고조파/써지/노이즈 한국전력기술인협회.

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1 고조파/써지/노이즈 한국전력기술인협회

2 목 차 1장 고 조 파 2장 써 지 3장 노 이 즈

3 1장 고조파

4 즉, 고조파란 "60Hz파형에 들어있는 기본파의 정수배 주파수를 갖는 것"- JIS Z 8106
1. 일반 사항 □ 고조파 정의  제n고조파 : 크기1/n, 주파수 n배   제2고조파～제50고조파 : 120Hz～3000Hz  즉, 고조파란 "60Hz파형에 들어있는 기본파의 정수배 주파수를 갖는 것"- JIS Z 8106

5 고조파전류는 공급전원파형과 부하전류파형 차이만큼 전원측으로 유출
고조파 발생원리와 유출 고조파전류는 공급전원파형과 부하전류파형 차이만큼 전원측으로 유출 

6 □ 왜형파의 분해 / 합성 ▶UNSYMMETRICAL HARMONIC ▶SYMMETRICAL HARMONIC
□ 왜형파의 분해 / 합성       ▶UNSYMMETRICAL HARMONIC            ▶SYMMETRICAL HARMONIC           (2고조파 분해・합성)                         (3고조파 분해・합성) 

7 □ 구형파의 고조파 성분 

8 □ 고조파전류의 유출 및 분류 전원임피던스 ＞ 콘덴서 임피던스 : 고조파 전류는 콘덴서로 유입
□ 고조파전류의 유출 및 분류   전원임피던스 ＞ 콘덴서 임피던스 : 고조파 전류는 콘덴서로 유입  전원임피던스 ＜ 콘덴서 임피던스 : 고조파 전류는 전원으로 유출 

9 □ 고조파전원 및 해석  

10 □ 고조파 등가회로 ⅰ) 고조파 부하에 고조파 정전류원 삽입 (고조파 전류는 전원측으로 유출)
□ 고조파 등가회로   ⅰ) 고조파 부하에 고조파 정전류원 삽입 (고조파 전류는 전원측으로 유출)  ⅱ) 콘덴서, 전원, 고조파 부하를 접지  ※ 고조파 발생원이 1개인 경우 

11 □ 고조파 전류 유출에 의한 고조파 전압 

12 □ 대칭좌표에 의한 고조파 구분 구 분 벡터도 고조파 정상분고조파 역상분 영상분 (3N＋1) : 4, 7, 10,…
□ 대칭좌표에 의한 고조파 구분  구 분  벡터도 고조파 정상분고조파 (3N＋1) : 4, 7, 10,…  역상분 (3N＋2) : 5, 8, 11,…  영상분 3N : 3, 6, 9,… 

13 2. 고조파 발생 □ 변압기 여자전류 차 수 100 15~55 3~25 2~10 0.5~2 1이하 14~50 10~25
2. 고조파 발생    □ 변압기 여자전류  (단위:%)  차 수  열간압연  규소강판  냉간압연  기본파  3차  5차  7차  9차  11차  100  15~55  3~25  2~10  0.5~2 1이하  14~50  10~25  5~10  3~6  1~3 

14 □ 용접기, 아크로, 유도로 등 ARC FURNACE LOAD(Typical) ARC FURNACE LOAD(Maximum)
□ 용접기, 아크로, 유도로 등  ARC FURNACE LOAD(Typical) ARC FURNACE LOAD(Maximum) HARMONICS % OF I HARMONICS % OF I1 （4.3） （1.7）

15 □ 정류기 고조파 발생차수 ◎ 발생차수 h = nP ± 1( n : 1, 2, 3, 4, …, P : 정류기 상수)
□ 정류기 고조파 발생차수  ◎ 발생차수 h = nP ± 1( n : 1, 2, 3, 4, …, P : 정류기 상수)  ◎ 정류기상수와 고조파 발생차수 

16 □ 컴퓨터 등 단상정류장치 

17 □ 안정기(고조파전류 발생량 실측 예) 제품명 전압(V) 전력（Ｗ） 고조파함유량（％） ３고조파 ５고조파 ７고조파 Ａ래피드형
□ 안정기(고조파전류 발생량 실측 예)  제품명 전압(V) 전력（Ｗ） 고조파함유량（％） ３고조파 ５고조파 ７고조파 Ａ래피드형 ２２０ ４０Ｘ１ ４５．３４ ２３．６３ ３．９９５ Ｂ（전자식） ４０ Ｘ１ ２０．３９ ７．６７１ ２１．４ Ｅ（전자식） ３２ Ｘ１ １２．７８ １０．６３ ２．９１４ Ｈ（초크） ２０ Ｘ１ ４．８８４ ０．８１ ０．５５７ Ｉ（초크） １０ Ｘ１ １２．４３ ０．９９１ ０．５５９

18 □ Inverter, UPS 등 ◎ Inverter

19 ◎ ＵＰＳ

20 ３．고조파　영향

21 □ 콘덴서 실효치전류 증가 ⇒ 과열 제5고조파가 발생하여 전원측으로 유출되면 XC(용량성임피던스)는 1/5로 줄고
XL(유도성임피던스)는 5배로 증가 즉, 고조파전류는 임피던스가 낮은 콘덴서 로 유입되어 과열의 원인이 된다 콘덴서 회로 임피던스         ≪ 전원측(변압기) 임피던스 

22 □ 변압기　과열 영상분고조파순환 와전류손실∝Ih2h 표피효과

23 ◎ 변압기 과열 - 변압기의 권선온도 상승 예) 고조파전류를 포함한 등가전류 800A, 기본파 전류 650A인 경우
즉, 기본파전류에 의한 온도 상승보다 약 39% 증가한다. 그러므로, 기본파에 의한 온도상승 Δθ1 은 고조파 전류를 제거하게 되면 약28% 정도 온도상승이 감소하게 된다.

