[고조파 억제 대책] 고조파와 불평형 감쇄 기능을 겸비한 고효율 전력용 변압기

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[고조파 억제 대책] 고조파와 불평형 감쇄 기능을 겸비한 고효율 전력용 변압기

2010년 4월 2일 (금) 16:13:31 | 지면 발행 ( 2010년 3월호 - 전체 보기 )

㈜에너테크_대표이사 박훈양
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개요

반도체소자의 비약적인 발달로 전력변환 장치에 의한 전력공급이 증가하고 있다. 이는 고조파 발생을 야기하는 비선형 부하의 증가를 의미한다. 전력계통에서 발생하는 불평형 및 고조파는 전력품질과 설비의 효율을 저하시키고 때로는 전기사고의 원인이 되기도 한다.
이러한 고조파에 의한 피해를 최소화하기 위해 각국에서는 고조파 규제를 마련해 실시하고 있다. 국내에서도 최근 '배전계통 고조파 관리기준'을 시범적용해 시행(2009.07.20~2010.06.19) 중에 있으며, 2010년 7월 이후에는 동 기준을 확대 적용할 예정이다.

고조파와 불평형 감쇄 기능을 겸비한 고효율 전력용 변압기

1. 고조파
고조파는 '주기적 복합파의 각 성분 중 각 기본파 이외의 것, 제n조파는 기본파의 n배 주파수'라고 정의할 수 있다. 따라서 왜형파는 하나의 기본파와 그 정수배 주파수를 가진 고조파로 나눌 수 있다.
일반적으로 왜형파는 무한개의 고조파를 포함하며, 고차일수록 그 함유율은 감소한다. 전력계통에 있어서 고조파의 대상이 되는 주파수 범위는 일반적으로 제2~50차(약 120㎐~3㎑) 정도까지를 말하며, 전자회로 등에서 다루는 고주파 영역(수 10㎑ 이상)과는 구별하고 있다.
종종 노이즈, 서지 등의 이상 파형 현상을 총칭해 노이즈 문제로 다루고 있지만, 전력계통을 대상으로 하는 고조파는 그 영향이나 대책이 다르다. 최근 문제가 되고 있는 전기 사용 장소의 고조파 장해 현상을 쉽게 이해하는 방법은 고조파를 전류원으로 보는 것이다.
전력변환기, 인버터, OA 기기 등 반도체 응용기기와 같이 비선형 특성을 갖는 부하에 정현파 전압을 인가했을 때 흐르는 전류는 왜형파가 되는 정현파와는 많은 차이가 난다.

⑴ 기기의 고조파 영향 분류
고조파로 인해 나타나는 현상 및 그 영향을 받는 기기를 정리해 보면 <표 1>과 같다.

⑵ 일반적인 고조파 저감 대책
고조파 유출전류의 억제 방법은 기기에서 발생하는 고조파 전류를 저감시키는 방법과, 거기에서 발생한 전류를 수용가 구내의 설비로 분류시켜 외부로 유출하는 양을 저감시키는 방법이 있다.

① K-factor 변압기
고조파 저감보다는 고조파 피해 예방에 적합하지만, 변압기 부피 증가와 투자 비용 상승으로 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
② 능동필터(Active Filter)
Active Filter는 각 상의 고조파를 센싱하여 Signal Processor에서 분석한 후 IGBT 등의 소자를 고속 Switching으로 반대 파형의 전류를 보내 고조파를 상쇄하는 원리이다. 25차 이내의 전 고조파를 제거할 수 있어 다양한 고조파가 복합적으로 발생하는 장소에 적합한 방식이지만, Passive Filter에 비해 가격이 매우 비싸고 운용 시 노이즈 대책 등 고려할 점이 많은 것이 단점이다.
③ 수동필터(Passive Filter)
Passive Filter는 L-C를 직(병)렬 조합시켜 직렬공진을 이용해 특정 차수의 고조파를 흡수하는 형태로 적용된다.
저차형 고조파 저감을 위한 Band-Pass Filter와 고차형의 High-Pass Filter 등으로 구분되며, 가격이 Active Filter에 비해 저렴하다. 그러나 과부하 시 과열, 파손 등의 우려가 있으며 부하 종류에 따라 필터 설계를 달리해야 한다.
④ 리액터
인버터의 전원 측에 AC 리액터를 설치하거나 DC측에 DC 리액터를 설치하면 콘덴서에 의한 전류 피크값을 완화시켜 고조파를 저감시킨다. 리액터 용량이 클수록 고조파 개선 효과가 크지만(5% 이상 시 큰 차이 없음) 전압강하를 고려해 적정 용량을 선정해야 한다.
⑤ Phase Shift Tr
상 변환 장치에서 각 Bank의 결선 방식이 달라 A Bank와 B Bank의 위상차이가 날 때 Feeder에 위상변위Tr을 설치하면 고조파 상쇄효과가 나타난다.

