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Power Quality의 이해
주식회사 태경전기산업
목차
1. Power Quality란 무엇입니까?
2. Power Quality의 평가요소는 ?
3. Power Quality가 왜 최근의 Issue가 되었습니까?
4. Power Quality 문제점의 징후는 어떻게 나타납니까?
5. Power Quality Pyramid란?
6. Voltage Variations(전압변동)이란?
7. 주파수 영역에서 본 파형의 구분은?
8. Transient Surge란 무엇인가?
9. Sag란 무엇인가?
10. Harmonics(고조파)의 발생원인은?
11. 고조파의 영향은?
12. Resonance(공진) 현상 이란?
13. Series Resonance(직렬공진) 이란?
14. Parallel Resonance(병렬 공진) 이란?
15. 고조파 Filter 회로란?
16. Power Quality 요약
1.Power Quality란 무엇입니까?
●
●
Power Quality란 부하가 일을 하는데
영향을 주는 전기적인 System과
공급 전압의 특성입니다.
이것은 전기적인 Connection과
접지상태 전기적인 System에 영향을
주는 Load등 모든 전기적인 Parameter를 포함시킵니다.
2. Power Quality의 평가요소는?
●
Voltage Variation(전압변동),Transient 전압,
Wave Shape(파형특성),Voltage Imbalance(불균형전압),
Flicker
●
전기 System 설계 Error
●
전기 System 시공 Error
●
Grounding Error
●
고조파(K-Factor,Crest-Factor,TDD,THD)
●
부하의 상호간섭
3. Power Quality가 왜 최근의 Issue가 되었습니까?
●
●
과거의 부하는 Linear(선형)부하입니다.
- Induction motor,Heating,진공관등
- 전압은 전류에 의해서만 변동이 되고,깨끗한 정현파하에서는
단지 매우 적은 문제만이 발생되었습니다.
최근에는 Non-Linear(비선형)부하가 매우 증가되었습니다
- 컴퓨터,Motor Control,Drive etc..
- 전류는 필요한 만큼 잘라 쓰게 되었고 그 결과로써harmonic
( 고조파)가 발생되었습니다.
- 또한,최근의 전력장비는 전기특성에 매우 민감하게 반응합니다.
- 가변속 Driver에 의해서 작동되는 Local pump로 인해서
작업중인 컴퓨터 program이 error가 발생되고 있습니다.
4. Power Quality 문제의 징후는 어떻게 나타납니까?
Circuit breakers(부하차단기)가 과부하 없이 trip이 된다.
● 변압기의 소음이 더욱 커진다.
● 낙뢰가 있는 동안에 전력장비에서 문제가 발생된다.
● 자동화된 제어System이 어떠한 이유없이 정지한다.
● 전력배전반, Cable등이 진동,떨림 현상이 심하다.
● 전자 System이 자주 오동작을 하거나 실패한다.
● 전자 System이 위치가 바뀌면 제대로 동작되지 않는다.
● System이 자주 재부팅을 요구한다.
● 조명램프가 침침하거나 깜박거린다.
● 조명램프를 자주 교체한다.
● 중성선 Cable에 발열현상이 심하다.
● MOTOR의 기능이 약해진다.
● 예기치 못한 전기요금 증가가 있다.
●
5.The Power Quality Pyramid란?
High Cost
(5)Outages(정전)
(4)Harmonic Distortion
(3)전압의 Variations
(2) Surge Protector
(1) Grounding Error
Low Cost
1.Power Quality 문제의 80%는 접지/bonding과 연관이 있습니다.
2.복잡한 전력망에서 고장없이 전기제품을 사용하기위해서는 Surge Protection을 하는 것이
매우 효과적입니다.( IEEE 기술보고서에서의 추천)
3.나약한 전력망(부하단의 저역률,심한 전압강하등)에서는 저효율 고비용의 에너지 손실이
발생됩니다.
4.심한 고조파는 에너지 손실뿐만 아니라 종종 사고를 야기합니다.
5.무정전이 필요한 Critical한 부하는 고가의 Application이 필요합니다.
6.Voltage Variation(전압변동)이란?
발생원인:전력사고(단락,지락등),차단기 동작에 의한 Backlash,
부하의 급격한 변화,Weak Net(나약한 전력망).
