전기설비에서 고조파는 왜 발생하며 왜 문제가 되나요?

Question

• 전기기사 전력공학과 전기설비를 공부하다 보면 고조파라는 개념이 자주 나오는데, 기본파 외에 여러 배수 주파수 성분이 생긴다고 해서 궁금합니다. 특히 인버터나 컴퓨터 전원장치 같은 전력전자기기가 많아질수록 고조파 문제가 커진다고 하는데 왜 그런지도 알고 싶습니다. 또한 고조파가 발생하면 단순히 파형이 찌그러지는 것 말고 실제 현장에서는 어떤 문제가 생기는지도 궁금합니다. 변압기 발열, 중성선 과전류, 콘덴서 소손 같은 문제와 연결된다고 들었는데 각각 어떤 원리인지 자세히 알고 싶습니다. 실제 현장에서는 고조파를 줄이기 위해 어떤 대책을 사용하는지도 설명 부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 박현민 전기기능사입니다.

결론부터 말씀드리면 고조파는 전류나 전압 파형이 정현파 형태에서 왜곡되면서 발생하는 추가 주파수 성분이며, 전력품질 저하와 설비 과열 문제를 일으킬 수 있습니다. 이상적인 교류 전력은 깨끗한 정현파 형태입니다. 하지만 인버터, 정류기, SMPS 전원장치처럼 전류를 순간적으로 끊어서 사용하는 비선형 부하가 많아지면 전류 파형이 찌그러집니다.

이 찌그러진 파형은 기본파 외에도 여러 배수 주파수 성분을 포함하게 되는데 이것이 고조파입니다. 예를 들어 60Hz 계통이라면 180Hz는 3고조파, 300Hz는 5고조파가 됩니다.

고조파가 문제인 이유는 설비가 기본파 기준으로 설계되어 있기 때문입니다. 변압기에서는 철손과 동손이 증가해 발열이 커질 수 있습니다. 특히 3고조파는 중성선에서 서로 상쇄되지 않고 합쳐질 수 있기 때문에 중성선 과전류 문제가 발생하기도 합니다.

또 콘덴서는 고조파에 대해 임피던스가 낮아지기 때문에 과전류가 흐를 수 있습니다. 심한 경우 콘덴서 과열이나 소손으로 이어질 수 있습니다. 계전기 오동작이나 통신장애 문제도 발생할 수 있습니다.

현장에서는 리액터와 필터를 설치해 고조파를 줄입니다. 수동필터는 특정 고조파를 흡수하고, 능동필터는 실시간으로 반대 성분을 만들어 고조파를 상쇄합니다. 결국 고조파는 현대 전력전자 설비 증가와 함께 매우 중요해진 전력품질 문제입니다.

Answer 2

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

전기설비에서 고조파는 인버터 같은 비선형 부하가 전류를 끊어 쓰면서 파형이 찌그러져 생기는 건데 변압기나 콘덴서에 과열을 일으키고 중성선에 과전류를 흐르게 해서 위험할 수 있답니다. 그래서 현장에서는 필터를 설치하거나 결선 방식을 바꿔서 고조파를 억제하는 대책을 세우는 것이 아주 중요헤요. 하나씩 공부하다 보면 금방 이해되실 테니 너무 걱정 마세요.