전력 품질 문제 기본: 새그·고조파·과도 현상·불균형

전기·설비

2022.02.07

전력 품질 문제는 서로 연관되므로 3상 전력 품질 분석기로 공장 전체 관점에서 근본 원인을 찾아야 합니다.

전력 품질 문제는 공장이 소비하는 전력이 적절하지 않을 때 생기며, 새그, 스웰, 고조파, 과도 현상, 전압·전류 불균형으로 나타납니다. 전력 품질이 불량하면 더 많은 비용이 들고, 장비 수명이 짧아지며, 자동화 장비에 오류가 생기고 제거해야 하는 불필요한 열이 발생합니다. 이 글은 이런 문제의 영향과 감지 방법, 해결 방법의 기본을 정리합니다.

아이러니하게도 이러한 문제의 대부분은 공장 내부에서 원인을 찾을 수 있습니다.

개요

공장에 영향을 주는 전력 문제는 다섯 가지입니다

산업 공장에 가장 자주 영향을 주는 전력 문제는 새그(순간전압강하)와 스웰(순간전압상승), 고조파, 과도 현상, 전압 및 전류 불균형입니다.

이러한 문제를 해결하려면 전문 지식과 작업마다 알맞은 테스트 장비가 필요합니다. 시설의 정확한 단선 결선도도 필요한데, 단선 결선도로 교류 전원, 전원 부하, 정격을 식별할 수 있습니다. 시설의 전기 로드맵이 없으면 전력 품질 문제를 조사하기가 거의 불가능합니다.

새그

새그는 순간적인 전압 강하입니다

전기 전자 학회(IEEE)에 따르면 새그는 전압 크기가 최소 8밀리 초(60Hz에서 1.5주기) 이상 1분 미만 동안 RMS의 10%에서 90%까지 줄어드는 현상입니다.

프로그램식 로직 컨트롤러(PLC), 로봇, 가변 주파수 드라이브(VFD) 같은 산업 장비는 새그에 민감합니다. 50% 이상의 새그 이벤트는 주로 임시 돌입 전류 조건을 만드는 대형 유동성 부하의 기동처럼, 같은 건물 안에서 전류 요구 사항이 늘어나 발생합니다. 새그는 외부 이벤트로도 발생하며, 대부분 자연 현상과 관련 있고 일부는 사람의 부주의한 행동이 원인입니다.

새그는 언제 생길지 예측하기 어려워 감지하기가 쉽지 않습니다. 고품질 디지털 멀티미터(DMM)의 MIN/MAX 기능은 부하 통전 중 100밀리 초 이상 지속되는 최악의 단상 새그를 감지합니다. 반복적으로 생기는 것으로 의심되는 새그는 고품질 전력 품질 분석기의 새그 및 순간 전압 상승 추세 기능으로 감지합니다.

장기간의 전력 품질 이벤트를 문서화해야 하면 이벤트 레코더로 몇 주 동안 발생한 새그, 순간 전압 상승, 정전, 과도 전압, 주파수 편차 등을 기록할 수 있습니다.

새그를 일으키는 문제는 대부분 전기 공학 모범 사례로 해결합니다.

공급되는 부하에 맞는 적절한 배선을 사용합니다.
서브 패널까지의 피더 런 길이를 제한해 전원 임피던스를 최소화합니다.
서브패널을 다른 서브패널에 계단식으로 연결하지 않습니다.
가능하면 패널의 부하를 줄입니다.
과부하는 고조파를 늘릴 수 있으므로 변압기에 과부하가 걸리지 않게 합니다.

배선이나 부하 문제를 먼저 해결해야 합니다. 공장이 정상 작동 중이라면 전압 조정기, 정전압 변압기 같은 다른 새그 대책을 고려할 수 있습니다.

고조파

고조파는 파형을 왜곡하고 모터 수명을 줄입니다

고조파는 기본 주파수가 배수로 늘어난 상태를 뜻합니다. 기본 전기 파형과 섞이면 사인파를 왜곡시켜 문제를 일으킵니다.

전체 전압 사인파보다 적은 전류를 전도하는 장치는 비선형 부하이며 고조파를 발생시킵니다. 전자식 안정기, 전자 테스트 장비, 스위치 모드 전원 공급 장치 등 정류 장치와 펄스 발생 장치를 쓰는 모든 장치가 포함됩니다. 시스템 임피던스에 흐르는 고조파 전류는 고조파 전압 왜곡을 일으킬 뿐 아니라 새그도 발생시킵니다.

이 전압 왜곡 때문에 릴레이와 보호 장치에서 열 트리핑이 발생하고 PLC와 VFD에서 논리 오류가 생긴 사례가 있습니다. 전압 왜곡이 커질수록 선형 부하가 고조파 전류를 유도합니다. 이 고조파 전류(특히 5차 및 11차 고조파)는 모터 안에서 카운터 토크를 만들고, 그 결과 더 많은 전류가 유도되어 모터 효율이 떨어지고 열이 발생하며 모터 수명이 줄어듭니다.

