[발송배전기술사] 고조파!

다음은 발송배전기술사 기술용어 문제 중 고조파에 대한 설명입니다.

개요, 고조파 발생원인, 고조파의 영향, 고조파 억제대책, 고조파 왜형의 질을 나타내는 척도, 고조파가 콘덴서에 미치는 영향, 중성선 영상고조파전류의 영향 순으로 서술하겠습니다.

[문제] 고조파에 대하여 설명하시오.

[답]

1. 개요

  1) 고조파의 정의

     (1) 기본파의 정수배를 갖는 전압, 전류를 말하며, 일반적으로 50조파까지를 말한다. 그 이상은 고주파 혹은 Noise로

          구분한다.

     (2) 전력계통에서 논의되는 고조파는 제5고조파 ~ 제37고조파까지이다.

  2) 고조파전류의 크기

    · $I_{n} = K_{m}·  \frac{I_{1}}{n} $            · $K_{m}$ : 고조파 저감계수        · $I_{1}$ : 기본파전류의 실효값        · $n$ : 발생 고조파 차수

 

2. 고조파 발생원인

  1) 변환장치

    · 정류기, 인버터 등의 변환장치 내 전력전자에 의한 고조파 발생

  2) Arc로

    · 3상 단락, 선간단락, Arc 끊김 등과 같은 극단적인 변동으로 제 3고조파 발생, △결선해도 흡수가 안됨

  3) 회전기

     (1) 회전기 내의 Slot에 의한 Slot Harmonics 발생

     (2) 고조파가 주가 되고 발생량이 적다.

  4) 변압기

     (1) 변압기 히스테리시스현상에 의한 고조파 발생

     (2) 제 3고조파 성분이 주가 된다.

     (3) 이것은 TR.의 △결선을 두어 흡수

  5) 과도현상

    · 전압의 순시동요, 계통 Surge, 개폐 Surge 등에 의한 일시적인 현상 발생

  6) $X_{C} $와 $X_{L}$의 공진(직접원인 아님)

    · 직·병렬공진시 콘덴서로 유입된 고조파의 확대현상 초래

  7) 송전선의 코로나

    · 코로나 발생시 고조파 발생

 

3. 고조파의 영향

  1) 유도장해

     (1) 코로나에 의한 고조파전류 중 제3고조파성분(영상고조파)이 중성점전류로 나타남

     (2) 전자유도장해

         · $ \dot{ E_{m} }  =-j \omega Ml(3 \dot{ I_{0} }  )=-j 2 \pi f Ml(\dot{ I_{g} }  )$

  2) 기기의 영향

     (1) 전력용 콘덴서의 과열 또는 고장($P_{L} = I^{2} R$, $I$ : 대, $f$ : 대)

     (2) 변압기 및 전력 Cable의 절연열화 또는 고장

     (3) 회전기의 과열

     (4) 개폐장치의 고장

     (5) 자동화 제어설비의 오동작

     (6) 보호계전기의 오동작 또는 오부동작

     (7) 발전기의 국부적인 과열

     (8) 변환장치의 여유각 감소

 

4. 고조파 억제대책

  1) 계통측 대책

     (1) 계통의 단락용량 증대

     (2) 공급 배전선의 전용선화

     (3) 배전선 선간전압의 평형화

     (4) 계통절체, 선로정수 변경하여 공진상태 회피

     (5) 수전전압의 고전압화

  2) 수용가측 대책

     (1) 필터 설치(교류필터에 의한 대책)

        ① 수동형 필터

           · 콘덴서와 리액터로 고조파 흡수

           · 구성 간단, 취급 및 보수 용이

        ② 능동형 필터

           · 인버터기술을 응용해서 부하와 역위상의 고조파발생, 상쇄시켜서 고조파제거

           · 변동하는 고조파에 대응할수 있다.

           · 전압변동의 저감 및 역률개선효과도 있다.

           · 고차조파의 개선효과는 낮다.

