고조파 (高調波:Harmonics) ABB PTDT KOREA.

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1 고조파 (高調波:Harmonics) ABB PTDT KOREA

2 고조파(高調波:Harmonics) 정의 - 60Hz 파형에 들어 있는 기본파의 정수배 주파수를 갖는것

3 고조파 발생 원리와 흐름 고조파 전류는 공급 전원 파형과 부하 전류 파형 차이 만큼 전원측으로 유출

4 고조파 함유 율과 파형의 찌그러짐

5 선형부하(Linear load), 비선형 부하(Nonlinear load)

6 고조파 발생 변압기 여자 전류 용접기, 아크로, 유도로 등 SCR 교류 위상 제어 AC/DC 정류기
컴퓨터, 모니터 등 단상 정류 장치 인버터(Inverter), UPS등 안정기

7 고조파 발생 변압기 여자 전류

8 고조파 발생 용접기,아크로,유도로 등

9 고조파 발생 SCR 교류 위상 제어

10 고조파 발생 AC/DC 정류기

11 고조파 발생 AC/DC 정류기

12 고조파 발생 컴퓨터 등 단상 정류 장치

13 고조파 발생 Inverter

14 고조파 발생 UPS

15 고조파 영향 전기 설비 과열, 소손 변압기 출력 감소 공진(직렬, 병렬 공진) 중성선에 미치는 영향 역율 저하 전력 손신
소음, 진동 누전 차단기 오 동작 계측기/ 계기 오차 발생

16 고조파 영향 전기 설비 과열 , 소손 콘덴서 실효치 전류 증가  과열

17 고조파 영향 변압기 과열

18 고조파 영향 변압기의 동손 증가 기본파 전류에 고조파 전류가 포함 되면 코일의 표피 효과에 의해 동손 증가.
* 즉, 고조파에 의해 변압기의 동손 증가하여 전력 손실 및 온도 상승, 용량 감소 초래

19 고조파 영향 변압기의 철손 증가 * 고조파에 의해 변압기 철손도 증가하여 권선의 온도 상승 초래
고조파 전류에 의해 히스테리시스 손실 및 와전류 손실 증가한다. * 고조파에 의해 변압기 철손도 증가하여 권선의 온도 상승 초래

20 고조파 영향 변압기 출력 감소

21 고조파 영향 변압기 출력 감소

22 고조파 영향 중성선에 미치는 영향 중성선에 과전류 흐름 각 상 및 중성선 전류 실측 사례

23 고조파 영향 제 3고조파에 의한 중성선 전류 확대 현상 케이블 중성선 및 MCCB 과열 통신 유도 장해 중성점 전위 상승

24 고조파 영향 소음, 진동

25 고조파 관리기준 총합 고조파 왜형율(THD) 전압 THD 규정 등가 방해 전류 고조파 전류 관리 기준
고조파 전류 허용 한도(국내 규정)

26 고조파 관리기준 총합 고조파 왜형률(THD:Total Harmonics Distortion)

27 고조파 관리 기준 전압 THD 규정 IEEE Std. 519 한국 전력 공사 전기 공급 약관

28 고조파 관리기준 등가 방해 전류(EDC:Equivalent Disturbing Current)

29 고조파 관리 기준 고조파 전류 관리 기준 IEEE Std. 519

30 고조파 관리 기준 고조파 전류 허용 한도(국내 기준)

31 고조파 대책 능동 필터(Active Filter) 수동 필터(Passive Filter)
Electro-Magnetic Device 위상 변위(Phase Shift) 장치 중성선 고조파 저감 장치(NCE,ZHED) 기타 변환기의 다펄스화 단락 용량 증대 기기용량 선정 고려 콘덴서용 직렬 리액터 설치 리액터 설치 PWM 방식

32 고조파 대책 변압기 용량 선정 “K-Factor “란 무엇인가?

33 고조파 대책 (K-FACTOR 변압기) K- Factor 변압기란?
고조파가 함유된 부하 전류 - Harmonic Current - 를 고려하여 설계, 제작된 변압기. IEEE/ANSI C57 110에 변압기의 과열을 방지하기 위하여 사용중인 부하전류에서 각 차수별 고조파 전류 함유량을 측정하여 변압기 최대 허용 용량을 결정(저감)하는 계산 Factor를 규정함. (K-Factor 자체는 언급이 안됨) 규정된 Factor = Constant = C-Factor ( Centigrade/온도 와 혼돈 가능 )  Konstant = K-Factor UL 1592에 고조파 함량의 크기에 따라 K-Factor를 등급화 (K = 4, 9, 13, , 30, 40, 50 ) 배전급 소형 제어 전압용 변압기 (일반적인 경우임)

