변압기 여자돌입전류

왜 배우는가: 변압기 투입 순간에 정격의 여러 배에 달하는 여자돌입전류가 흐르면 과전류계전기나 비율차동계전기가 사고가 아닌데도 동작할 수 있다. 전력설비 보호 설계와 정정에서 이 현상을 이해하지 못하면 불필요한 정전이 생기므로 실무 핵심이다. 시험에서는 투입 시점(전압 위상)에 따른 자속 메커니즘과 보호장치 오동작 대책을 묻는 문제로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제124회 3교시 6번, 제121회 1교시 4번, 제103회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

여자돌입전류는 무부하 변압기를 투입할 때 철심의 자속이 포화되면서 흐르는 과도적인 대전류로, 정격전류의 수 배에 이르고 수 초 동안 감쇄한다.

핵심 키워드

• 여자돌입전류(Inrush Current)
• 잔류자속(Residual Flux)
• 투입 위상각(Switching Angle)
• 자기포화(Magnetic Saturation)
• 감쇄시간(Decay Time)
• 제2고조파 억제(Second Harmonic Restraint)
• 비율차동계전기(Percentage Differential Relay)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변압기를 전원에 붙이는 순간 철심이 한꺼번에 자화되면서 평소보다 훨씬 큰 전류가 잠깐 흐르는 현상이다. 이 전류는 부하전류가 아니라 철심을 자화시키기 위해 필요한 여자전류가 과도하게 커진 것이다.

정식 정의는 다음과 같다. 변압기 1차 권선에 전압을 인가하는 순간, 철심의 자속은 전압을 적분한 값으로 정해진다. 이 자속의 초기값과 정상상태 자속의 차이가 크면 철심이 포화 영역까지 자화되고, 그 결과 여자전류가 정상값보다 수십 배 커질 수 있다. 이 과도 전류가 여자돌입전류다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 잔류자속: 변압기를 차단한 뒤에도 철심에 남아 있는 자속이다. 투입 직후의 자속 초기값을 정하므로 돌입전류 크기를 좌우한다.
• 투입 위상각: 전압 파형에서 차단기가 닫히는 순간의 전압 위상이다. 전압이 0일 때와 최대일 때 자속의 초기 조건이 서로 다르다.
• 자기포화: 철심 자속이 일정 값 이상으로 올라가면 투자율이 급격히 떨어지는 현상이다. 이때 여자전류가 급증한다.
• 감쇄시간: 돌입전류가 정상 여자전류 수준으로 줄어드는 데 걸리는 시간이다. 철심 인덕턴스와 권선 저항의 비에 비례하여 길어진다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기는 전력계통에서 가장 많이 투입·차단되는 기기 중 하나다. 특히 병렬 운전 변압기를 순차적으로 투입할 때는 먼저 투입된 변압기가 이미 큰 직류분 여자전류를 가지고 있어 새로 투입하는 변압기의 돌입전류가 계통 전압 왜곡을 통해 기존 운전 변압기에도 돌입전류를 유발한다.

이 현상은 보호계전 측면에서 중요한 배경이 된다. 과전류계전기(OCR)는 돌입전류를 사고 전류로 오인할 수 있고, 차동계전기는 1차와 2차 전류의 차이를 내부 고장으로 판단할 수 있다. 따라서 돌입전류를 식별하여 계전기 오동작을 막는 기술이 필요해졌다.

계전기 측면의 대표 대책은 제2고조파 억제 방식이다. 여자돌입전류에는 기본파보다 제2고조파가 많이 포함되어 있으므로, 이를 검출하여 억제 요소를 동작시키면 내부 고장 전류와 구분할 수 있다. 다만 내부 고장 시 변류기 포화로 고조파가 생기면 억제가 과도하게 걸릴 수 있어, 고전류 영역에서는 과전류 요소로 보완한다.

제2고조파 15~20% 이상이면 억제 기준은 널리 쓰이는 비율차동계전기의 설계 예이며, 제조사와 설계기준에 따라 값이 달라질 수 있다.