고조파 및 서지 대책 핵심 총정리 – 전기안전관리자 교육 특별과정

전기 설비에서 발생하는 이상 현상 중
가장 빈번하면서도 원인을 놓치기 쉬운 것이 바로 고조파와 서지이다.

겉으로는 단순한 차단기 트립, 설비 오동작, 통신 오류처럼 보이지만
실제로는 고조파 왜곡이나 서지(과도전압)가 원인인 경우가 매우 많다.

특히 최근에는 인버터, SMPS, 전기자동차 충전기 등
비선형 부하가 급격히 증가하면서
고조파 문제는 더 이상 선택이 아닌 필수 관리 항목이 되었다.

또한 낙뢰, 개폐 서지로 인한 순간 과전압은
설비 손상뿐 아니라 화재 위험까지 이어질 수 있어
현장에서는 반드시 체계적인 대책이 필요하다.

이 글에서는 전기안전관리자 및 시설관리 실무자를 기준으로
고조파와 서지의 개념부터 발생 원인, 실제 문제 사례, 그리고 대응 방법까지
현장에서 바로 적용할 수 있도록 핵심만 정리하였다.

반응형

1. 고조파의 정의

고조파(Harmonics)란?

• 기본 주파수의 정수배에 해당하는 주파수를 가지는 파형
• 2차(120Hz)~50차(3,000Hz)
• 50차를 넘는 주파수 성분은 노이즈(비주기성) 또는 고주파(주기성)라고 함

출처: https://cq4l.com/%EA%B3%A0%EC%A1%B0%ED%8C%8C/

반차수 고조파(Interharmonnic)란?

• 기본파의 정수배 외의 주파수를 갖는 V.I
• 용접기, 주파수 변환기 등 전류 및 주파수 변동이 극심한 비선형 부하의 왜곡
• 역률 저하, 플리커 발생, 리플 제어 오류, 측정 기기 오류 유발 등의 문제 발생

전압 노칭(Voltage Notching) 이란?

• SCR 위상 제어에 의해 발생
• zero crossing 회로에 영향 (SCR 트리거 오류 발생)

2. 고조파 발생원 및 영향

주요 고조파 발생원

• 전력 변환기기 : 공조기, 펌프, 승강기, 에스컬레이터 등
• 의료기기 : MRI, CT, X선 장치 등
• 중장비 : 크레인, 권상기
• 조광기기 : 조광장치
• 생산기계 : 공장용 생산기기 등

고조파 유발 기기 종류 및 영향

• 전동기 및 발전기
  - 표피효과로 인한 발열
  - 역상분 고조파는 고속으로 역회전하는 성분을 유발하여 진동, 소음 발생
  - 효율 저하
  - 토크 저하 및 맥동 발생
  - 기기 수명 단축
• 변압기
  - (히스테리시스 특성) 자속이 포화되는 순간부터 영상 고조파 성분의 자속이 유기됨
  - 2차측 유기기전력에 고조파 포함
  - 철손 및 동손 증가
  - 발열 및 소음
  - 용량 감소
• 전력 케이블
  - 표피효과로 인한 발열 및 고조파 과전압
  - 절연 손상
  - 코로나 발생
• 전력용 커패시터와 리액터
  - 직렬공진에 의해 임피던스 급감, 고조파 성분의 전류 과도 유입
  - 발열 및 심한 경우 폭발
  - 계통과의 공진
  - 수명 감소
  - 절연 손상
• 전산기기
  - SMPS(Switching Mode Power Supply) 등으로 인한 고조파 발생
  - 발열 및 논리회로 오류 등 발생
  - 전압 노칭 현상
  - 신호 수신 불량
• 개폐기와 계전기
  - 개폐장치 과열/손실 증가
  - 국부적 절연 손상
  - 퓨즈 용량 감소
• 통신장애
  - 유도장해 발생
• 정지형 전력변환장치
  - 커패시터 사용 시 발열
  - 오작동
  - 반차수 고조파 발생
  - 제어회로 및 부품 소손

 

 

3. 고조파 관리 기준

한국전력공사「문서번호 : 배전(계) 84308-배전계통 고조파관리 기준(2009.06)」

• 한국전력공사 기본공급약관 제39조 (전기 사용에 따른 보호장치 등의 시설)

고객이 다음 중 하나의 원인으로 다른 고객의 전기 사용을 방해하거나 방해할 우려가 있을 경우 또는 한전의 전기 설비에 지장을 미치거나 미칠 우려가 있을 경우에는 고객의 부담으로 한전이 인정하는 조정장치나 보호장치를 전기 사용 장소에 시설해야 하며, 특히 필요할 경우에는 공급 설비를 변경하거나 전용 공급 설비를 설치한 후 전기를 사용해야 한다.
① 각 상간의 부하가 현저하게 평형을 잃을 경우
② 전압이나 주파수가 현저하게 변동할 경우
③ 파형에 현저한 왜곡이 발생할 경우
④ 현저한 고조파를 발생할 경우
⑤ 기타 상기에 준하는 경우

 

• 한국전력공사 기본공급약관 제45조 (고객의 책임으로 인한 공급의 정지)

제2항에 해당하는 고객은 공급정지 사유의 해소를 요청한 후 10일이 경과하여도 시정하지 않을 경우에 시행한다. 다만, 한전에서 인정하는 경우에는 예외로 할 수 있다.

