중성선 영상고조파전류

정의

중성선 영상고조파전류는 비선형 부하가 만든 3의 배수 고조파가 중성선에 합쳐져 흐르는 전류다.

핵심 용어는 3고조파, 영상분 전류, 삼중고조파다.

3상 4선식 배전에서 중성선과 변압기를 과열시켜 화재와 설비 고장으로 이어지므로, 시험과 실무에서 중요하다.

원리: 상쇄와 합산

평상시 세 상의 전류는 120도씩 어긋나 서로 상쇄되므로 중성선 전류는 작다.

그런데 3의 배수 고조파는 세 상에서 위상이 같아 상쇄되지 않고 중성선에서 더해진다.

이론상 중성선 전류는 각 상 전류 크기의 3배까지 커질 수 있다.

예제 문제

3상 4선식 분전반에서 각 상 전류가 100 A이고, 각 상 3차 고조파 전류가 40 A라고 하자.

3차 고조파는 동위상이라 중성선에서 산술적으로 합산된다.

직접 풀어 보자. 중성선 전류는 몇 A인가?

풀이

정답은 120 A다. 3차 고조파는 상마다 같은 위상이므로 3배로 더해진다.

식으로 쓰면 중성선 전류는 3I3이고, 대입하면 3 × 40 = 120 A다.

이 값은 상전류 100 A를 넘으므로 중성선 증대나 4극 차단기가 필요한 조건이다.

발생에서 과열까지

단상 비선형 부하는 전류를 짧은 펄스 형태로 끌어 쓴다.

펄스 전류를 푸리에 분해하면 3고조파가 나오고 세 상에서 위상이 같다.

그래서 3고조파 전류는 중성선에서 산술적으로 합산된다.

중성선과 변압기가 과열되어 절연이 열화되고, 화재와 설비 고장으로 이어진다.

두 성분 비교

기본파 불평형 전류와 3의 배수 영상고조파는 성격이 다르다.

기본파 불평형은 120도 위상차로 상쇄되어 중성선에 작게 흐른다.

3의 배수 고조파는 동위상이라 중성선에서 더해지고, 상전류의 3배까지 커질 수 있다.

그래서 두 성격을 구분해 쓰고, 대책도 다르게 적어야 한다.

대책

중성선 과열을 막는 대책은 원리와 한계를 함께 적어야 한다.

첫째, 중성선 굵기를 키워 과열 위험을 줄인다. 케이블 비용과 공간이 늘어난다.

둘째, 4극 차단기로 중성선 과전류를 직접 감시한다.

셋째, 필터로 고조파를 억제하되 수동형은 공진 위험을 먼저 계산한다.

넷째, K형 변압기로 델타 권선의 3고조파 순환에 대응한다.