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고조파는 전력 시스템에서 발생하는 전력 품질 문제의 주요 원인 중 하나입니다. 고조파 전류는 전력계통의 전압과 전류의 왜곡을 유발하여 다양한 문제를 초래합니다. 이번 글에서는 고조파 전류가 콘덴서 회로에 미치는 영향을 분석하고, 이러한 문제를 해결하기 위한 대책을 제시하겠습니다.
고조파 전류가 콘덴서 회로에 미치는 영향
1. 콘덴서 다차 전압의 상승
고조파가 유입되면 콘덴서의 다차 전압이 상승하게 됩니다. 이는 고조파에 의해 발생하는 고차 전압 성분들이 기본파에 중첩되기 때문입니다. 이를 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있습니다:
- $V = V_1 \left( 1 + \sum \left( n^2 \times \frac{I_n}{I_1} \right) \right) [V]$
- $V$: 고조파 유입 시 콘덴서 다차 전압
- $V_1$: 기본파 전압
- $I_1$: 기본파 전류
- $I_n$: n차 고조파 전류
따라서 콘덴서 내부의 소자와 직렬로 연결된 다른 부하들의 충전 전압이 높아져, 과부하 상태가 발생할 수 있습니다.
2. 콘덴서 실효 용량의 증가
고조파가 유입되면 콘덴서의 실효 용량도 증가합니다. 실효 용량은 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있습니다:
- $Q = Q_1 \left( 1 + \sum \left( n^2 \times \frac{I_n}{I_1} \right) \right) [VA]$
- $Q$: 고조파 유입 시 실효 용량
- $Q_1$: 기본파 용량
따라서 고조파로 인해 콘덴서에 가해지는 부하가 증가하고, 그로 인해 유효전력 손실이 증가하며, 소자 내부의 온도가 상승하게 됩니다.
3. 고조파 전류로 인한 손실 증가
고조파가 흐르면 콘덴서에서의 손실도 증가합니다. 이는 직렬로 연결된 리액터에서 발생하는 손실에 기인하며, 다음과 같이 표현됩니다:
- $W = W_1 \left( 1 + \sum \left( n^2 \times \frac{I_n}{I_1} \right) \right) [W]$
- $W$: 고조파 유입 시 실효용량
- $W_1$: 기본파 용량
따라서 손실이 증가하면 전력 시스템 전체의 효율이 떨어지며, 발열로 인해 시스템 안정성이 감소하게 됩니다.
4. 전류 실효치 증가
고조파 전류의 유입은 실효 전류를 증가시킵니다. 이는 콘덴서 전류의 실효치가 증가하기 때문이며, 다음과 같은 수식으로 표현됩니다:
- $I_z = I_1 \left( 1 + \sum \left( n^2 \times \frac{I_n}{I_1} \right) \right) [A]$
이로 인해 부싱의 리드, 내부 배선 등의 접합부에서 과부하 및 발열 문제가 발생합니다.
고조파 저감 대책
1. 공급자 측 고조파 억제 대책
고조파 문제를 해결하기 위해 공급자 측에서는 다음과 같은 대책을 마련할 수 있습니다.
(1) 전원의 단락용량 증가
고조파 발생량이 높은 회로에서는 전원의 단락용량을 증가시켜 고조파 전압 $V_n$과의 비례관계를 낮추는 것이 중요합니다. 단락용량이 증가하면 고조파 전압이 상대적으로 감소하게 되어 고조파 문제를 줄일 수 있습니다.
(2) 공급 배전선의 전원화
고조파 발생 부하가 큰 전기장치가 설치된 배전선에서는 전원의 용량을 크게 늘려 고조파를 방지할 수 있습니다.
(3) 고조파 부하와 정밀 부하 분리
고조파 부하와 정밀 부하를 분리하여 고조파가 다른 회로에 영향을 미치지 않도록 해야 합니다. 이를 위해 “Noise-cut 트랜스”를 설치해 고조파 발생 부하를 차단할 수 있습니다.
2. 수용가 측 고조파 저감 대책
수용가 측에서는 다음과 같은 필터와 장치를 설치하여 고조파를 저감할 수 있습니다.
(1) 수동 필터 설치
수동 필터는 공진을 이용하여 특정 주파수 대역에서 고조파를 효과적으로 제거합니다. 이 필터는 구성도 간단하며 유지 보수가 용이하다는 장점이 있습니다.
- LC 필터를 통해 고조파를 제거할 수 있으며, 이를 통해 특정 고조파 성분을 효과적으로 차단할 수 있습니다.
(2) 능동 필터 설치
능동 필터는 인버터를 이용하여 고조파 발생 시 기초 고조파를 역위상으로 만들어 제거하는 장치입니다. 이 필터는 수동 필터보다 고조파 제거 성능이 우수하며, 다양한 주파수 대역에서 고조파를 제거할 수 있습니다.
(3) 리액터 설치
ACL과 DCL 리액터는 고조파 발생기기의 각 부위에 설치하여 고조파를 제거할 수 있습니다. 이 리액터는 전력 손실을 줄이고, 변압기에서 발생하는 고조파를 효과적으로 제거할 수 있습니다.
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