전력 문제의 7가지 유형

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일주 손
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1 백서 18 개정 1 Joseph Seymour Terry Horsley 글 > 개요장비고장, 작동중단및데이터손상등에관한비밀중에는전력공급문제로인해발생한결과인것들이많이있다. 또한기본적인방법으로전력문제를기술하는것과함께공통적인문제가있다. 이백서는전력품질문제의기술에관한 IEEE 표준을이용해전력외란, 전력외란을유발하는것, 핵심장비에발생할수있는것및장비를보호하는방법중에서가장공통적인유형들을설명할것이다. 컨텐츠섹션을클릭해바로가기 머리말 2 과도전류 4 정전 7 전압강하 / 저전압 8 전압상승 / 과전압 10 파형왜곡 11 전압요동 14 주파수변동 14 결론 17 리소스 18 부록 19

2 머리말 우리의기술세계는전력의지속적인가용성여부에크게영향을받는다. 대부분의국가에서는수많은발전소를부하에연결하는전국적인그리드를경유해상업용전기를이용할수있다. 그리드는정부, 산업, 금융, 상업, 의료및통신집단은물론이고주거용, 조명, 난방, 냉장, 에어컨, 운송에대한기본적인국가적수요를공급해야한다. 상업용전기는실제로오늘날의현대세계가빠른속도로기능할수있도록한다. 정교한기술은우리의가정및직장에깊숙하게도달해있으며, 전자상거래의등장과함께우리가다른세계와상호작용하는방법을끊임없이변화시키고있다. 정보산업은정전이나전력외란이없는전기를필요로한다. 대규모전력사고의결과는문서로잘기록되어있다. 1 미국의최근연구에서는산업체와디지털기업들은정전으로인해매년 457 억달러의손실을입고있는것으로나타났다. 모든산업부문에걸쳐전력품질과관련된다른모든문제들로인한 150~240 억달러의손실과함께정전으로인해약 1,040~1640 억달러의손을입은것으로추산된다. 산업자동화과정에서는전반적인생산라인을통제할수없는상황이될수있으며, 그로인해현장인력및비싼재료낭비에대한위험한상황이발생할수있다. 대규모금융기업의처리비용손실로인해오래동안의복구시간은물론이고가동시간당복구할수없을정도의엄청난비용이발생할수있다. 정전으로인해발생된프로그램및데이터손상은소프트웨어복구작업과관련해복구하는데몇주일이문제를일으킬수있다. 많은전력문제는상업용전력그리드에서발생하며, 장비고장, 교통사고및주요교체작업등과함께수천마일의송전선과함께허리케인, 천둥번개, 눈, 얼음및홍수와같은기상조건의영향을받는다. 또한오늘날의기술장비에영향을주는전력문제는흔히지역적으로지역공사, 높은시동부하, 불량배전구성품및일반적인배경전기잡음같은여러가지상황으로인해설비안에서발생한다. 공통조건에대한합의는전력외란문제를다루는과정의첫번째단계이다. 가정용전자제품에서규모가크고거대한고가인산업공정의통제장치에이르는모든분야에서전자제품이광범위하게사용되면서전력품질에대한인식이높아졌다. 전력품질또는보다전문적으로말하면전력품질외란은일반적으로전기장비의정상적인작동을방해하는전력의변화라고정의할수있다. 전력품질및전력품질통제방법에대한연구는전기시설, 대규모산업체, 기업및가정사용자들을위한관심사항이다. 장비가점점전력공급전압, 전류및주파수에서발생하는사소한변화에도민감해지면서연구는강화되었다. 불행히도기존의전력외란과관련된많은사항들을기술하는데사용하는용어들이서로다르며, 그로인해혼란이발생하고효과적인논의와연구가더욱어려워지는것은물론이고오늘날의전력품질문제가변화를겪고있다. 전기전자학회 (IEEE) 는전력외란에대한정의를포함한표준을제정하면서이문제를해결하기위한시도를했다. 표준 (IEEE 표준 , " 전력품질모니터링을위한권고안 IEEE") 에서는여러가지전력품질문제를기술하고있으며, 그중에서본논문에서는가장공통적인사항들에대해논의할것이다. 전력을어떻게볼것인가? 콘센트의전기는전자기현상이다. 교류전류 (ac) 의형태로공급되는상업용전기는외견상으로는발전소에서발전할수있으며, 변압기로전압을높일수있고, 수천마일떨어진해당지방의일정지역까지송전할수있는무한의에너지원이다. 이런에너지가짧은시간에어떤일을하는가를안다면간단하면서도부드러운 AC 전력이우리가의존하고있는복잡한시스템의안정적인작동에얼마나중요한것인가에대해서이해할수있다. 우리는오실로스코프를이용해이런에너지가어떤모양인지알수있다. 완전한세계에서는상업용 AC 전류는부드럽고대칭적인사인파의모양이며, 우리가어떤지역에살고있는가에따라초당 50 1 벢袁胎 및디지털경제기업에대한전력외란비용, 백서사본 2001 년, 전력연구소. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 2