 

• 신규 업무처리 지침(제2장 제4절 제1항 나호 - 고조파 검토)

① 적용 대상 : (가) 66 kV 이상 및 당사의 변전소에서 전용으로 공급하는 고조파를 발생하는 전력변환 장치를 시설하는 신증설 고객
② 적용기준 : 고조파의 예측 계산, 공급조건 등 이에 관련한 사항은 고조파 허용 잠정 기준 (82년6월 제정)에 준한다.

계통	지중선로가 있는 S/S에서 공급하는 고객		가공선로가 있는 S/S에서 공급하는 고객
항목	전압왜형률(%)	등가방해전류(A)	전압왜형률(%)	등가방해전류(A)
66kV 이하	3 주)	-	3  주)	-
154kV 이상	1.5	3.8	1.5	-
주) IEC(계획레벨6.5%), IEEE(5%) 등현행국제기준보다강화된기준치로서명확한근거(과거일본규정준용) 및 세부 적용방법에 대한 규정이 없어 사문화 됨

 

한국전력공사 기본공급약관 시행세칙(2023.07.17) 제26조

• 공급전압이 66 kV 이상인 경우

3의 배수가 아닌 기수 고조파		3의 배수인 기수 고조파		우수 고조파
차수 h	고조파 전압 %	차수 h	고조파 전압 %	차수 h	고조파 전압 %
5	1.8	3	1.5	2	0.6
7	1.5	9	0.5	4	0.3
11	1.1	15	0.1	6	0.2
13	0.9	21	0.1	8	0.2
. . .	. . .	. . .	. . .	. . .	. . .

• 공급전압이 22.9 kV 이하인 경우

3의 배수가 아닌 기수 고조파		3의 배수인 기수 고조파		우수 고조파
차수 h	고조파 전압 %	차수 h	고조파 전압 %	차수 h	고조파 전압 %
5	3.8	3	3.1	2	1.3
7	3.1	9	0.9	4	0.6
11	2.2	21	0.2	6	0.3
13	1.9	. . .	. . .	8	0.3
. . .	. . .			. . .	. . .

IEEE std. 519-2014

PCC의 모선전압, V	각 차수별 고조파 전압 왜형률(%)	종합 고조파 전압 왜형률(%)
V ≤ 1 kV	5.0	8.0
1 kV < V ≤ 69 kV	3.0	5.0
69 kV < V ≤ 161 kV	1.5	2.5
161 kV < V	1.0	1.5

4. 고조파 대책

고조파 측정

• THD(Total Harmonic Distortion, 종합고조파왜형률)
  - 기본파 실효값에 대한 고조파 실효값의 백분율
  - 전류에 대해서는THDI로 표시하기도 함
  - 기본파의 크기가 달라지면THD가 바뀌어 잘못된 판단을 할 수 있음

• TDD(Total Demand Distortion, 종합수요왜형률)
  - 15〜30분동안 기본파 최대값에 대한 고조파 전류의 함유율

• 고속퓨리에변환(FFT)
  - 기본파와 고조파로 분해된 왜형파 분해에 활용
  - 대량 변환의 계산 시간과 복잡성을 줄이는 산출 알고리즘
  - 이산퓨리에 변환 시간을 단축하기 위해사용되는계산단순화알고리즘
  - 아래는 전류 왜형파에 포함된 고조파 차수를 가로축으로 구성한 고속퓨리에 변환의 결과

고조파 전류 저감 대책

방법	내용	효과	비고
인버터용 리액터 (ACL, DCL)	인버터의 교류측에 ACL 또는 직류측에 DCL 설치	5차, 7차 위주로 50% 저감 가능	인버터 입력전류의 파형률과 역률 개선
능동형 고조파 필터	고조파 전류와 역위상 전류를 만들어 고조파 상쇄	25차 이하에 대해 1대로 대응 가능하며, 80~90% 저감 가능	부하의 운전상황에 즉각 반응하여 고조파 억제

 

5. 서지 개념 및 발생 원인

서지(Surge)란?