24 ◎ 변압기 출력 감소 i) 변압기 출력 감소 <단상부하> 변압기 출력 감소율
※ THDF : Transformer Harmonics Derating Factor ※ Sine Wave 일 경우 (고조파 포함시는 1이하) 변압기 최대 이용률 Derating Power (KVA) = Name plate KVA × THDF ※ 예] Irms : 500A이고, Ipeak : 1,000A인 경우 즉, 변압기 용량이 70.7%로 감소

25 ii) 변압기 출력 감소 <3상부하(ANSI/IEEE C57-110)> 변압기 출력 감소율
*. PLL-R (pu) = 1+PEC-R (pu) *. PLL (pu) = 1+K-Factor×PEC-R (pu) *. PEC-R : 와류손 K-Factor 13 인 경우 (Mold TR)

26 □ 발전기 과열 ▷발전기 댐퍼 권선 : 댐퍼봉과 단락동판은 변류기의 2차측 권선작용을 하기 때문에 발전기에 역상전류가 흐르면 역상회전자계의 자속이 댐퍼권선회로와 쇄교하여 댐퍼권선 등의 손실이 증가되고 출력을 저하시킨다. ▷ 고조파 전류에 의한 등가역상 전류 : 단, v : 6의 배수, Iv : 고조파전류, I2eq : 등가역상전류 ▷ 역상전류의 허용치 : 100MW이하 돌극기=12%, 터빈발전기=8%이하 ⇒ IEC 34-1/VDE 0530 교류발전기 경우=15%이하 ⇒ JEM-1354

27 □ 공진 (직렬·병렬공진) ◎ 직렬 공진 ◎ 직렬공진에 의한 장해 예

28 □ 병렬 공진

29 ◎ 고조파 전류의 확대 및 병렬 공진( I )

30 ◎ 고조파 전류의 확대 및 병렬 공진(Ⅱ) 공진 고조파 차수 hf

31 □ 중성선에 미치는 영향 ◎ 중성선에 과전류 흐름 ◎ 각 상 및 중성선 전류 실측 사례
최근 그림과 같은 3φ4ω방식이 보편화되고 있는데 중성선에 과대한 전류가 흘러 MCCB Trip, 케이블 및 변압기소손, 유도장해 등의 원인이 된다. ◎ 각 상 및 중성선 전류 실측 사례 변압기용량 R상 S상 T상 N선 3Φ 250KVA 300A 250A 350A

32 ◎ 제3고조파에 의한 중성선 전류 확대 현상 선형부하 경우 비선형부하 경우

33 ◎ 중성점 전위 상승 중성선에 제3고조파 전류가 많이 흐르면 중성선과 대지간의 전위차를 갖는다.

34 ◎ 중성선 과전류 측정 사례 - ○○방송국 저압간선의 R상, N상 전류 파형 각 차수별 고조파 함유율 각 차수별 전류 크기
60Hz R상전류 각 차수별 전류 크기 N상전압 180Hz N상전류

35 □ 역률 저하

36 ◎ 역률 실측 결과(인버터 부하) Non-Linear(비선형) 부하의 고조파 무효분(H)을 제거함으로서 나타나는 역률 개선효과의 실측치 -. 역률 : 77%(고조파 제거전) → 99%(고조파 제거후)로 개선 ※ 고조파 전류 개선전 실측자료 ALL CHANNELS SUMMARY REPORT f=60.03hz (A) ***A*** ***B*** ***C*** ***D*** ***ABC*** V I PF Ithd ※ 고조파 전류 개선후 실측자료 V I PF Ithd

37 □ Flat－Topping ◎ 비선형 부하에 의하여 정현파 전압의 peak 치를 낮추는 현상을 Flat－Topping이라 한다. ◎ AC Flat－Topping은 DC전압을 낮춘다. -. 10% 전압강하 ⇒ 11% 전류상승 ⇒ 23% I2R 손실증가 -. 10% 전압강하 ⇒ 정류기 2차 콘덴서 충전능력 37% 감소

38 □ 계측기/계기 오차 발생 ▶ 전압 및 전류의 유효자속이 기본파에 고조파성분이 중첩되어 비선형
특성을 가지므로 측정오차를 발생하며, Digital인 경우 고조파 성분을 충분하게 분석하지 않으면 측정오차를 발생. ▶ 계측기의 오차변화 한계는 JIS C 1216에 제3고조파가 10% 함유시의 기준이므로 10%를 초과시 오차는 더욱 커지며, ▶ 지시계기의 오차변화 한계는 JIS C 1102에 제3고조파가 15% 함유시의 기준이므로 15%를 초과 할 경우 오차는 더욱 커짐.