3 또는 60 사이클에서변하고있다. 그림 1 은평균 AC 사인파가오실로스코프상에서나타나는모양이다. 그림 1 사인파의오실로스코프이미지 위에나타난정현파형 ( 사인파형 ) 은초당 60 번씩양의값에서음의값으로변하는전압을나타낸다. 이러한유동파형 (flowing wave shape) 이크기, 형태, 대칭, 주파수를바꾸는경우또는노치, 임펄스, 울림을점점크게하거나 0 으로떨어뜨리는 ( 간단하게말해서 ) 경우에는전력외란이있다. 본논문에서는앞으로논의할전력 7 가지범주의품질외란에과관련해위의이상적인사인파형에서나타난변화를상징하는간단한그림을제시할것이다. 이미기술한바와같이, 전력산업및기업집단전반에걸쳐여러가지전력외란을기술하는용어를사용하는과정에서약간은모호한점이있었다. 예를들어 서지 라는용어의경우, 어떤산업분야에서는일반적으로전기의전원을끄는대형부하로인해발생하는전압의순간적인상승을의미하는말로생각했다. 반면에 서지 라는용어의의미를아주하이피크값으로마이크로초에서불과몇밀리초간지속하는과도전압으로생각할수도있다. 후자의의미는일반적으로번개불또는접촉면사이에서스파크를일으키거나호광을발생하는스위치사고와관련이있다. IEEE 표준 에서는용어의모호성문제를다뤘으며, 문제의특성을정확하기기술하지못한다는이유로일반적으로사용되는많은용어를전문보고서및참고문헌에서는사용하지말것을권장했다. 또한 IEEE 표준 에서도전문집단에서보고되는전력품질에대한일관성있는용어를제시하는것을목표로이문제를다루고있다. 이러한모호한용어들중에서몇가지를제시하면다음과같다. 정전 전압저하 범프 전력서지 청정전력 서지 정전 깜빡임 비청정전력 주파수편이 글리치 스파이크 전력서지 로전력 로유틸리티전력 윙크 정전과진동과도전류의차이에대해서아는것과같이전력에대해서효과적으로논의할수있다면전력교정장치에대한구매결정을하는때상당한차이가날수있다. 가동중단시간, 손해급여또는장비손상을포함해필요에맞지않는잘못된전력교정장치를구입할경우통신실수는비용이많이소요되는결과를초래할수있다. 본 IEEE 는본논문에나타난전력품질외란을파형을기준으로 7 가지범주로분류했다고정의했다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 3

4 1. 과도전류 2. 정전 3. 전압강하 / 저전압 4. 전압상승 / 과전압 5. 파형왜곡 6. 전압요동 7. 주파수변동 본논문에서는이러한범주에따를것이며, 그림을포함시켜개별전력품질외란사이의차이를분명하게할것이다. 1. 과도전류 잠재적으로전력외란, 과도전류중에서대부분의손해유형은다음과같은 2 가지의하위유형으로분류된다. 1. 비연속적 2. 진동 비연속적 비연속적과도전류는갑작스런전압및 / 전류수준을양의방향이나음의방향으로끌어올리는하이피크상황이다. 이런유형의상황은발생하는속도 ( 고속, 중속및저속 ) 를기준으로세분할수있다. 비연속적과도전류는단기간지속되는 (50 나노초 [ns] 이하 ) 매우빠른상황 ( 안정적인상태에서충격파의피크로상승하는시간 5(ns) 이라고할수있다. 참고 : [1000ns=1s] [1000s=1ms] [1000ms=1second] 정전기방전 (ESD) 상황으로인해발생한양의비연속적과도전류의예에대해서는그림 2 에설명되어있다. 비연속적과도전류 (ESD) 상승시간 그림 2 양의비연속적과도전류 t 전압 (kv) 8 6 쇠퇴시간 (ns) 시간 비연속적과도전류는대부분의사람들이서지나스파이크를경험했다고할때언급하는것이다. 그동안에는범프, 글리치, 전력서지및스파이크같은여러가지용어들을사용해비연속적과도전류를설명했었다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 4

5 비연속적과도전류의원인에는번개, 약한접지, 유도부하의스위칭, 유틸리티장애제거및 ESD( 정전기방전 ) 등이있다. 결과는데이터의유실 ( 손상 ) 에서장비의물리적인손상등이발생할수있다. 이러한원인들중에서번개가가장빈번하게발생하는피해일것이다. 번개로인한문제는전기폭풍을목격한후에쉽게인식할수있다. 밤하늘을밝게비추는에너지의양은틀림없이민감한장비를파괴할수있다. 또한피해의원인이될수있는직접적인낙뢰를일으키지않는다. 번개로인해발생한전자기장 ( 그림 3) 은근처의전도체에통하는유도전류로인해많은잠재적인피해의원인이될수있다. Magnetic Flux 그림 3 낙뢰로인해발생한자기장 비연속적트랜지언트가될때가장실행가능한보호방법중에서두가지는잠재적인 ESD 의제거및서지억제장치의사용과관련이있다.( 일반적으로과도전압서지억제 (TVSS) 또는서지보호장치 (SPD)) 정전기방전 (ESD) 은약간놀라는정도이상으로는아무런피해를주지않고손가락을구부린모양을형성할수있지만, 컴퓨터마더보드를완전히정지시켜다시작동하지못하게할수있을정도의위력이상이다. 데이터센터나인쇄회로기판제조시설또는그와유사하게 PCB 가인간의조작에노출되어있는환경에서는 ESD 가발생할수있는잠재적가능성을분산시키는것이중요하다. 예를들어거의모든적정데이터센터환경에는실내의공기조절이포함된다. 공기조절은공기를냉각시켜데이터센터장비에서열기가제거되도록하는것은물론이고공기에함유되어있는습기의양을조절하는것이다. 공기중의습도를 40-55% 사이에서유지하면 ESD 가발생할수있는가능성이줄어든다. 카펫에서양말을몇번끌어주면엄청난전호 ( 電弧 ) 호가발생해순간적으로손가락에서몸이닿아있는문고리로튀는 ( 공기가아주건조한 ) 겨울지낸적이있다면아니면의도적으로누군가의귀를겨냥하고있었다면습도가잠재적 ESD 에어떻게영향을주는가경험한적이있을것이다. 그외에작은컴퓨터수리점에서보았던것처럼 PCB 환경에서인간의몸을접지된상태로유지하는장비를볼수있을것이다. 이장비에는손목스트랩, 정전기방지매트및데스크톱및정전기방지신발등이포함된다. 이러한장비는설비를지면으로이어주는대부분전선에연결되어있기때문에사람들을감전을당하지않도록안전하게보호하며또한 ESD 를지면으로분산시킨다. SPD 는오래동안사용되었다. 이런장치들은오늘날에도여전히대형설비및데이터센터를위한장비, 매일사용하는소규모사업및가정용도는물론이고유틸리티시스템에사용되고있으며, 금속산화물베리스터 (MOV) 기술의발전과함께성능도향상되고있다. MOV 는비연속적과도전류, 전압상승및기타높은전압조건등에대한지속적인억제가가능하도록하며, 가스튜브및사이리스터같은다른구성품은물론이고회로차단장치, 서미스터같은열트립장치와결합할수있다. 일부경우에는 SPD 회로를내장형억제장치를갖춘컴퓨터전력공급장치같은전기장치자체로구성할수있다. 보다공통적으로이런회로들은독립형서지억제장치에사용되거나정전이발생할경우에는 ( 또는전력수준이통상적인또는안전한전력조건의범위를벗어나있을때 ) UPS 와함께포함되어서지억제및비상배터리전력을공급할수있다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 5

