안녕하세요. 박현민 전기기능사입니다.
결론부터 말씀드리면 변압기의 여자전류는 철심 내부에 교번자속을 만들기 위해 필요한 전류이며, 변압기는 부하가 없어도 자속 형성을 위해 일정한 전류를 반드시 소비합니다. 일반적인 회로에서는 부하가 있어야 전류가 흐른다고 생각하기 쉽지만, 변압기는 철심에 자기장을 만들어야 동작하는 전자기 유도 장치이기 때문에 무부하 상태에서도 전류가 필요합니다. 변압기 1차측에 교류전압을 인가하면 철심 내부에 교번자속이 만들어집니다. 이 자속이 2차 권선을 쇄교하면서 유도기전력을 발생시키는 것이 변압기의 기본 원리입니다. 그런데 자속을 만들기 위해서는 자기장을 형성할 전류가 필요하고, 이 전류를 여자전류라고 합니다.
여자전류는 크게 자화전류와 철손전류로 나눌 수 있습니다. 자화전류는 철심에 자속을 만들기 위한 전류입니다. 이것은 코일이 자기장을 형성하는 데 필요한 성분으로, 실제 일을 하는 전력보다는 무효전력 성격이 강합니다. 반면 철손전류는 철심에서 발생하는 히스테리시스손과 와류손을 보상하기 위해 필요한 전류입니다. 철심은 교번자속에 의해 계속 자화와 탈자를 반복하는데, 이 과정에서 열손실이 발생합니다. 또한 철심 내부에는 유도전류인 와류가 발생하여 열이 생깁니다. 이 손실을 보충하기 위해 실제 유효전력이 필요하며, 그 역할을 하는 것이 철손전류입니다.
변압기 무부하손은 거의 대부분 철손입니다. 그래서 변압기는 부하가 없어도 계속 전력을 소비합니다. 실제 전력계통에서 야간처럼 부하가 적은 시간에도 변압기를 계속 여자 상태로 두면 철손이 계속 발생합니다. 변압기 효율이 좋은 이유는 동손과 철손을 최대한 줄이도록 설계했기 때문입니다. 철손을 줄이기 위해 규소강판을 사용하고, 철심을 얇게 적층하여 와류 발생을 줄입니다.
실무에서 중요한 것은 여자돌입전류입니다. 대용량 변압기를 처음 투입할 때 순간적으로 정상 여자전류의 수배에서 수십 배까지 큰 전류가 흐를 수 있습니다. 이는 철심 잔류자속과 투입 시점 전압 위상이 겹치면서 철심이 순간적으로 포화되기 때문입니다. 철심이 포화되면 자속 증가에 비해 매우 큰 자화전류가 필요하게 되어 큰 돌입전류가 흐릅니다. 이 전류는 단락사고와 비슷한 크기로 나타날 수 있기 때문에 차동계전기나 과전류계전기가 오동작할 수 있습니다. 그래서 실제 보호계전기에는 돌입전류와 사고전류를 구분하기 위한 고조파 억제 기능이 사용됩니다.
결국 여자전류는 변압기가 자기장을 형성하기 위해 반드시 필요한 전류이며, 철손과 무부하손, 여자돌입전류, 보호계전기 설정까지 연결되는 매우 중요한 개념입니다.