중성선에 흐르는 제 3고조파 전류로 인한 영향과 대책

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전력 계통에서 중성선은 매우 중요한 역할을 하며, 특히 고조파 전류가 흐를 때는 여러 문제를 유발할 수 있습니다. 이번 글에서는 3상 배전계통에서 발생하는 중성선 고조파 전류에 대한 영향을 설명하고, 이를 완화하기 위한 대책을 살펴보겠습니다.

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중성선 고조파 전류 현상

중성선에 흐르는 전류는 기본적으로 상 전류의 합으로 정의됩니다. 아래는 4선식 배전계통에서 중성선에 전류가 흐르는 과정을 설명한 것입니다.

기본파 정현파가 흐를 경우: 상 전류는 각각 다음과 같이 표현됩니다.
$I_a = I_m \sin \omega t$
$I_b = I_m \sin (\omega t – 120^\circ)$
$I_c = I_m \sin (\omega t – 240^\circ)$ 이러한 상 전류의 합은 다음과 같이 계산됩니다:
$I_n = I_a + I_b + I_c = I_m \sin \omega t + I_m \sin (\omega t – 120^\circ) + I_m \sin (\omega t – 240^\circ) = 0$ 즉, 기본파가 흐를 경우 중성선에 흐르는 전류는 0이 됩니다.
제3고조파 전류가 흐르는 경우: 고조파가 발생하면, 각 상의 전류는 다음과 같이 계산됩니다.
$I_{a3} = 0.4 I_m \sin 3 \omega t$
$I_{b3} = 0.4 I_m \sin (3 \omega t – 120^\circ)$
$I_{c3} = 0.4 I_m \sin (3 \omega t – 240^\circ)$ 이때, 중성선에 흐르는 전류는:
$I_n = I_{a3} + I_{b3} + I_{c3} = 1.2 I_m \sin 3 \omega t$ 즉, 중성선에 흐르는 전류는 제3고조파 전류의 1.2배가 됩니다.

제3고조파 전류가 흐를 때는 중성선에 크게 문제가 발생합니다.

전류 증가: 기본파의 1.2배에 달하는 제3고조파 전류가 중성선에 흐르면서 과전류 상태가 됩니다.
발열 및 손실: 중성선에 흐르는 고조파 전류로 인해 발열이 심해지고, 포화효과에 의해 시스템 전체에 부하가 걸립니다. 그 결과, 저항성 손실이 커지면서 전력 손실이 증가하고 시스템 효율이 저하됩니다.