39 □ 종합 고조파 왜형률 (THD : Total Harmonics Distortion)
4 고조파 관리기준. □ 종합 고조파 왜형률 (THD : Total Harmonics Distortion) ▶ 전압(전류) THD는 다음 식에서와 같이 고조파 전압(전류)실효치와 기본파 전압(전류) 실효치의 비로서 나타내며, 고조파 발생의 정도를 나타내는데 사용된다. 여기서 V1 : 기본파전압, V2, V3, … , Vn : 각 차수별 고조파 전압 여기서 I1 : 기본파전류, I2, I3, … , Vn : 각 차수별 고조파 전압

40 □ 전압 THD 규정 ▶ IEEE Std. 519 ▶ 한국전력공사 전기공급 약관

41 □ 고조파 전류 관리기준 ▶ IEEE Std. 519 (120V~69,000V, 단위:%)
* 짝수 고조파의 관리기준은 상기 홀수 고조파의 25% 이내          ISC : 단락전류,    IL : 부하전류,    h : 고조파차수          TDD(Total Demand Distortion) : 

42 □ 고조파 전류 허용한도(국내 기준) ▶ KSC 4310 : 무정전 전원장치(UPS) - 1999년 개정판에 신설

43 5. 고조파 대책 

44 5.1 능동필터(Active Filter)

45 ◎ 능동 필터(Active Filter) 설치 후 개선 사례
< 개선 전 > < 개선 후 >

46 □ Electro-Magnetic Device
◎ 위상변위(Phase Shift) 장치 A, B Feeder 중 B Feeder에 위상변위장치를 설치하면 A, B Feeder 위상을 30° 차이가 나게 하여 아래의 그림인 벡터도와 같이 5, 7 고조파는 서로 상쇄되도록 되어 있다.

47 ● 위상변위 장치 개선 개선후 개선전

48 □ 중성선 고조파 저감장치: NCE(Neutral Current Eliminator)
ZHED(Zero Harmonic Eliminator Device) 철심에 다중의 권선이 감겨져 있으며 2개의 위상이 서로 반대로 결선되어 있다. 즉 영상분 임피던스가 낮은 일종의 Zig-Zag결선이다.

49 ◎ NCE/ZHED 설치시 영상분 고조파 흡수
개선전 각 상의 기본파는 벡터합이 되어 0으로 되지만 각상의 영상분 고조파(3, 6, 9 고조파)는 중성선에선 0이 되지 않고 스칼라 합으로 나타난다. 개선후 이러한 이유로 빌딩의 3상 4선식 중성선에는 많은 전류가 흐르게 되어 대지전위 상승 및 과열, 소손 등의 원인 된다. ♠ 중성선 말단에 NCE를 설치하여 영상분 고조파는 NCE를 통하여 순환 되도록 하고 3상4선식 중성선에는 역상 및 정상분 고조파만 흐르게 한다.

50 ● 중성선 고조파 저감장치 개선 사례 ★ 기타 효과 1) MCCB 발열 감소
2) 중성선의 발열 감소(손의 감촉으로 느낄 수 없음 → 찬 느낌) 3) 변압기의 발열 및 소음 감소 4) 역률 증가 5) 전력손실 감소

51 □ 기 타 ◎ 변환기의 다펄스화(Ⅰ)

52 ◎ 변환기의 다펄스화(Ⅱ) ▶12상 변환장치에서 A Bank 6상 변환장치는 Y -Y결선
B Bank 6상 변환장치는 △-Y결선 A Bank와 B Bank위상은 서로 30O 차이가 있다. ▶전류 IA와 IB의 벡터합은 5, 7 고조파가 상호Cancel되어    고조파가 현저히 개선된다.  (단위: %) 

53 ◎ 단락용량 증대

54 각 변압기 용량 = 각 설비용량의 합 × 수용률 ◎ 기기용량 선정시 고려사항 ● 변압기 용량 선정
※ 고조파 부하가 많을 경우 고조파 전류 중첩, 표피효과에 의한 저항 증가에 따라 I2R이 크게 증가하므로 용량을 크게 하거나 발주시 "K-Factor"가 고려되도록 하여야 한다.

55 ● K-Factor : 비선형부하들에 의한 고조파의 영향에 대하여 변압기가
과열현상 없이 전원을 안정적으로 공급할 수 있는 능력 (※ ANSI C57-110)

56 ● 발전기 용량 선정 ▷등가역상전류 I1: 기본파 전류, I5f : 제5고조파 전류, I7f : 제7고조파 전류
▷ 발전기에 고조파 부하가 있는 경우 필요한 용량 배수는 다음과 같다

57 ● 콘덴서용 직렬리액터 설치 ◆ 6% 리액터 설치 TR 2차의 제 3, 5고조파는 △권선을 통과하면서 5고조파만 존재 5고조파에 공진하는 L값 즉 4%임  합성 임피던스를 유도성으로 하기 위하여 여유있게 6%로 함.

58 ◆ 13% 리액터 설치  3고조파에 공진하는 L값 즉 11%임 합성 임피던스를 유도성으로 하기 위하여 여유있게 11∼15%로 함. L값은 계통의 고조파 차수에 따라 변함

59 즉, 용량성이 되어 전원측의 전류확대 원인이 된다.
◆ 3고조파 발생계통의 콘덴서에 6% 리액터가 설치되어 있으면? 등가회로 → 합성 Z = j18 - j33 = -j15 즉, 용량성이 되어 전원측의 전류확대 원인이 된다.

