1.1 연구의 필요성

현대 사회의 급속한 기술발전과 더불어 전기 에너지의 활용이 비약적으로 증가하고 있다. 산업용 설비, 상업 시설, 가정용 전자기기 등 다양한 분야에서 고효율 전력·전자기기의 이용빈도가 높음에 따라, 전력품질과 관련된 문제가 새로운 도전 과제로 대두되고 있다. 특히, 비선형 부하(Non-linear Load)로 인해 발생하는 고조파(Harmonics)는 전력계통에서 주요한 품질 저하 요인으로 작용하고 있다. 고조파는 전류와 전압이 기본 주파수의 정수배로 왜곡되며 발생하는 비정상적인 파형으로, 전력계통과 설비의 안정성 및 신뢰성에 심각한 영향을 미치게 된다^[1].

고조파는 다양한 원인으로 발생한다. 대표적으로 전력·전자기기인 컨버터, 가변속 드라이브(VFD: Variable Frequency Drive), 전기차 충전기, 신·재생에너지 전원공급장치의 인버터, LED 등기구의 전원장치(SMPS: Switching Mode Power Supply) 및 데이터 센터와 같은 IT 장비 등이 주요 원인으로 들 수 있다. 특히, 고조파는 전력 간선 케이블의 절연 열화 및 과열 등의 문제를 일으키며, 이는 전력계통의 안정성을 저하한다. 이러한 상황에서 전력 간선 케이블 설계 시 고조파를 고려하는 것은 필수적이다^[2].

이러한 문제를 해결하기 위해, 전력 품질 관리 기준이 전 세계적으로 수립되고 있다. 특히, 미국의 전기 규정(NEC: National Electrical Code)과 전기·전자공학자협회 (IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers)의 기준은 고조파 관리기준을 제공한다. NEC는 전기설비의 안전 표준으로, 전선 크기, 과부하 보호, 열적 안정성을 강조하고 있다^[3].

IEEE Std. C57.110-2022 “IEEE Recommended Practice for Establishing Liquid-Immersed and Dry-Type Power and Distribution Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Currents” 표준은 변압기 권선 내부에 발생하는 고조파 전류로 인한 발열 영향, 비선형 부하가 만들어내는 고조파 전류가 변압기의 정격보다 더 많은 발열에 따른 용량 감소를 고려하여 권선 설계 및 용량 선정할 때 사용되는 표준으로 K-Factor의 개념과 설계를 제시하고 있다.

IEEE Std. 519 “Recommended Practices and Require- ments for Harmonic Control in Electrical Power Systems” 표준은 고조파 왜곡률에 대한 허용 범위를 구체적으로 규정하고 있다^[4].

국내에서 적용되고 있는 고조파 기준은 한국전력공사(KEPCO: Korea Electric Power Corporation)와 한국전기설비규정(KEC: Korean Electro-technical Code)을 적용하고 있다. 한국전력공사 공급약관은 송전 및 배전선로에 접속되는 계통연계를 정의하고 있으며, IEEE Std. 519 기반을 혼용하여 적용하고 있다. IEEE Std. 519, Section 5에서는 고압 및 특고압선로의 전력 시스템 내 고조파 전류와 전압의 허용 한계를 나타내며, 1.0 kV ~ 69kV 이하의 전압에 대해서는 5% 이내, 제3고조파에서부터 제11고조파까지는 4% 이내로 제한하고 있다.

KEC는 저압계통 선로의 고조파 기준을 적용하며, 국제전기기술위원회(IEC: International Electro technical Commission)를 혼용하여 적용하고 있다.

KEC 231.3.2에서는 케이블의 중성선 단면적 산정하는데 있어, 제3고조파 및 홀수 배수의 종합 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion)이 15~33% 이내로 제한하고 있으며, 33%를 초과하면 선 도체와 중성선은 $1.45\times I_{B}$(회로 설계 전류)의 단면적을 선정하고 있다.

1.2 연구의 목적 및 방법

본 연구는 해외에서 저압계통 선로에 적용되고 있는 NEC 및 IEEE Std. C57.110에 대해 분석하고 고조파 발생 부하에 대한 설계 적용을 제안하는 데 목적이 있다. 고조파 전류는 전력 간선 케이블에 과열, 절연 열화, 전력 손실 등 다양한 문제를 초래하며, 이는 전력계통의 안정성과 신뢰성을 저하의 원인이 된다.

