16. 여자돌입전류 (2)발생 원인

16. 여자돌입전류 (2)발생 원인

앞에서 '여자돌입전류'와 '여자전류'의 차이에 대해 공부해보았다.
yyxx.tistory.com/144

15. 여자돌입전류 (1)'여자전류'와 차이점

변압기 2차측 무부하 상태에서 1차측을 투입하게 되면
스위치를 닫는 과도상태에서는 여자돌입전류가 흘렀고
스위치를 닫고 시간이 흘러 정상상태가 되면 여자전류가 흘렀다.

과도상태에서의 여자돌입전류는 전류의 비대칭이 발생해서 아주 큰 전류가 흐르게 되는데
왜 이런 비대칭, 큰 전류가 발생하게 되는지 알아보자.

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1. '여자전류(Exiciting Current)'와 '여자돌입전류(Inrush Current)'의 차이
2. 여자돌입전류 발생 이유 (1) 인덕터(리액터)의 작용
3. 여자돌입전류 발생 이유 (2) 철심 포화
4. 여자돌입전류 발생 시 문제점
5. 여자돌입전류 발생 대책

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2. 여자돌입전류 발생 이유 (1) 인덕터(리액터)의 작용

아래는 변압기를 그림으로 나타냈다.

변압기 무부하 상태에서 1차측 스위치 Open

1차측의 스위치는 Open 되어 있고
2차측도 스위치가 Open 되어 있어 무부하 상태이다.
이 상태에서 1차측 스위치를 닫는 순간 '여자돌입전류'가 흐르게 된다.



그러면 여기서 1차측 부분만 떼어내보자.

변압기 1차측 회로

변압기의 1차측을 보면 철심에 감겨 있는 형태로 회로에서 인덕터(리액터)와 같다.
참고로 코일 = 인덕터 = 리액터 로 같은 말이다.
그러므로 회로로 나타내면 전원이 인덕터(리액터)에 전류를 공급하는 회로로 등가적으로 나타낼 수 있다.
(선로에 저항(R)이 있으나 인덕터의 리액턴스(X)에 비해 아주 작은 크기이므로 무시한다.)

여기서부터는 앞에서 보았던 '고장전류(단락전류)가 비대칭인 이유'에서 공부했던 것과 동일하다.
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13. 고장전류(단락전류)가 비대칭인 이유

회로의 스위치를 닫는 순간 전원에서 인덕터로 보내는 전류가 그래프에서 빨간 전류(-100A)라고 해보자.
인덕터는 '관성의 소자'이기 때문에 원래의 전류 상태 0A를 유지하기 위해 녹색 전류(100A)를 만들어낸다.
그러면 전류는 -100A로 시작하지 못하고 빨간 전류와 녹색 전류의 합인 0A부터 흐르게 된다.

변압기 1차측 스위치 닫는 순간 비대칭 전류 발생

회로에 흐르는 전류는 원래 흐르려던 빨간 전류와 녹색 전류의 합으로 흐르게 되므로 비대칭 전류로 흐르게 된다.
인덕터의 관성에 의해 만들어진 억제전류는 점점 줄어들다가 0A가 되는데
이 억제전류가 0A가 될 때까지 회로에는 계속 비대칭 전류가 흐르게 된다.

이런 이유에서 변압기가 무부하 상태일 때 1차측을 투입하게 되면 비대칭 전류인 '여자돌입전류'가 발생한다.

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3. 여자돌입전류 발생 이유 (2) 철심 포화

그런데 인덕터(리액터)의 작용 말고도 여자돌입전류의 크기를 더욱 크게 만드는 요소가 있다.
바로 변압기 철심의 포화이다.

철심의 포화에 대해서는 전자기학 파트에서 공부해보았다.
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13. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(3)

앞에서 공부해보았던 자화특성곡선을 다시 봐보자.

자화특성곡선 기울기=인덕턴스, 철심포화 시 기울기=0

자화특성곡선에서 가로축은 철심에 감아놓은 인덕터(리액터)로 흘러들어간 전류(I)를 의미한다.
세로축은 전류가 흘러감에 따라 발생한 자속을 의미한다.
자화특성곡선은 흘러들어간 전류에 따라 발생한 자속을 곡선으로 나타낸 것이다.
전류의 양이 많아짐에 따라 처음에는 자속이 함께 증가하다가 어느 순간 '철심의 포화'가 이루어져 전류가 증가해도 자속은 일정하게 된다.
여기서 주의 깊게 봐야 하는 건 이 곡선에서의 기울기이다.
이 곡선에서 기울기(Φ/I)는 인덕턴스(L)이다.
'철심의 포화'가 됐다는 건 기울기가 거의 '0'에 가까워짐을 의미하고
인덕턴스(L)가 '0'에 가까워지는 거다.


그러면 여기서 리액턴스(X)에 대해 알아야 한다.
임피던스(Z) = R(실수부) + jX(허수부) 이다.
인덕터는 전류의 흐름을 방해하는 요소 중 허수부를 맡고 있다.
리액턴스(X) = wL 이다. (w=각주파수, L=인덕턴스)

그런데 철심이 포화돼서 인덕턴스(L)이 거의 '0'에 가까워졌다?
그러면 리액턴스(X)가 0에 가까워지게 된다.

리액턴스가 0에 가까워지면 아주 큰 전류가 흐름

우리가 다루는 시스템은 '전압원 시스템'이다. 즉 전압의 크기가 일정한 시스템이다.
오옴의 법칙(I = V/X)에서 V가 일정한데 X가 '0'에 가까워져 버리면 아주 큰 전류(I)가 흐르게 된다.


최초 변압기가 설계될 때 사용 전류에 의해 철심이 포화되지 않게 설계돼서 나온다.

변압기 설계 전류는 철심 포화를 넘지 않는다.

그래프의 노란점 만큼 변압기의 철심으로 흐를 전류가 설계되어 있다.
교류전류가 +,-를 오갈 때 저 노란점 사이의 그래프 지점만 왔다갔다 하기 때문에 철심이 포화되지 않는다.

그러나 무부하 상태에서 변압기 1차측 투입 시 인덕터에 의해 '비대칭 전류'가 발생하면서 변압기 설계 전류를 넘어 철심포화에 가깝게 가버리게 된다.
그러면 기울기인 인덕턴스(L)이 '0에 가깝게 된다.

비대칭 전류로 인해 철심이 포화됨

그래서 비대칭 전류 발생으로 철심 포화 선을 넘어가게 되는 순간
리액턴스(X)가 0에 가까워지면서 아주 큰 전류가 흐르게 된다.

철심이 포화될 때마다 고전류가 흐르게 된다,

이런 이유에서 변압기 1차측에 아주 큰 '여자돌입전류'가 발생한다.

변압기 철심 포화로 고전류인 여자돌입전류 발생