변압기의 "여자전류"에서 "여자"라는 용어는 '자화'를 의미하는 일본어 "磁化" (じか, Jika)에서 유래된 것입니다.
이 단어는 '자기장'이나 '자성을 부여한다'는 뜻을 내포하고 있습니다.
여자돌입전류(Inrush Current)는 변압기를 처음 투입할 때 순간적으로 발생하는 매우 큰 전류입니다. 이 전류는 변압기의 정상 운전 전류보다 훨씬 크며, 보호 장치의 오동작을 유발할 수 있습니다.
여자돌입전류는 다음과 같은 원인과 특성을 가지고 있습니다.
발생 원인
자기 포화(Magnetic Saturation)
자기 포화는 자성 물질, 특히 변압기 철심에서 자속 밀도가 특정 한계에 도달했을 때 더 이상 자속 밀도가 증가하지 않는 현상을 말합니다. 변압기에서 자기 포화가 발생하면, 철심의 자화 곡선이 포화 상태에 도달하여 기울기가 급격히 감소하게 됩니다. 이 상태에서는 철심이 더 이상의 자속을 효율적으로 지원하지 못하고, 결과적으로 여자전류가 비정상적으로 증가하게 됩니다.
자기 포화와 돌입전류
변압기 철심의 포화 특성
철심은 비선형 자화 곡선을 가지고 있으며, 초기에는 자속 밀도가 자화력에 비례하여 증가합니다. 그러나 특정 자속 밀도에 도달하면, 자화력의 증가에도 불구하고 자속 밀도는 더 이상 크게 증가하지 않게 됩니다. 이를 포화(Saturation) 상태라고 합니다.
돌입전류 발생 메커니즘
변압기를 투입할 때, 철심에는 전압에 의해 자속이 유도됩니다. 이때 투입 시점에 따라 철심이 이미 가지고 있는 잔류 자속과 새롭게 유도되는 자속이 중첩될 수 있습니다. 특히 전원 전압의 정현파가 최대값을 가질 때 변압기를 투입하면, 철심에 유도되는 자속은 매우 커질 수 있으며, 이는 철심의 포화를 초래할 수 있습니다.
포화 상태에서는 철심의 유도성 리액턴스가 급격히 감소하여, 철심을 통한 전류의 흐름이 크게 증가합니다. 이때 발생하는 전류가 바로 여자돌입전류입니다.
잔류 자화와 돌입전류
변압기를 투입하기 전에 철심에 남아있는 잔류 자속은 돌입전류를 더욱 증폭시킬 수 있습니다. 잔류 자속이 존재할 경우, 새로운 자속이 더해져 철심이 포화에 더 빨리 도달하게 되고, 이는 큰 돌입전류를 유발합니다.
실질적인 영향
돌입전류는 변압기와 연결된 전력 시스템에 다양한 영향을 미칠 수 있습니다. 이 전류는 단기간에 매우 큰 전류로 나타나기 때문에 보호 장치가 이를 고장으로 오인하여 작동할 수 있으며, 변압기와 관련 장비에 물리적 스트레스를 초래할 수 있습니다.
이를 방지하기 위해, 변압기 설계에서 자화 곡선의 특성을 고려하여 설계하거나, 투입 시점 제어와 같은 기술적 조치가 필요합니다. 이를 통해 변압기의 안정적 운영과 전력 시스템의 안전성을 유지할 수 있습니다.
잔류 자속(Residual Flux)
변압기 철심에서 전원을 차단한 후에도 남아있는 자속을 의미합니다. 변압기는 전원을 차단했을 때도 철심의 자성 재료가 특정 수준의 자화 상태를 유지하려는 성질을 가지며, 이로 인해 잔류 자속이 발생합니다.
잔류 자속의 형성과 영향
잔류 자속의 형성
변압기의 철심은 자성 재료로 만들어져 있으며, 자화되면 특정한 자속 밀도를 가지게 됩니다. 변압기를 작동 중에 전원을 차단할 때, 철심에 흐르던 자속은 급격히 감소하지 않고 일정 부분 남아 있게 됩니다. 이는 자성 재료의 히스테리시스 특성에 의해 발생합니다.
