11. 변압기 Y-Y 결선의 문제점에 대해 알아보자.

11. 변압기 Y-Y(와이와이) 결선의 문제점에 대해 알아보자.


변압기 결선은 (Y - Y)결선, (Y - △)결선, (△ - △)결선, (Y-Y-△)결선 등 다양한 방식이 있다. Y결선은 중성점 접지가 가능하여 1선지락 사고시 건전상의 대지전위 상승이 △보다 낮다. 그러므로 변압기의 낮은 절연설계가 가능하여 선호된다. 그럼에도 불구하고 Y-Y결선을 단독으로 잘쓰지 않는다. 그 이유는 무엇일까?

-> Y결선 중성점이 단락되어 있거나 접지되어 있다면 문제가 없지만 중성점 연결이 어떠한 문제에 의해 끊어지면 변압기 철심에 흐르던 자속에 왜곡이 생기고, 유기기전력의 왜곡이 발생하게 된다.

(앞에서 보았듯이 자속이 아닌 여자전류에서 왜곡이 생기는게 정상적이다.)
yyxx.tistory.com/74

변압기의 여자전류는 정현파가 아니다.

---

세가지 경우를 통해 위의 문제를 확인해보자.

1. 중성점이 단락되어있는 경우 (무부하 상태)
2. 중성점 단락, 접지가 끊어진 경우 (무부하 상태)
3. 중성점 단락, 접지가 끊어진 경우 (부하 운전 중)

---

---

1. Y - Y(와이와이) 결선 중성점이 단락되어있는 경우 (무부하 상태) - 정상 상태

Y - Y(와이와이)결선 중성점 단락(무부하 상태)

위의 그림의 1차측 Y결선 중성점은 단락되어있고 2차측은 무부하 상태이다.
I(A)는 정현파 전류인 I(A1)과 왜곡된 영상분전류인 Io로 이루어져 있다. I(B)와 I(C)도 동일하다. 이 세전류는 Y결선의 중성점에서 만나게 되는데 I(A1),I(B1),I(C1)은 크기가 같고 120º 위상차이를 가지므로 Y결선 중성점에서 0이 된다. 그러나 영상분 전류인 Io는 크기와 위상이 같으므로 Y결선 중성점에서 만나면 사라지지 않고 합쳐지므로 KCL(키르히호프 전류법칙)에 의해 나갈 곳이 필요하다.
위와 같이 Y결선의 중성점이 단락되어 있다면 왜곡된 여자전류(Io)가 정상적으로 Y결선의 단락된 중성점을 따라 나갈 수 있다. 그림에서 3Io가 중선선을 따라 잘나가는 것을 확인할 수 있다. 1,2차측 사이의 철심에도 정상적인 정현파의 자속(Φ)이 발생한다. 정현파 자속이 발생함에 따라 1,2차측에 발생하는 유기기전력 E1,E2 역시 정현파의 정상적인 기전력이 발생한다.

---

2. Y - Y(와이와이) 결선 중성점 단락, 접지가 끊어진 경우 (무부하 상태) - 비정상 상태

Y - Y(와이와이)결선 중성점 개방(무부하 상태)

위의 그림은 1차측 Y결선 중성점 단락이 끊어지고 2차측은 무부하 상태이다.
이런 상태라면 왜곡된 여자전류(Io)가 나갈 곳이 없게 된다. 왜곡된 여자전류는 분석해보면 3고조파를 많이 포함하고 있다. 3고조파는 영상분전류이다. 정상분 전류인 (IA1, IB1, IC1)은 서로 평형을 이루고 있어서 상관없지만 영상분 전류(3Io)는 나갈 곳이 없다. 그러므로 위의 그림처럼 왜곡된 여자전류 Io가 흐를수 없어 모두 사라지고 정상분 전류만 남게된다.
여자전류가 왜곡되지 않게 되면서 철심의 자속(Φ)이 왜곡된다. (앞에서 보았듯이 자화특성곡선의 비선형성과 히스테리시스 곡선 의해 한 쪽이 왜곡될 수 밖에 없다.) 자속(Φ)이 왜곡되면서 E = dΦ/dt 에 의해 유기기전력 역시 왜곡된다.

---

3. Y - Y(와이와이) 결선 중성점 단락, 접지가 끊어진 경우 (부하 운전 중) - 비정상 상태

Y - Y(와이와이)결선 중성점 개방 (부하 운전 상태)

위의 그림은 1차측 Y결선 중성점 단락이 끊어지고 2차측은 3상 4선식으로 부하를 운전하는 상태이다.
자속이 왜곡됨에 따라 2차측의 유기기전력 E2가 왜곡되고 Y결선 상 불평형이 일어난다. 부하불평형이 심해짐에 따라서 2차측 중성선으로 들어가는 3Io(중성선 영상분 전류)의 값은 커진다. 3Io는 철심에 아주 큰 3고조파가 포함된 자속을 만든다. 이 자속을 견제할 수 있는 자속이 없기 때문에 이 자속은 그대로 철심에 흐르게 된다. 철심을 감고 있는 코일에 아주 큰 자속이 흐르게 되면 L = Φ/I -> X = wL 에서 X값이 아주 커지게 된다. 그러면 지락사고가 발생하여지락전류가 발생해도 X값이 커서 흐를 수 있는 전류가 제한적이기 때문에 보호계전기 동작에도 문제가 생길 수 있다.