60 ◆ 리액터 설치시 콘덴서 단자전압 13% 리액터 → 115% 상승 실제 : TR Tap, 리액터, Lead운전등으로 전압상승 → 콘덴서 소손(Qc ∝ V2)

61 ◆ 콘덴서 유입전류 검토 사례 <계통도> <고조파 등가회로> 콘덴서150kVA (부하 고조파 실측치)

62 ★ 콘덴서 유입전류 비교 예 ※ 13% 직렬리액터가 제일 안전함.(직렬리액터 미설치시 위험)

63 ★ 고압 진상콘덴서 관련 JIS 개정 내용(1998년)
▷ 개정 목적 및 내용 - 야간·무부하시 고조파 전류 확대 ⇒ 리액터 설치 의무화 - 직렬리액터 설치시 정격전압, 정격용량 변화 - 고조파 발생량이 많은 경우 직렬리액터를 설치해도 과열·소손 ⇒ 고조파 내량 강화 ▷ 콘덴서, 직렬리액터 정격 - 콘덴서 정격전압 - 콘덴서 용량 - 리액터 정격전압 - 리액터 정격용량

64 □ 고조파 상시감시(@TOM-M 설치) ◎ 폐쇄배전반 전력 분석 시스템
: Advanced Total Solution for MCSG-Management) -수변전설비의 전력상태, 전력기기 사용 및 이상상태를 PC 및 InterNet 등 On-Line 으로 종합 관리할 수 있는 전력감시(예방진단) 시스템. - 전류 및 전압 등을 True RMS 값으로 측정하기 때문에 고조파성분을 측정 가능. - 고조파 부하용 변압기 및 발전기의 용량 산정과 최대사용가능 용량을 확인 가능. - 전력 계측기능 : 전압, 전류, 무효전력, 유효전력, 역률 등 32개 항목 계측 - 고조파 계측기능 : VTHD, ITHD, ITDD 등 고조파 16개 항목 계측 - 진단 계측기능 : 큐비클 내부 부분방전 진단 2개 항목 표시

65 …… ◎ 장비 구성도 RS-485/RS-232 Converter RS-485 RS-232 Display부 #1
Management부 #1 Display부 : 판넬 전면에 부착 Management부 : 판넬 내부에 부착 RS-485/RS-232 Converter : 감시실에 설치 Display부 #1 Management부 #1 ……

66 ◎ 주요 특징 ㅇ 전력관리 알고리즘을 CPU에 내장. 부대 장비없이 전력감시 제어 구성 ㅇ 전력관리 프로그램에 의한 상시 감시
ㅇ 일일 전력데이터 Fax. 자동 송부 및 사고 발생시 긴급 호출 기능 ㅇ 고조파 분석 기능 - VTHD, ITHD, ITDD 등 각 고조파 차수별(1 ~ 11차)로 분석 가능 ㅇ 변환기(T/D) 없이 전류, 전압 신호선 연결 가능(CT, PT에서 직접 연결) ㅇ 기존 광각형 계기와 호환 가능 ㅇ 통신방식 : RS-232/485 ㅇ 현장 전기실의 각 배전반 판넬에 설치하고 통신선을 이용하여 감시실에서 진단 프로그램에 의한 원격감시로 효율적 관리 가능 ㅇ Display부와 Management부가 별도로 분리되어 판넬에 장착시 편리

67 ◎ 표시상태 - 단 상 - 3 상 ㅇ 상전압(E) ㅇ 선간전압(V) ㅇ 전류(I)
ㅇ 유효전력(P) ㅇ N상 전류(I) ㅇ VTHD:% ㅇ ITHD ㅇ ITDD ㅇ N상의 ITHD - 3 상 ㅇ 주파수(F) ㅇ 3상 평균전압(V3Φ) ㅇ 3상 평균전류(I3Φ) ㅇ 3상 유효전력(KW3Φ) ㅇ 3상 역률(PF) ㅇ 기본파 역률(dPF) ㅇ 중성선 전류(IN) ㅇ 피상전력(S3Φ) ㅇ 무효전력(Q3Φ) ㅇ 왜곡전력(H3Φ) ㅇ 유효전력량(kWH) ㅇ 무효전력량(QH) ㅇ Demand(Dmd) ㅇ PEAK(PEAK) ㅇ Tr 온도(TrT) ㅇ MCSG 온도(PNLT) ㅇ UNB(UNB) ㅇ K-Factor(KF) ㅇ THDF-1(TR-1) ㅇ THDF-3(TR-3) ㅇ Gh(Gh) ㅇ VTHD(VTHD) ㅇ ITHD(ITHD) ㅇ ITDD(ITDD) ㅇ NTHD(NTHD) ㅇ 큐비클 내부 부분방전의 상태(PD)

68 2장 써 지

69 1. 국내 및 국외의 뇌우 상황 □ 국내의 뇌우상황 (1988년 7월 한국전력공사 기술연구원) * 뇌일수 실적 (20년도분) 