6 리소스 APC 백서 85 데이터라인전속보호 SPD 와 UPS 장치의직렬연결은전자장비에대한전력외란에대해보호할수있는가장효과적인방법이다. 이런기술을이용하면, SPD 장치를서비스입구에배치할수있으며, 에너지중의많은부분을인입과도전류에서분산시킬수있다. 전기하부패널및민감한장비의후속장치는그자체로전압을장비를손상시키거나방해하지않는수준으로억제할수있다. 장치의정격전압과에너지분산정격의크기에따른분류및효과적인작동을위한장치조정에특별한주의를기울여야한다. 또한 MOV 가고장지점에도달하는경우에서지억제장치가얼마나효과적인가에주의를기울여야한다. MOV 가시간이지나도일관성있는서지억제능력을유지하는동안, 효과적인억제능력의정격이초과되는경우에는사용할수록등급이떨어지거나고장이발생할수있다. MOV 가더이상효용성이없는지점에도달하는경우에는 SPD 에회로를차단해손상된전력이상이보호하고있는장비에도달하지않도록방지하는것이중요하다. 이주제에대한자세한내용은 APC 백서 85, 데이터라인전속보호를참고한다. 진동 진동과도전류는양의신호한계및음의신호한계에서신호의전압, 전류또는전압과전류모두의안정적인상태가갑작스럽게변화하는것이며, 자연시스템주파수에서진동하는것이다. 간단한용어로, 과도전류는전력신호가아주급격하게번갈아상승하고수축하도록한다. 진동과도전류는보통한사이클의범위안에서 0 으로수축한다 ( 수축진동 ). 이러한과도전류는모터나축전기뱅크같은유도또는정전용량부하의전원을끌때발생한다. 진동유도전류는부하가변화에저항하기때문에발생한다. 이것은빠르게흐르는물꼭지를갑자기닫을때발생하면서파이프에서햄머로치는소리가들리는현상과같다. 흐르는물은변화에저항하며, 진동과도전류에상당하는유체가발생한다. 예를들어스파이닝모터의전원을끌때는동력을떨어뜨릴때제너레이터처럼간단하게작동해전기를생산한후배전을통해보낸다. 모든회로는감쇄형태로간단하게전압을가하는고유의인덕턴스및분배용량을가지고있기때문에긴배전시스템은동력의전원이켜지거나꺼질때진동자처럼작동한다. 보통유틸리티전환작동으로인해진동과도전류가통전회로에나타나는경우에는 ( 특히축전기뱅크가자동으로시스템으로전환될때 ) 전자장비에심한장애를일으킬수있다. 그림 4 에는전류가통하고있는축전기뱅크로인해발생하는일반적으로저주파의진동과도전류가나타나있다. 축전기뱅크에서자동으로전환하는유틸리티로유도된진동 그림 4 진동과도전류 축전기스위칭및진동과도전류와관련해서가장많이인식되는문제는가변속드라이브의트리핑이다. 상대적으로느린과도전류는 DC 링크전압 (ASD 의작동을제어하는전압 ) 의상승원인이되며, 이로인해구동장치를과전압의표시와함께오프라인을시동시킨다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 6

7 축전기트리핑에대한공통적인솔루션은진동과도전류를관리가능한수준으로약화시키는입력리액터또는초크를설치하는것이다. 이리액터들은구동장치의앞또는 DC 링크에설치할수있으며, 표준기능또는대부분의 ASD 에대한옵션으로이용할수있다. ( 참고 - ASD 장치에대해서는아래의정전절에서보다자세히논의할것이다.) 축전기스위칭과도전류문제에대해새로부각되고있는해결책은 ZCS(Zero Crossing switch) 이다. 사인파의아크가하당하면서 ( 음의값이되기전에 ) 0 수준에도달하면, 이방법은그림 5 에나타난제로크로싱으로알려진다. 축전기스위칭으로인한과도전류의크기가더커질것이며, 스위칭이사인파의제로크로싱시점에서멀리떨어져발생한다. ZCS(Zero Crossing switch) 는축전기스위칭이사인파의제로크로싱시점과가능한가깝게발행하도록사인파를모니터링하는방법으로이문제를해결한다. 그림 5 제로크로싱 물론 UPS 및 SPD 시스템도특히네트워크로연결된컴퓨터같은공통데이터처리장비사이에서진동과도전류가일으킬수있는피해를줄이는데아주효과적이다. 하지만 UPS 및 SPD 장치는간혹 ZCS(Zero Crossing switch) 및 / 과초크타입장치가제조플로어기계및그곳의제어시스템같은전문장비에대해방지할수있는진동과도전류의시스템간발생을방지하지못한다. 2. 정전 정전 ( 그림 6) 은공급전압또는부하전류의완전손실이라고정의할수있다. 정전은지속시간에따라즉각정전, 순간정전또는일시정전또는영구정전으로분류할수있다. 정전유형에대한지속범위는다음과같다. 순시정전순간정전일시정전영구정전 0.5~30 사이클 30 사이클 ~2 초 2 초 ~2 분 2 분이상 그림 6 순간정전 정전의원인은다양하지만, 일반적으로는낙뢰, 동물, 나무, 자동차사고, 거친기상 ( 세찬바람, 폭설또는전선위의눈등 ), 장비고장또는기본적인회로차단기트리핑과같은몇가지유형의전기공급그리드손상의결과이다. 설비인프라가이런문제들중에서많은부분을자동으로보상하도록설계되어있지만, 확실한것은아니다. 상업용전력시스템에서정전의원인이될수있는것에대한보다공통적인사례중의하나는자동회로재폐로차단기같은설비보호장치들이다. 재폐로차단기는장애의성격에따라대부분의정전에서시간의길이를결정한다. 재폐로차단기는설비인프라의쇼트서킷으로인해발생하는전류의상승을감지하고쇼트서킷이발생하는경우에전력공급을차단하기위해설비회사에서사용하는장치이다. 재폐로차단기는설정시간이지난후에쇼트서킷을일으키는물질을연소시키기 APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 7