NEC Article 220, Branch-Circuit, Feeder and Service Load Calculation, 220.61절에서는 고조파 전류로 인한 케이블 과열을 방지하기 위해 전류 용량 감소를 고려한 설계 기준을 제공하며, IEEE Std. C57.110에서는 비선형 부하에 따른 변압기 용량 감소 대책을 제시하고 있다. 이를 통해 고조파 부하 설계 방법을 국내 전력 간선 케이블 설계 기준의 개선 가능성을 제시함으로써 설계단계에서부터 시공단계에 이르기까지 전력계통의 안정성과 신뢰성을 강화하는데 기여할 것으로 사료된다.

2.1 고조파의 정의

고조파(Harmonics)는 기본 주파수 60Hz의 정수배 주파수를 가지는 전압 또는 전류 성분으로 정의된다. 전력계통에서는 정현파 형태의 이상적인 전압과 전류를 구분하기 어려울 정도로, 다양한 전력·전자기기 및 비선형 부하의 사용이 증가하고 있다. 이러한 비선형 부하는 입력 전압이 정현파 일지라도 전류를 비정상적인 형태로 소비하며, 이 과정에서 기본 주파수의 정수배 성분을 가지는 고조파 전류를 계통으로 유입시킨다. 고조파는 기본파와 다르게 열 손실을 증가시키고, 장비의 오작동이나 절연 열화를 유발하며, 전력 품질(Power Quality)을 심각하게 저해하는 요소로 작용한다^[5].

고조파의 정량적 해석은 상당히 복잡하고 수기로 해석이 불가능하여 수학적 수식의 푸리에 급수(Fourier Series)를 통해 이루어지며, 하나의 주기적인 신호를 기본파와 고차 고조파의 중첩으로 표현함으로써, 파형의 왜형 정도 및 각 고조파의 기여도를 분석할 수 있다. $i(t)$가 정현파 기본파 60Hz에 3차, 5차 및 7차 고조파 성분이 포함된 경우 식(1)과 같이 전류 파형 기준으로 푸리에 급수를 전개하였다.

여기서, $\phi_{n}$은 각 고조파의 위상 각이며, $\omega =2\pi f$로 나타내며, $I_{1}$은 기본파의 주파수 60Hz, $I_{3}$은 3차 고조파의 주파수 $(3\times 60Hz=180Hz)$, $I_{5}$는 5차 고조파의 주파수 $(5\times 60Hz=300Hz)$, $I_{7}$은 7차 고조파의 주파수 $(7\times 60Hz=420Hz)$를 의미한다.

실제 고조파 파형은 위와 같은 특정 고조파 성분들의 선형 결합으로 나타나며, 이로 인해 전체 전류 파형은 비정현파 형태를 보이게 됨을 알수 있다.

2.2 고조파 발생원

고조파는 주로 비선형 부하에서 발생한다. 비선형 부하는 입력 전압이 정현파일지라도, 전류가 비정현파로 흐르게 만드는 부하를 의미한다. 대표적인 고조파 발생원 예로는 전력·전자기기(정류기, PWM 기반 인버터, UPS, VFD 등)가 있으며, 이들 장치는 공통으로 전류의 파형에 고차 성분을 포함하며, 시스템 전체에 고조파 전류가 유입된다. 특히, 6펄스 정류기에는 5차, 7차, 11차 및 13차 고조파가 주요하게 발생하며, 3상 4선식 시스템에서는 중성선에 3차 고조파가 중첩되어 나타난다^[6].

참고문헌 ^[1]에서 변환 기기에서 19차, 25차 및 27차의 고조파가 발생한다고 언급하고 있다. 참고문헌 ^[10]은 3차 고조파는 중성선에 영향을 미치며, 5차와 7차 고조파는 회전기기 내부의 회전 토크에 영향을 미쳐 전동기의 진동 또는 비정상 열화를 유발할 수 있어, 이러한 부하의 고조파 영향을 고려하여 K-Factor의 변압기 설계를 권장하고 있다. 또한, 스위칭 모드 전원장치를 사용하는 데이터 센터 IT 장비, 병원에서 사용되고 있는 의료장비 및 LED 조명기구가 포함한 고조파 발생으로 전력품질에 악영향을 미치게 되며, 다수 병렬연결 시 중성선에 순환 전류가 집중되어 과열 및 전압 불균형이 발생하게 된다.

