THD 과부하: 고조파가 전력 장비를 파괴하는 방법

실제 그리드 THD가 제한을 초과할 때 (예: 전압 THDv > 5%, 전류 THDi > 10%) 전체 전력 체인 — 송전 → 배전 → 발전 → 제어 → 소비에 걸쳐 장비에 유기적 손상을 초래합니다. 핵심 메커니즘은 추가 손실, 공진 과전류, 토크 변동 및 샘플링 왜곡입니다. 손상 메커니즘과 현상은 장비 유형에 따라 크게 달라집니다:

1. 송전 장비: 과열, 노화, 급격히 줄어든 수명

송전 장비는 직접적으로 그리드 전류/전압을 운반합니다. 고조파는 에너지 손실과 절연 악화를 가중시킵니다. 주요 영향을 받는 부품은 송전선 (케이블/공중선) 및 전류변환기(CTs)입니다.

1.1 송전선 (케이블 / 공중선)

• 손상 메커니즘: 고조파 주파수는 "표면 효과"를 강화하여 (고주파 전류가 도체 표면에 집중되어 효과적인 단면적을 줄임) 선 저항을 증가시킵니다. 고조파 순서의 제곱에 따라 추가 구리 손실이 증가합니다 (예: 5번째 고조파 구리 손실은 기본 주파수의 25배).

• 특정 손상:

• 과열: THDi = 10%에서 정격 조건 대비 구리 손실이 20%-30% 증가합니다. 케이블 온도가 70°C에서 90°C로 상승하여 (절연 내구성 초과) 절연층 (예: XLPE)의 노화와 균열을 가속화합니다.

• 수명 단축: 지속적인 과열로 인해 케이블 수명이 30년에서 15–20년으로 감소하며, 잠재적으로 "절연 파괴"와 단락 고장이 발생할 수 있습니다. (산업단지에서 3번째 고조파가 과다하여 1년 동안 두 개의 10kV 케이블이 타버렸으며, 수리 비용이 80만 위안 이상 들었습니다.)

1.2 전류변환기(CTs)

• 손상 메커니즘: 고조파 전류 (특히 3번째와 5번째)는 CT 철심의 "일시적 포화"를 일으켜, 자속과 회오전류 손실 (추가 철 손실)을 크게 증가시킵니다. 포화는 2차측 출력 파형을 왜곡하여 1차 전류를 정확하게 표현하지 못하게 합니다.

• 특정 손상:

• 철심 과열: CT 철심 온도가 120°C를 초과하여 2차권선의 절연이 타버리고, 비율 오류가 발생합니다.

• 보호 오작동: 왜곡된 2차 전류로 인해 보호 릴레이 (예: 과전류 보호)가 "선 단락"을 잘못 감지하여 잘못된 트리핑을 유발합니다. (배전망에서 CT 포화로 인해 10개의 피더 트립이 발생하여 2만 가구에 영향을 미쳤습니다.)

2. 배전 장비: 빈번한 고장, 시스템 안정성 붕괴

배전 장비는 그리드에서 "상위와 하위 연결"에 중요한 역할을 합니다. THD가 제한을 초과하면 가장 직접적인 손상을 초래합니다. 주요 영향을 받는 장치는 전력변환기, 캐패시터 뱅크, 리액터입니다.

2.1 전력변환기 (배전 / 주 변환기)

• 손상 메커니즘: 고조파 전압은 변환기 철심의 자기 자속과 회오전류 손실 (추가 철 손실)을 증가시키며, 고조파 전류는 권선 구리 손실을 증가시킵니다. 이들은 총 손실을 크게 증가시킵니다. 불균형 3상 고조파는 중성 전류 (최대 1.5× 상 전류)를 증가시켜 국소 과열을 악화시킵니다.

• 특정 손상:

• 철심 과열: THDv = 8%에서 변환기 철 손실이 15%-20% 증가합니다. 철심 온도가 100°C에서 120°C로 상승하여 절연유 (예: 25# 변압기유)의 열화가 가속화되고 산성도가 증가하며 절연강도가 감소합니다.

• 권선 화재: 장기간 과열로 인해 권선 절연 종이 (예: Nomex)가 탄화되어 단락이 발생합니다. 한 변전소의 110kV 주 변압기는 5번째 고조파가 과다하여 3년 후 권선 단락이 발생하여 수리 비용이 5백만 위안을 초과했습니다.

• 수명 단축: 지속적인 THD초과로 인해 변압기 수명이 20년에서 10–12년으로 줄어듭니다.

2.2 병렬 캐패시터 뱅크 (무효전력 보상용)

• 손상 메커니즘: 용량 반응도는 주파수에 따라 감소하므로 (Xc = 1/(2πfC)), 고주파 고조파는 과전류를 유발합니다. 캐패시터가 그리드 인덕턴스와 "고조파 공진"을 형성하면 (예: 5번째 차수 공진), 전류가 정격 값의 3–5배까지 급증하여 캐패시터의 정격을 크게 초과합니다.