34 K-FACTOR 변압기 국내.외 동향 (해외)
미국 : ‘86년 IEEE/ANSI C57 110에 고조파 전류에 의한 변압기의 용량 계산 방법 규정. ‘94년 UL 1562 에 K-Factor 정의 및 시험 후 환산 방법 규정. ‘98년 기존의 Rectifier Transformer 규격에 K-Factor를 첨가하여 개정 중. (ANSI C57.18 Draft) 현재는 K-Factor Transformer 가 범용화 유럽 : 변압기에 대해 규정된 규격은 없으나 각 Maker 별로 K-Factor를 적용 설계 동남아: 아직 인지되지 않았으며, 특별히 규정되지 않음 (Singapore 만 현재 Boom이 조성되고 있음) (국내) 배전급 변압기에서 크게 인지되지 않음(외국사가 Engineering할 경우 가끔 언급됨) 고조파에 대한 수용가의 관심도 증가 추세

35 K-FACTOR 변압기 고조파(Harmonic) 전류, 전압이 변압기에 미치는 영향
권선의 Eddy Current Loss의 증가로 과열 소손 Core Loss , 이상 소음의 증가 및 권선 절연 소손 Frame 및 기타 부위에 Stray Loss의 증가로 과열 중성선 도체의 과열 (3고조파 영향)

36 K-FACTOR 변압기 사례(1) (창원 N. 알미늄 사) 변압기 사양 : 3상, 4500kVA, 22.9kV-380/220V
변압기 부하 : SCR ( 알미늄 용해로 ) 발생 현상 : 낮은 부하(40%)에서 높은 권선 온도 및 과다 소음 발생 현상 점검 (고조파 전류 측정 및 분석) - Total Current Harmonic Distortion : 31.5% - K-Factor : 6.55 (계산치) -> K=9 - 해당 변압기의 허용 용량 : Max. 70% (3150kVA) -> 60% 문제점 - 변압기 발주 시 특수 부하에 대한 정보 전달 부족 - 변압기 영업 사원이 수주를 위해 일반 변압기로 가격 경쟁하여 수주 및 Order 처리 현황 - 전 부하 사용 불가 (낮은 부하에서는 문제 없음) - 소음 및 진동 감소 불가 (주기적인 점검 필요)

37 K-FACTOR 변압기 사례(2) (외국 XX 사)
환경 : Office Building으로 각종 사무기기 사용 , 3상 4선으로 전원 공급 현상 : 변압기의 소손 사고 / Circuit Breaker의 잦은 Trip / 전기 Connecter 소손 (과부하로 발생되는 현상과 동일하나, 전류 측정 시 과부하는 아님) <현상 점검> - 3상 전류 측정 하였으나 부하 평형 상태임. - 중성선의 전류를 측정한 결과 선전류와 거의 동일한 전류가 흐름(파형은 그림1과 같음) - 선전류의 고조파 분석 (THD = 32% , 3고조파 = 31%, 그림2) - 사용되는 비선형 부하(PC, 복사기 등..)를 제거하면 중성선에 전류가 흐르지 않음. <그림 1> <그림 2>

38 K-FACTOR 변압기 중성선의 전류파형 분석 - 3고조파로 180Hz의 전류가 흐름 (그림 3)
해결 방안 - 긴급 해결 방안 : 중성선 Bus의 증가 , 변압기 용량의 저감 사용 - 장기 검토 방안 : Power Harmonic Filter의 설치 비용 및 Harmonic에 의한 추가 손실에 의한 전력 요금의 증가, 변압기 증설 비용 등을 검토

39 K-FACTOR 변압기 배전급 변압기의 K-Factor 선정 기준 K-Factor 적용 부하 4 9 13
50% 선형+50% 비선형 부하 일반적인 12-Pulse Converter 용접기 전용 UPS System 승강기 부하 9 일반적인 6-Pulse Converter (Inductor input Filter 내장) 방송, 전화 장비 13 (Capacitor input Filter 내장) Main Computer 전용 ㈜ 상기의 값은 참고치이며, Harmonic Data의 실 측정값 및 사용자의 상세 사양에 따라 변경 가능.

40 K-FACTOR 변압기 K-Factor 변압기의 시험 방법 ΘNORM : 공장 시험(온도상승 시험)의 결과값도 상승 (℃)
어려움. 일반 변압기를 기준으로 시험한 값으로 계산하여 검증하며, 온도상승 및 동손(IR Loss + Eddy Loss)의 실 측정값으로 검증함. ΘEND = ΘNORM x { ( PIR + K. PEC ) / ( PIR + PEC ) } ^ 0.8 ΘEND : 기준 K-Factor 값에서의 권선의 최종 온도 상승 (℃) ΘNORM : 공장 시험(온도상승 시험)의 결과값도 상승 (℃) PIR : 공장 시험(동손 측정)의 결과값 – 권선 저항 손실 (W) K : K-Factor PEC : 공장 시험(동손 측정)의 결과값 – 와전류 손실 (W) ㈜ 공장시험 시는 Stray Loss 와 Eddy Loss분리하여 측정이 되지 않고 전체 동손을 측정 후 실측한 권선 저항으로 계산된 IR Loss를 제외한 값으로 고려하면 됨(시험 성적서는 Stray Loss로 표시됨)

