중성선 영상고조파전류

왜 배우는가: 중성선 영상고조파전류는 3상 4선식 건물 배전에서 중성선 과열과 변압기 과열을 일으켜 화재와 설비 고장으로 이어지므로 실무에서 반드시 관리해야 한다. 시험에서는 1교시 용어와 4교시 논술로 반복해서 출제되고 있다.

출제 이력: 제128회 4교시 3번, 제103회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

중성선 영상고조파전류는 비선형 부하가 만든 3의 배수 고조파(3고조파 등 삼중고조파)가 각 상에서 같은 위상으로 중성선에 합쳐져 흐르는 전류이다.

• 영상분 전류(zero-sequence current): 세 상의 전류가 크기와 위상이 같아 중성선이나 대지로 되돌아오는 성분
• 삼중고조파(triplen harmonics): 3, 9, 15차처럼 3의 배수 차수의 고조파
• 비선형 부하(non-linear load): 전류가 정현파가 아닌 형태로 흐르는 부하
• 중성선 과전류(neutral overcurrent): 중성선 전류가 상전류를 넘어서는 현상
• 정류기 입력 콘덴서 형식(rectifier-capacitor front end): SMPS 등 전자기기의 대표적인 고조파 발생 구조
• 고조파 왜형률(THD): 기본파 대비 고조파 실효치의 비율
• 3상 4선식 배전: 중성선을 포함한 저압 배전방식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 컴퓨터나 LED 조명처럼 전기를 잘게 끊어 쓰는 기기가 많아지면 3상 4선식 중성선에 생각보다 큰 전류가 흐른다는 뜻이다. 평상시 세 상의 전류는 120도씩 어긋나서 서로 상쇄되므로 중성선 전류는 작다. 그런데 3의 배수 고조파는 위상이 서로 같아 상쇄되지 않고 중성선에서 더해진다.

정식으로 정의하면, 중성선 영상고조파전류는 전류의 3, 9, 15차 등 3의 배수 고조파 성분이 세 상에서 동상(同相)으로 나타나 중성선에서 벡터 합이 아닌 대수 합으로 중첩되는 전류이다. 이 값은 이론상 각 상전류 크기의 3배까지 커질 수 있다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

영상분 전류는 대칭분 중 세 상이 같은 크기와 같은 위상을 가진 성분이다. 3상 평형 기본파에서는 0이지만 3고조파에서는 0이 아니다.

삼중고조파는 차수가 3의 배수인 고조파를 말한다. 제3고조파가 대표적이며 제9, 제15고조파도 같은 성질을 가진다.

비선형 부하는 전압과 전류의 관계가 직선이 아닌 부하이다. 정류기, 인버터, 형광등 안정기, LED 드라이버가 여기에 속한다.

3. 등장 배경과 필요성

과거의 3상 4선식 부하는 대부분 전동기와 저항 부하였다. 이 경우 중성선 전류는 상의 불평형분 정도여서 중성선을 상전선보다 가늘게 설계해도 문제가 없었다. 설계 관행도 이를 전제로 했다.

이후 정보통신기기, 사무기기, 전자식 조명, 인버터 구동 설비가 빠르게 늘었다. 이들은 교류 입력을 정류하는 과정에서 전류를 짧은 펄스 형태로 끌어 쓴다. 그 결과 3고조파 전류가 상마다 크게 발생하고 이것이 중성선에 누적된다. 기존 설계 기준으로는 이를 감당하지 못하는 사례가 생겼다.

이 현상은 건물 내부 중성선 과열, 중성선 접속부 발열, 변압기 손실 증가로 나타난다. 특히 중성선에는 보통 과전류 차단기가 없어서 과열이 그대로 진행될 수 있다. 화재 위험이 있으므로 설계 단계에서 원인을 알고 대책을 세워야 한다.

또한 이 문제는 역률 개선용 콘덴서나 직렬리액터와 함께 나타나는 병렬공진과도 연결된다. 고조파 전류가 콘덴서에 흡수되어 과열과 소손을 일으키는 사례가 보고되어 있다. 따라서 중성선 영상고조파는 전력품질, 보호계전, 기기 수명을 함께 보는 관점에서 필요하다.

전력품질 측면에서는 고조파 왜형률을 관리해야 한다는 요구가 커졌다. 국제 권고인 IEEE 519는 고조파 허용 한도를 정하고 있다. 국내에서도 전기설비 설계 시 고조파 대책을 검토하도록 요구되는 추세이다. 중성선 과열은 이런 기준 준수와 직접 연결되는 문제이다.

이 필요성을 한 줄로 요약하면, 중성선은 과전류 보호가 되지 않는 도체이므로 고조파 전류에 대한 설계 여유를 미리 확보해야 한다는 것이다.

4. 구성요소·원리·절차

중성선 영상고조파전류는 비선형 부하가 만든 3의 배수 고조파(3차, 9차, 15차 등, 삼중고조파)가 각 상에서 같은 위상으로 흐르면서 생긴다. 기본파 전류는 세 상에서 120도씩 어긋나 중성선에서 상쇄되지만, 영상분 성분은 서로 더해진다. 그래서 중성선 전류가 상전류보다 커질 수 있다.

영상분 고조파는 세 상의 전류 위상이 같은 성분이다. 각 상의 영상분 고조파 전류 I_{0n}은 중성선에 3I_{0n}으로 합산된다. 중성선 전류 I_N은 다음과 같다.

$I_N = \sqrt{(I_{a}+I_{b}+I_{c})^2}\quad \text{(영상분 성분 } I_{N}=3I_{0})$

여기서 I_a, I_b, I_c는 각 상 전류(A)이고 I_0는 각 상의 영상분 전류(A)다. 3상 평형 기본파만 있으면 I_N=0이다. 3고조파가 상마다 같은 크기로 있으면 I_N=3I_0이다.

원리. 3상 4선식 계통에서 단상 비선형 부하는 각 상에 같은 위상의 3고조파를 만든다. 이 전류는 중성선에서 세 배로 더해진다. 중성선은 과전류 차단기가 없는 경우가 많아 과열 위험이 크다. 델타 권선이 있는 변압기는 이 영상분을 권선 안에서 순환시켜 과열을 일으킨다.

발생 절차

• 단상 정류기(SMPS, 전자식 안정기) 부하가 전원에서 펄스형 전류를 끌어간다.
• 펄스 전류가 푸리에 분해되어 기본파와 3·9·15차 고조파를 포함한다.
• 3고조파는 세 상에서 위상이 같아 중성선에서 합산된다.
• 중성선 전류가 상전류를 넘어 과열, 절연 열화가 발생한다.
• 변압기 Δ권선 내부에서 순환전류가 흘러 권선 온도가 올라간다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 전기설비의 고조파 관리는 한국전기설비규정(KEC)과 전기사업법 등 전기품질 관련 기준을 따른다. 중성선 과열 관리의 실무 기준은 다음과 같다.

개정 연혁. 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되어 옛 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 고조파 관리 항목은 KEC 체계 안에서 확인한다. 국제 기준인 IEEE 519-1992는 고조파 허용 한도를 정한 권고다.

읽는 법. 33% 기준은 고조파 전류가 기본파 대비 큰 경우 중성선을 키우라는 뜻이다. 중성선 단면적은 상도체와 같은 굵기 이상이 기본이다.