기본파와 고조파 쉽게 이해하기

기본파와 고조파의 구별

전압이나 전류의 파형을 측정하다 보면 ‘기본파’, ‘제3고조파’, ‘제5고조파’, ‘종합고조파왜형률’과 같은 용어를 자주 접하게 됩니다. 처음에는 복잡하게 느껴지지만 기본 원리는 의외로 단순합니다.

기본파를 파동의 뼈대라고 한다면 고조파는 그 뼈대 위에 겹쳐진 추가 진동이라고 생각하면 됩니다. 기본파와 고조파가 합쳐지면 우리가 실제로 측정하는 전압·전류 파형이 만들어집니다.

이 글에서는 소리와 전기의 공통점을 이용해 기본파와 고조파의 차이를 쉽게 알아보고, 전력계통에서 고조파를 관리해야 하는 이유까지 살펴보겠습니다.

기본파란 무엇인가?

기본파는 주기적인 파형을 구성하는 성분 가운데 기준이 되는 가장 낮은 주파수입니다. 영어로는 Fundamental Wave 또는 Fundamental Frequency라고 합니다.

우리나라의 교류 전원 주파수는 60Hz이므로 전력계통에서는 일반적으로 60Hz 성분을 기본파라고 부릅니다. 60Hz란 전압과 전류의 방향 및 크기가 1초 동안 60회의 주기를 반복한다는 뜻입니다.

이상적인 교류 전압은 부드러운 정현파 형태를 가집니다. 그러나 실제 전력계통에는 인버터, 정류기, 컴퓨터 전원공급장치, LED 조명과 같은 비선형 부하가 연결되어 있기 때문에 전류가 정현파 형태로 흐르지 않을 수 있습니다.

이렇게 찌그러진 파형을 분석해 보면 60Hz 기본파에 여러 주파수 성분이 겹쳐 있다는 사실을 확인할 수 있습니다. 이때 기본파의 정수배 주파수를 가진 성분이 바로 고조파입니다.

고조파란 무엇인가?

고조파는 기본파 주파수의 정수배에 해당하는 주파수 성분입니다.

고조파의 주파수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

고조파 주파수 = 기본파 주파수 × 고조파 차수

기본파가 60Hz인 전력계통을 예로 들면 다음과 같습니다.

구분	차수	주파수
기본파	1차	60Hz
제2고조파	2차	120Hz
제3고조파	3차	180Hz
제5고조파	5차	300Hz
제7고조파	7차	420Hz

따라서 제5고조파는 60Hz보다 다섯 배 빠르게 진동하는 300Hz 성분을 의미합니다.

여기서 중요한 점은 실제 전압이나 전류가 기본파와 고조파로 따로 흐르는 것이 아니라는 사실입니다. 모든 주파수 성분이 한 파형 안에 합쳐져 흐르며, 측정 장비가 이를 주파수별로 분해해 보여주는 것입니다.

소리로 이해하는 기본파와 고조파

같은 ‘도’ 음을 연주해도 피아노, 바이올린, 기타의 소리는 서로 다르게 들립니다. 음의 높이를 결정하는 기본 주파수는 비슷하지만 악기마다 포함된 고조파의 크기와 비율이 다르기 때문입니다.

쉽게 구분하면 다음과 같습니다.

• 기본파: 소리의 기본적인 높낮이를 결정
• 고조파: 소리의 음색과 질감을 형성
• 전체 파형: 기본파와 여러 고조파가 합쳐진 실제 소리

다만 소리 분야의 ‘배음’과 ‘고조파’는 완전히 같은 의미는 아닙니다. 배음은 기본음보다 높은 모든 주파수 성분을 가리킬 수 있지만, 고조파는 기본 주파수의 정확한 정수배 성분을 뜻합니다.

악기에서는 적절한 고조파가 풍부한 음색을 만들지만, 전력계통에서는 고조파가 전압과 전류의 파형을 왜곡하고 설비의 손실과 발열을 증가시킬 수 있습니다.

전기 고조파는 왜 발생할까?

고조파는 주로 전압과 전류의 관계가 일정하지 않은 비선형 부하에서 발생합니다.

전열기나 백열전구처럼 전압 파형에 따라 전류가 비교적 비슷한 형태로 흐르는 부하는 선형 부하에 가깝습니다. 반면 반도체 스위칭 회로가 사용된 장비는 필요한 순간에만 전류를 끊어서 받아들이기 때문에 전류 파형이 뾰족하거나 불규칙한 형태로 변할 수 있습니다.

대표적인 고조파 발생 설비는 다음과 같습니다.

