고조파 소개 - 전력 시스템에 대한 고조파의 영향

고조파란 무엇이며 이를 필터링하고 제거하는 방법

(마누엘 볼로티냐)

고조파 소개

전력 공급의 품질은 유틸리티 회사와 사용자 모두에게 중요한 문제이지만 그 품질은 전자기 장애의 영향을 받을 수 있습니다. .

이 장애 중에서 고조파를 강조 표시해야 합니다. 모든 전압 수준에서 발생 그리고 누구의 연구, 허용 가능한 값의 계산 및 수정 방법 IEC에 정의되어 있습니다. ^[1] 표준 61000-2-4: 전자기 호환성(EMC) ^[2] – 환경 – 산업 분야의 호환성 수준 저주파 전도 방해 설비 .

고조파란 무엇입니까?

발전기는 교류 전압을 생성합니다. (V ) 및 전류 (나 ) 사인파 형태 및 빈도 (f )의 50Hz 또는 60Hz (이 주파수, 첫 번째 고조파 , 일반적으로 산업 주파수로 지정됩니다. 또는 기본 ), 그림 1에서 관찰할 수 있는 것.

그림 1 - 사인파 교류 전압

그러나 일부 장비 특성으로 인해 , 네트워크에 설치된 전압 및/또는 전류 다른 빈도로 , 홀수 정수배 산업 주파수 , 네트워크에서 유도될 수 있습니다. 고조파 , 나. 예:3차 고조파 – 150Hz 또는 180Hz; 5차 고조파 – 250Hz 또는 300Hz; 7차 고조파 – 350Hz 또는 420Hz; 등

그러면 고조파 지속적인(정상 상태) 교란 또는왜곡 전기 네트워크에 있으며 완전히 다른 주제 또는 문제 라인 스파이크, 서지, 새그, 임펄스 등으로부터 일시적인 교란으로 분류되는 .

그림 2는 1차 고조파, 3차 고조파 및 5차 고조파의 예를 보여줍니다.

그림 2 - 기본, 3차 고조파 및 5차 고조파

고조파의 존재 왜곡된 파동을 발생시킵니다. 전압의 (또는 현재 ) 모든 복잡한 파형 다양한 주파수의 일련의 사인파로 분해될 수 있습니다. , 따라서 모든 복잡한 파형 합입니다. 다수의 고조파 더 작거나 더 큰 가치 .

푸리에 시리즈 ^[3] 즉각적인 가치를 나타냅니다. 그 합계 – u(t) – 방정식에 의해:어디 :

• t 시간 [ ]
• ω =2πf [s ^-1 ]
• T 마침표 [s]
• f₀ 기본 주파수 [Hz ]
• s(t) [0, T] 구간에서 적분할 수 있는 주기적 함수입니다.

그림 3 – 고조파 왜곡

보통 3차 고조파 가장 해로운 , 그러나 특정 조건에서 5차 및 7차 고조파 간과할 수 없습니다 .

고조파 왜곡

IEC 표준 61000-2-4에 따름 고조파 왜곡 매개변수 THD가 특징입니다. – 총 고조파 왜곡 – 방정식으로 계산:

Q₁ 위치 실효값을 나타냅니다. 전압 또는 현재 산업용 주파수 에서 및 Q_i 고조파 주문 “ 나 ” (2차 고조파 – i=2; 3차 고조파 i=3; 등) 전압 또는 전류.

동일한 IEC 표준은 다음 매개변수도 정의합니다.

• TDC (총 고조파 콘텐츠 ), 실효값 다음 방정식으로 계산됩니다.

Q₁ 위치 실효값을 나타냅니다. 전압 또는 현재 산업용 주파수 에서 및 Q 실효값 전압 또는 현재 .

• TDR (총 고조파 비율 ) – rms 값 간의 관계 TDC의 및 rms 값 전압 또는 현재 산업용 주파수에서 (Q₁ ), 이는 다음 방정식으로 계산됩니다.

일반적으로 전압에 대한 계산이 이루어집니다. , 최소 3상 단락 전력 고려 (S”_K ) 네트워크 및 최대값 (Ω에서 )의 단락 임피던스 THD 지점에서 계산됩니다(Z_K; R_K; X_K ^[4] ); 특정 소프트웨어 이러한 계산을 수행하는 데 필요합니다.

위에 언급된 IEC 표준 3개의 클래스 정의 전자기 환경용 ^[5] :

1. 클래스 1 :이 클래스는 보호된 소모품에 적용되며 공용 네트워크의 호환성 수준보다 낮습니다. 이는 실험실의 전기 계측기, 일부 자동화 및 보호 장비, 일부 컴퓨터 등과 같이 전원 공급 장치의 교란에 매우 민감한 장비의 사용과 관련이 있습니다.
2. 클래스 2 :이 클래스는 일반적으로 PCC에 적용됩니다. ^[6] 및 IPC ^[7] 산업 및 기타 비공개 전원 공급 장치의 환경에서. 이 클래스의 호환성 수준은 일반적으로 공용 네트워크의 호환성 수준과 동일합니다. 따라서 이러한 종류의 산업 환경에서는 공용 네트워크에서 공급하도록 설계된 구성 요소를 사용할 수 있습니다.
3. 클래스 3 :이 클래스는 IPC에만 적용됩니다. 산업 환경에서. 일부 교란 현상에 대해 클래스 2보다 높은 호환성 수준을 갖습니다. 예를 들어, 이 클래스는 다음 조건 중 하나가 충족될 때 고려되어야 합니다. 부하의 대부분이 변환기를 통해 공급됩니다. 용접 기계가 있습니다. 대형 모터가 자주 시작됩니다. 부하가 빠르게 변합니다.