철심의 자화 곡선에서 히스테리시스 루프는 자화가 가해졌다가 제거될 때 자속 밀도가 완전히 0으로 돌아오지 않고 일정한 잔류 자화(Br, remanence)를 가지는 특성을 보여줍니다. 이 잔류 자화가 잔류 자속을 형성하게 됩니다.
잔류 자속과 돌입전류
변압기를 다시 투입할 때, 새롭게 유도되는 자속과 잔류 자속이 합쳐집니다. 만약 이 합성 자속이 변압기 자화 곡선의 포화 영역을 초과하게 되면, 철심이 포화 상태에 도달하게 됩니다.
이로 인해 변압기의 유도 리액턴스가 급격히 감소하여, 전류가 급증하는 현상이 발생합니다. 이는 변압기의 여자돌입전류를 초래하는 주요 원인 중 하나입니다. 특히, 투입 시점에서 전압이 최대일 때 잔류 자속과 겹치면, 돌입전류가 더욱 증폭될 수 있습니다.
실질적인 영향과 관리 방법
잔류 자속으로 인해 발생하는 여자돌입전류는 전력 시스템의 안정성에 여러 가지 영향을 미칠 수 있습니다. 과도한 돌입전류는 보호 장치의 오동작을 유발할 수 있으며, 변압기와 관련 장비에 물리적인 스트레스를 줄 수 있습니다.
이를 관리하기 위한 방법은 다음과 같습니다.
정밀한 투입 시점 조정
변압기를 투입할 때 잔류 자속과 유도 자속의 합이 최소가 되는 시점(즉, 전압이 영점에 근접한 시점)에 투입하여 돌입전류를 줄이는 방법이 있습니다.
탈자 과정 (Demagnetization)
변압기를 차단할 때 철심의 잔류 자속을 최소화하기 위한 탈자 과정을 수행할 수 있습니다. 이 과정은 전원을 차단하기 전에 변압기에 역전압을 가하여 잔류 자속을 감소시키는 방법입니다.
자동 전류 제한 장치
변압기의 돌입전류를 자동으로 제한하는 장치를 설치하여 돌입전류의 크기를 제어할 수 있습니다. 이는 전력 시스템 보호와 장비 보호에 중요한 역할을 합니다.
고급 보호 계전기 설정
보호 계전기의 설정을 조정하여 돌입전류로 인한 오동작을 방지할 수 있습니다. 이를 위해 돌입전류와 고장 전류를 구별할 수 있는 알고리즘이 사용될 수 있습니다.
이러한 관리 방법을 통해 잔류 자속으로 인한 돌입전류를 효과적으로 통제하고, 전력 시스템의 안정성을 유지할 수 있습니다.
비대칭 자속 부하(Asymmetrical Flux Load)
압기에서 발생할 수 있는 현상으로, 변압기의 코어에 흐르는 자속이 양극성으로 변동할 때 자속의 분포가 균형을 이루지 못하고 비대칭적인 상태가 되는 것을 의미합니다. 이러한 비대칭 자속 부하는 돌입전류의 파형을 왜곡시키고, 피크 전류를 크게 증가시킬 수 있습니다.
비대칭 자속 부하의 원인
불균형한 자속 경로
변압기의 코어 설계 또는 자화 특성에 따라 자속이 코어 내에서 고르게 분포되지 않을 수 있습니다. 이러한 경우, 한쪽 코어에서 자속이 더 많이 흘러 비대칭 자속이 발생할 수 있습니다.
잔류 자속의 불균형
변압기를 전원에서 차단한 후 코어에 남아있는 잔류 자속이 비대칭적으로 분포할 경우, 변압기 투입 시 자속 분포가 비대칭적으로 형성됩니다. 이는 돌입전류를 발생시키고, 그 크기를 비대칭적으로 증폭시킬 수 있습니다.