     (2) 변환장치의 다 Pulse화(발생기기측)

        · 고조파전류의 크기

        · $I_{n} \downarrow  = K_{m}·  \frac{I_{1}}{n \uparrow }$ (고조파전류 감소)

        · PWM방식의 채용

        · 인버터나 컨버터의 입·출력파형을 다수의 Pulse로 변환

     (3) 기기자체의 고조파내량 강화(피해기기측)

        ① 리액터의 용량증대

           · 반드시 유도성으로 만들어주기 위해 리액터삽입(계통)

        ② 통신선을 Cable화하고, 연피를 접지

        ③ 변압기용량 증대

        ④ 변압기의 △결선

           · 제3고조파성분 △결선 내에서 순환, 소멸

 

5. 고조파 왜형의 질을 나타내는 척도

  1) 종합 전압(전류)왜형율(THD : Total Harmonics Distortion)

     (1) 기본파전압(전류)에 대해 얼마만큼의 고조파전압(전류)이 포함되어 있는지를 알수 있으며, 고조파 발생정도를

          나타내는데 사용된다.

     (2) THD(Total Harmonics Distortion)

        · $ V _{THD} = \frac{1}{V _{1} }  \sqrt{\sum_{n=2}^ \infty    V_{n} ^{2} }   \times 100[\%]$

                  · $V _{1}$ : 기본파전압의 실효값           · $V_{n}$ : n차 고조파전압의 실효값

        · $ I _{THD} = \frac{1}{I _{1} }  \sqrt{\sum_{n=2}^ \infty    I_{n} ^{2} }   \times 100[\%]$

                  · $I _{1}$ : 기본파전류의 실효값             · $I_{n}$ : n차 고조파전류의 실효값  

  2) 고조파별 고조파 함유율 : 고조파율(Harmonic Factor)

     · $HF _{n} = \frac{V_{n} }{V_{1}}  \times 100[\%]$

  3) 전압왜형율(Distortion Factor)

     · $DF= \frac{V_{1} }{V_{R}}  \times 100[\%]$         · $V_{1} $ : 기본파전압의 실효값         · $V_{R}$ : 총 전압의 실효값

  4) 등가방해전류(EDC : Equivalent Disturbing Current)

     (1) 전력계통에서 발생한 고조파전류가 인접해 있는 통신선에 영향을 주는 고조파전류의 한계를 말한다.

     (2)  $EDC= \sqrt{\sum_{n=1}^ \infty (   S_{n} ^{2} \times I_{n} ^{2}) }$ 

            · $S_{n}$ : 통신유도계수           · $I_{n}$ : 영상고조파전류

  5) 전기공급약관의 THD 및 EDC 규정

전   압	계   통	지중선로가 있는 S/S에서 공급하는 고객		가공선로가 있는 S/S에서 공급하는 고객
	항   목	THD[%]	EDC[%]	THD[%]	EDC[%]
66[kV] 이하		3.0 이하	-	3.0 이하	-
154[kV] 이상		1.5 이하	3.8 이하	1.5 이하	-

 

6. 고조파가 콘덴서에 미치는 영향

  1) 계통 및 등가회로

     (1) 전원측에 유입되는 n차 고조파전류 $i_{sn} $

        · $i_{sn} = \frac{n X_{L}- \frac{X_{C}}{n}  }{n X_{S}+n X_{L}- \frac{X_{C}}{n}}  \times i_{n}$

              · $i_{n}$ : 전류원 n차 고조파전류                 · $X_{S}$ : 전원계통 기본파 리액턴스

              · $X_{L}$ : 직렬리액터 기본파 리액턴스              · $X_{C}$ : 콘덴서 기본파 리액턴스

     (2) 콘덴서측에 유입되는 n차 고조파전류 $i_{cn}$

        · $i_{cn}=\frac{n X_{S} }{n X_{S}+n X_{L}- \frac{X_{C}}{n}}  \times i_{n}$

  2) 고조파전류의 병렬공진 분류패턴

    · $\beta = \frac{콘덴서측\, \, n\, 차 \, \, 리액턴스}{전원측\, \, n\, 차 \, \, 리액턴스} =\frac{n X_{L}- \frac{X_{C}}{n}}{n X_{S}}$           ·$i_{sn} = \frac{ \beta }{1+ \beta }  \times i_{n}$            · $i_{cn} = \frac{1 }{1+ \beta }  \times i_{n}$

