공동주택에서 고조파발생 부하기기의 증가에 따른 고조파 분석

 

 

공동주택에서 고조파발생 부하기기의 증가에 따른 고조파 분석

공동주택 부하의 가장 큰 변화는 단상 부하에서 나타나며, 대표적인 것이 LED 조명의 사용과 스마트기기의 증가이다. 건조기, 스타일러, 스마트홈 가전기기의 종류가 증가하고 있어 이에 따른 고조파 발생이 예상된다. 또한, 공용부는 태양광 발전설비, 전기자동차 충전설비 등이 증가되고 있다. 이러한 공동주택 전등전열변압기와 동력변압기에서 고조파를 측정하고 분석하여 공동주택의 고조파발생 특성에 대해 알아보고 지속적인 부하 변화를 고려하여 관리방안을 찾는 것이 중요하다. 고조파 측정은 주말을 포함하여 7일간 수행했으며, 측정장비는 Hioki PQ3198과 PQ3100으로 고조파 특성을 분석했다. 측정결과에 대한 분석은 1일, 최대부하 시점(1시간), 최소부하 시점(1시간)을 선정하여 진행하였으며, 전압 THD와 전류 THD의 값은 평균값과 누적 99%의 값을 제시하여 부하의 변동에 대해서도 확인했다. 고조파에 의한 변압기 영향 중 대표적인 것은 변압기의 용량이 감소하게 될 뿐만 아니라 고조파 발생 정도에 따라서 변압기 발열, 진동, 고장, 정전 등의 문제점이 나타난다.

 

변압기 용도별 고조파 특징 분석

전등전열변압기는 세대 내 전원공급을 담당하며, 단상 220V 전원을 사용하기에 3상 4 선식의 선로를 상별로 분배하여 전원을 공급한다. 이에 세대별로 부하의 상태, 빈집의 현황에 따라 상 불평형 등이 발생할 수 있으나 세대 부하의 크기가 유사하여 큰 문제를 수반하지 않는다. 세대 내 주요 부하는 에어컨, 인덕션, 세탁기, 건조기, TV, 컴퓨터 등의 가전제품이며, 최근 스마트홈 기기와 지능형 LED 조명이 증가됨에 따라 소용량의 비선형 부하도 지속적으로 증가하고 있다. 공동주택의 생활 특성에 따라 변압기 이용률은 하루 시간대별, 휴일별로 차이가 크게 발생하게 되며, 출근 시간 전과 퇴근 시간 후에 전기 사용량이 집중되고 취침 시간인 새벽 시간에 사용량이 감소한다. 이러한 변압기 이용 패턴에 따라서 전력 고조파의 트렌드가 나타나게 된다. 주말을 포함한 7일간의 전력 및 고조파 트렌드를 보여주고 있으며, 변압기 이용률이 집중되는 시간에 전류 THD가 감소하는 특성을 보여준다. 또한, 상 분배에 따른 불평형 특성은 양호한 것으로 나타난다. 이는 모든 단지에서 나타나고 있어 상 분배에 따른 불평형 문제를 우려할 필요가 없을 것이고, 관리자가 점검 시 확인할 수 있는 부분이다. 부하의 변동이 크게 발생되기에 전류에 대한 고조파 평가는 일반적으로 THD가 아닌 TDD를 통해 전기 품질을 평가하게 된다. 전등전열변압기의 주요 고조파 성분은 단상 부하에 따라 3차, 5차, 7차, 9차 등의 모든 고조파가 나타나고 전등전열변압기는 단지 내 동분전반들만 접속되므로 변압기의 고조파 성분과 동 분전반에서의 고조파 성분이 유사하게 나타난다.

 

변압기 이용률과 고조파에 의한 변압기 용량 감소

고조파에 대한 영향으로 대표적인 것이 변압기 용량의 감소이며, 변압기 이용률에 따라 고조파발생으로 인해서 정전이 발생할 수 도 있다. 부하 특성에 따라서는 K-factor를 통해 변압기 용량 감소 비율을 확인할 수 있다. 변압기 이용률이 80% 이상이 되고, 고조파 영향에 의한 변압기 용량이 20% 이상 감소하게 되면 정전, 발열 심화 등의 문제가 나타난다. 다양한 부하가 사용됨에 따라 5~20 정도의 K-factor가 예상됨에 따라 이용률이 80% 이상 발생하는 단자의 경우 관리가 필요하다. 측정 단자들의 이용률은 신축단지 최대 20%, 기축단지 최대 40%로 나타나 고조파에 의한 문제가 나타나지는 않을 것으로 판단되지만, 측정된 K-factor를 통해 변압기 감소비율을 살펴본다. 측정된 KF는 단지별로 상이하나 약 4에서 8의 값을 가지고 있고, 이를 통해 본 감소 비율은 최고 약 5%에서 최대 15%로 나타나게 된다. 계산된 값은 최대부하를 갖는 1시간 동안의 수치로 측정된 단지의 변압기 이용률이 낮아 고조파에 의한 변압기 감소에 의한 용량 문제는 타나지 않을 것이다. 변압기 설계값이 낮은 90년대 준공된 아파트의 경우 이용률이 85%에 달하는 경우가 있기에 단지별 상황을 고려하여 고조파에 의한 변압기 용량 감소에 대한 관리가 필요하다.