8 위해전선에서전력을다시통하게할것이다.( 이런물질은대개나무가지또는전선과지면사이에갇힌작은동물등이다.) 집의모든전력이꺼졌다가 ( 모든불및전자제품 ) 촛불을켜고몇분이지난후에모든전기가들어왔던것을본적이있다면, 아마도정전을경험했었을것이다. 물론집안의전력이꺼진상태에서밤새도록계속되었다면불편한수준으로그쳤을수있지만, 기업체들에게는엄청난비용이발생했을것이다. 순시정전이든아니면순간정전, 일시정전또는영구정전이든간에, 정전은가정사용자에서산업체사용자에이르기까지고장, 파손또는가동중단을겪는원인이될수있다. 가정이나소기업컴퓨터사용자는장비에대한전력손실로인해정보가손상되는경우귀중한데이터를잃을수있다. 아마도보다큰피해는산업체소비자가정전으로인해부담해야하는손실일것이다. 많은산업공정은몇가지기계구성품의지속적인작동에의존한다. 이구성품들이정전으로인해갑자기정지된다면, 가동중단, 청소및재시동과관련된비용의발생은물론이고장비손상, 제품파괴등의원인이될수있다. 예를들어연사를생산하는기업체소비자가순간정전을경험한다면, 연사압출공정이 갑자기발생해 초과폐기물발생및가동중단의원인이되었을것이다. 연사는제품이예상한품질및유형을갖출수있도록일정한속도및지속적인상태로압출해야한다. 파사 ( 破絲 off-spec yarn) 는방적기에서제거한다음실을다시갈아끼워야한다. 이과정에서많은노력이필요하고엄청난가동중단사태가발생할것이라는점을짐작할수있다. 또한상당량의연사가파손되어폐기물이발생한다. 정전에대비하는데도움이되는솔루션은효율성이나비용측면에서다양하다. 먼저잠재적인문제의가능성을제거하거나줄이는데노력을기울여야할것이다. 물론설비시스템에대한적절한설계및유지도필수적이다. 이런점은또한산업체소비자의시스템설계에도적용되며, 이작업은대개설비시스템만큼이나비용이많이소요되고피해를입기도쉽다. 문제발생가능성이줄어들면, 소비자의장비또는공정이상황을극복 ( 전력품질외란이발생하는동안지속적인작동상태를유지 ) 하거나불가피한정전이끝난후 ( 및정전이계속되는동안 ) 재시동될수있도록추가적인장비나설계방법이필요하다. 가장공통적으로사용되는피해완화방법은무정전전원공급장치 (UPS), 모터제너레이터및이중시스템과에너지저장장치를이용하는시스템설계기술의사용이다. 전력이꺼지면, 이런형태의대체전원이전원공급임무를맡을수있다. 노트북컴퓨터를가지고있는사람이라면이런사례들을경험한적이있다. 노트북컴퓨터를플러그인하면콘센트에서전원이공급되며, 소량의에너지가노트북내장배터리로전달되어배터리를충전한다. 노트북컴퓨터의플러그를뽑으면, 배터리는즉시콘센트에서공급되는전원을대신해계속해서노트북컴퓨터에전원을공급한다. 최근에스위치기술이발전하면서절반이내의사이클이진행되는동안대기에너지저장시스템을이용할수있게되었다. 영구정전 이란용어는상업용설비시스템에서고장의특성으로인해자동보호장치가전원을다시공급할수없어수동개입이필요한상황을기술하는것이다. 이용어는공통적으로사용되는 정전 이란용어보다는정확하게상황을기술하는말이다. 정전 이란용어는실제로시스템의구성품이기대하는대로기능하지못한상태를말하는것이다.(IEEE Std ) 아마도전력이 2 분이상거진상태라면영구정전을경험하고있다고표현하는것이안전할것이며, 설비트럭이실외의전선을수리한직후에나타나는것을확인할수있다. 3. 전압강하 / 저전압 전압강하 ( 그림 7) 은 0.5 사이클에서 1 분까지의시간에기존의주파수에서 AC 전압이감소하는것이다. 전압강하는보통시스템고장으로인해발생하며, 또한대개는강한시동전류로인한부하가있을때스위칭한결과이다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 8

