고조파 때문에 콘덴서·변압기가 과열되는 이유(공진)는?

핵심 답변

콘덴서는 스스로 고조파를 만들지 않지만, 변압기·계통의 인덕턴스와 함께 특정 주파수에서 공진하는 회로를 이룹니다. 그 공진 주파수가 인버터·정류기가 내보내는 5차·7차 같은 고조파 근처에 오면, 그 차수의 전류와 전압이 크게 증폭되어 콘덴서에 정격의 몇 배 전류가 흐르고 변압기에도 고조파 전류가 늘어 과열됩니다. 공진 차수는 콘덴서를 단 모선의 단락용량과 콘덴서 용량으로 대략 h₀ = √(Ssc ÷ Q)로 추정할 수 있어, 콘덴서를 늘리면 공진 차수가 낮아져 5차 쪽으로 다가갑니다. 그래서 고조파 부하가 많은 설비에서는 콘덴서를 늘리기 전에 공진 차수를 확인하고, 직렬리액터를 단 콘덴서나 고조파 필터를 씁니다.

원리 이해

해외 제조사 기술 가이드는 인덕턴스가 대부분인 전력 계통에 콘덴서를 달면 어느 고조파 주파수에서 완전 또는 부분 공진이 생길 수 있고, 콘덴서와 계통 리액턴스의 고유 주파수가 특정 고조파에 가까우면 그 주파수의 전압·전류가 증폭되어 콘덴서가 과열되고 유전체가 열화해 결국 고장 날 수 있다고 설명합니다^[1]. 같은 가이드는 공진 차수를 h₀ = √(Ssc ÷ Q)로 추정하는 예로, 630 kVA·%임피던스 6% 변압기 모선(단락용량 약 10 MVA)에 350 kvar 콘덴서를 달면 h₀ ≈ 5.5로 5차 고조파에 가깝다고 듭니다^[1].

공진 전류는 콘덴서만이 아니라 변압기를 통해서도 흐르므로, 변압기 권선과 철심의 손실이 늘어 온도가 오릅니다. 콘덴서 투입·개방에 따라 공진 차수가 바뀌어 특정 단을 넣었을 때만 소음이나 과열이 생기기도 합니다. 그래서 공진은 설비가 바뀔 때마다 다시 확인해야 하는 문제입니다.

공진 차수 계산 예

콘덴서 용량이 커질수록 공진 차수가 내려가 5차(300 Hz)·7차(420 Hz)에 가까워집니다. 모선 단락용량은 단락전류 계산기의 변압기 2차 단자 값(√3 × 전압 × 단락전류)으로 추정할 수 있습니다.

대책

직렬리액터 단 콘덴서 — 리액터를 직렬로 달아 콘덴서 회로의 공진 주파수를 가장 낮은 고조파보다 아래로 옮깁니다. 같은 가이드는 5.7%·7%·14% 리액터를 흔히 쓰며 60 Hz에서 동조 주파수가 각각 약 250·230·160 Hz라고 정리합니다^[2].

고조파 부하 비율 확인 — 같은 가이드는 비선형 부하 비율에 따라 표준 콘덴서, 과전류 내량이 큰 콘덴서, 리액터 조합, 고조파 필터 순으로 선택하도록 안내합니다^[2].

한전 약관 — 현저한 고조파를 발생시켜 다른 고객이나 한전 설비에 지장을 줄 우려가 있으면 고객 부담으로 조정장치·보호장치를 시설해야 합니다(제39조)^[3].

확인 순서

1. 관리자 콘덴서 뱅크 용량·단 구성과 직렬리액터 유무, 인버터·정류기 같은 고조파 부하의 규모를 정리합니다.
2. 자격자 콘덴서 단을 넣고 뺄 때 전압 THD와 콘덴서 전류가 어떻게 바뀌는지 측정합니다.
3. 자격자 모선 단락용량과 콘덴서 용량으로 공진 차수를 추정해 5차·7차 근처인지 확인합니다.
4. 자격자 공진이 의심되면 리액터 단 콘덴서로 교체하거나 고조파 필터를 검토하고, 그동안 문제 되는 단의 사용을 줄입니다.

하지 말아야 할 것

• 역률이 낮다고 고조파 측정 없이 콘덴서만 늘리지 마세요.
• 부풀거나 뜨거운 콘덴서를 계속 투입하지 마세요.
• 직렬리액터를 뗀 채 콘덴서를 운전하지 마세요.

관련 기준과 근거

• 고조파 공진의 원리와 공진 차수 h₀ = √(Ssc ÷ Q), 630 kVA 예 — 제조사 기술 가이드^[1]
• 직렬리액터 5.7·7·14%와 선택 규칙 — 제조사 기술 가이드^[2]
• 한전 기본공급약관 제39조(현저한 고조파 발생 시 보호장치)^[3]

계산이 필요하면

모선 단락용량 Ssc ≈ √3 × 전압 × 단락전류. 변압기 2차 단자의 단락전류부터 구해 보세요.

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