ITIC Curve : Voltage Tolerance Envelope
Transient
500
Swell
400
300
200
과 전압
Safe Region
Danger Region
(위험한 영역)
Safe Region
(안전한 영역)
106 %
100
87 %
저 전압
Sag
0
1µs
1ms
3ms
20ms
0.5s
10s
Steady
State
7.주파수 영역에서 본 파형의 구분은?
● 낮은 주파수대(정현파의 약 50차수까지)의 파형을 고조파라 부릅니다.
● IEEE에서는 빌딩의 배전 System의 일반적인 Surge주파수를100khz의
ringwave를 토대로 합니다.
● 전도성 noise장애는 전선등의 도체를 통해서 전도되는 것으로 noise
방지용 Filter나 noise Cut transformer가 이용 됩니다.
● 방사성 noise는 더 이상 도체를 필요로 하지 않으며 공간을 통해 방사
되며, 이를 방지하기 위해서는 차폐, 이격등의 방법을 이용합니다.
● Noise주파수가 높아질수록 도체의 임피던스(R+j2fL)는 급격히 상승 됩니다.
따라서 접지(EMC)가 더욱 중요하게 됩니다.
Surge
방사성 Noise
Harmonics
전도성 Noise
Frequency
50 / 60Hz
1250Hz
150 KHz
1 MHz
30 MHz
100 MHz
8.Transient Surge란 무엇인가?
● 예전부터 하늘에서 천둥과 번개가 치면 전원
코드부터 뽑아내는 것이 전력기기를 보호하는
방법이었다.
● 이와 같이 낙뢰 등으로부터 발생되는 Surge는
전선을 따라 매우 높은 에너지를 갖는 전기적
전류,전압의 과도 파형이다.
● 이러한 Surge는 매우 큰 에너지를 보유함으로써 절연이 약한 기기에 카운터 펀치를
가하듯 매우 큰 손상을 입히게 된다.
9.Sag란 무엇인가?
●
전압의 크기는 정상전압의 10~90%이며,
●
0.5Cycle에서 약 1초 동안 진행이 되고,
●
번개가 칠 때 전력망 사고시, 대형 Motor
기동시에 종종 발생이 됩니다.
그리고 대부분은 1상만 Sag현상이 발생됩니다.
EX) Sag 파 형
Phase C (input)
Phase B (input)
Phase A (input)
500
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
Example:
2 Phase Sag and
50% of nominal
600
400
200
0
-200
-400
-600
Input A
Input B
Input C
Example:
10%of nominal
10. Harmonic(고조파)의 발생원인은?
● 고조파는
Non-Linear(비선형) 부하라고 불리우는 특성을 가진 부하가
전력망에 연결될때, 이 비선형부하는 비정현파 전류를 발생시키게
됩니다.
이 비선형 전류는 정현파와는 다른 왜곡된 전류로써 정현파 부하를
기초로 설계된 전력망에 또다른 영향을 끼치는 고조파 전류라고
부릅니다.
[Non-Linear(비선형) 부하의 예]
- 정류기
- 가변속 driver
- ups system
- 인버터,콘버터
- 모니터,컴퓨터,복사기
- 에너지 절감 조명장치
- 전해조
EX) Converter-Load 파형
3
sin(x)+0.8*sin(3*x+3.6)+0.5*sin(5*x+0.6)+0.22*sin(7*x+3.8)
2
1
0
-1
-2
-3
0
1
2
3
t [msec]
4
5
6
EX) Converter-Load (정현파)
1
sin(x)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
1
2
3
t [msec]
4
5
6
EX) Converter-Load (정현파 + 3고조파)
1
sin(x)
0.8*sin(3*x+3.6)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
1
2
3
t [msec]
4
5
6
EX) Converter-Load (정현파 + 3고조파 + 5고조파)
1
sin(x)
0.8*sin(3*x+3.6)
0.5*sin(5*x+0.6)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
1
2
3
t [msec]
4
Synthesis of a wave form
5
6
EX)Converter-load(정현파 + 3고조파 + 5고조파 + 7고조파
1
sin(x)
0.8*sin(3*x+3.6)
0.5*sin(5*x+0.6)
0.22*sin(7*x+3.8)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
1
2
3
t [msec]
4
Synthesis of a wave form
5
6
EX) Converter-Load (합성 결과 파형)
EX) Converter-Load (고조파 찻수 분석)
11. 고조파의 영향은?
일반적으로 Power System에 고조파가 존재하는 경우에는 아래의 현상이 발생됩니다.
● 차단기 Tripping현상.