9 그림 7 전압강하 전압강하의공통적인원인에는 ( 처음으로대형에어컨장치를시동할때확인할수있는것과같은 ) 강한시동부하및기계장비를이용해수행되는원격장애제거등이포함된다. 비슷한경우로, 산업설비안에있는대형모터를시동할때에는상당한전압강하 (sag) 가발생할수있다. 모터는시동할때일반적인운전전류의 6 배이상을소모할수있다. 이처럼크고갑작스러운전기부하를유발하기때문에모터가설치된회로의나머지부분에대한상당한전압강하의원인이될수있다. 누군가가샤워를하면서집에있는물의전원을모두켠다고생각해보자. 물은아마도차갑게나올것이며, 수압은떨어질것이다. 물론이문제를해결하려면, 두번째물히터를설치해서샤워에사용할수있다. 이와동일한상황이대량의유입전류소모를유발하는강한시동부하가걸린회로에도적용된다. 그와같은방법이가장효과적인것이될수는있지만, 특히전체설비에수없이많은강한시동부하가걸려있다면강한시동부하를위해전용회로를추가하는것이항상현실적이거나경제적인방법이될수는없다. 그외강한시동부하에대한솔루션으로는단권변압기나스타델타구성을갖춘감압기같이나머지전기인프라에부하가걸리지않는대체시동전원이포함될수있다. 솔리드스테이트방식의소프트스타터도이용할수있으며, 모터시동시에전압강하를줄이는데효과적이다. 가장최근에는 ( 다른용도와함께 ) 부하에따라서모터의속도를바꾸는드라이브 (ASD) 를사용해산업공정을보다효율적이고경제적으로제어했으며, 부가적인혜택으로서대형모터시동문제를해결하고있다. 정전절에서언급한바와같이, 설비인프라를통해원격장애를제거하려는노력은최종사용자들에게는문제를일으킬수있다. 이런문제가보다분명하게나타날때정전으로볼수있다. 하지만보다신속하게제거할수있거나순간적으로재발하는문제들의경우에는그자체를전압강하로밝혀질수있다. 정전을해결할때사용한것과동일한기술들중에는 UPS 장비, 모터제너레이터및시스템설계기술같이전압강하를해결하는데이용할수있는것들이있다. 하지만때로는시간이지난후에결과를확인할수있을때까지전압강하로인한피해가분명하지않을경우 ( 산업공정의장비손상, 데이터손상, 에러등 ) 도있다. 아직은초기단계에머물러있는수준이지만, 일부설비는고객에대한부가가치서비스로서산업공장의전압강하분석을제공하고있다. 현재는전압강하분석을실행해장비가작동하거나작동할수없는전압강하수준이어느정도인지판단할수있다. 연구가수행되고이러한취약점들이확인되면서, 자신들이생산하는장비의장애극복능력을개선할수있도록정보를수입, 분석해서장비제조업체에게보고해주고있다. 저전압 저전압 ( 그림 8) 은전압강하를일으키는장기적인문제의결과이다. 지금까지는공통적으로 전압저하 라는용어를사용해이문제를기술했으며, 저전압이라는용어로대체되었다. 저전압은장기적으로높은수요가지속되는기간의상업용전력전달전략을언급하는것이라는점에서모호한용어이다. 저전압은모터의과열을유발할수있으며, 컴퓨터전력공급같은비선형부하의장애의원인이될수있다. 전압강하에대한솔루션은저전압에도적용된다. 하지만베터리전원을사용하기전에먼저인버터를사용해전압을조절할수있는기능을갖춘 UPS 는자주 UPS 배터리를대체해야하는필요성을방지할수있다. 보다중요한사항으로저전압이지속되고있는경우에는심각한장비고장, 구성문제가발생했다는표시나설비공급문제를해결해야할필요가있다는표시일수있다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 9

10 그림 8 저전압 4. 전압상승 / 과전압 전압상승 ( 그림 9) 는전압강하의반대형태로 0.5 사이클에서 1 분까지의시간에 AC 전압이상승하는것이다. 전압상승의경우에는고임피던스중립연결, 급격한 ( 특히큰 ) 부하감소및 3 상시스템에대한단상오류등이공통적인근원이다. 그림 9 전압상승 그결과데이터에러, 불빛의깜박거림, 전기접점의저하, 전자제품의반도체손상및절연저하등이발생할수있다. 자동전압조정기, UPS 시스템및철공진형 제어 변압기등은공통적인솔루션이다. 전압강하와마찬가지로, 전압상승도그결과를확인할수있을때까지분명하게나타나지않을수있다. 인입전력사고를모니터하고로그하는 UPS 및 / 또는전력변환장치등도이런사고들이발생하는시기및빈도등을측정하는데도움이된다. 과전압 과전압 ( 그림 10) 은전압상승을일으키는장기적인문제의결과일수있다. 과전압은넓은범위의전압상승으로생각할수있다. 과전압은또한공급변압기탭설정이올바르게되어있고부하가줄어든지역에서공통적인현상이다. 계절적으로도비수기에전력사용이줄어들고, 전력사용이많은계절에맞게설정된출력이전력수요가훨씬줄어들어도계속해서공급되는지역에서공통적으로나타난다. 이런현상은정원호스의끝을엄지손가락으로막는것과비슷하다. 호스에서나오는물의양은그대로임에도물이나오는호스가작아지기때문에압력이증가하는것이다. 과전압조건은높은전류소모를유발할수있으며, 장비에대한과열및압박은물론이고다운스트림회로차단기의불필요한트리핑의원인이된다. 그림 10 과전압 과전압은실제로지속적인전압상승이기때문에, 전압상승의경우에작동하는것과동일한 UPS 또는조절장비는과전압의경우에도작동한다. 하지만인입전력이지속적으로과전압상태인경우에는시설에사용할수있는설비전력도마찬가지로교정을필요로할수있다. 전압상승과동일한징후는또한과전압에도적용된다. 과전압이보다지속적일수있기때문에, 과열이과전압의외적인표시일수있다. 일반적으로일정한양의열을발산하는 ( 정상환경조건및용도하의 ) 장비는과열로인한압력으로인해열의발산량이급격하게증가할수있다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 10

11 이것은빽빽하게채워진데이터센터환경에서는피해를일으킬수있다. 오늘날의데이터센터에대한열과그의영향은빽빽하게채워진블레이드서버타입의환경과함께 IT 집단에게는대단히중요한사항이다. 5. 파형왜곡 파형왜곡에는주로다음과같은 5 가지의유형이있다. 1. 직류옵셋 2. 고조파 3. 상호고조파 4. 노칭 5. 노이즈 직류옵셋 직류 (dc) 는대개는현대장비를양산시킨많은교류 - 직류변환기술의범위안에있는정류기의고장으로인해교류 (ac) 배전시스템으로유도될수있다. 직류는교류전력시스템을통과해원치않는전류를이미정격수준에서작동하고있는장치에추가할수있다. 변압기의과열및포화상태는순환하는직류전류때문에발생하는것일수있다. 변압기가포화상태가되면, 가열이될뿐만아니라전체전력을부하로전달할수없다. 또한후속파형왜곡으로인해전자부하장비를더욱불안정한상태로만들수있다. 직류옵셋의예에대해서는그림 11 에설명되어있다. 그림 11 DC 옵셋 직류옵셋문제에대한솔루션은문제의근원인불량장비를교체하는것이다. 모듈형이고사용자교체가가능한경우라면, 장비는불량장비로인해발생한직류옵셋문제를일반적으로전문수리공을필요로하는비용보다적은비용으로해결하기가보다쉬워질수있다. 고조파 고조파왜곡 ( 그림 12) 는복수의기본파인주파수에서발생하는기본적인사인파의붕괴이다. ( 예, 180Hz 는 60Hz 기본주파수의세번째고조파이다, 3 X 60 = 180) 고조파문제의징후에는회로차단기의트리핑및영점교차점에서의깨끗한사인파트리거에따라달라지는타이밍회로에대한동조화의손실은물론이고과열된변압기, 중성선및기타전기외란장비등이포함된다. 고조파왜곡은스위치모드전력공급장치 (SMPS) 의특성으로인해과거에는 IT 장비와관련된중요한문제였다. 이러한비선형부하및다른많은용량형방식은각각의 ½ 사이클위로전류를끌어오는대신에전압파의양의피크와음의피크에서전력을 조금씩흡수한다. 복귀전류는단기 ( 약 1/3 사이클 ) 이기때문에일반적인배전시스템의 3 장의각위상을이용해 SMPS 에서다른모든복귀전류와중립에서결합한다. 맥동중립전류는빼는대신에서로합치면서이론상최대위상전류의최대 1.73 배에서아주높은중립전류를만든다. 과부화된중립은극단적으로배전의레그에서높은전압의원인이되어부착된장비에큰피해를줄수있다. 동시에이복수의 SMPS 에대한부하는각전압의 ½ 주기의최고점에서수축되며, 이때문에자주변압기포화및그로인한과열이발생하게되었다. 이런문제의원인이되는다른부하는가변속모터드라이브, 번개안정기및대형기존 UPS 시스템이다. 이런문제를경감하는데사용되는방법에는중성선의크기확대, K 정격변압기설치및고조파필터등이포함되었다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 11