• 인버터 및 가변속 드라이브
• 정류기와 컨버터
• 컴퓨터와 서버의 전원공급장치
• LED 조명용 전원장치
• UPS 및 배터리 충전기
• 태양광 인버터와 에너지저장장치
• 전기차 충전기
• 용접기와 아크로
• 변압기 철심의 포화

비선형 부하는 먼저 고조파 전류를 발생시킵니다. 이 전류가 배선과 변압기의 임피던스를 통과하면 고조파 전압강하가 생기고, 결과적으로 공급 전압의 파형까지 왜곡될 수 있습니다.

즉, 고조파 문제를 이해할 때는 ‘고조파 전류가 원인이고 전압 왜곡이 결과가 되는 경우가 많다’는 점을 알아두는 것이 좋습니다.

홀수 고조파와 짝수 고조파의 차이

고조파는 차수에 따라 홀수 고조파와 짝수 고조파로 구분됩니다.

홀수 고조파

제3·5·7·9고조파와 같이 홀수 차수에 해당하는 성분입니다. 일반적인 전력전자 설비에서는 홀수 고조파가 주로 발생합니다.

그중에서도 제3고조파와 그 홀수배인 제9·15고조파는 3상 4선식 계통의 중성선에서 서로 상쇄되지 않고 합쳐질 수 있습니다. 이를 영상분 또는 트리플렌 고조파라고 합니다.

이 때문에 각 상의 기본파 전류가 정상 범위에 있더라도 중성선 전류가 예상보다 크게 흐르거나 중성선이 과열될 수 있습니다.

짝수 고조파

제2·4·6고조파와 같은 성분입니다. 정상적으로 대칭을 이루는 교류 파형에서는 짝수 고조파가 상대적으로 작게 나타나는 경우가 많습니다.

짝수 고조파가 비정상적으로 증가한다면 파형의 비대칭, 정류 회로 이상, 직류 성분 유입 또는 설비 고장을 의심해 볼 필요가 있습니다.

고조파가 전력설비에 미치는 영향

고조파는 단순히 파형을 보기 나쁘게 만드는 현상이 아닙니다. 설비의 발열과 수명, 보호계전기의 동작, 생산설비의 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다.

1. 변압기 발열과 손실 증가

고조파 전류가 증가하면 권선의 동손과 표피효과, 와전류 손실이 커질 수 있습니다. 변압기가 정격용량 이내에서 운전되고 있더라도 고조파가 심하면 온도가 상승하고 절연 수명이 단축될 수 있습니다.

2. 케이블과 중성선 과열

주파수가 높아질수록 전류가 도체 표면에 집중되는 표피효과가 커집니다. 또한 3상 4선식 회로에서는 제3고조파 계열이 중성선에 누적되어 예상보다 큰 전류가 흐를 수 있습니다.

3. 모터의 소음과 진동

고조파 전압은 모터 내부에 불필요한 회전자계를 형성할 수 있습니다. 그 결과 토크 맥동, 진동, 소음, 추가 발열 및 효율 저하가 발생할 수 있습니다.

4. 콘덴서의 과전류와 공진

역률 개선용 콘덴서의 임피던스는 주파수가 높아질수록 낮아집니다. 따라서 특정 고조파 전류가 콘덴서로 집중될 수 있으며, 계통의 인덕턴스와 콘덴서 사이에 공진이 발생하면 고조파가 크게 증폭될 수 있습니다.

고조파가 있는 현장에 일반 역률 개선용 콘덴서를 무조건 증설해서는 안 되는 이유가 바로 여기에 있습니다.

5. 전자기기와 제어설비의 오작동

심한 전압 왜곡은 PLC, 계측기, 통신장비, 의료기기 및 정밀 제어설비의 오동작을 유발할 수 있습니다. 영점 교차 검출이나 전압 파형을 기준으로 동작하는 회로는 파형 왜곡에 특히 민감할 수 있습니다.

6. 차단기 및 보호장치의 이상 동작

일반 계측기나 보호장치가 비정현파의 실효값을 정확하게 반영하지 못하면 실제 전류와 표시값 사이에 차이가 발생할 수 있습니다. 측정 시에는 True RMS 방식의 계측기를 사용하는 것이 중요합니다.

고조파를 나타내는 대표 지표, THD

고조파 상태를 판단할 때 가장 많이 사용하는 지표가 종합고조파왜형률, 즉 THD입니다.

• THD-V: 전압 종합고조파왜형률
• THD-I: 전류 종합고조파왜형률

THD는 기본파에 비해 전체 고조파 성분이 얼마나 포함되어 있는지를 백분율로 나타낸 값입니다.

[THD=\frac{\sqrt{H_2^2+H_3^2+H_4^2+\cdots+H_n^2}}{H_1}\times100]

여기서 (H_1)은 기본파의 실효값이고, (H_2)부터 (H_n)까지는 각 차수 고조파의 실효값입니다.

예를 들어 THD-V가 3%라면 기본파 전압과 비교했을 때 각 고조파 전압 성분을 제곱합한 값의 제곱근이 약 3%라는 의미입니다.