투입 시점의 비대칭성
변압기 투입 시점에서 발생하는 비대칭성은 각 상의 자속이 달라지는 원인이 됩니다. 이는 주로 전압의 순간 값과 관계가 있으며, 특정 상의 전압이 다른 상보다 크게 변동할 때 자속의 비대칭성을 초래할 수 있습니다.
비대칭 자속 부하의 결과
돌입전류 파형의 왜곡
비대칭 자속 부하는 돌입전류의 파형을 왜곡시킵니다. 이는 특정 상의 전류가 다른 상에 비해 크게 증가하거나 감소하게 만듭니다. 결과적으로, 피크 전류가 크게 증가하고, 이는 변압기의 전기적 및 열적 스트레스를 증가시킬 수 있습니다.
비정상적인 피크 전류 증가
비대칭 자속 부하로 인해 발생하는 돌입전류는 일반적으로 매우 높은 피크 전류를 가지며, 이는 보호 장치의 오동작을 유발하거나 변압기 및 관련 장비의 손상을 초래할 수 있습니다.
비대칭 자속 부하의 해결 방안
변압기 설계 개선
코어의 자속 경로를 균일하게 설계하고, 자속이 고르게 분포되도록 개선할 수 있습니다. 이는 변압기 제작 과정에서 코어의 자화 특성을 정확히 측정하고 조정함으로써 달성할 수 있습니다.
잔류 자속 관리
잔류 자속을 최소화하는 탈자 과정이나 잔류 자속을 균등하게 배분하는 전략을 사용할 수 있습니다. 이는 변압기 투입 전후에 잔류 자속의 영향을 줄이는 데 도움이 됩니다.
투입 시점 제어
변압기를 투입할 때, 가능한 한 자속이 영점에서 시작되도록 투입 시점을 조정하여 비대칭 자속 부하를 최소화할 수 있습니다. 이는 자동 투입 장치의 정밀한 제어를 통해 가능합니다.
보호 계전기 조정
비대칭 자속 부하로 인한 돌입전류와 실제 고장 전류를 구별할 수 있는 보호 계전기를 사용하고, 이를 적절히 설정함으로써 돌입전류로 인한 오동작을 방지할 수 있습니다.
이러한 방안들을 통해 비대칭 자속 부하로 인한 돌입전류 문제를 완화하고, 변압기의 안정적이고 안전한 운영을 보장할 수 있습니다.
대책
여자돌입전류를 줄이거나 완화하는 방법은 여러 가지가 있으며, 이는 변압기의 안정적인 작동과 보호 장치의 정확한 동작을 보장하기 위해 중요합니다.
변압기 투입 시점 제어
돌입전류를 최소화하려면 변압기의 투입 시점을 조정하여 전압의 정현파가 영점을 지나는 시점에 투입하는 것이 효과적입니다. 이를 위해서는 투입 스위치를 정밀하게 제어할 수 있는 장치가 필요합니다.
지연 투입 방식
각 상의 투입 시점을 약간씩 지연시키는 방법으로, 돌입전류의 피크를 분산시켜 전체 돌입전류를 감소시킬 수 있습니다.
전자기력과 차동보호의 조정
보호 장치의 설정값을 조정하여 돌입전류를 오동작 없이 통과시키고, 실제 고장을 정확히 감지하도록 해야 합니다. 이는 차동 보호 계전기의 비율 차동 설정과 저지 함수를 적절하게 조정함으로써 가능합니다.
잔류 자속 소거
변압기를 차단하기 전에 철심의 잔류 자속을 최소화하는 방법입니다. 이는 주로 변압기 차단 시 자속을 영점으로 보내는 전략을 사용하여 이루어집니다.
탈자 장치 사용
변압기 철심에 남아있는 잔류 자속을 제거하기 위해 탈자 장치를 사용할 수 있습니다. 이 장치는 변압기의 철심을 탈자하여 잔류 자속을 없애줍니다.
여자돌입전류는 변압기 운영에서 불가피하게 발생할 수 있지만, 위의 대책을 통해 그 영향을 최소화할 수 있습니다. 이를 통해 전력 시스템의 안정성과 신뢰성을 유지할 수 있습니다.