12 지난 10 년동안이룩된 IT 산업의놀라운확대로자극을받아 IT 장비에대한전력공급설계는국제적인기준을통해품질을향상시켰다. 한가지주요한변화는최근에설비내의과도한고조파전류에원인이되는 IT 장비전원공급장치의대형클러스터로인한전기인프라압력을보상한다. 새로운많은 IT 장비전원공급장치는선형의비고조파부하를작동하는역률보정전력공급장치와함께설계되어있다. 이러한전력공급장치는고조파의낭비전류를생산하지않는다. 그림 12 일반적인고조파파형왜곡 상호고조파 상호고조파 ( 그림 13) 은보통정지형주파수컨버터, 유도모터및아크장치같은전기장비로인해공급전압에가해지는신호의결과인파형왜곡의일종이다. 가장중요한상호고조파공급전력문제중에서몇가지문제는 ( 압연기, 시멘트및광산장비에사용된대형선형모터를제어하는 ) 사이클로컨버터로인해발생된다. 이장치는공급전압을공급주파수의전압보다저주파또는고주파의 AC 전압으로변형한다. 상호고주파중에서가장주목할만한효과는열및통신간섭가능성의원인이되는것은물론이고디스플레이및백열광의가시적인깜빡거림이다. 그림 13 상호고조파파형왜곡 상호고주파에대한솔루션에는필터, UPS 및전선보상장치이다. 노칭 노칭 ( 그림 14) 은정상적으로작동하고있는가변속드라이브, 조도조절기및아크용접기같은전자장치로인해발생하는주기적인전압외란이다. 이러한문제는과도임펄스라고할수있지만, 노치는 ½ 사이클마다주기적으로나타나기때문에노칭은파형왜곡문제로생각할수있다. 일반적으로나타나는노칭의결과는시스템정지, 데이터유실및데이터전송문제등이다. 그림 14 노칭 노칭을해결할수있는한가지솔루션은부하를문제의원인이되는장비에서멀리떨어진위치로이동하는것이다.( 가능한경우 ) UPS 및필터장비도장비를재배치할수없는경우에는노칭에대한솔루션이될수있다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 12

13 노이즈 노이즈 ( 그림 15) 는전력시스템전압또는전류파형왜곡에대해지나치게가해지는불필요한전압또는전류이다. 노이즈는전력전자장치, 제어회로, 아크용접기, 스위칭전력공급장치, 무선송신기등으로인해발생할수있다. 접지가충분하게이루어지지않은장소에서는시스템이노이즈에보다취약할수있다. 노이즈는데이터에러, 장비오작동, 구성품의장기고장, 하드디스크고장및왜곡된비디오디스플레이같은기술장비문제의원인이될수있다. 그림 15 노이즈 노이즈를억제하는방법에는여러가지가있으며, 때로는필요한결과를얻을수있도록여러가지방법을함께이용할필요가있다. 몇가지방법을제시하면다음과같다. UPS를경유하는부하를격리한다. 접지및차폐된절연변압기를설치한다. 부하를간섭원에서멀리재배치한다. 노이즈필터를설치한다. 케이블차폐. 데이터손상은노이즈로인해가장공통적으로나타나는결과이다. 전자기간섭 (EMI) 및무선주파수간섭 (RFI) 은그림 16 에나타난바와같이데이터를전달하는시스템에인덕턴스를발생시킬수있다. 데이터는디지털형태 ( 전압또는전압의결핍형태로표현되는 1 과 0) 로이동하기때문에, 데이터조작수준을초과하는과도한전압속하지않거나반대인데이터의형태를나타낸다. 인덕턴스로인해발생된노이즈의고전적인사례는네트워크연결케이블이드롭실링을통해과거의형광조명에연결되는경우이다. 형광조명은상당히심한전자기간섭 (EMI) 을일으키며, 네트워크연결케이블과아주근접해있는경우에는잘못된데이터가발생하는원인이될수있다. 이런형상은또한네트워크연결케이블이고용량전선과아주근접해연결되어있는경우에공통적으로발생한다. 전선다발의끝은대개이중바닥데이터센터에서네트워크연결케이블과앞뒤로일렬이되어연결되어있으며, 노이즈가발생할수있는상황이증가하는원인이된다. Magnetic Flux Power Line Data Line 그림 16 유도 Induces current flow APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 13

