PT·GPT 중성점 불안정

왜 배우는가: PT·GPT는 배전계통에서 가장 널리 쓰이는 계기용 변성기이며, 비접지·고저항 접지 계통에서 철공진으로 인한 중성점 전위 이상 상승이 실무 사고의 대표 원인이다. 이 현상은 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제로 반복해 출제되므로 정의와 발생 원리를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제92회 1교시 10번, 제91회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장은 다음과 같이 쓴다.

PT·GPT 중성점 불안정은 비접지 계통의 대지정전용량과 PT 자화리액턴스가 공진해 중성점 전위가 비정상적으로 상승·진동하는 철공진 현상이다.

핵심 키워드

• 철공진(Ferro-resonance)
• 자화리액턴스
• 비선형 인덕턴스
• 대지정전용량
• 영상전압
• 개방삼각(Open-delta) 결선
• 중성점 접지저항
• 고조파 공진

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 계통의 전선과 대지 사이에는 작은 정전용량이 있고, PT 철심의 코일은 전류가 많아지면 인덕턴스가 줄어드는 비선형 소자다. 이 두 요소가 우연히 맞물리면 전압이 정상 범위를 넘어 크게 떨린다.

정식 정의는 다음과 같다. 철공진은 철심 코일의 인덕턴스가 비선형 특성을 가지며, 계통의 대지정전용량과 특정 운전조건에서 직렬 또는 병렬 공진을 일으켜 전압이 일시적으로 상승하거나 왜곡되는 현상이다.

중성점 불안정은 PT 1차 측 중성점이 대지와 공진 회로를 이루어 중성점 전위가 불안정하게 떨리는 상태를 가리킨다. 이때 파형은 심하게 찌그러지고, 포화 구간으로 들어가고 나올 때 전압과 전류가 불연속으로 변한다.

자화리액턴스는 PT 철심을 자화시키는 데 필요한 리액턴스로, 포화가 진행되면 값이 급격히 줄어든다. 이 값이 대지정전용량 리액턴스와 같아지는 조건이 공진 조건이다.

영상전압은 3상 전압의 합으로 나타나는 성분이며, 중성점 불안정이 생기면 영상전압이 비정상적으로 커져 지락 계전기를 오동작시키는 원인이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

고압 배전계통은 중성점을 비접지 또는 고저항으로 접지하는 경우가 많다. 이 방식은 지락 전류를 작게 해 지락 사고 시 계속 운전이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 계통의 대지정전용량이 상대적으로 작아 PT의 자화리액턴스와 쉽게 공진하는 구조가 된다.

케이블화와 지중 계통 확대로 대지정전용량이 커졌지만, 계통 구성이 바뀌면서 공진 조건이 달라지고 개폐 순간이나 한 상만 투입되는 상황에서 철공진이 발생하기 쉬워졌다. 세 가지를 든다. 첫째, 비접지 계통에서 PT 자화리액턴스와 대지정전용량이 직렬 공진하는 경우. 둘째, 변압기 여자돌입 시 철심 포화로 공진하는 경우. 셋째, 비접지 계통에서 한 상만 투입되어 변압기 자화리액턴스와 대지정전용량이 직렬 공진하는 경우다.

이 현상이 중요한 이유는 두 가지다. 하나는 PT 과열과 소손으로 계기와 보호 계전 시스템이 모두 무력화되는 것이다. 다른 하나는 지락 보호 계전기의 오부동작과 과전압으로 절연을 위협하는 것이다. 따라서 설계 단계에서 중성점 접지 방식과 PT 결선을 함께 검토해야 한다.

상전압의 1.73배까지 상승할 수 있는 비접지 계통의 특성이 철공진 위험의 배경이 된다. 국내 유효접지 계통은 1선 지락 시 건전상 대지전위 상승을 1.3배 이하로 제한하도록 접지하는 것이 원칙이다.

4. 구성요소·원리·절차

중성점 불안정은 PT·GPT의 철심 비선형 인덕턴스와 선로의 대지정전용량이 만나 생긴다. 구성요소의 역할을 먼저 정리한다.

PT·GPT의 철심은 자속이 포화되면 자화리액턴스가 급격히 작아진다. 이 값이 대지정전용량과 맞물려 직렬공진이 되면 전압이 비정상적으로 상승한다. 비접지 계통에서 이 현상이 특히 잘 생기는 이유는 대지와 계통을 잇는 저임피던스 경로가 없어 공진 에너지가 빠져나가지 못하기 때문이다.

공진 조건은 다음과 같이 나타낸다.

$\omega L_m \approx \frac{1}{\omega C_g}$

여기서 \omega는 각주파수(rad/s), L_m은 PT·GPT의 자화인덕턴스(H), C_g는 상의 대지정전용량(F)이다. 두 값이 가까워지면 공진이 성립하고, 포화 상태에서 L_m이 작아지므로 공진 조건에 쉽게 도달한다.

불안정이 시작되는 과정은 다음과 같다.

• 1선 지락 또는 차단기 개폐로 중성점 전위가 이동한다.
• PT·GPT 철심이 포화되어 자화리액턴스가 감소한다.
• 감소한 리액턴스가 대지정전용량과 직렬공진을 만든다.
• 상전압이 상규값을 넘어 과전압과 과전류가 흐른다.
• 권선 과열과 절연 열화가 진행되고, 최악의 경우 PT 소손이 발생한다.

이 과정을 흐름도로 나타내면 다음과 같다.

비접지 계통에서 건전상 대지전위는 지락 시 상규 대지전압의 1.73배까지 오를 수 있다. 이 상승이 공진과 겹치면 과전압이 더 커진다.

5. 관련 법령·기준·표준

현행 전기설비 기준은 「전기설비기술기준」과 한국전기설비규정(KEC)이며 2021-01-01부터 시행된다. 구 「전기설비기술기준의 판단기준」은 이 체계로 대체되었다. 접지 방식과 과전압 억제 기준은 KEC의 접지 및 과전압 관련 조항을 따른다. 세부 조항 번호는 여기서 쓰지 않는다.

위 표의 값은 계통 접지 방식에 따라 달라진다. 저항접지를 적용하면 지락 시 건전상 상승이 억제되고 공진 가능성도 낮아진다. 접지 방식을 바꾸는 것이 근본 대책이다.

중성점 불안정의 원인은 포화된 PT·GPT 철심과 대지정전용량의 직렬공진이다

비접지 계통, 자화리액턴스, 직렬공진은 답안에 반드시 쓴다. 상전압 상승 배율은 계통 접지 방식을 먼저 명시한 뒤 1.73배로 제시한다.

6. 유형과 비교

중성점 불안정(Neutral Point Instability) 현상은 PT(계기용 변압기)와 GPT(영상변압기, 접지형 계기용 변압기)가 비접지 또는 고저항 접지 계통에서 대지정전용량과 철공진(Ferroresonance) 을 일으켜 발생한다. 발생 형태에 따라 정상상태 불안정, 과도상태 불안정, 간헐성 아크 접지와 결합된 경우로 나누어 비교한다.