다만 THD 수치만 보고 설비 상태를 단정해서는 안 됩니다. 전체 전류가 매우 작을 때는 작은 고조파 전류도 THD-I를 크게 보이게 할 수 있기 때문입니다. 따라서 다음 항목을 함께 확인해야 합니다.

• 기본파 전압과 전류
• 각 차수별 고조파 크기
• 부하율과 운전 상태
• 중성선 전류
• 역률과 전압 불평형률
• 시간대별 최대값과 추세
• 공통접속점에서의 측정 결과

미국 에너지부 자료에서도 THD는 전압과 전류 파형 왜곡을 나타내는 지표이며, 역률은 위상차뿐 아니라 파형 왜곡의 영향도 받을 수 있다고 설명합니다. 미국 에너지부 전력품질 자료

고조파는 무조건 제거해야 할까?

고조파를 완전히 0으로 만드는 것은 현실적인 관리 목표가 아닙니다. 실제 전력계통에는 다양한 비선형 부하가 연결되어 있으므로 어느 정도의 고조파는 항상 존재할 수 있습니다.

중요한 것은 다음 세 가지입니다.

1. 고조파가 어디에서 발생하는가
2. 설비에 어느 정도 영향을 주는가
3. 관리 기준을 초과하는가

고조파 관리 기준으로 널리 활용되는 IEEE 519-2022는 비선형 부하가 연결된 전력계통의 전압·전류 파형 왜곡 목표를 제시하고 있습니다. 특히 개별 장비 단자가 아니라 전력 공급자와 수용가의 경계가 되는 공통접속점, 즉 PCC에서의 평가를 중요하게 다룹니다. IEEE 519-2022 표준 안내

따라서 장비 한 대에서 고조파가 측정되었다는 이유만으로 곧바로 필터를 설치하기보다는 공통접속점과 주요 분전반에서 측정한 후 발생원과 영향 범위를 구분해야 합니다.

고조파와 전기요금의 관계

“고조파가 많으면 가정의 전기요금이 바로 증가한다”는 설명은 정확하지 않습니다.

일반 가정용 전력량계는 주로 실제로 소비한 유효전력량을 기준으로 요금을 계산합니다. 따라서 고조파가 있다는 이유만으로 사용하지 않은 전력에 대한 요금이 직접 부과된다고 보기는 어렵습니다.

다만 고조파로 인해 배선, 변압기, 모터 등에서 추가 손실과 발열이 발생하면 전체 설비의 에너지 효율이 낮아질 수 있습니다. 산업용 수용가에서는 최대수요전력, 설비 손실, 역률 및 설비용량과 관련된 간접적인 비용이 커질 가능성이 있습니다.

정리하면 고조파는 ‘요금계가 고조파 자체를 별도로 계산하는 문제’라기보다 ‘설비 손실과 운전 효율을 악화시키는 문제’에 가깝습니다.

가정에서 고조파 필터가 필요할까?

일반 가정에서 별도의 고조파 필터를 설치해야 하는 경우는 많지 않습니다. 또한 서지 보호 멀티탭이나 일반 노이즈 필터가 저차 고조파를 효과적으로 제거한다고 단정할 수 없습니다.

서지는 낙뢰나 개폐 동작 등으로 발생하는 순간적인 과전압이고, 고조파는 기본 주파수의 정수배로 지속되는 파형 왜곡입니다. 두 현상은 발생 원인과 대책이 서로 다릅니다.

가정에서는 다음과 같은 관리가 더 현실적입니다.

• KC 인증을 받은 정품 전자제품 사용
• 용량에 맞는 배선과 콘센트 사용
• 발열·변색·이상음이 있는 콘센트 즉시 점검
• 고전력 제품의 문어발식 멀티탭 연결 금지
• 민감한 장비에는 출력 파형과 용량이 적합한 UPS 적용
• 이상이 반복되면 전기안전관리자나 전문 기술자에게 측정 의뢰

제품에서 ‘웅’ 하는 소리가 나거나 발열이 증가했다고 해서 원인을 고조파로 단정해서도 안 됩니다. 접촉 불량, 부품 열화, 냉각 불량, 베어링 이상, 과부하 또는 전원 전압 문제도 함께 점검해야 합니다.

산업 현장의 고조파 측정 순서

고조파 문제는 필터를 먼저 설치하는 방식보다 측정과 원인 분석을 우선해야 합니다.

1단계: 현상 확인

설비 과열, 중성선 과전류, 콘덴서 소손, 차단기 트립, 모터 진동, PLC 오동작 등이 언제 발생하는지 기록합니다.

2단계: 부하 목록 작성

인버터, UPS, 정류기, 충전기, LED 조명 등 비선형 부하의 용량과 운전 시간을 확인합니다.

