변압기에서 돌입전류는 왜 발생하며 왜 위험한가요?

Question

• 전기기사 전기기기와 실기를 공부하다 보면 변압기를 처음 투입할 때 돌입전류가 매우 크게 발생할 수 있다고 배우는데, 왜 전원을 처음 넣는 순간에만 그렇게 큰 전류가 흐르는지 궁금합니다. 정상 운전 중 여자전류는 정격전류보다 훨씬 작은데, 투입 순간에는 수배에서 수십 배까지 증가할 수 있다고 해서 이해가 잘 되지 않습니다. 또한 철심 잔류자속과 투입 시점 전압 위상이 중요하다고 하는데, 이것이 어떤 관계가 있는지도 궁금합니다. 돌입전류가 실제 현장에서는 차단기나 보호계전기 오동작 문제와 연결된다고 하는데 왜 사고전류와 비슷하게 보이는지도 알고 싶습니다. 실무에서는 돌입전류를 줄이기 위해 어떤 방법을 사용하는지도 자세히 설명 부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 박현민 전기기능사입니다.

결론부터 말씀드리면 변압기 돌입전류는 투입 순간 철심 자속이 급격히 증가하면서 철심이 포화되고, 이로 인해 매우 큰 여자전류가 흐르는 현상입니다. 변압기는 정상 운전 시에도 철심에 자속을 만들기 위한 여자전류가 흐릅니다. 하지만 정상 상태에서는 철심 자속이 일정 범위 안에서 안정적으로 변화하기 때문에 여자전류 크기도 비교적 작습니다.

문제는 변압기를 처음 투입하는 순간입니다. 철심 내부에는 이전 운전 상태에서 남아 있는 잔류자속이 존재할 수 있습니다. 이 상태에서 전압을 특정 위상에서 투입하면 순간적으로 철심 자속이 정상 범위를 훨씬 초과할 수 있습니다. 철심은 일정 수준 이상 자속이 증가하면 포화 상태가 되는데, 포화 상태에서는 자속을 조금만 더 만들기 위해서도 매우 큰 자화전류가 필요합니다. 이때 발생하는 전류가 돌입전류입니다.

돌입전류는 단순 과부하전류와 달리 파형이 크게 찌그러져 있고 고조파 성분이 많습니다. 크기는 매우 커질 수 있기 때문에 보호계전기 입장에서는 단락사고와 비슷하게 보일 수 있습니다. 그래서 차동계전기나 과전류계전기가 오동작할 위험이 있습니다.

실무에서는 이를 구분하기 위해 2고조파 억제 기능을 사용합니다. 돌입전류는 고조파 성분이 많다는 특징이 있기 때문입니다. 또한 대형 변압기에서는 투입 시점을 조절하거나 예비 여자 방식으로 돌입전류를 줄이기도 합니다.

결국 돌입전류는 변압기 철심 자속 특성과 관련된 자연스러운 현상이지만, 매우 큰 전류를 만들 수 있기 때문에 보호설비 설계와 운전에서 반드시 고려해야 하는 중요한 요소입니다.

Answer 2

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

변압기를 처음 켤 때 철심에 남아있는 자속과 투입되는 전압의 위상이 엇박자가 나면 자기포화 현상이 생겨서 엄청난 전류가 흐르게 됩니다. 이게 마치 사고가 난 것처럼 보여서 차단기가 뚝 떨어지기도 하는데 보통은 억제 저항기를 쓰거나 계전기 설정을 조정해서 해결해여. 공부하시느라 고생이 많으신데 이 내용이 시험 준비에 큰 도음이 되었으면 좋겠습니다.