주로 resonance(공진)현상에 의해서 기인되는데, 전류의 크기가 차단기를 Tripping
시키는 수준까지 올라갑니다.
이러한 상황은 중용한 생산 Line의 작동상태를 멈추게하는 심각한 문제를
일으킵니다.
● 변압기의 과부하 현상
변압기는 전력 주파수(50/60HZ)에 맞도록 설계되어집니다.
철손은 주로 Eddy Current Loss(주파수에 제곱에 비례함)와 Hysteresis Loss
(주파수에 거의 비례함)입니다.
따라서,주파수가 증가될수록 Loss도 따라서 커지게 되며, 결과적으로 이렇게 증가된
Loss는 변압기를 가열시키게 됩니다.
● Capacitor의 과부하 현상.
콘덴서의 저항은 주파수가 높을수록 감소가 됩니다.
따라서,고조파 전류가 많을 수록 Capacitor로 유입되는 전류량은 많아지게 됩니다.
I = Volt ×2×π×f×c
이 영향으로 Capacitor 내의 유온이 상승되며, 심한 경우 사고로 이어집니다.
● 배전선로의 추가손실
고조파 전류는 Skin effect와 Proximity effect를 더욱 크게 합니다.
1.표피효과
2.근접효과
이러한 영향은 선로의 실효저항을 상승시키고, 전압강하를 더욱 크게 합니다.
Cable Tray내에 다수의 많은 Cable이 포설된 경우에는 그 현상이 더욱 심각해
집니다
● 중성선의 과전류 현상.
일반적으로 평형부하 상태에서는 각 상의 전류는 중성선에서 상호 Cancel되며,
그 결과로써 중성선에는 전류가 흐르지 않게 됩니다.
비선형 단상 부하를 가진 4wire system에서는 영상고조파(3,9,15)는 중성선에서
상쇄되지 않으며, 오히려 더해지게 됩니다.
이러한 단상 비선형 부하를 갖는 System에서는 중성선의 전류는 매우 위험한
수준으로 증가되며, 이러한 경우, 전력선과 통신선간의 전자유도 현상으로 종종
통신장애를 일으킵니다.
● 전자제어반, Computer등의 오동작 현상.
전자제어반, Computer등의 신뢰성있는 동작은 Power Quality(전력의 품질)에
매우 의존적입니다.
비선형 부하는 스스로 파형을 왜곡시키며, 심한 경우 그 영향으로 발생되는
파형상의 Over Voltage는 민감한 전자장비의 수행에 영향을 미치게 됩니다.
● 계측 System의 측정 Error현상.
Metering System의 정확성은 고조파에 의해서 영향 받습니다.
전력 Moter는 고조파의 흐름에 따른 에너지의 방향은 정확히 측정합니다.
그러나, 그 크기는 주파수의 증가에 따른 크기의 Error가 발생됩니다.
12. Resonance(공진)현상 이란?
● 고조파는 Capacitor를 과부하 시킬 수 있습니다.
높은 주파수에서는 Capacitor의 저항이 감소되고,고조파 부하에 의해서 발생되는 Over
Voltage와 Over Current에 의해서 과부하가 됩니다.
그렇지만 보다 심각한 것은 계통에 존재하는 고조파에 의해서 변압기와 Capacitor간에
공진회로가 형성되는 것입니다.
이러한 경우가 되면 고조파 전류는 과전압과 과전류를 증폭시키는 공진상태가 형성 됩니다.
이러한 공진현상은 PF Capacitor의 수명을 단축시키는 주요한 이유가 됩니다.
EX) 고조파 공진시 공진전류 흐름 Diagram(병렬 공진)
13. Series Resonance(직렬공진)이란?
● 리액터와
Capacitor를 직렬로 연결한 회로에서 주파수를 높이면 리액터의 저항
(XL = 2πfL)은 커지고,Capacitor의 저항 XC = 1/(2πfC) 은 작아지게 되는데,어떤
주파수(공진주파수 = fr)에서 전체의 임피던스가 가장 작아지게 된다.
● 이때의
주파수를 공진 주파수라고 하며, 이때의 현상을 직렬 공진이라고 합니다.
직렬공진
Series resonant circuit
Inductance
16
capacitance
14
Impedance
jwL
X L jwl
S
1
1/(jwC) X C
jwl
Impedance
12
fr
10
8
6
4
2
0
50
S=signal source
100
150
200
250
Frequency
300
350
400
14. Parallel Resonance(병렬공진)이란?
●
대부분의 전력System에서는 역률 개선을 위해 Capacitor를 설치합니다.
