적인 방법입니다.
    • 다양한 고조파 성분을 동시에 제어할 수 있으며, 역률 개선 효과도 뛰어납니다.
    • 초기 투자 비용이 높지만, 장기적으로 볼 때 시스템 신뢰성 향상 및 유지보수 비용 절감 효과를 기대할 수 있습니다.
  2. 수동형 필터 설치:
    • 특정 고조파 주파수에 대해 공진 현상을 이용하여 고조파 전류를 흡수합니다.
    • 설계가 비교적 간단하고, 초기 투자 비용이 저렴합니다.
    • 하지만, 특정 고조파에 대해서만 효과적이며, 시스템 변화에 따라 성능이 저하될 수 있습니다.
  3. 변압기 교체:
    • 기존 변압기 대신 고조파 특성이 우수한 저손실 변압기로 교체하여 고조파 발생을 줄일 수 있습니다.
    • 변압기의 용량과 종류에 따라 투자 비용이 크게 달라질 수 있습니다.
  4. 비선형 부하 교체:
    • 고조파를 많이 발생시키는 비선형 부하를 고조파 발생량이 적은 부하로 교체하거나, 능동형 전력 보상 장치를 설치하여 고조파를 줄일 수 있습니다.
  5. 역률 개선용 콘덴서 설치:
    • 역률 개선 효과는 있지만, 고조파 문제를 악화시킬 수 있으므로 주의해야 합니다.
    • 직렬 리액터와 함께 사용하여 고조파 공진을 방지해야 합니다.

역률 개선 시 고려 사항

  • 고조파 분석: 정확한 고조파 분석을 통해 발생원과 특성을 파악하고, 적절한 대책을 수립해야 합니다.
  • 경제성: 각 방법의 장단점과 비용을 비교하여 최적의 해결 방안을 선택해야 합니다.
  • 시스템 안정성: 역률 개선 설비 설치 후 시스템 안정성을 확보하기 위한 검증이 필요합니다.
  • 유지보수: 설치된 장비의 유지보수 계획을 수립하고, 정기적인 점검을 통해 성능을 유지해야 합니다.

○E18 K-factor가 13인 비선형부하에 3상750[V]몰드변압기로 전력을 공급하는 경우 고조파 손실을 고려한 변압기 용량을 계산하시오

○A19.고조파와 노이즈를 비교 설명하시오

모범답안(고조파와 노이즈)

고조파와 노이즈, 무엇이 다를까요?

고조파와 노이즈는 모두 전기 신호의 순수성을 떨어뜨리는 요소이지만, 그 발생 원인과 특징이 다릅니다.

고조파는 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.

노이즈는 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.

○E20 유도전동기의 출력에 영향을 미치는 고조파 전압계수

●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

○A23.고조파K-factor

○24.전원계통에서 고조파 억제 수동필터와 능동필터 ❯01

○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):
\[ DPF = 1 \sqrt{1 + THD^2} \]
  • 전체 역률 (Total Power Factor, TPF):
\[TPF = PF \times DPF \]

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

표피효과와 근접효과

○E28고조파를 발생하는 비선형 부하에 전력을 공급하는 변압기의 용량을 계산하는 K-factor로 인한 변압기 출력 감소율에 대하여 설명하시오

K-factor란 무엇인가요?

K-factor는 비선형 부하로 인해 발생하는 고조파 전류가 변압기에 미치는 영향을 평가하기 위한 지표입니다. 비선형 부하에 연결된 변압기는 고조파 전류로 인해 추가적인 손실이 발생하고, 온도 상승이 가속화되어 수명이 단축될 수 있습니다. K-factor는 이러한 현상을 고려하여 변압기의 용량을 감소시켜야 하는 정도를 나타내는 값입니다.

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.

●E29인버터 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

○A30변압기의 K-factor에 대하여 설명하시오

○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

●a33.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

○E34.전기설비에서 영상분 고조파가 콘덴서에 미치는 영향을 설명하시오

🌐V1012T24

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