2.3 부하에 미치는 영향

전력계통에서 고조파는 기본파 이외의 주파수 성분이 포함된 왜형 전류로서, 다양한 전기 부하에 물리적·열적·전기적 손상을 일으킨다. 고조파에 의한 부하 영향은 단순히 에너지 손실에 국한되지 않고, 설비의 수명 단축, 오작동, 통신장애, 역률 저하 등 복합적인 형태로 나타난다.

Table 1은 고조파가 부하에 미치는 주요 항목별로 정리한 것으로, 각 부하 특성과 계통 상황에 따른 대책이 필요한다^[7].

3.1 한국전력공사 고조파 관련 기준

한국전력공사의 전기공급약관에서 규정하는 고조파 관리기준은 전압등급을 구분하며, 22.9kV 계통과 66kV 계통은 각각의 특성과 계통 안정성에 따라 THD의 허용 한도가 각각 다르게 적용하고 있다. 고조파로 인한 전력품질 저하를 방지하며, 고객 설비가 계통에 미치는 고조파 영향을 최소화하기 위한 접속 지침을 제공하고 있다.

Table 2에서는 공급전압 22.9kV이하의 중전압 배전계통으로 산업단지, 대형 건물, 기타 제조업체 등 다양한 중간 규모 수용가에 직접 전력을 공급하는 용도로 활용된다. 이 전압 기준에서는 고조파가 전력품질에 직접적인 영향을 미칠 가능성이 크기 때문에, 한전은 공급지점에서의 종합 고조파 왜형률(THD)은 5% 이하로 기준하고 있다^[8].

수용가 측에서 고조파를 유발하는 비선형 부하가 발생할 경우, 고조파 저감을 위한 고조파 필터 및 저감장치를 설치하여 종합 고조파 왜형률(THD가 5%를 초과하지 않도록 설계여, 고조파 개선대책 수립하여 한전 계통연계에 접속하는 것으로 기준하고 있다^[8].

Table 3은 공급전압이 66kV 이상의 고압 송배전망으로, 대규모 산업단지, 발전설비, 변전소 1차측 등 높은 전력 수요와 시스템 안정성이 요구되는 수용가에 전력을 공급하는 고전압 계통이다. 66kV 이상의 계통에서는 공급지점에서의 종합 고조파 왜형률(THD) 3.0% 이하로 제한하고 있으며, 선로에 접속되는 고조파 차수별 계통 연계기준을 나타내고 있다^[8].

3.2 KEC 고조파 부하설계 방법

KEC 231.3.2에서는 고조파 부하 설계 시 중성선 도체의 단면적을 보강하도록 요구하고 있다. 중성선 전류가 3차 수 고조파에 의해 상전류보다 더 클 수 있음을 고려하여, 고조파 전류의 저감 계수를 적용되며, 또한 고조파 왜형률(THDi)로 인한 케이블의 발열 증가를 고려한 것으로 고조파가 포함된 부하에서 케이블을 안전하게 사용하기 주된 목적이다. 이를 통해 고조파 전류의 영향은 케이블의 종류, 설치 조건, 주위 환경(온도, 습기) 등에 따라 달라질 수 있으므로 종합적으로 검토가 필요하다^[9].

KS C IEC 60364-5-52, 부속서 E.52.1_고조파 전류에 대한 저감 계수로 3상 평형 배선의 중성점에 전류가 흐를 때 적용방법을 설명하고 있다.

Table 4에서는 고조파 전류가 4심 및 5심 케이블의 중성 도체로서 선로 도체와 케이블의 재질, 단면적이 같은 경우에만 적용된다. 저감 계수는 제3고조파 전류 기준으로 계산하는 방법을 나타내고 있다^[10].

각상의 39A가 연결된 부하회로에 3상 4심 케이블의 굵기 6.0㎟와 허용전류 41A의 설계조건으로 상기 Table 4 기준으로 고조파 전류에 대한 저감 계수 적용하여 계산될 경우 아래와 같이 나타낼 수 있다.