2. 하이브리드 변압기
기존의 일반 변압기는 통상적으로 변압 기능만 가지고 있어 고조파와 불평형을 개선하기 위해서는 별도의 설비를 구축해야 한다. 반면, 하이브리드 변압기는 변압 기능뿐만 아니라 고조파 감쇄, 불평형 개선의 복합 기능을 갖춘 전력용 변압기이다. 기존의 일반 변압기와 비교해 투자비 절감 효과는 물론, 전력손실을 최소화 할 수 있는 기술로, 구성도는 <그림 1>과 같다.

[그림 1] 일반 변압기와 하이브리드 변압기 구성도

하이브리드 변압기의 신기술은 △-Y 구조의 전력용 변압기를 설계함에 있어서 1차 권선은 일반 형태를 취하지만, 2차 권선은 지그재그 형태로 권취함으로써 부하에서 발생된 고조파 및 불평형을 상쇄시키는 기술이다.
기존의 일반적인 지그재그 권선 방식의 변압기는 <그림 2>와 같이 단권변압기 형태로 제작되어 정류기용 변압기, 고조파 저감 장치로 이용되고 있다. 이러한 지그재그 설계 방식은 권선에서 발생하는 전자 기계력을 줄여서 변압기 권선을 보호할 목적으로 고안됐다. 그러나 이러한 방법으로 전력용 복권변압기를 제작할 경우 누설자속이 증가해 손실이 커지는 문제가 있었다.
그러나 하이브리드 변압기는 기존 변압기가 안고 있는 기능적인 문제점을 해결해 효율성, 경제성까지 갖춘 기술이다. 권선 설계를 함에 있어 고압 부문인 1차 권선은 기존 방식과 동일한 형태로 설계되지만, 저압 부문인 2차 권선은 지그재그(Zig-zag) 형태로 설계하되 누설자속으로 인한 손실의 증가를 막기 위해 <그림 3>과 같이 지그재그 권선의 형태를 같은 평면 위치로 설계하는 것이 핵심 기술 요소이다. 이러한 설계 기술은 기존 지그재그 권선 방식이 갖고 있는 누설자속 증가에 의한 손실이 커지는 문제점을 해결하면서 고조파 및 불평형을 감쇄시켜 변압기 손실을 감소시키는 효과가 있다.

[그림 2] 일반적인 지그재그 권선도

[그림 3] 하이브리드 변압기의 지그재그 권선도

⑴ 협력연구개발제품
하이브리드 변압기는 2008년도 '발전5사 중소기업지원 협력연구개발지원사업'으로 채택되어 2년여에 걸친 연구 개발에 의해 탄생한 신기술 제품으로 추진 과정은 다음과 같다.

- 2008. 07. 10 협약 체결(한국동서발전㈜)(<그림 4> 참조)
- 2009. 04. 29 중소기업 협력연구개발과제 중간평가
- 2009. 06. 02 공인시험기관의 시제품 성능시험 완료
  시험평가기관 : 한국전기연구원(KERI)
  시험항목 : 고조파 성능시험(<그림 5> 참조)
- 2009. 08. 27 신기술(NET) 인증 취득(인증기관 : 대한민국 지식경제부)
  기술명 : 이중 지그재그 결선을 이용한 고조파 및 전압 불평형 개선
   기능을 갖는 변압기 기술(<그림 6> 참조)
- 2009. 09. 16 시제품 변압기 형식시험 합격(<그림 7> 참조)
  시험평가기관 : 한국전기연구원(KERI)
  시험항목 : 변압기 형식시험(고효율 인증)
  시제품 규격 : 3P 6,600 - 480V 1,000㎸A 60㎐
- 2009. 10. 23 시제품 현장 설치 완료(당진화력발전소)

2009년 10월 당진화력발전소에 하이브리드 변압기를 설치해 운전 중이다. 그 결과 하이브리드 변압기는 기존 변압기 대비 온도, 소음, 안정성 및 효율성에서 10% 이상 개선 효과를 나타냈다.

마무리

본 기술 제품은 2009년 말부터 국내외 배전용 변압기 시장에서도 본격적인 마케팅을 전개하고 있다. 국내에서는 건설사, 공공기관 등을 중심으로 큰 호응을 얻고 있으며, 해외에서도 기술에 대한 자료요청이 쇄도하고 있다. 특히 쿠웨이트, 키르기스스탄 및 중국 등으로부터 신도시 건설 프로젝트에 입찰 참여를 요청받고 있다. 이와 관련해 2009년 말에 쿠웨이트 정부를 상대로 제품 설명회를 개최했으며, 납품을 위한 세부 일정에 대해서는 협의 중에 있다.
향후 하이브리드 변압기는 국내외 시장에서 기존 배전용 변압기의 대체 효과는 물론, 수출 증대 및 고용 창출 효과 등 파급 효과가 매우 클 것으로 예상된다.