이 Capacitor는 변압기(Load의 임피던스)와 함께 병렬 회로를 형성하게 됩니다.
● 만일,
계통에 고조파전류가 발생된다면 Net-work상에서 고조파에의한 공진의
가능성이 높아집니다.
● 결과적으로,
이러한 공진 회로상에서 고조파전류는 역률 보상이 된 전력망에 고조파
전압을 확대시키는 원인이 되며 변압기와 Capacitor는 심각한 부담을 얻게 됩니다.
P a r a lle l r e s o n a n c e
Im p e d a n c e
4
3 ,8
fr
3 ,6
3 ,4
Im p e d a n c e
3 ,2
0
50
100
150
200
250
F re q u e n cy
300
350
400
● 공진주파수는 Inductive저항과 Capacitor의 저항이 같을때의 주파수입니다.
● 공진주파수보다 높은 주파수 영역에서는 유도성이 되고, 공진주파수보다
낮은 주파수 영역에서는 용량성이 됩니다.
● 회로의 임피던스는 공진주파수 영역에서 가장 높은 임피던스 값을 갖게 됩니다.
● 그 결과로써 내부 Loop(변압기와 Capacitor간)에 매우 높은 순환전류와 높은 전압이
발생되는 과도상태가 발생됩니다.
I
Ic
AC
Z
DC
U
IL
임피던스
전압
Z
U I Z
IC I L
15. 고조파 Filter 회로란?
● 고조파 필터회로란 리액터와 Capacitor의 직렬 연결된 직렬 공진회로 입니다.
이 고조파 필터회로의 설계는 아래의 2가지 개념으로 Design됩니다.
● Tuned Filter Circuit.
각각의 Tuning은 특정 고조파 frequency에 맞추어 설계되며, 이때의 고조파 전류는
약 90%정도 감소될 수 있습니다.
EX) Tuned filter cirauit
● Detuned Filter Circuit.
● Detuned Filter의 주요목적은 변압기의 인덕턴스와 capacitor의 공진조건을 피하기 위해 설계됩니다.
● 이것은 부하의 상태에 따라서 변화되는 고조파 전류를 적절히 감소시킬 수 있도록 Detuning factor를
결정합니다.
● 매우 일반적으로 De-tuned factor를 7%(227Hz)에 Setting하는 경우 고조파는 약 30~50%정도 감소
하게 됩니다.
● 이러한 De-tuned filter는 전력 계통에서 고조파를저감시키고, 역률을 개선하는 가장 저렴하고, 합리
적인 방법입니다.
직렬공진 회로의 임피더스 변화 Graph
Detuning Factor (fn= 60Hz)
공진차수
n fres
fn
공진주파수
fres
fn
p
100
Detuning Factor
2
fn
p
100
fres
5.0
300Hz
4%
4.2
252Hz
5.67%
4.08
245Hz
6%
3.78
227Hz
7%
2.67
161Hz
14%
고조파 Filter의 Detuning factor 계산식
계산식
Capacitor에 Reactor가 직렬연결이 되면 Capacitor에 걸리는 전압은 더욱 상승한다.
Detuned – Filter에 사용되는 Capacitor는 Line의 정격전압보다 높게 책정하여야 한다
UC U N
100
100 p
e.g. UN = 400V, P=7%, calculate UC = 430V 이상
의 정격전압을 갖는 Capacitor를 사용한다.
2
7 U C2
QC 1
2 NC
100 U N
f
100
p
f Re s
p
1
100
C NC 2
U N 2 f
p 100
L
p
100 4 2 f 2 C
XL
100 4 2 f 2 L C
XC
16. Power Quality 요약
P.Q. Monitoring
Power Quality Solution
Real Time rms전압, 역률,
•Power factor Correction
Voltage regulations
Gas type Capacitor
ITIC(CBEMA) Plot
Tuned & de-tuned filter
Sag, transient
Automatic PFC
• Voltage Disterbance
고조파
에너지 Demand
Surge Protection(TVSS)
Data 수집, 분석
Sag Correction
EVR
•Harmonic Solution
K-factor transformer
Noise cut transformer
P.Q. Consulting
Site survey
현장부하 조사
문제해결
에너지 과소비 대책
Power Quality
Problem
Active-filter
Third harmonic filter
Tuned & De-tuned filter
•무정전
Static transfer Switch
UPS