제3고조파 성분이 20%와 40%가 발생하면 케이블 중성선에 흐르게 되면 중성선에 요구되는 허용전류 계산 방법은 식(2)에서부터 식(4)에서처럼 계산할 수 있다.

식(2)는 제3고조파 성분이 20%일 경우 저감 계수 0.866이므로 설계부하는 45A로 케이블 6.0㎟의 허용전류 41A보다 상위 케이블 굵기 10㎟의 허용전류 57A를 적용한다.

식(3)은 고조파 성분이 40%일 경우 이 중성선에 흐르는 전류는 46.8A가 흐르고, 환산계수 0.86을 적용될 경우 식(4)에서처럼 54.4A 이므로 중성선 허용전류 기준으로 케이블 굵기 10㎟를 선정할 수 있다.

4.1 NEC 기준 고조파 부하설계 방법

NEC에서 고조파 부하에 대한 설계 적용 방법으로 고조파 전류를 고려하여 케이블, 중성선 선정 방법, 배선 방식, 도체의 허용전류에 따른 설계 계수(K) 값을 적용하며, 세부 지침은 Article 220, Article 310 및 Article 450을 기준하고 있다^[11].

Fig. 1은 NEC 220.61절과 310절 기준을 적용한 고조파 부하 설계에 대한 Flow Chart를 나타내고 있다.

고조파 부하 설계 절차는 먼저 파악되어야 할 부분은 프로젝트의 전체 부하를 산정한 후, 컴퓨터, 인버터 및 LED 조명 등 비선형 부하가 존재하는지를 확인한다.

Table 5는 비선형 부하의 종류와 고조파에 대한 영향을 나타내고 있다.

비선형 부하가 있다면 고조파 특성(3차, 5차 등)을 분석하여 중성선 전류에 미치는 영향을 평가하고, NEC 220.61에서 제시하는 중성선의 고조파 설계 계수(K) 값을 적용하여 중성선 전류를 계산한다. 이어서 계산된 중성선 전류가 상선 전류를 초과할 경우, 중성선을 상선과 같거나 더 큰 크기로 선정하고, 중성선 과부하가 발생 우려가 명확할 때는 별도의 중성선 과전류 보호장치를 설치하고, 최종적으로 NEC Article 310 및 240 규정에 따라 배선 및 보호장치를 선정하여 설계를 완료한다^[11].

고조파 부하가 포함된 간선에 대한 설계 방법으로는 부하의 특성에 따라 각각의 고조파 특성값을 고려하여야 한다. 고조파 부하로 인해 중성선에 발생하는 전류가 상선보다 클 것으로 예상할 경우 상선과 동등하거나 더 큰 용량의 중성선을 사용하여야 한다. 이와 관련된 중성선 굵기 선정 계산 방법은 식은 (5)와같이 계산할 수 있다^[11].

$I_{n}$은 중성선에 흐르는 전류, $I_{ph}$는 상선에 흐르는 전류, $K$값은 고조파 부하 종류 특성에 따른 고조파 차수에 따른 중성선 굵기 설계 계수를 의미하며, 관련 데이터는 Table 6을 참조한다^[11].

$I_{n1}$의 중성선 전류 계산 값은 컴퓨터, 전산장비 및 서버 부하에 흐르는 상전류가 100A일 경우 설계 계수를 173% 적용하게 되면 식 (6)과 같이 나타낼 수 있으며, $I_{n2}$의 중성선 전류 계산 값은 LED 조명 부하에 흐르는 상전류가 50A가 흐르면 설계 계수를 130% 적용 시 식 (7)에서 표기하였고, $I_{n3}$의 중성선 전류 계산 값은 인버터 부하에 흐르는 상전류가 100A가 흐르면 설계 계수를 125~150% 적용하게 되면 식(8)에서처럼 나타낼 수 있다^[11].

NEC 450은 변압기의 설치, 용량 선정, 보호 및 유지관리에 대한 사항을 규정하고 있다. 고조파 전류로 인한 권선의 과열을 방지하고 안전성을 확보하기 위해 부하의 특성을 평가하여 변압기 용량 결정을 하여야 한다. 고조파 부하의 종류 및 특성에 따라 K-Factor 등급이 다르게 적용되고 있다. 이 부분에 대해서는 IEEE Std. C57.110에 상세하게 제시하고 있다.