• 제어, 개폐조작 또는 뇌방전에 의해 과도적으로 발생하는 과전압 또는 과전류 파동

서지의 외부적 발생 원인

• 낙뢰
  - 막대한 전압의 서지를 발생, 순간적으로 손상시킬 수 있는 전형적 사례
• 기타
  - 정전, 전력회사의 전력계통 개폐, 대형기기 기동 또는 중단 등

서지의 내부적 발생 원인

• 에어컨, 냉장고, 엘리베이터 등 고출력 전기장치 운전

뇌서지 표준파형

• 뇌전압, 뇌전류 충격파 형태를 띠는 서지
• 매우 짧은 시간에 파고값에 도달 후 소멸
• 파고값, 파두장, 파미장으로 구성

뇌충격전압 표준파형 : 1.2×50 ㎲

• 규약영점
  - 파고값의30% 및90% 지점을 연결한 연장선과 시간축과의 교점
• 파두장
  - 파고값 연장선과의 교점을 시간축으로 내려 형성된 교점과 규약영점과의 시간
• 파미장
  - 규약영점에서 파고값이50%까지 감소했을 때까지의 시간
• 파고값, 파두장, 파미장은 상황에 따라 다르기 때문에 나라별 각기 다른 값을 채택하고 있음

뇌충격전류 표준파형 : 8×20 ㎲

• 규약영점
  - 파고값의 10% 및90% 지점을 연결한 연장선과 시간축과의 교점
• 파두장
  - 파고값 연장선과의 교점을 시간축으로 내려 형성된 교점과 규약영점과의 시간
• 파미장
  - 규약영점에서 파고값이50%까지 감소했을 때까지의 시간

직격뢰 전류파형 : 10×350 ㎲
유도뢰 전류파형 : 8×20 ㎲

• 직격뢰와 유도뢰의 전류 최대값이 동일한 경우 직격뢰의 에너지량은 유도뢰의 약 16~20배임

개폐서지란?

• 개폐기, 차단기가 투입 또는 개방될 때 발생됨
• 파고값은 뇌서지보다 작지만, 지속시간 길어 기기절연에 악영항
• 개폐서지전압파형 : 250×2,500 ㎲ (IEC 60060-1)

개폐서지 발생원

• 무부하 선로 개폐 : 투입서지, 차단시 재점호서지
  - 무부하 선로 투입 시 교류전압 최고값(Em)의2배인 서지전압 발생, 차단 시 절연회복 실패 시3Em의 서지 발생
• 유도성 소전류 차단 : 전류 재단서지, 반복 재발호서지, 유도절단서지
  - 무부하 여자전류, 지연 소전류 차단 시 발생
• 고장전류 차단 : 지락∙단락서지
• 3상 비동기 투입 : 3상의 비동기 투입서지
• 전류 재단 : 전류의 영점을 기다리지 않고 강제 차단 시의 서지
• 반복 재발호 : 극간 절연회복 상태에 따라 점호, 소호 반복 시의 서지
• 유도절단 : 3상 전류 차단 시 각상 전류 차단 위상이 다를 때의 서지

 

 

6. 서지의 영향 및 대책

서지의 영향

• 순간적으로 발생하는 전력 급변으로 전자장치와 전력계통에 치명적인 영향을 끼침
• 전자장치의 즉각적 손상
  - 과도 과전압은 과부하를 유발, 구성품을 소손, 장치 내 복잡한 전자회로를 태움
  - 뇌서지와 같은 고출력 서지는 치명적 피해 유발
• 전기부품의 점진적 열화
  - 일부 전기적 서지는 전자장치 내부 부품의 즉각적 손상이 아닌 경년열화 유발
  - 사소한 서지라도 반복 노출 시 가전제품의 전기부품 효율 저하
  - 수명 단축 및 오작동 확률 증가
• 전기화재 위험 증가
  - 서지전압이 배선 절연 또는 장치 구성품의 용량 초과 시 과열 유발
  - 주위 가연물이 발화하여 재산 피해 유발 및 안전 위협
• 데이터 손실
  - 컴퓨터, 서버 등의 데이터 무결성에 심각한 위협
  - 파일 손상 및 스토리지 구성요소 손상
  - 즉각적 데이터 손상으로 인해 시간적, 경제적, 정신적 등의 광범위한 손실 초래

뇌서지 대책

• 접지의 등전위화
  - 뇌서지로 인한 전기, 전자기기의 손상
  - 전기, 전자회로의 부품 등이 전위차 급증으로 인해 절연파괴
  - 뇌서지 침입 시에도 전원접지나 통신접지 등의 등전위화를 통해 시스템 전체의 전위상승 동일화
  - 통합접지 등의 방법을 채용
  - 이로인한 절연파괴 예방
• SPD 등을 설치하여 뇌서지 바이패스
  - 전원 또는 통신선을 통해 침입한 뇌서지를SPD로 바이패스시켜 대지로 방류
  - 낙뢰 에너지는 상이하므로 최적SPD를 채용하여 전기 ‧ 전자기기를 안전하게 보호
• 절연변압기 등을 설치하여 뇌서지로부터 절연
  - 교류 전력, 통신신호는 통과, 뇌서지는 차단
  - 전원선, 통신선에 삽입 → 전기∙전자기기에뇌서지 침입 방지
  - SPD와의 조합하여 방호효과 제고