• 특정 손상:

• 절연 파괴: 과전류로 인해 내부 유전체 (예: 폴리프로필렌 필름)가 가열되어 관통, 팽창 또는 폭발이 발생합니다. (산업 작업장에서 7번째 고조파 공진으로 인해 1개월 동안 세 개의 10kV 캐패시터 뱅크가 손상되었습니다. 각 뱅크당 교체 비용이 15만 위안을 초과했습니다.)

• 보호 실패: 공진 전류로 인해 퓨즈 링크가 녹아내리며, 보호 장치가 작동하지 않으면 화재 위험이 증가합니다.

2.3 직렬 리액터 (고조파 억제용)

• 손상 메커니즘: 특정 고조파 (예: 3번째, 5번째) 억제를 위해 사용되지만, 리액터는 장기적인 고조파 전류 하에서 권선 구리 손실이 증가합니다. 고조파로 인한 펄스 형태의 자기장은 철심 진동을 증가시켜 기계적 마모를 초래합니다.

• 특정 손상:

• 와인딩 과열: THDi = 12%에서 리액터 구리 손실이 30% 이상 증가합니다. 와인딩 온도가 110°C를 초과하여 절연 바니시가 탄화되고 벗겨집니다.

• 코어 소음 및 마모: 진동 주파수가 고조파와 결합하여 큰 소음(>85 dB)을 발생시킵니다. 장기적인 진동으로 실리콘 강판이 느슨해져 투자율이 감소하고, 고조파 억제가 효과적이지 않게 됩니다.

3. 발전 설비: 출력 제한, 안전 위험 증가

발전 설비는 그리드의 "에너지 원"입니다. 과도한 THD는 운영 안정성에 부정적인 영향을 미칩니다. 주요 영향을 받는 장치: 동기 발전기, 재생 가능 인버터(PV/풍력).

3.1 동기 발전기 (화력/수력 발전소)

• 손상 메커니즘: 그리드 고조파가 발전기 스태터 와인딩으로 역방향으로 공급되어 "고조파 전자기 토크"를 생성합니다. 기본 토크 위에 이 토크가 중첩되어 "펄스 토크"를 형성하여 진동을 증가시킵니다. 고조파 전류는 또한 스태터 구리 손실을 증가시켜 국소 과열을 일으킵니다.

• 특정 손상:

• 출력 감소: THDv = 6%에서 300MW 단위가 펄스 토크로 인해 ±0.5%의 속도 변동을 겪으며, 출력이 280MW 미만으로 감소하고 효율이 5%-8% 감소합니다.

• 와인딩 과열: 스태터 온도가 130°C(클래스 A 절연 한계인 105°C를 초과)에 도달하여 절연 노화가 가속되고 턴 간 단락 회로 위험이 증가합니다.

• 베어링 마모: 증가된 진동으로 베어링(예: 슬리브 베어링)의 마모가 가속되어 수명이 5년에서 2-3년으로 줄어듭니다.

3.2 재생 가능 인버터 (PV / 풍력)

• 손상 메커니즘: 인버터는 그리드 THD(GB/T 19964-2012 참조)에 민감합니다. 접속점 THDv > 5%일 경우 인버터는 손상을 피하기 위해 "고조파 보호"를 트리거합니다. 또한, 고조파 전압은 DC와 AC 사이의 전력 불균형을 초래하여 IGBT 모듈 과열을 유발합니다.

• 특정 손상:

• 그리드 분리: THDv = 7%인 풍력 발전소에서 1.5MW 인버터 20대가 동시에 분리되어 하루에 100,000 kWh 이상의 풍력 에너지를 포기하며, 약 50,000 RMB의 수익 손실이 발생했습니다.

• IGBT 소각: 고조파 하에서 장기간 운전하면 IGBT 모듈(핵심 구성 요소)의 스위칭 손실이 증가하여 온도가 150°C를 초과하여 "열 파괴" 위험이 있습니다. 인버터 당 수리 비용은 100,000 RMB를 넘습니다.

4. 제어 설비: 샘플링 왜곡, 시스템 오작동

제어 설비는 그리드의 "뇌와 신경계" 역할을 합니다. 과도한 THD는 샘플링 데이터의 왜곡과 명령 전송의 이상을 초래합니다. 주요 영향을 받는 장치: 보호 계전기, 자동화 통신 시스템.

4.1 보호 계전기 (과전류 / 차동 보호)

• 손상 메커니즘: 고조파 전류는 일시적인 CT 포화를 일으켜 샘플링된 전류 파형(예: 평평한 파형)을 왜곡시키며, 보호 알고리즘이 진폭과 위상을 잘못 판단하여 잘못된 동작을 유발합니다. 고조파 전압은 또한 계전기 전원 공급에 간섭하여 논리 회로 오작동을 일으킬 수 있습니다.

• 특정 손상:

• 잘못된 트립: THDi = 12%인 배전망에서 포화로 인해 CT 출력이 왜곡되어 과전류 보호가 "라인 단락"을 잘못 감지하여 10개의 피더를 트립하여 20,000 가구에 4시간 동안 전력을 차단하여 간접 경제적 손실이 2백만 RMB를 초과하였습니다.

