중성선 굵기 산정

왜 배우는가: 중성선 굵기 산정은 3상 4선식 저압 설비에서 불평형 전류와 고조파 전류가 중성선에 얼마나 흐르는지 판단하는 문제로, 설계 기준을 정확히 이해해야 한다. 비선형 부하가 늘면서 중성선 과열 사고가 보고되어 실무와 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제103회 1교시 9번, 제99회 1교시 9번, 제95회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

중성선 굵기 산정은 3상 4선식 회로에서 불평형 전류와 고조파 전류를 고려해 중성선 허용전류를 확보하는 설계 작업이다.

핵심 키워드

• 중성선 전류
• 불평형 전류
• 삼고조파(3고조파)
• 상전류의 벡터합
• 중성선 허용전류

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 중성선은 각 상에 흐르는 전류가 서로 상쇄되고 남은 전류가 되돌아오는 선이다. 부하가 균형을 이루면 중성선 전류는 0에 가깝다.

정식 정의로는 중성선 굵기 산정을 중성선에 흐르는 최대 예상 전류를 기준으로 도체 단면적을 정하는 절차로 쓴다. 중성선 전류는 상전류의 벡터합으로 구하며, 선도체 전류가 균형일 때 0이 된다.

핵심 용어 풀이

• 불평형 전류: 단상 부하가 상마다 다르게 걸려 생기는 전류 차이다. 중성선에는 이 차이의 벡터합이 흐른다.
• 삼고조파(3고조파): 비선형 부하가 만드는 3차, 9차 등 3의 배수 고조파다. 각 상에서 같은 위상으로 생기므로 상쇄되지 않고 중성선에서 더해진다.
• 중성선 허용전류: 중성선이 과열 없이 흘릴 수 있는 전류의 한도다. 주위온도와 설치 방법에 따른 보정을 거친다.

원리를 정리하면, 선형 부하에서는 중성선 전류가 상전류보다 작다. 비선형 부하가 많으면 3고조파가 중성선에 누적되어 중성선 전류가 상전류를 넘을 수 있다. 중성선에는 과전류 차단기가 없는 경우가 많아 이 과열 위험을 설계 단계에서 막아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

3상 4선식 방식은 단상 220V 부하와 3상 380V 부하를 함께 공급하려고 널리 쓰인다. 단상 부하가 상마다 고르게 분배되지 않으면 중성선에 전류가 흐른다.

과거에는 중성선을 상도체와 같은 굵기로 시설하는 경우가 많았다. 그러나 사무실·전산실처럼 컴퓨터, 인버터, LED 조명 등 비선형 부하가 늘면서 3고조파 전류가 급증했다. 이에 따라 중성선 굵기를 고조파 전류 기준으로 다시 산정하는 방식이 필요해졌다.

다음 세 가지가 중성선 굵기 산정의 배경이다.

• 단상 부하 증가에 따른 불평형 전류
• 비선형 부하에서 발생하는 3고조파 전류의 중성선 누적
• 중성선에 과전류 보호장치가 없는 설비 특성상 과열 방지 필요

고조파 33% 이상이면 중성선을 상도체 단면적과 같거나 큰 굵기로 한다

이 기준은 중성선 과열을 막는 실무적 판단 기준으로 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

중성선(Neutral Conductor, N)은 3상 4선식 Y결선의 중성점과 단상 부하를 잇는 도체다. 단상 부하의 귀로 역할을 하며, 부하가 불평형이거나 고조파를 포함하면 중성선에 전류가 흐른다. 중성선 전류와 3고조파 합성이 중성선 굵기를 정하는 두 가지 핵심 개념이다.