4.2 IEEE 기준 고조파 부하설계 방법

IEEE Std. C57.110 표준은 고조파 부하 및 비선형 부하로 인해 변압기 용량 감소에 따른 이를 대책으로 변압기의 K-Factor의 등급을 상세하게 구분하고 있다. 비선형 부하가 많은 환경에서 운전되는 변압기는 해당 부하가 발생시키는 고조파 전류로 인한 변압기의 권선 온도가 증가하는 현상이 나타나게 된다. 이러한 과열(Over-Heating)은 결과적으로 변압기의 수명을 단축하는 원인이 된다.

예를 들어, 변압기를 절연 등급(Insulation Rated Class) 온도보다 10℃ 높게 운전할 경우, 변압기의 예상 수명이 약 50%나 감소하게 된다. 이러한 고온에서 장시간 되면 변압기의 절연체 손상되어 변압기 고장의 원인이 될 수 있다. 이러한 문제를 예방하기 위해, K-Factor의 개념은 비선형 부하를 견디는 변압기의 능력을 나타내는 표준 지표를 의미하며, 고조파 부하 조건에서도 추가적인 과열이 발생하지 않도록 보통 권선의 굵기를 크게 설계한다.

K-Factor의 계산은 식(9)와 식(10)에서처럼 2가지 방식으로 계산할 수 있다.

식(9)에서 나타내는 $I_{n}$은 $n$차 고조파 전류를 의미하고, $I_{r}$은 전체 전류의 RMS(Root Mean Square)값, $n$은 고조파 차수(1, 3, 5, 7 등)의 비율이며, 식(10)에서는 고조파 전체 수요 왜형률(TDD: Total Demand Distortion)을 사용하는 방법을 나타내고 있다. 각 고조파 차수의 제곱에 각 고조파 전류의 제곱을 곱하여 합산한 값, 이 값이 클수록 변압기의 열 발생 영향이 커짐을 의미하며, 더 높은 K-Factor 등급의 변압기를 사용하여야 한다.

Table 7은 비선형 부하의 종류에 따른 K-Factor 값을 나타내고 있다. K-Factor는 고조파 전류가 포함된 부하를 공급하는 경우 변압기에서 발생하는 추가 열 손실($I^{2}R$)을 반영하여, 변압기의 내 고조파 적합성을 정량적으로 평가하는 계수이다. K-1 등급은 일반 표준 변압기로 비선형 부하 없는 설비에 적용되고, K-4 등급은 비선형 부하의 적용 비율 25%, K-9 등급은 50%, K-13 등급은 75%에서 사용될 경우 적용되며, K-20은 전체 연결 부하 모두가 비선형 부하가 100%일 때 적용하고 있다. 보통 일반적으로 K-13의 변압기를 사용하며, K-Factor가 높을수록 고조파에 강한 구조라 할 수 있다.

식(9)와 식(10)을 이용하여 계산 예시 조건을 제시하여 K-Factor 등급을 간단하게 계산하였다.

기본파 전류 $I_{1}$= 100A, 3고조파 전류 $I_{3}$= 40A, 5고조파 전류 $I_{5}$= 20A 및 7고조파 전류 $I_{7}$= 10A일 경우 주어진 계산조건을 적용하여 식(11)에서부터 식(13)에서처럼 계산할 수 있다.

$I_{r}$ 전체 전류의 RMS 계산은 다음과 같다.

각각의 $TDD$ 계산은 다음과 같다.

K-Factor 등급 계산은 다음과 같다.

식(13)에서 계산된 K-Factor 값은 1.39로 일반 변압기로는 부족하므로 Table 7의 등급에서 K-4 변압기를 적용해야 함을 알 수 있다.