70 □ 일본의 뇌우 상황 - 일본의 뇌우 일수는 대체로 세계의 평균 - 가장 많은 지역은 35-40일
(주) 다 : 주위 등의선에 나타난 IKL보다 큰 IKL임을 나타낸다. 소 : 주위 등의선에 나타난 IKL보다 작은 IKL임을 나타낸다. * 년간뇌우일수(IKL) 분포도

71 2. 뇌 써지의 방전특성 □ 뇌 과전압의 정의 1) 직격뢰
문자 그대로 선로에 뇌가 직격했을 때 발생하는 과전압으로서, 유입전류, 발생전압 모두 상당히 큰 것이 된다. 직격뢰란 선로의 상도체만이 아니라 콘크리트주, 가공지선 등 모든 구성물에 낙뢰한 경우를 지칭한다. 2) 유도뢰 선로 근방의 수목이나 건조물 등에 낙뢰한 경우 뇌방전로를 흐르는 전류에 의한 선로 근방의 전자계 급변으로 생기는 과전압이다. 3) 선로로의 뇌전류 역류현상 구조물에 낙뢰 되었을 때 그 구조물의 접지저항이 높으면 접지전위 상승이 커지고 전원을 공급하고 있는 선로측으로 뇌전류의 일부가 침입하는 일이 있다. 이 경우 구조물측의 전기회로 구성에 따라서는 건조물측에 뇌 피해 없이 선로측에만 사고가 발생하는 경우도 있다.

72 ◎ 역류뢰 관측 예

73 □ 유도뢰의 발생양상 ◎ 유도뢰의 관측결과와 수치해석 결과 비교 * 일본의 전력 중앙연구소 (1982)

74 ◎ 유도뢰에 대한 피뢰기와 가공지선의 병용효과 - 피괴기와 가공지선이 병용된경우 피뢰기의 시설 간격이 짧으면 피뢰기
만 설치된 효과와 유사함.

75 □ 뇌써지 방전특성 ◎ 공기중 플래시오우버 예상 - 공기중 과전도체와 접지물 또는 피보호물과 이격거리를 결정
- 침대침 갭에 교류전압을 인가한 경우 불꽃전계강도는 약 5[kVmax/cm] VS= L [kVmax] 침대침 갭의 교류 불꽃방전

76 ◎ 전기적 효과 - 도체에 낙뢰전류가 흐르면 도체전위상승 - 여기서 i = 30[kA] R = 10[Ω] L = 30[μH] = 10[kA/μs]라고하면 U=30×103×10+30×10-6×10×109=600[kV] 이때 근방에 어떤 물체가 근접해 있으면 역플래시 오우버 하게됨. - 따라서, 역플래시-오우버에 대한 안전 이격거리는 다음과 같이 계산 할 수 있음. ∴ ( 600 [kV] / 5 [kVmax/cm] )×안전율[1.3정도] ≒1.56[m] - 피뢰도선은 전등선, 전화선 또는 가스관에서 1.5[m]이상 이격하고, 1.5[m] 미만에 접근하는 전선관, 철관, 철사다리 등의 금속체는 접지할 것

77 ◎ 뇌 써지 유입에 따른 대지중 방전현상

78 □ 뇌 써지의 침입경로와 분포 ◎ 전원선으로 침입하는 뇌 써지

79 ◎ 낙뢰에 의한 뇌 써지

80 □ 저압측의 뇌 써지 분포 ◇ 저압측에 발생하는 뇌써지의 주요 발생요인 - 직격뢰(저압 배전선으로의 직접적인 낙뢰)
- 유도뢰(근방 낙뢰에 의한 저압측으로의 유도) - 고압측 뇌 과전압이 원인이 되어 저압측으로 침입하는 경우 - 저압측에서 플래시 오우버를 일으킬 우려가 있는 전압 10kV : 1할정도 - 5kV 이하 : 7할 정도

81 4. 써지 대책을 위한 기본 계획수립 □ 기본 계획수립 절차 - 외부뢰 : 피뢰설비로 방호 - 내부뢰 : 써지 프로텍터로 방호

82 5. 써지 보호대책 □ 써지 보호장치의 특성 예 ◎ 보통급 보호소자
- 가스충전형 써지전압 보호장치 : 10(kA)까지의 써지전류 방전 - 응답시간[nS] - 시간의존 점호 동작특성 : 정격전압이 보호레벨로 설정(UZ2) - 고에너지의 과도 이상전압(UZ1) : 정격전압의 10배인 지점 주) 고에너지 과도 이상전압이 지속되면 소자의 파열을 초래하므로 소자전단에 안전퓨즈를 설치하여 속류를 신속히 차단해야 함.

83 ◎ 중간급 보호소자 -중간급 보호소자는 고에너지 전류가 방전된 후 잔류전압의 레벨에서 동작
-2.5(kA)∼5(kA)범위까지의 중간급 보호를 수행 -바리스터 소자는 열화 및 높은 커패시턴스의 영향 때문에 30㎑ 이상의 고주파 데이터 전송 케이블에서 적절하지 않음.

84 ◎ 정밀급 보호소자 - 중간급 보호소자의 사용에도 불구하고 민감한 전자회로는 써지에 대한 절연강도가 약함.
- 따라서, 정밀급 보호가 필요함(억제형 다이오드) - 동작시간 : 수 pS이내

85 ◎ 복합 보호회로 - 개별 보호소자의 장점을 활용하고 단점을 제거한 것임.