고조파 호환성 레벨 ^[8] (U_h [%] ) 홀수 빈도 여러 개 3 중 홀수 주파수에 대해 표 1에 나와 있습니다. 복수 아님 3 중 표 2에 나와 있습니다.

표 1 – 3의 배수인 홀수 주파수에 대한 고조파 호환성 수준

표 2 – 3의 배수인 홀수 주파수에 대한 고조파 호환성 수준

호환성 수준 THD의 각 클래스에 대한 내용은 다음과 같습니다.

• 클래스 1 – 5% .
• 클래스 2 – 8% .
• 클래스 3 – 10% .

고조파의 소스 및 효과

고조파는 전기 장비 및 시스템의 영구적인 문제 원인입니다.

다음 하중 유형 (비선형 부하 ^[9] )는 고조파의 주요 소스입니다.

• 전력 전자 장비(예:정류기 – 즉, 전기 견인 시스템에 사용되는 장비) – 및 정적 변환기).
• 아크 장비(예:아크로, AC 또는 DC, 아크 용접기 ).
• 포화 가능한 장치(예:정격 전력이 충분하지 않은 변압기에 의해 흡수된 오프로드 전류파).

고조파 생성 최소화 정류기 장치 바람직하게는 6펄스 전기 견인 시스템을 위한 이러한 유형의 장치 일반적으로 전류 고조파 생성 5, 7, 17, 19번째 순서 , 다이오드 불균형으로 인해 발생 네트워크 임피던스에서 .

낮은 규모지만 , 장비 및 네트워크의 정상적인 작업 조건에서 , 공명의 위험을 고려해야 합니다. 해당 빈도에 대해 .

전환 작업 커패시터 뱅크 및 전력 변압기 영구 과부하 또한 중요한 고조파 소스입니다. .

전력 변압기 전압용 60kV 이상 별표 연결 사용 (예 )는 동등하게 고조파 소스입니다. . 이러한 고조파를 보상하려면 언급된 전력 변압기 3차 권선, 델타 연결이 있어야 함 .

전압파 왜곡과는 별도로 , 고조파 잘못된 작업의 원인입니다. 제어 및 보호 시스템, 전자기 간섭으로 인한 , 증가 피부 효과 ^[10] , 기계적 진동 및 진동 유발 전력 변압기 및 회전 기계와 같은 전기 기계의 역률 감소 (cos Φ ), 단열재의 조기 노화를 유도합니다. , 유전체 특성의 손실로 이어짐 , 원산지 과열 및 손실 증가 , 즉 전원 변압기 및 케이블, 그리고 장비의 수명 감소 .

고조파 , 이는 전압파 왜곡의 원인입니다. , 비선형 부하 순환 , 모터처럼 , 가변 자속을 받는 경우 , 순환 전류 유도 (푸코 해류 ) 전도 재료에서 토크 감소 .

불균형 시스템에서 , 고조파 중성 전류를 일으킬 수 있음 높음 기본 주파수에서 위상 전류의 벡터 합보다 , 중성 도체의 과부하로 이어짐 .

스킨 효과 증가 도체 저항 따라서 줄 효과에 의한 전압 강하 및 손실 . 이 문제는 특히 민감합니다. 간선 전압 150kV 이상 및 길이 800km 이상 . 이 문제를 해결하는 일반적인 솔루션은 DC를 사용하는 것입니다. 간선 , 피부 효과 존재하지 않음 .

기계적 진동 및 진동 회전하는 전기 기계의 경우 샤프트 정렬 불량이 발생할 수 있습니다. 및 고정자, 회전자 및 베어링의 파손 .

손실 증가 전력 변압기에서 철 손실 발생 , 푸코 해류로 인해 및 히스테리시스 ^[11] , 빈도에 비례 및 구리 손실 , 피부 효과로 인해 .

고조파 보정 및 필터 유형

커패시터 뱅크일 때 역률 보정에 사용됩니다. , 중요한 고조파 성분이 커패시터 뱅크로 흐릅니다.; 이러한 상황에서는 일시적으로 전원을 끄는 필요합니다. 커패시터 뱅크 고조파 소스의 정확한 위치 허용 .

이러한 설치에서는 중요한 고조파 공명의 위험이 있는지 확인하기 위해 특정 커패시터 뱅크 고조파로 인해 발생 . 이것이 첫 번째 단계입니다. 올바른 솔루션 정의 고조파 보상용 .