IEEE Std. 519, Section 5에서는 전력 시스템 내 고조파 발생을 제어하고 관리하기 위한 표준이다. 이 표준은 전력품질 유지를 위해 고조파 전류와 전압의 허용 한계를 정의하고 있으며, 주로 비선형 부하로 인해 발생하는 고조파가 계통에 미치는 영향을 최소화하는데 그 목적을 두고 있고, 수용가(사용자)와 전기 사업자(전력 공급자) 간의 책임 한계를 명확히 하고 있다. 전류 고조파에 대한 관리는 부하를 사용하는 수용가(사용자) 측, 전압 고조파 관리는 전기 사업자(전력 공급자) 측이 책임을 지고 있다. 고조파 왜곡의 지표로 THD와 TDD을 사용하며, 각각 전압 및 전류의 왜곡 수준을 표기하고 있다. 고조파에 대한 측정방법, 평가 기준, 제한 값, 대응 방안 등을 포괄적으로 담고 있으며, 고조파 제한 필터, 부하 분산, 배선 개선, 접지 시스템 향상 등의 기술적 제시하고 있다^[12].

Table 8은 IEEE Std. 519에서 비선형 부하의 종류 및 고조파 차수를 나타내고 있다.

IEEE Std. 519기준에서 전압 고조파 왜형률(THDv : Total Harmonic Distortion of Voltage)와 전류 고조파 왜형률(THDi : Total Harmonic Distortion of Current)를 구분하고 있으며, 고조파 왜형을 평가하는 지표로 사용된다. 일반적으로 배전계통 전압 기준 THDv는 5% 이하, THDi는 3~20% 이하로 제한하고 있다. TDD (Total Demand Distortion)는 고조파 전류의 총합을 설비의 최대 부하 전류 대비 백분율로 나타낸 값으로, 계통에 실제로 유입되는 고조파 전류의 영향을 나타내는 지표로 사용된다.

식(14)에서부터 식(16)에서처럼 THDv, THDi 및 TDD를 각각 계산할 수 있다.

식(14)과 식(15)은 기본파(60Hz) 전류 $I_{1}$ 및 기본파 전압 $V_{1}$에 대한 모든 고조파 전류 및 전압의 비율을 의미하고, 식(16)는 최대 수요 전류 $I_{L}$ 기준으로 한 고조파 전류의 총 왜곡률을 의미한다.

Table 9는 전압 등급별 개별 고조파, THD의 고조파 허용치 비율을 나타내는 값이다. THD 값이 높을수록 전압 파형이 더 많이 왜곡되었음을 의미하며, 장비 오동작 및 손상의 원인이 될 수 있음을 의미한다. 특히나, 전압이 높을수록 시스템의 민감도가 높으므로 전압 등급이 높을수록 허용되는 THD 한계가 더 엄격하다.

Table 10은 개별 고조파 허용치, 총 TDD 허용치를 나타내고 있다. $I_{SC}$는 계통의 단락전류, $I_{L}$은 최대 부하전류를 의미하며, 그 비율에 따라 허용 TDD의 차이를 볼 수 있다. $I_{SC}/I_{L}$의 비율이 높을수록 계통의 여유가 많으므로 더 높은 TDD가 허용된다. 이러한 내용은 고조파 전류가 계통에 미치는 영향을 최소화하기 위해 적용되며, PCC에서 측정할 수 있다^[12].

결과적으로 IEEE Std. 519는 전력 시스템의 고조파 왜곡을 제한하기 위한 권고 기준으로 THD와 TDD를 통해 허용 범위를 정하고, 그 허용 범위를 벗어나게 되면 고조파 제한할 수 있는 별도의 고조파 저감장치(고조파 필터, K-Factor 변압기 등) 설치하여 대응 방안을 제시하고 있다.

Table 11은 식(14)에서부터 식(16)을 이용하여 계산 예시 조건을 제시하여, THD와 TDD을 식(17)과 식(18)에서처럼 계산할 수 있다.

THDi 계산은 아래와 같다.

THD 계산은 아래와 같다.

계산된 TDD는 22.8%, 허용기준 8%보다 크게 계산되었으므로 별도의 고조파 전류를 제한할 수 있는 대책이 필요하다는 것을 알 수 있다. 적용 가능한 대책으로써는 고조파 필터 설치, 계통의 비선형 부하의 분산, K-Factor 변압기 적용, 케이블 및 중성선 굵기를 상향시키는 다양한 방법을 적용할 수 있다.