     (1) 유도성 $ | \,n \,X_{L} > \frac{X_{C}}{n} | $

         · $\beta  > 0, \, \, \, \, \, I_{n} =I_{sn} +I_{cn} $

        · $I_{sn}$ : 정방향               · $I_{cn}$ : 정방향

 

 

 

 

     (2) 직렬공진 $ | \,n \,X_{L} = \frac{X_{C}}{n} | $

         · $\beta  > 0, \, \, \, \, \, I_{n} =I_{sn} +I_{cn} $

        · $I_{sn}=0,   \,  \, \, n  \, X_{s} $ : 개방상태               · $I_{cn}=I_{n}$ : 정방향

 

 

 

     (3) 용량성 $ | \,n \,X_{L}  <  \frac{X_{C}}{n} | $

        ① $-1 <  \beta  < 0$

         · 콘덴서측 확대            · $I_{sn}$ : 역방향            · $I_{cn}$ : 정방향             

           · $I_{cn} =I_{n} +I_{sn}$

 

 

 

        ② $  \beta  =-1 $

           · 병렬공진, 양쪽 모두 고조파 확대               · $I_{sn}$ : 역방향             

           · $I_{cn}$ : 정방향               · $I_{cn} =I_{n} +I_{sn}$

 

 

 

        ③ $  \beta   < -1 $

         · 전원측 확대               · $I_{sn}$ : 역방향               · $I_{cn}$ : 정방향   

           · $I_{sn} =I_{n} +I_{cn}$

 

 

 

7. 중성선 영상고조파전류의 영향

  1) 변압기 과열 및 손실, 출력감소

     (1) 고조파 발생기기 증가로 인한 순환 고조파전류 증대

     (2) 비선형 부하 발생 → 고조파 전원측으로 유출

     (3) 제3고조파 △결선 내에서 순환

     (4) 와전류 손실 및 표피효과로 증폭

     (5) 손실증가로 인한 출력감소

  2) 중성선 Cable 과열 및 소손

     (1) 고조파 발생기기 증가로 인한 중성선에 흐르는 전류가 커짐

     (2) 중성선(N) 굵기를 전력선과 같은 굵기로 사용

     (3) 제3고조파에 의한 표피효과 증대 → Cable 과열, 소손

  3) 중성선 대지전위 상승

     (1) 중성선과 대지간에 제3고조파 전류로 인한 전위차 상승

        · $V= I_{n}Z $ → 3조파 발생 → $V= I_{n} \times (R+j3X_{L}  )$

     (2) 정밀기기 오동작, 전력전자소자 오동작

  4) 역률저하

    · 고조파 무효전력 발생

        · 전력[W]                · $S= \sqrt{P^{2} +Q^{2} } $                · $S' = \sqrt{P^{2} +Q^{2}+Q'^{\,2} } $  

          · $\frac{P}{S} =cos \theta $                · $\frac{P}{S' } =cos \, \theta '  $                · $cos \,\theta > cos \, \theta ' $

5) 유도장해

     (1) 코로나에 의한 고조파 전류 중 제3고조파 성분(영상 고조파)이 중성점 전류로 나타남

     (2) 전자유도장해

        · $ \dot{ E_{m} }  =-j \omega Ml(3 \dot{ I_{0} }  )=-j 2 \pi f Ml(\dot{ I_{g} }  )$

 

 ※ TDD(Total Demand Distortion : 전류 총 수요 왜형율)

    · 고조파전류 실효치와 최대부하전류 실효치의 비로서 백분율로 나타내며, 고조파 발생의 정도를 나타낸다.

    · $I_{TDD} = \frac{ \sqrt{ I_{2} ^{2} +I_{3} ^{2} + \ldots  +I_{n} ^{2}} }{I_{1peak}}  \times 100[\%]$

 

 

 

오늘은 발송배전기술사 기술용어 문제로 나올 법한 고조파에 대하여 알아 보았습니다.