• 트립 실패: 고조파 간섭으로 인해 계전기의 전원 공급에 ±10%의 전압 변동이 발생하면 논리 회로가 크래시되어 실제 고장 시 트립하지 못하고 고장이 확산될 수 있습니다.

4.2 자동화 통신 장치 (RS485 / 광섬유 모듈)

• 손상 메커니즘: 고조파(예: 10V/m RF 간섭)로부터 발생하는 전자기 방사가 통신선에 결합하여 데이터 전송에서 "비트 플립"을 일으킵니다. 고조파 전압은 또한 클록 모듈을 교란하여 동기화 오류를 증가시킵니다.

• 특정 손상:

• 증가된 비트 오류율: 고조파 간섭으로 인해 배전 자동화 시스템의 RS485 통신 비트 오류율이 10⁻⁶에서 10⁻³으로 상승하여 디스패치 명령(예: "콘덴서 스위칭 조정")이 지연되거나 손실됩니다.

• 모듈 소각: 고주파 고조파는 통신 모듈의 신호 절연 회로(예: 광커플러)를 파괴하여 고장이 발생합니다. 5차 고조파 간섭으로 인해 한 변전소에서 한 달 동안 8개의 광섬유 모듈이 파괴되었습니다.

5. 최종 사용 설비: 성능 저하, 생산 사고

최종 사용 설비는 그리드의 "터미널 부하"를 나타냅니다. 산업 및 정밀 설비는 과도한 THD로 가장 심각하게 영향을 받습니다. 주요 영향을 받는 장치: 산업용 모터, 정밀 설비(리소그래피 기계/의료 MRI).

5.1 산업용 모터 (유도/동기 모터)

• 손상 메커니즘: 고조파 전압은 모터 스태터 와인딩에서 "고조파 전류"를 생성하여 "부정 순환 회전 자기장"을 형성합니다. 이들이 기본 자기장에 중첩되면 "제동 토크"가 발생하여 속도 변동과 진동 증가를 초래합니다. 고조파 전류는 또한 스태터/로터 구리 손실을 증가시켜 전체 과열을 유발합니다.

• 구체적인 손상:

• 효율 저하: THDv = 7%인 100kW 유도 모터의 효율이 92%에서 85% 미만으로 떨어져 연간 50,000 kWh 이상 추가로 소비됩니다 (전력 요금 0.6 위안/kWh 기준, 추가 전기 비용: 30,000 위안/년).

• 소모: 강철 공장의 롤링 밀 모터가 7번째 고조파에 장시간 노출되어 6개월 동안 두 번 소모되었습니다. 스태터 온도는 140°C까지 상승했으며, 각 모터 교체 비용은 2백만 위안을 초과했습니다.

• 진동 및 소음: 모터 진동 가속도가 0.1g에서 0.5g으로 증가하고, 소음이 90dB를 초과하여 작업 환경에 영향을 미치고 기초 마모를 가속화시킵니다.

5.2 정밀 장비 (반도체 리소그래피 기계 / 의료용 MRI)

• 손상 메커니즘: 이러한 장비는 매우 깨끗한 전압(THDv ≤ 2%)을 필요로 합니다. 고조파는 내부 전원 공급의 리플을 증가시키고 ADC 샘플링 정확도를 감소시켜 궁극적으로 기능성을 손상시킵니다.

• 구체적인 손상:

• 정밀도 손실: THDv = 4%인 반도체 리소그래피 기계의 레이저 위치 정확도가 0.1μm에서 0.3μm으로 떨어져 웨이퍼 수율이 95%에서 80%로 감소하여 하루에 500,000 위안의 생산 가치를 잃었습니다.

• 장비 중단: 고조파가 MRI 그레디언트 코일의 전류 변동을 일으켜 명확한 이미징을 방해하여 중단을 강요했습니다. (병원의 MRI 운영이 3번째 고조파 초과로 인해 2일 동안 중단되어 100,000 위안의 진단 수입을 잃었습니다.)

요약: THD로 인한 장비 손상의 핵심 규칙

• 유도 장비 (변압기, 모터, 리액터): "추가 손실" 에 취약합니다. 고조파는 철/구리 손실을 증가시키며, 과열과 노화가 주요 손상입니다.

• 용량 장비 (콘덴서): "공진 과전류" 에 취약합니다. 고조파는 쉽게 공진을 유발하며, 과전류로 인한 절연 파괴가 주요 손상입니다.

• 제어 장비 (릴레이, 통신 시스템): "샘플링 왜곡" 에 취약합니다. 고조파는 데이터를 왜곡하여 오작동이나 작동 실패를 유발합니다.

• 정밀 장비 (리소그래피 기계, MRI): "파형 왜곡" 에 취약합니다. 고조파는 전압 리플을 증가시켜 정밀도를 손상시킵니다.

따라서 전력망은 다음과 같은 이중 전략을 채택해야 합니다:
"고조파 모니터링(THD 측정 오차 제어 ±0.5% 이내) + 활성 필터링(APF) / 수동 필터링"
이를 통해 THDv가 국가 표준 한도인 5% 이내로 유지되도록 하여 원천적으로 장비 손상을 예방할 수 있습니다.