국내에 주둔하고 있는 주한미군 통합설계기준 (UFC: Unified Facilities Criteria)에 따르면 비선형 부하(컴퓨터, VFD 등)로 인해 발생하는 고조파 전류가 전력계통에 미치는 영향을 최소화하기 위해 중성선 과전류, 전압 왜형, 설비 과열 등을 고려한 설계를 요구한다^[13]. 이러한 비선형 부하로 인한 영향을 최소화하기 위해 설계 시 고조파 전류의 흐름을 고려한 중성선 용량 확보를 필수적으로 요구하며, 중성선은 상선도체의 허용전류보다 173%를 크게 적용하여 충분히 여유 있는 크기로 선정하고 있다. 또한, 고조파에 의한 열적 부담을 고려하여 K-Factor 변압기를 적용하도록 하며, 비선형 부하가 50% 이상이면 K-4이상, 90% 이상이면 K-13 이상의 등급을 사용하도록 권장된다^[14].

4.3 해외기준 NEC 및 IEEE 비교검토

Table 12는 NEC, IEEE Std. 519 및 IEEE Std. C57.110에 대해 간략히 비교하여 나타내고 있다. NEC는 전기설비의 안전을 위한 최소 기준으로, 고조파를 직접 다루지는 않지만, 비선형 부하와 중성선 설계 시 고려해야 할 요소를 포함하고 있고, IEEE Std. 519는 고조파가 전력품질에 미치는 영향을 정량적 지표(THD, TDD)로 제시하고, 사용자와 공급자 간 책임 분담 원칙과 제한 수치를 명확히 정의하여 설계와 운영 기준을 제공하고 있으며, IEEE C57.110은 고조파 전류로 인해 변압기 내부에 발생하는 열적 손상을 고려하여, K-Factor 선정과 derating 기준을 제공하는 실질적인 변압기 설계 방향을 제공하고 있다^[12-13].

5.1 설계 및 시공단계 고조파 관리기준

NEC는 전기설비의 안전설계를 위한 기준을 제공하며, IEEE Std. 519는 고조파 전압 및 전류의 왜형 한계를 규정하고, IEEE C57.110은 고조파에 적합한 변압기 적용을 위한 K-Factor 기준을 제공한다. 이들 기준은 상호 보완적으로 고조파 관리 체계를 구성하고 있다.

Table 13은 해외기준 대비 국내 전기설계 단계에서 적용 가능한 기준을 간략히 비교하여 나타내고 있다.

고조파 부하는 설계단계의 고려만으로는 충분하지 않으며, 시공단계에서의 정확한 자재 적용과 시공 품질 확보가 전력계통의 안정성을 좌우한다. NEC는 중성선 병렬 시공과 고조파 영향을 반영한 배선 조건을 명시하고 있으며, IEEE Std. 519는 고조파 측정을 통한 시험 운전 시험을 요구한다. 또한, IEEE C57.110은 K-Factor 기반 변압기 사양의 현장 검증을 강조한다. 따라서 시공단계에서는 고조파 필터 설치, 변압기 명판 확인, 접지 및 배선 상태 점검 등 기준에 부합하는 이행이 필수적이며, 이는 고조파로 인한 설비 손상과 전력품질 저하를 예방하는 핵심 과정이다.

Table 14는 해외기준 대비 시공단계에서 적용 가능한 기준을 간략히 비교하여 나타내고 있다.

5.2 유지관리단계 고조파 관리기준

건축물 완공 후에도 고조파는 부하 변화, 설비 노후화, 고조파 필터 성능 저하 등에 따라 지속해서 전력계통에 영향을 미친다. NEC는 지속적인 접지 및 배선 점검을 요구하고, IEEE Std. 519는 운전 중 THD 및 TDD의 주기적 측정을 통해 고조파 상태를 관리할 것을 권장한다.

또한, IEEE C57.110은 변압기 열화 예방을 위해 고조파 전류에 대한 장기적인 모니터링을 요구하며, 유지관리단계에서는 고조파 측정 분석기를 활용한 실시간 모니터링, 고조파 필터 유지보수, 변압기 상태 점검 등이 필수적이며, 이는 전력품질 유지와 설비 수명 연장의 핵심 요소로 작용한다.

Table 15는 해외기준 대비 유지관리단계에서 적용 가능한 기준을 나타내고 있다.