86 (Surge Voltage Protection Zones)
□ 써지 보호장치의 설치기준 및 대책 ◎ 써지 전압 보호구역 구분 써지 전압 보호구역 (Surge Voltage Protection Zones) Zone 0 직격뢰 영향구역  뇌격전자계 펄스(LEMP)에 대한 비차폐 구역  (LEMP : Lightning Electro-Magnetic Pulse)  Zone 1 공간전자계 펄스(SEMP) 개폐, 국부적 뇌격 전류 경로에 의한 고에너지 과도 이상현상 영향구역  (SEMP :Space Electro-Magnetic Pulse)  Zone 2 공간전자계 펄스(SEMP) 개폐, 정전방전(ESD)에 의한 저에너지 과도 이상현상 영향구역  (ESD : Electro Static Discharge)  Zone 3 전자계 차폐 청정실(EMC Clean Room) 

87 ◎ 써지전압 보호구역의 구분 및 배치(예) * 모든 전기적 접속 및 도전성 접속은 접지모선에 연결되어 등전위화
◎ 써지전압 보호구역의 구분 및 배치(예)    * 모든 전기적 접속 및 도전성 접속은 접지모선에 연결되어 등전위화     * 주 등전위 접속은 써지전압 보호구역 Zone 1의 인입구에 설정 

88 ◎ 등전위화 개념 

89 ◎ 뇌 방호소자와 절연 트랜스의 조합

90 ◎ 접지극의 써지 임피던스 저감

91 3장 노이즈

92 1. 노이즈 개요 - 전력설비 동향 (복잡화, 첨단화, 자동화, 고정밀화)
- 전력설비 동향 (복잡화, 첨단화, 자동화, 고정밀화)  비선형부하의 증가 ( 2000년초에는 설비용량의 60%)  - Power Quality 요구    A. Sags                      E. Harmonic Distortion     B. Transients               F. Flicker    C. Swells                   G. Surge    D. Interruptions  - Trouble 발생 

93 □ 용어의 정의 전자파란 전기장과 자기장의 세기가 주기적으로 변화됨에 따라 에너지가 전파되는 파동현상
에너지가 전파되는 파동현상 1) EMI(Electromagnetic Interference) : 전자파 장애 방사 또는 전도되는 전자파가 다른 기기에 기능 장애를 주는 것 2) EMC(Electromagnetic Compatibility) : 전자파 적합성 전자파를 주는 측과 받는 측의 양쪽에 적응하여 성능을 확보 할 수 있는 능력 3) RFI(Radio Frequency Interference) 무선 주파수 간섭을 말하며 10KHz ~10GHz 사이의 대역 4) ESD(Electrostatic Discharge) : 정전기 방전

94 5) EMS(Electromagnetic Susceptibility) : 전자파 민감도
전자파에 대한 민감한 정도를 말한다(전자파 내량) 6) Common Impedance Coupling Noise 접지선이 고주파에서 임피던스를 갖기 때문에 생기는 잡음. 7) Electrostatic Coupling Noise 용량결합에 의해 발생하는 잡음. 8) Electromagnetic Coupling Noise 상호 인덕턴스에 의해 발생하는 잡음.

95 □ 전자방해의 종류 1) 전원선에 침입하는 저주파 방해 ( 전압변동, 불평형, 주파수변동 등)
2) 신호선에 침입하는 저주파 방해 3) 전원선, 신호선에 침입하는 과도 및 고주파 방해 ① 퓨즈 용단서지 ② 개폐서지, 뇌해, 계통사고 서지 (1/50㎲ ~ 8/20㎲) ③ 과도 현상에 의한 감쇄진동파 (30kHz ~ 2MHz) 4) 정전기 방전 5) 방사자기 방해 ① 뇌격에 생기는 펄스자계 (8/20㎲) ② 개폐조작에 의한 감쇄 진동자계 (0.1~1MHz) 6) 방사 전자기 방해 ① 라디오, 텔레비전 방송 (0.5 ~ 900MHz) ② 통신 (0.01 ~ 470MHz) ③ 레이더 (1,000 ~ 10,000MHz) ④ 용해로, 용접기, 유도로 (50 ~ 150kHz) ⑤ 형광등(50 ~ 150kHz)

96 7) 노이즈 원에서 본 Power Quality Problems

97 □ 노이즈 발생 경로 1) Surge 침입 2) 용량 결합 & 상호유도 결합
3) 잡음원의 형태와 거리에 따른 관계 ) GROUND LOOPS

98 5) 콜렉터와 방열판 사이의 부유용량에 의한 샤시로 전류흐름 6) 낙뢰 침입

99 7) 접지 루프 전류 (연산증폭기에서의 접지 루프전류)
- 연산증폭기 출력 신호전류는 부하 RL에 공급 되어 접지에 흐름 - C1을 통과하여 증폭기의 한 단자에 복귀 - R2의 접지와 부하 RL의 접지가 동일 전위로 될때, R2의 접지와 Vcc 단자사이에는 V1인 전위차 발생 - V1 전위차가 있으면 NI 단자와의 사이에 V2의 오차전압이 생겨 이 증폭기의 이득 오차가 발생 - 이와 같은 현상은 특정회로에 국한하지 않고 디지털 회로에서도 발생할 수 있음