고조파의 존재를 확인한 후 그리고 그 THD 값 한도 초과 IEC 표준 61000-2-4 에 정의 및/또는 전력 회사에서 설립 필수입니다. 고조파 보정으로 진행; 구현할 솔루션은 설치 특성에 따라 다릅니다. .

저전압에서 사용되는 가장 간단한 솔루션 (V ≤ 1kV ) 설치, 구리 코일 사용 (그림 4 참조) 작용 고주파 필터로 , 정류기의 시작 전류 제한 상호 간섭 억제 .

그림 4 – 고조파 보상을 위한 리액턴스

인덕턴스(L )는 다음 방정식으로 계산됩니다. 위치:

• ΔV_L 나 s 리액턴스의 내부 전압 강하 [% ]
• V_n 네트워크의 상간 전압 [V ]
• f_n 네트워크의 산업용 주파수 [Hz ]
• 나는_n 현재 [A ]

네트워크 및 설치 강한 전기 오염 (더 높은 고조파 레벨 ), 여기서 G_h /S_n> 60% (G_h 겉보기 힘 모든 비선형 부하 고조파 생성 담당 및 S_n 겉보기 힘 모든 업스트림 변압기의 부하가 연결된 동일한 버스 바에 연결됨 ) 고조파 필터를 설치하는 것이 좋습니다. , 그림 5에 표시된 것처럼).

그림 5 – 고조파 필터

고조파 보정 중앙 집중식일 수 있음 , 고조파 필터 포함 주 수신 교환기에 연결됨 또는 탈중앙화 또는 로컬 , 고조파 필터 설치 장비에 가까움 고조파의 주요 소스 . 두 솔루션 모두 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6 – 고조파 필터의 위치

고조파 필터는 세 가지 범주로 분류됩니다.

수동 필터

LC 시리즈 연결 회로로 구성됩니다. , 각 주파수에 맞게 조정 보상하도록 설계되었습니다. , 일반적으로 5차, 7차 및 11차 고조파 . 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 제거할 전류에 대한 고조파에는 제한이 없습니다.
• 역률 보정을 수행합니다.
• 네트워크가 수정되면 고조파가 증폭될 위험이 있습니다.
• 외부 전자파 오염으로 인한 과부하 위험이 있습니다.

활성 필터

전자 및 미세 처리 장치로 구성됩니다. , 고조파 제어 2차에서 50차 주문 사이 범위 내; 각 주파수 범위에 대해 현재 생성됨 , 180°의 위상 변이와 동일한 값을 가짐 보상할 고조파 전류 .

이 유형의 필터는 네트워크, 부하 및 고조파 범위 수정에 적합합니다. , 특히 분산형 또는 로컬 보상에 적합 .

하이브리드 필터

능동 필터와 수동 필터의 조합 , 고조파 제어 2차에서 25차 주문 사이 범위 내 ,역률 보정도 수행 .

좋은 정보:

알아두면 좋은 정보:

^[1] IEC :국제전기기술위원회.

^[2] 전자기 호환성 전기 장비가 "전자기 환경"에서 해당 환경에 존재할 수 있는 다른 장비 및 시스템에 어떠한 유형의 전자기 교란도 일으키지 않고 적절하게 작동할 수 있는 능력으로 정의됩니다.

^[3] 푸리에 시리즈 삼각 급수 수렴 정현파 함수의 합을 나타내는 데 사용 .

^[4] R_K 값 e X_K 네트워크 대략적으로 고려하는 것이 일반적입니다. R_K /X_K =0.1 그리고 방정식

Z_K =√(R_K ² +X_K ² ).

^[5] 클래스의 정의는 IEC 표준 61000-2-4의 필사본입니다. .

^[6] PCC :다른 부하가 연결되거나 연결될 수 있는 특정 부하에 전기적으로 가장 가까운 공용 전원 공급 네트워크 상의 지점입니다.

^[7] IPC :다른 부하가 연결되거나 연결될 수 있는 특정 부하에 전기적으로 가장 가까운 시스템 또는 설비 내부의 네트워크를 가리킵니다.

^[8] 호환성 수준 지정된 전자기 방해 수준을 정의합니다. 방출 및 내성 한계 설정에서 조정을 위해 지정된 환경에서 참조 레벨로 사용됩니다.

^[9] 로드 비선형이라고 합니다. 임피던스라면 다양하다 인가된 전압으로 .

^[10] 피부 효과 전자기 전류선의 반발로 특징지을 수 있는 현상으로 AC 전류가 도체 표면에서만 흐르는 경향이 있습니다.

^[11] 히스테리시스 자기장일 때 강자성 물질에 적용 , 변압기의 핵심 , 재료는 영구적으로 자화 상태를 유지합니다. , 자기장이 존재하지 않더라도.

저자 소개:Manuel Bolotinha

-전기 공학 학위 – 에너지 및 전력 시스템(1974 – Instituto Superior Técnico/University of Lisbon)
– 전기 및 컴퓨터 공학 석사 학위(2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
– 변전소 및 전력 시스템의 수석 컨설턴트; 전문 강사