용어해설
제3고조파는 전기 회로에서 기본 주파수의 3배에 해당하는 주파수를 가진 고조파 성분입니다. 교류 전원의 이상적인 파형은 기본 주파수(한국에서는 보통 60Hz)를 가진 순수한 정현파입니다. 하지만 실제 전력 시스템에서는 비선형 부하 등으로 인해 기본파 외에 여러 배수의 주파수를 가진 성분들이 포함되는데, 이를 고조파(Harmonic)라고 합니다.
조이컨
2025. 5. 4. 23:48
제3고조파 (Third Harmonic) 설명
제3고조파는 전기 회로에서 기본 주파수의 3배에 해당하는 주파수를 가진 고조파 성분입니다. 교류 전원의 이상적인 파형은 기본 주파수(한국에서는 보통 60Hz)를 가진 순수한 정현파입니다. 하지만 실제 전력 시스템에서는 비선형 부하 등으로 인해 기본파 외에 여러 배수의 주파수를 가진 성분들이 포함되는데, 이를 고조파(Harmonic)라고 합니다.
고조파의 발생 원인
고조파는 주로 다음과 같은 비선형 부하(Non-linear Load)에 의해 발생합니다. 비선형 부하는 인가되는 전압과 전류의 관계가 선형적이지 않아, 전압이 정현파이더라도 전류는 찌그러진 비정현파 형태로 흐르게 됩니다.
- 스위칭 모드 파워 서플라이 (SMPS): 컴퓨터, 통신 장비, 가전제품 등에 널리 사용됩니다.
- LED 조명 및 형광등 (전자식 안정기 사용):
- 가변 속도 드라이브 (VSD) 또는 인버터: 모터 속도 제어 등에 사용됩니다.
- 정류기: AC를 DC로 변환하는 장치.
- 아크로, 유도로:
이러한 부하들은 전압 파형의 특정 구간에서만 전류를 흡수하거나 불연속적인 전류 파형을 만들어내며, 푸리에 해석을 통해 분석하면 기본파 성분과 함께 다양한 주파수의 고조파 성분들이 포함되어 있음을 알 수 있습니다.
제3고조파의 특징 및 문제점
여러 고조파 중에서 제3고조파는 특히 3상 전력 시스템에서 몇 가지 독특하고 중요한 문제를 야기합니다.
- 영상분 고조파 (Zero-Sequence Harmonic):
- 3상 시스템에서 기본파와 대부분의 고조파(5차, 7차 등 3의 배수가 아닌 홀수차)는 각 상(R, S, T 또는 A, B, C) 간에 위상차가 120도씩 벌어져 있어 중성선에서는 상쇄되어 이론적으로 전류가 흐르지 않거나 매우 적게 흐릅니다 (평형 부하 시).
- 하지만 제3고조파 및 3의 홀수 배수 차수의 고조파(제9고조파, 제15고조파 등, 이를 삼중엔(Triplen) 고조파라고 합니다)는 각 상의 고조파 성분 간의 위상차가 또는 등으로 동위상이 됩니다.
- 결과적으로, 3상 4선식 Y 결선 시스템에서 각 상에 흐르는 제3고조파 전류는 중성선으로 모여 합쳐지게 됩니다. 이는 평형 부하 상태에서도 중성선에 상당한 크기의 전류가 흐르게 만듭니다.
- 과도한 중성선 전류: 앞서 설명한 영상분 특성 때문에, 각 상의 부하가 평형을 이루더라도 제3고조파 전류는 중성선에서 서로 더해져 중성선 전류가 상 전류보다 커지는 현상이 발생할 수 있습니다. 이는 중성선의 과열, 절연 손상, 심하면 화재의 원인이 될 수 있습니다. 기존에 중성선 용량을 상도체와 같거나 작게 설계한 경우 심각한 문제가 될 수 있습니다.
- 변압기 과열 및 용량 저하: Y 결선 변압기에서 제3고조파 전류가 중성선에 집중되어 변압기 권선의 과열을 유발하고 변압기의 유효 용량을 감소시킵니다. 델타() 결선 권선에서는 제3고조파 전류가 델타 회로 내에서 순환하며 외부로 나타나지 않는 특징이 있어 고조파 저감 효과가 있습니다.
- 전압 파형 왜곡: 시스템 임피던스에 의해 고조파 전류가 흐르면 고조파 전압 강하가 발생하고, 이는 결국 선간 전압 및 상 전압 파형을 왜곡시켜 전압 파형의 피크가 찌그러지거나 평탄해지는 현상을 유발할 수 있습니다.
- 보호 계전기 오작동: 찌그러진 파형은 과전류 계전기나 지락 계전기 등의 오작동을 유발할 수 있습니다.
대책
제3고조파를 포함한 고조파 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 방법들이 사용됩니다.
- 고조파 필터 설치: 수동 필터(특정 고조파 주파수에 동조된 LC 필터) 또는 능동 필터를 사용하여 고조파 전류를 제거하거나 저감합니다. 제3고조파 필터는 중성선에 설치되기도 합니다.
- K-rated 변압기 사용: 고조파 전류에 의해 발생하는 열에 견딜 수 있도록 특별히 설계된 변압기입니다.
- 중성선 굵기 증가: 비선형 부하가 많은 설비에서는 중성선 굵기를 상도체보다 크게 설계하기도 합니다.
- 능동 역률 개선 장치 (APFC): 고조파 발생원 자체에서 고조파를 줄이도록 설계된 전원 장치입니다.
- 결선 변압기 사용: 부하 측의 Y 결선에서 발생하는 영상분 고조파(제3고조파 등)가 결선 측으로 전달되지 않고 델타 권선 내에서 순환하며 소모되도록 합니다.
요약하자면, 제3고조파는 비선형 부하에 의해 발생하며, 특히 3상 4선식 Y 결선 시스템에서 중성선에 집중되어 과열, 장비 손상 등 심각한 문제를 일으킬 수 있는 중요한 고조파 성분입니다. 따라서 전력 시스템에서는 제3고조파를 포함한 고조파 관리가 매우 중요합니다.