100 □ 노이즈 침입 모드

101 1) 10 ~ 150 kHz 2) 150 kHz ~ 10 MHz - 전원 회로에서 방해파의 대부분은 스위칭 레귤에이터에 의함
스위칭 레귤에이터에 의함 (대칭성분) 2) 150 kHz ~ 10 MHz - 이 주파수 대역이 되면 비대칭 (커먼모드) 성분 노이즈 - 노이즈의 전반이 주로 전원선을 전반하는 도체 노이즈

102 3) 에너지 상호변환 - 노이즈의 침입모드 분류 도체를 통과하는 노멀모드와 공간을 전파하여 기기 또는 내부회로의 부유용량(C성분)과 대지간으로 침입하는 커먼모드 노이즈 - 노멀모드와 커먼모드 노이즈는 상호에너지 변환 (전자계가 함께 공존하는 파동현상)

103 2. 노이즈 대책 기술 대책수립절차와 발생요인 EMI의 오동작 원인 · 고주파 노이즈 · 정전기 · 낙뢰 · 순시정전
· 고주파 노이즈 · 정전기 · 낙뢰 · 순시정전 · 급격한 전압변동 · 개폐서지 · 대전류 결합 · 계통고장 · 기 타

104 □ 노이즈 방지 기본 대책 - EMI를 방지하기 위한 본질적인 방법은 전자파 내성을 높일 것 - 불요전자파에 대한 대책
· 필터에 의한 방법(R, L, C 요소) · 차폐에 의한 방법(수동, 능동 차폐) · 흡수에 의한 방법 · 접지에 의한 방법

105 ◎ 케이블 실드 1) 실드 재질의 선정이나 처리 방법이 불충분한 경우 2) 노이즈가 복사에 의해서 공간에 누설되고 있는
개소가 딴 곳에도 있는 경우 3) 전원 라인에 노이즈가 누설되고 있는 경우 등은 실드가 되어 있어도 충분한 효과를 얻을 수 없다.

106

107 ● 차폐방법에 따른 복사노이즈의 방지효과 비교 파형

108 ◎ 노이즈 컷 트랜스 효과

109 ◎ LC 필터 ● 복수의 LC필터가 조합되는 회로에서는 효과적으로 각각의 상수가 합성된 전혀 다른 필터가 생기며 노이즈 방지대책이 크게 바뀐다.

110 ● LC 필터를 외부 부착할 때 도전부가 노출되어 있으면
간에 복사되어 버려 효과를 얻지 못하는 경우가 있다.

111 ● 복사 노이즈 발생 예

112 ◎ 접 지 1) 공통 임피던스 최소화 2) 고주파영역에서 접지 저항값은 수 Ω이하가 바람직함 3) 접지선은 최대한 짧고 굵게 한다. (접지간선100sq) 4) 대지간 접지 루프를 최소화 5) 저주파 대역에서는 1점 병렬 접지가 바람직함(1MHz 이하) 즉, 접지선의 직류저항이 수10(mΩ)인 것이라도 1~10[MHz]에서의 고주파 임피던스는 수 100(Ω)~수(kΩ)이 되기 때문

113 ● 2점 접지를 할 경우 접지점간의 전위차 Vac에 의하여 Iac가 흘러 기기간의 인터 페이스 노이즈가 발생

114 ● 1점 직렬 접지를 할 경우 - 기기의 수가 많을 수록 접지 임피던스가 증가 - 기기 C에서 본 접지 임피던스는 Za+Zab+Zbc - 기기 a, b의 노이즈가 기기 C에 영향을 준다.

115 ● 1점 병렬 접지를 할 경우 - 고주파에서는 접지도체의 임피던스에 의해 접지 임피던스가 증대됨과
동시에 접지선간의 유도결합이 일어나므로 1 MHz 이하의 저주파에서 바람직

116 ● 다점접지 시스템 - 설비내에 다양한 종류의 전자시스템 또는 보조시스템이 있을 경우에 적합 - 10 MHz 이상의 고주파대역

117 3. 노이즈 대책 사례 □ 노이즈 컷 트랜스 설치로 전원선에 노이즈가 누설되는 것을 방지함.

118 □ 노이즈 대책 사례 (B 사) 1) 개 요 핵심공정의 자동화 설비에서 통신 Error에 의한 Halt, Upset 등 조업중 원인 불명의 고장으로 인하여 생산이 중단 되는 사태가 발생하므로 노이즈를 측정, 분석하여 대책을 수립 실시함. 2) UPS전원 One-Line Diagram

119 3) RPC (Remote Peripheral Control) 전원 분석 가. Status Report : 순간 측정치
H - N 전 압 N - G H상 전류 G상 전류 220.1 Vrms 4.3 Vrms (Sine Wave형에 HFN가 겹침) 0.7 Arms 1.0 Arms 누설순환전류

120 나. High Frequency Noise 4.9 Vpp∼ 0.8 Vpp∼ 6.1 Vpp 1.7 Vpp H - H N - G
비 고 4.9 Vpp∼ 6.1 Vpp 0.8 Vpp∼ 1.7 Vpp 관리기준은 5Vpp이하이나 UPS로부터 먼거리에 있으므로 방사, 전도 노이즈가 전원을 타고 들어옴. 대책 : Noise Cut TR 설치로 차단