3단계: 주요 지점 측정

공통접속점, 주배전반, 변압기 2차 측, 분전반 및 문제 설비 입력단에서 전압과 전류를 동시에 측정합니다.

4단계: 차수별 분석

THD만 확인하지 말고 제3·5·7·11·13고조파 등 각 차수의 크기와 위상, 부하 운전 상태에 따른 변화를 확인합니다.

5단계: 공진 가능성 검토

역률 개선용 콘덴서가 설치된 현장은 계통 임피던스와 콘덴서 용량을 바탕으로 공진 주파수를 검토해야 합니다.

6단계: 저감 대책 선정

발생원과 계통 조건에 따라 다음 대책을 선택합니다.

• AC 또는 DC 리액터
• 수동형 고조파 필터
• 능동형 고조파 필터
• 위상천이 변압기와 다펄스 정류 방식
• 능동형 프런트엔드 장치
• 부하 분산과 계통 분리
• 변압기 및 중성선 용량 보강
• 디튠 리액터가 포함된 콘덴서 설비

필터는 용량이 크다고 무조건 좋은 것이 아닙니다. 부하 변동, 목표 차수, 계통 임피던스, 기존 콘덴서 및 공진 가능성을 함께 검토해야 합니다.

기본파와 고조파의 차이 한눈에 정리

구분	기본파	고조파
의미	파형의 기준이 되는 주파수	기본파의 정수배 주파수
국내 전력계통 예	60Hz	120Hz, 180Hz, 300Hz 등
주요 역할	전력 전달의 기본 성분	파형 왜곡과 추가 손실 발생
주요 발생 원인	정상적인 교류 전원	비선형 부하와 반도체 스위칭
대표 관리 지표	전압·전류·주파수	차수별 크기, THD-V, THD-I
관리 방향	안정적으로 유지	허용 가능한 수준으로 제한

자주 묻는 질문

Q1. 고조파와 노이즈는 같은 것인가요?

같은 개념이 아닙니다. 고조파는 기본 주파수의 정수배 성분이며 주기적인 특성이 있습니다. 노이즈는 더 넓은 주파수 범위에서 불규칙하게 나타날 수 있는 전기적 방해 성분입니다.

Q2. 전압 고조파와 전류 고조파 중 무엇이 더 중요한가요?

둘 다 중요하지만 의미가 다릅니다. 비선형 부하는 주로 고조파 전류를 발생시키며, 이 전류가 계통 임피던스를 통과하면서 전압 왜곡을 만듭니다. 따라서 발생원을 찾을 때는 전류 고조파를, 전원 품질과 다른 설비에 미치는 영향을 판단할 때는 전압 고조파를 함께 살펴봐야 합니다.

Q3. THD가 높으면 무조건 필터를 설치해야 하나요?

그렇지 않습니다. 측정 위치, 부하율, 차수별 크기, 설비 증상 및 적용 기준을 먼저 검토해야 합니다. 특히 전류 THD는 부하가 작을 때 높게 표시될 수 있으므로 실제 고조파 전류량과 함께 판단해야 합니다.

Q4. 역률 개선용 콘덴서가 고조파를 줄여주나요?

일반 콘덴서는 고조파 저감 장치가 아닙니다. 계통 조건에 따라 특정 고조파를 증폭시키는 공진이 발생할 수도 있으므로 고조파가 많은 현장에서는 리액터 적용 여부와 공진 조건을 검토해야 합니다.

Q5. UPS를 설치하면 모든 고조파 문제가 해결되나요?

UPS의 구조와 운전 방식에 따라 다릅니다. 일부 UPS는 부하에 안정적인 출력 전원을 공급할 수 있지만, UPS 입력단에서는 오히려 고조파 전류가 발생할 수도 있습니다. 제품의 입력 전류 THD, 출력 전압 THD, 부하 특성 및 운전 방식을 확인해야 합니다.

마무리

기본파와 고조파의 차이는 ‘기준이 되는 파동과 그 위에 겹쳐진 정수배 파동’으로 이해하면 쉽습니다.

소리에서는 고조파가 악기마다 다른 음색을 만들어내지만, 전력계통에서는 전압과 전류의 파형을 왜곡해 변압기·케이블·모터·콘덴서의 발열과 손실을 증가시킬 수 있습니다.

그렇다고 모든 고조파를 무조건 제거해야 하는 것은 아닙니다. 중요한 것은 정확한 위치에서 전압과 전류를 측정하고, 차수별 고조파와 THD를 분석한 뒤 설비에 미치는 영향을 판단하는 것입니다.

고조파 관리는 필터 설치에서 시작되는 것이 아니라 측정, 원인 분석, 기준 검토에서 시작됩니다. 이 원칙을 이해하면 전력품질 문제를 훨씬 체계적으로 접근할 수 있습니다.