14 이러한특수한문제를해결할수있는솔루션에는데이터운반장치의이동및 / 또는 EMI/RFI 의근원에떨어진케이블연결등이있으며, EMI/RFI 의영향을줄이거나없애기위한데이터장치및 / 또는장치의케이블연결을위한추가차폐를설치하는것이있다. 6. 전압요동 전압요동은근본적으로다른형태의파형이상과다르기때문에, 별도의범주로분류된다. 전압요동 ( 그림 17) 은작은치수, 즉저주파에서공칭전압의 90~105% 로일반적으로 Hz 이하의전압파형의체계적변이형또는일련의무작위전압변화이다. 그림 17 전압요동 상당한전류변이를나타내는부하는전압파동을유발할수있다. 아크로는전송및배전시스템에서가장공통적으로나타나는전압파동의원인이다. 이런문제의징후는백열램프가깜빡이는현상이다. 이런문제를해결할수있는방법으로는문제가되는부하의제거, 민감한장비의재배치또는전선변환장치나 UPS 장치의설치등이있다. 7. 주파수변동 안정적인설비전력시스템, 특히전력그리드를통해상호연결된시스템에서는주파수변동 ( 그림 18) 이발생하는경우가극히드물다. 사이트가예비제너레이터또는전력이부족한인프라전용인경우에는특히제너레이터에가해지는부하가크면주파수변동이보다공통적이다. IT 장비는주파수에내성이있으며, 일반적으로지역제너레이터주파수에서발생하는사소한변동의영향을받지않는다. 영향을받을장비로는모터장치또는시간이경과하는동안안정적이고정기적인사이클링에의존하는민감한장치등이될것이다. 주파수변동은모터속도가입력전력의주파수에맞추기위해빨라지거나느려지는원인이될수있다. 이러한현상은모터가비효율적으로작동하고 / 작동하거나모터속도증가및 / 또는추가적인전류소모를통한모터의과열또는성능저하의원인이된다. 그림 18 주파수변동 이런문제를해결하려면, 모든발전전원및주파수변동의원인이되는다른전원을처리한다음수리, 교정또는교체해야한다. 불균형전압 불균형전압은파형왜곡의일종이아니다. 하지만전력품질문제를판단할때에는불균형전압에대해서알고있는것이필수적이기때문에본논문에서논의할만한내용이다. 간단히말하면, ( 이름이의미하는바와같이 ) 불균형전압은공급전압이일정하지않은때이다. 이런문제들은외부의설비공급으로인해발생할수있지만, 불균형전압의공통적인원인은내부적이며시설의부하에기인한다. 특히이러한현상은레그중의하나가단상장비에전력을 APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 14

15 공급하는동안시스템은또한 3 상부하에전력을공급하는 3 상배전시스템에서발생하는것으로알려져있다. 일반적으로이러한불균형은특히솔리드스테이트모터와관련한과열로알려져있다. 보다큰불균형은모터구성품에대한과열및모터제어장치의간헐적인고장의원인이될수있다. 불균형전압의상태를신속하게평가할수있는방법은 3 개의공급전압의최고전압과최저전압의차이를확인하는것이다. 이러한수가최저공급전압의 4% 를초과해서는안된다. 다음은신속하게시스템의불균형전압을간단한평가하는방법의예이다. 예 첫번째공급전압두번째공급전압세번째공급전압최저전압 220 V 225 V 230 V 220 V 220V 의 4%=8.8V 최고전압과최저전압의차이 10V 10V > 8.8V 불균형상태가아주심하다! 불균형전압을교정하는방법에는부하재구성또는입력전압에대해설비교체 ( 불균형이내부부하로인해발생하는것이아닌경우 ) 를하는것등이있다. 표 1 은이미논의된바있는전력외란을요약한것이며, 이런문제들이기업운영에줄수있는영향을경감할수있는가능한솔루션을제시하고있다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 15

16 표 1 솔루션및장애의요약 외란종류 파형 영향 가능한원인 가능한솔루션 1. 과도전류 비연속적 데이터의손실, 가능한피해, 시스템정지 조명, ESD, 스위칭임펄스, 설비고장제거 TVSS, 습도를 35-50% 로유지한다 진동 데이터의손실, 가능한피해 유도 / 용량부하의전원차단 TVSS, UPS, 리액터 / 초크, 제로크로싱스위치 2. 정전 데이터의손실, 가능한피해, 정지 스위칭, 설비고장, 회로차단기트리핑, 구성품고장 UPS 3. 전압강하 / 저전압 전압강하 시스템정지, 데이터의유실, 정지 시동부하, 고장 전력변압기, UPS 저전압 시스템정지, 데이터의유실, 정지 설비고장, 부하변화 전력변압기, UPS 4. 전압상승 / 과전압 전압상승 불필요한동작, 장비손상 / 수명단축 부하변화, 설비고장 전력변화, UPS, 철공진형 제어 변압기 과전압 장비손상, 수명단축 부하변화, 설비고장 전력변화, UPS, 철공진형 제어 변압기 5. 파형왜곡 직류옵셋 변압기과열, 지락전류, 불필요한동작 고장전류기, 전력공급장치 고장및결함장비의교체 고조파 변압기과열, 시스템고장 전자부하 ( 비선형부하 ) 배전재구성, K-factor 변압기설치, PFC 전력공급장치사용 상호고조파 깜빡임, 과열, 통신간섭 제어신호, 불량장비, 사이클로컨버터, 주파수컨버터, 유도모터, 아크장치 전력변압기, 필터, UPS 노칭 시스템정지, 데이터유실 가변속드라이브, 아크용접기, 조도조절기 배전재구성, 민감한부하의재배치, 필터설치, UPS 노이즈 시스템정지, 데이터유실 송신기 ( 무선 ), 불량장비, 비효율적인접지, EMI/RFI 근원과의근접성 송신기제거, 접지재구성, EMI/RFI 근원에서멀리이동, 차폐및필터, 절연변압기증가 APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 16