41 K-FACTOR 변압기 (계산 예 ) - 3상 2000kVA 3.3kV-380/220V , F종(기준 온도상승 100℃), K-Factor = 13 - 동손(실측) = 9,500W - IR Loss = 8,550W / Stray Loss = 950W (10%) - 온도상승 = 70℃ (온도상승 시험에 의한 결과값) ΘEND = 70 x { ( x 950 ) / ( ) } ^ 0.8 = 132℃ 검토 결과로 계산값이 132 ℃ 로 , F종의 기준 온도상승 값인 100 ℃ 를 초과하므로 상기의 변압기는 K=13기준에 부족함. (계산값이 100 ℃ 이하로 되기 위해서는 권선의 온도 상승을 53 ℃ 이하로 낮추어 설계하거나 Stray Loss를 더 적게 나오도록 특별한 구조로 설계해야 함)

42 ABB 변압기 특장점(1) 기술 제휴선 H종 절연 저소음실현
Filler의 화학적 결합으로 열팽창 계수를 가장 최소화하여 내 크랙성이 우수하고 전기적, 기계적 Stress에 강함. 저소음실현 국내 유일하게 Multi-Mitered Step Lap(6단) 적층으로 저소음 특성 실현 ( NEMA 규정사용, 타사대비 10dB 낮음)

43 ABB 변압기 특장점(2) 시험 환경성 시험 만족 진동 및 내진설계
IEC (IEC 726의 개정)에 따른 시험 실시 신뢰도 제고를 위해 밀폐실험실(국내유일)에서 Partial discharge 시험 전량 실시 ( IEC 보증기준 10 pc 보다 낮은 수치(5pc)관리) 환경성 시험 만족 C2,E2,F1 등급을 만족시킴 C2:열충격 특성 시험,E2:내환경성 시험 F1:난연 및 유독가스시험 악조건의 주위 환경에서도 최대한 정상적인 기능을 발휘 하도록 설계(국내 유일 3가지 자격 보유) 진동 및 내진설계 풍력용 변압기에 대한 진동 시험을 국내 유일 획득

44 특수 사용조건인 ABB 변압기 Flame Retardant Properties (F1)
변압기가 화재에 노출되었을때 난연 특성이 유지되어야 함(독성개스 및 매연도 억제). Environmental Issues (E2) 변압기가 다습한 환경에서 외부 오염에 노출되어도 그 성능을 유지해야 함. Climate Conditions (C2) 운전, 운송, 보관중 사용 조건이 –25℃ 극한 온도에서도 품질이 보증되어야 함. Thermal Resistance (H-class) 180℃에서 연속 운전 가능

45 ABB 주요 납품 실적 말레이지아 Wafer Technology (반도체 웨이퍼 가공공장
3ph 480/208V 750kVA외 5종 k=13) 한국전력/울산화력발전소 여자기용 3ph 19kv/620v 4300kVA 1종 k=13) G&G IDC center 역삼 ( 3ph, 600/380V 2000kVA 10대 k=13) 한국전기연구소 시험실용 ( 3ph, 3300/440/440V 3000kVA 3권선) 삼성물산/ iasea works IDC center ( 3ph, 22900/380V 2500kVA 5대 k=13) 삼성물산/ 종로인텔 IDC center ( 3ph, 22900/380V1000kVA 2대 k=13) LG/여천공단 Polycarbonate Plant 삼성중공업/인도 JNPT Coal Unloading PJT ( 3ph, 6600/460/460V 1800kVA 4대 3권선 ) 삼영전자/ 포승공장 정류기용 3권선 ( 3ph,6600/500/580V 900kVA 외 2종 k=13)

46 ABB 주요 납품 실적 00산업/ 포승공장 (동제련 가공공장
3ph 22.9kv/6.6kv kVA외17종 k=13 & H class) 로템 /그리스아테네 올림픽 경전철용 정류기용 3ph 22.kv/490/490v 6150kVA 1종 k=8, 정류기, 3권선) 삼성 과천 전산센타 ( 3ph, 22.9kv/ v 3000kVA 3대 외 16대 k=13) 삼성전자 구미공장 ( 3ph, 22.9kv/ 3.3kv 5000kVA 2대 외 7대 k=7) 알칸대한 영주공장 ( 3ph, 6.6kv/750/750v 5600kVA 2대외 3대 k=8, 3권선) 삼성중공업/ Croatia Rijeka ( 3ph, 10kv/460v 1350kva 2대 외 6대 , 크레인용부하) 중국 화성기 공장 ( 3ph, 10kv/370/460v 900/400/500kva 외 6대 k=13, 3권선) 인천화력 발전소 / 발전기 여자기용 변압기 ( 3ph, 480/120v 30kVA 4대 k=13, 발전기 여자기용 ) 한국중부발전/ 서천화력 발전소 ( 3ph,20000/560v 2000kVA 1대 k=13)

47 Max. production record 3Φ 17’000kVA 22.9/6.6kV Dd0 60Hz

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