고조파는 전력 품질 분석기나 고조파 분석기로 일반적인 커플링 지점에서 측정합니다. 전압 고조파는 고품질 DMM으로, 전류 고조파는 고품질 클램프 미터로 단순 측정할 수 있습니다. 다만 왜곡된 파형을 정확히 측정하려면 True-rms 테스트 도구가 필요하므로 DMM과 클램프 미터는 반드시 True-rms여야 합니다.

과도 현상

과도 현상은 전압의 순간적인 편위입니다

과도 현상은 일반 사인파를 넘는 전압의 순간적인 편위를 뜻하며, 크기는 공칭 시스템 전압의 5배에서 10배에 이릅니다. 서지와는 다릅니다. 서지는 주로 번개로 생기는 고에너지 과도 현상입니다.

과도 현상을 일으키는 이벤트는 대부분 공장 안에서 발생합니다. 콘덴서 전환, 전류 차단, 전력 전자기기 작동, 아크 용접, 접점 및 릴레이 폐쇄, 부하 기동 또는 분리 등이 해당합니다.

과도 현상 전압이 전기 절연 정격 용량을 넘으면 응력으로 절연 파괴가 점진적으로 일어나거나 급작스러운 고장이 날 수 있고, 반도체 소자의 성능도 떨어집니다. 단일 고에너지 과도 현상은 고체 상태 접합부에 천공을 일으킬 수 있으며, 반복되는 저에너지 과도 현상도 같은 결과를 가져옵니다.

불균형

전압·전류 불균형은 3상 모터를 과열시킵니다

전압 불균형은 3상 시스템에서 각 상 사이의 전압 차이를 측정한 값입니다. 전압 불균형은 3상 모터의 성능을 떨어뜨리고 수명을 줄입니다.

모터 고정자 단자에서 전압 불균형이 생기면 전압 불균형 크기의 6배에서 10배에 이르는 고전류 불균형이 유발됩니다. 전류 불균형은 토크 맥동, 진동과 기계적 응력 증가, 손실 증가, 모터 과열 등을 일으킵니다.

기초적인 상간 전압 불균형은 고품질 DMM으로, 상간 전류 불균형은 고품질 클램프 미터로 측정합니다. 3상 전력 품질 분석기로는 불균형을 실시간으로 정확하게 측정해 문제를 해결할 수 있습니다. 부하 균형 문제를 바로잡으려면 시스템 수준의 설계 변경이 필요하므로, 개방 회로와 접지 단상 결함이 부하 균형 문제보다 바로잡기 쉽습니다.

결론

전력 품질은 공장 전체 관점에서 접근합니다

전력 품질 문제는 종종 서로 밀접하게 연관됩니다. 문제를 다룰 때는 개별 부하에 미치는 영향도 살피며 공장 전체 수준의 접근법으로 해결해야 합니다. 한 가지 문제를 해결했더니 다른 문제가 더 심각해지기도 합니다.

3상 전력 품질 분석기로 더 큰 시각에서 문제를 다루면 증상만 해결하는 것이 아니라 전력 품질 문제의 근본 원인을 바로잡을 수 있습니다.

3상 전력 품질 분석기 1770 시리즈

3상 전력 품질 분석기(1770 시리즈) 이미지입니다.

자주 묻는 질문

새그(순간전압강하)란 무엇입니까?
전압 크기가 최소 8밀리 초(60Hz에서 1.5주기) 이상 1분 미만 동안 RMS의 10%에서 90%까지 줄어드는 현상입니다. IEEE의 정의이며, PLC, 로봇, VFD 같은 산업 장비가 새그에 민감합니다.
새그는 어떻게 감지합니까?
고품질 DMM의 MIN/MAX 기능으로 부하 통전 중 100밀리 초 이상 지속되는 최악의 단상 새그를 감지합니다. 반복적으로 의심되는 새그는 전력 품질 분석기의 추세 기능으로, 몇 주에 걸친 이벤트는 이벤트 레코더로 기록합니다.
고조파를 측정하려면 어떤 도구가 필요합니까?
전력 품질 분석기나 고조파 분석기를 쓰고, 단순 측정에는 고품질 DMM(전압)이나 클램프 미터(전류)를 씁니다. 왜곡된 파형을 정확히 측정하려면 DMM과 클램프 미터가 반드시 True-rms여야 합니다.
전압 불균형은 모터에 어떤 영향을 줍니까?
3상 모터의 성능을 떨어뜨리고 수명을 줄입니다. 모터 고정자 단자의 전압 불균형은 그 크기의 6배에서 10배에 이르는 전류 불균형을 일으켜 토크 맥동, 진동, 손실 증가, 과열을 초래합니다.