17 6. 전압요동 시스템정지, 깜박거림 부하장비의간헐적인작동 배전재구성, 민감한부하의재배치, 전력변압기, UPS 7. 전력주파수변동 동조장비고장, IT 장비에대한영향없음 예비제너레이터의비효율적관리 제너레이터조절장치개량 결론 전자제품이광범위하게사용되면서전력품질및기업들이사용중인핵심전기장비에미치는영향등에대한인식이높아졌다. 세계는점차소형아주작은전기요동에도민감하게반응하는마이크로프로세서를통해움직이고있다. 이러한마이크로프로세서들은맹렬하게빠른속도로자동화된로봇어셈블리및가동중단시간이허용되지않는포장라인시스템을제어할수있다. 경제솔루션들은전력품질외란의영향을제한또는제거할수있다. 하지만산업계가전력외란및전력외란을방지할수있는방법에대한의견을교환하고이해할수있도록여러가지현상을설명할수있는공통적인용어및정의가필요하다. 본논문은 IEEE 표준 , " 전력품질모니터링을위한 IEEE 권고안 " 에서개략적으로기술한전력품질외란에대해정의하고그에대한사례를설명하고자했다. 장비가동중단및생산비용을줄이고그에따라수익을늘리는것은모든기업의목표이다. 전기환경및전력품질외란에대한장비의취약성에대해의견을교환하고이해한다면기업의목표와꿈을달성할수있는보다나은방법을찾는데도움이될것이다. 저자소개 Joseph Seymour 는 West Kingston, RI 의 APC 클레임부서담당수석클레임분석가이다. 그는치명적인과도전류상황으로인한피해를평가및조사하며, APC 장비보호정책에따라작성된소비자클레임을판결한다. Terry Horsley 는 APC 에대한독립전력품질컨설턴트이다. 엔지니어링관리, 핵심인프라지원, 교육, 교육과정개발, 기술서적저술및유럽과동남아시아, 미국전역의현장조사수행에서 20 년이상의경험을가지고있다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 17

18 리소스 데이터라인전속보호 APC 백서 85 전체 APC 백서브라우징 whitepapers.apc.com 전체 APC 트레이드오프툴브라우징 tools.apc.com References IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, IEEE Std Ron A. Adams, Power Quality: A Utility Perspective, AEE Technical Conference Paper, October, Wayne L. Stebbins, Power Distortion: A User's Perspective on the Selection and Application of Mitigation Equipment and Techniques, IEEE Textile Industry Technical Conference Paper, May, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment (IEEE Green Book), IEEE Std Electric Power Research Institute / Duke Power Company, Power Quality for Electrical Contractors course, November, Square D, Reduced Voltage Starting of Low Voltage, Three-Phase Squirrel-Cage Induction Motors Technical Overview, Product Data Bulletin 8600PD9201, June 1992 연락하기 본백서의내용에관해의견이있으신분은 Data Center Science Center, APC by Schneider Electric DCSC@Schneider-Electric.com 귀하께서고객이며데이터센터프로젝트에특정된질문이있으신경우 해당지역의 Schneider Electric 산하 APC 담당자에게연락하십시오 APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 18

19 부록 전력공급허용오차 지금까지다양한전력외란을확인및설명했으므로현대장비에서는어떤것이허용되는가를이해할필요가있다. 모든전력외란이현대장비에영향을주는것은아니다. 현대장비전력공급장치가짧은시간허용할교류전압변이및외란에는일정한허용범위가있다. 대부분의기술장비는공칭교류전압을직류정전압및직류부전압으로변환하는중량이가볍고내성이있는스위치모드전력공급장치 (SMPS) 이공급하는낮은직류전압에서운전된다. 전력공급장치는민감한전자구성품및관련주변잡음이있는교류공급전압사이의가장효율적인차단막을갖추고있다. IEC 의규격인국제표준에서는 SMPS 부하에허용되는전압외란의크기및지속시간에대한한계를규정하고있다. 비슷하게, 산업전체에걸쳐공통적으로 CBEMA 곡선으로언급된애플리케이션노트는원래컴퓨터및제조업체협회가개발한것이며, 단상 IT 장비전력공급장치의전력외란최소허용오차에맞게설계된성능곡선에대해설명하고있다. IT 기술산업위원회 (ITIC, 공식적으로 CBEMA) 는최근에그림 A1 에나타난바와같이원래의곡선을정의했다. 곡선및본애플리케이션노트는 에서이용할수있다. ITI (CBEMA) Curve (Revised 2000) 500 Figure A1 ITIC curve Percent of Nominal Voltage (RMS or Peak Equivalent) No Interruption In Function Region Prohibited Region Voltage Tolerance Envelope Applicable to Single-Phase 120-Volt Equipment Continuous Limits No Damage Region 0.01 c 1 ms 3 ms 20 ms 0.5 s 10 s Duration in Cycles (c) and Seconds (s) 그림 A1 은하위사이클등급과함께시작하며, 10 초의직류전력공급작동까지시간등급을나타낸다. 수직등급은단상 IT 장비에적용된공칭전압을나타낸다. 본설계에대한가장공통적인공칭전압은 60Hz 장비의경우 120V ac 이며, 50Hz 장비의경우 240V ac 이다. 0V 선에이어, 전력공급이공급전압이 0V 로떨어진후에 20 밀리초동안작동할깃이라는점을확인할수있으며, 이런현상은직류출력이교류공급이없어진후에도 1/50 초동안계속된다는의미이다. 이곡선의다른특징은입력교류전압이공칭값의 80% 까지감소하는경우에는전력공급의직류출력이최소한 10 초동안회로를지속시킨다는점이다. 100% 선의양의 APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 19

20 측면에서는전력공급이최소한 1 밀리초의시간동안 200% 가증가하는것을허용해야한다. 교류사이클의 0.01 시간 ( 예를들어 60Hz 시스템에서 1.6 밀리초및 50Hz 시스템에서 2.0 밀리초 ) 에서, 전력공급은회로작동이중단되지않은상태에서 500% 의증가를허용한다. APC by Schneider Electric 백서 18 개정 1 20

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- 2 - - 2 - - 3 - - 4 - - 5 - - 6 - - 7 - - 8 - - 9 - 가 ) 가 ) 가 ) 가 ) - 10 - - 11 - 길이 피시험기기 주전원 절연지지물 케이블지지용절연물 접지면 발생기 - 12 - 길이 가능한경우 절연지지물 절연지지물 접지면 전자계클램프 감결합장치 - 13 - - 14 - - 15 - - 16 - - 17 - - 18 -