121 다. Impulse 발생 H-N : 3회 발생 크기 : 20 Vpk (주 : 크기는 작으나 상위단에서 On-Off S/W에
의해 들어옴)

122 4) 대책 가. 전원접지 개선도

123 나. RPC Noise Cut TR 설치 및 접지 개선도

124 4. 접지 System - 접지목적 - 접지계 특징 - 노이즈에 대한 접지계
전력전자 소자의 광범위한 사용으로 EMI제어 대책의 일환으로 접지의 목적도 다양화 - 접지계 특징 · 접지설비는 전기저항, 정전용량, 인덕턴스등의 성분으로 구성 · 대지를 전위의 기준으로 하고 있음 · 대지는 어떤 지점에 낙뢰가 떨어지면 급격한 전위상승 · 접지 전위는 항상 0 전위를 유지하는 것이 아니라, 시간에 따라 변동 · 접지계 주변의 토양은 습도, 온도, 매설상태, 계절적 변화에 따라 항상 변동 - 노이즈에 대한 접지계 · 신호 주파수가 높아지면(노이즈에는 고주파 성분이 포함) 접지계가 갖는 인덕턴스 성분을 무시할 수 없음. · 따라서, 접지계 임피던스를 낮추기가 곤란함.

125 기기 A와 B사이 외부 노이즈원 IR에 의한 Coupling
(Ground loops) - VN = IR ZR 발생 대지면 기기A와 기기B 사이에 고주파 대역에서 Equal-Potential이 유지가 곤란할 수 있음

126 - 1점 병렬 접지 방식 - 1MHz 대역에서 Single Point Ground의 Equal Potential

127 - 1점 병렬 접지 방식 - 기기와 Power Grounding Points 는 동일함

128 - 주파수 대역에서 접지선의 임피던스 변화 특성

129 Multi-Point Ground [Conductor Length <0.1 ]

130 ① Conductor Length < 0.1
② 즉, 어떠한 선로가 다음을 만족할 경우는 저주파 영역으로 취급할 수 있다. 여기서,  : 전송선로의 길이 (m)           : 노이즈 파장 (m)         V:  노이즈 전파속도 (m/s)         f : 노이즈 주파수 [Hz]  ③ 따라서, 노이즈 주파수 영역이 1MHz 일 때와 10MHz일 때의 파장을 비교하면? ④ 다점접지 방식의 경우 Grounding Conductor Length < 0.1  를 요구하므로 접지선의 길이가 3m이하일 때, 임피던스 특성에 있어서 10MHz 고주파 영역도 저주파 영역으로 취급되어지는 것처럼 보여진다.

131 - Bonding 도체의 길이는 짧을 수록 좋은가?

132 Impedance of effective Signal Reference Grid

133 Typical Power System with Conventional Grounding and Standard
- 접지 Center는 1개소 임 - 누설전류, 또는 Stray 전류에 의한 접지루프가 보여지는가?

134 Proper Neutral to Ground Bond.

135 - SENSITIVE LOAD일때 Isolated Ground를 사용함.
Safe Isolated Ground - SENSITIVE LOAD일때 Isolated Ground를 사용함.

136 Unsafe Isolated Ground

137 - Unsafe Isolated Ground의 경우 어떤 문제가 발생할까?
- 차단기가 동작하는데 소요되는 시간은 어떠한가? Simple Calculations   When will breaker trip?    Breaker will never trip   

138 □ 최근 접지 동향 종래의 접지방식은 다음과 같은 설비에서 접지 수요에 대응하기가 어려우며,
□ 최근 접지 동향  종래의 접지방식은 다음과 같은 설비에서 접지 수요에 대응하기가 어려우며,    ① 빌딩의 오토메이션화 및 인텔리젼트화    ② 방송국, 통신 기지국, 통신 교환국사    ③ 반도체 공장   ④ 병원설비    ⑤ Plant 설비  따라서, 최근의 접지기술 동향을 소개하면 다음과 같다.  ① 환경성 및 안전성 향상  ② IEC 에서는 접지시스템과 밀접한 관계가 있는 등전위 본딩을 강조하고 있으며 그 범위를 확대하고 있음  ③ 전위차 최소화를 위해 상호 본딩 (미국 NEC 250)  ④ 빌딩내의 접지간선 계통은 통합, 인프라화되어 접지 수요에 신속한 대응   ⑤ 서지 임피던스 저감이 요구되는 경우는 침상봉, XIT접지극 등 특수한 시공법으로 저감. 

139 이제 NEC 250 규정의 접지시스템 연결 방법을 살펴보기로
하자.  통합, 인프라화됨을 볼 수 있다. 

140 - 통합접지 시스템의 효용성 ① 안정된 기준 전위 안정된 기준접지 전위점을 확보하므로써 전위차 극소화 및 부동전위 억제 ② 인프라화되는 전력계통 구내의 접지 간선 계통은 통합, 인프라화되어 용도별로 접지 간선 계통을 구분시킬 필요가 없음. 접지 수요에 대해 신속한 대응, 계통 관리 능력 향상 등을 도모 할 수 있음