개요
전류는 전원에서 부하로 흐른다고 생각하는 것이 보통이지만, 고조파 전류는 부하에서 발생해 전원쪽으로 흐른다는 발상의 전환이 필요하다. 즉, <그림 1>과 같이 배전망에는 많은 고조파 전류 발생원이 접속되어 있다. 고조파 전류는 주로 인버터, 컴퓨터, 복사기 등의 정류부를 가진 파워일렉트로닉스 기기에서 발생해 부하에서 전원으로 흐른다. 또한 이 경우 고조파 전류 발생원은 정전류 전원으로 생각할 수 있다.
이들 고조파 전류는 집적되어 전원으로 흘러가기 때문에, 그 사이의 임피던스에서 고조파 전압강하를 발생시킨다. 수요가(需要家) 접속점 전압은 정현기본파 전압으로부터 이 전압강하를 뺀 왜곡된 파형의 전압, 즉 고조파를 포함한 전압이 된다.
계통 허용 전압 변형
앞에서 논한 고조파 전압강하는 다수의 수요가 부하에서 유출한 고조파 전류의 집적에 의한 것이므로, 한 수요가의 일부 부하를 추가 접속 또는 분리해도 거의 변화하지 않는다. 따라서 배전망의 고조파 전압 변형은 정전압 변형으로 생각하면 고조파 현상을 한결 이해하기 쉽고 다루기도 용이해진다.
이 전압 변형의 억제 목표치는 고조파의 차수별로 <표 1>과 같이 정해져 있다. 이 왜곡된 전압이 부하에 가해짐으로써 오동작, 부하의 수명 저하, 절연열화를 유발한다. 일본에서는 이 변형을 6.6㎸ 배전계통에서 5% 이하로 억제하는 일이 권장되고 있다.
<그림 2>는 이상의 설명을 정리해 나타낸 것이다. 트램펄린(Trampoline) 그물 위에서 3명의 수요가가 놀고 있다. 그물은 배전망을 의미하며, 그물의 장력은 배전전압에 해당된다. 왼쪽의 수요가는 비교적 조용히 그물 위를 타고 있다. (고조파 전류는 유출하지 않는다.) 그러나 가운데 수요가는 높이 뛰고 있다. (이것은 다량의 고조파 전류를 배전망에 유출하고 배전전압을 변형시키는 것에 해당한다.) 그 때문에 트램펄린의 그물 형태에 변형이 일어나 오른쪽에서 접시를 돌리고 있던(예민한 기기를 사용하고 있다) 수요가는 접시를 떨어뜨려 깨트리고 만다.
고조파 억제 대책 가이드라인에 정해진 억제 목표치와 계산 방법
각 수요가는 다른 수요가에 피해를 끼치지 않도록 고조파 전류의 유출을 억제하지 않으면 안 된다. 계약전력 1㎾당 고조파 유출 전류 상한치는 <표 2>와 같다.
<표 2>를 역률 1로서 계산한 기본파 전류에 대한 백분율로 표현하면 <표 3>과 같이 된다.
만약 1994년 9월 당시 일본의 통상산업성(通商産業省, 現 경제산업성)이 발포(發布)한 '고압 또는 특별고압으로 수전하는 수요가의 고조파 억제 대책 가이드라인'에 정해진 방법으로 계산한 결과, 수요가로 부터의 고조파 유출 전류가 <표 3>의 수치를 초과하면 억제 대책을 강구해 <표 2> 또는 <표 3>의 수치 이하로 저감하지 않으면 안 된다.
이 경우 만약 수요가 설비 가운데 '가전 범용품 고조파 억제 대책 가이드라인'의 대상기기(300V 이하이며 20A 이하)가 있으면 이러한 것들은 제외하고 유출 전류를 계산한다.
한편 다음의 비교적 소용량 수요가는 본 가이드라인의 범용 대상 예외가 된다.
수요가에 설비된 고조파 발생기기를 전압 변형의 관점에서 6펄스 변환장치 상당의 등가용량 P0㎸A에 <표 4>의 환산계수를 이용해 환산하여 그 합계가 표시된 한도치 이하면 가이드라인의 적용 대상 예외가 된다.
· 6.6㎸ 수전 수요가의 등가용량 합계치 ≦50㎸A
· 22㎸ 또는 33㎸ 수전 수요가의 등가용량 합계치 ≦300㎸A
· 66㎸ 이상 전압에서 수전하는 수요가의 등가용량 합계치 ≦2,000㎸A
예를 들어 어떤 수요가 설비에 3상 브리지(콘덴서 평활(平궑))의 리액터가 없는 범용 인버터 20㎸A가 설치됐다고 하자. 이 기종의 변환계수는 K31=3.4이기 때문에 3.4×20㎸A=68㎸A로 가이드라인의 대상이 된다. 일반적으로 사용되고 있는 인버터는 3상 브리지(콘덴서 평활)가 많다.
수요가 설비가 가인드라인의 대상이 되면 다음 방법으로 고조파 전류를 산출한다.
⑴ 전동기 정격(㎾)×1.25=인버터 입력 ㎸A
⑵ 인버터 입력 ㎸A/( ×인버터 정격전압)=인버터 입력 정격전류
⑶ 인버터 입력 정격전류×(<표 5>의 회로 종류에 따른 차수별 고조파 발생량)=차수별 고조파 발생량 (보통은 제5 및 제7고조파까지의 계산에 그친다.)
⑷ 차수별 고조파 발생량×<표 6>의 가동률
⑸ ⑷의 결과를 설비 종류별, 기기별, 고조파 차수별로 정리해 고압 쪽으로 환산해 <표 2>의 상한치와 비교한다.
<Energy News>
http://www.energy.co.kr
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