전기박사의 ‘現問賢答’

위상차, 서로 다른 전압과 전류의 상 위치 차이

Q. 등기구에 누전이 생겨 스위치를 ON 하면 ELB가 트립됩니다. 디지털 절연저항계로 측정해보니 1.5~1.6MΩ이 측정되었습니다. 절연이 썩 좋은 편은 아니지만 원래 220V에서는 0.2M 이상 나오면 그래도 정상치 범주 안에 들어가는 것으로 알고 있었는데 ELB가 트립되어 당황스럽네요. ELB 자체는 이상이 없습니다.(2차측 선로를 분리하니 ELB가 떨어지지 않습니다.) 원래 0.2M 이상이 나오면 ELB가 트립되지 않는 것이 정상이 아닌지요? 답변해주시면 감사하겠습니다.

A. 누전차단기가 Trip이 되는 이유는 여러 가지가 있습니다. 아래를 참고하여 Check 해 보세요.

1. 실제 누전일 경우 : 즉시 Trip이 되는 경우가 있고 간헐적으로 Trip이 될 경우도 있습니다. 즉시 Trip이 될 경우는 직접 접지가 된 것으로 Megger로 측정하면 알 수 있고 대부분 이 경우입니다. 이때의 절연저항은 7.33kΩ 이하입니다.(220V에 30mA 감도일 경우)

하지만 간헐적 Trip 할 경우에는 간헐적으로 기기 등이 동작 시 그 조건에 절연이 좋지 않아 그럴 수 있습니다. 이때는 Trip 될 때 무엇이 동작하려다 그랬는지를 알면 찾기 쉽습니다. 부하중에 간헐적으로 동작하는 것이 있는지 확인을 하면 됩니다.

2. 과전류일 경우 : 이때는 차단기 투입 후 과부하의 정도에 따라 시간이 경과한 후 Trip이 됩니다.

3. 단락일 경우 : 누전과 같이 즉시 Trip이 됩니다. Tester로 측정이 가능합니다.

4. ELB가 불량일 경우 : 다른 차단기로 부하를 옮겨 확인이 가능합니다.

5. 단자 접촉불량으로 발열이 심할 경우 : 사용 중에 Trip이 됩니다. 차단기 단자 조임을 확인하시고 차단기에서 열이 나는지를 확인해 보세요.

6. 정전용량에 의한 누설전류에 의한 경우 : Computer &정류기&인버터 등과 같은 전자기기를 많이 사용할 경우 발생합니다. 이때는 Megger로는 절연 측정이 불가하여 다른 차단기 회로에 연결하여 Test를 합니다.

Q. 무효전력. 코일(C) 때문에 발생한다고 알고 있는데요. 이때 이것을 보상할 콘덴서가 진상콘덴서가 맞나요? 그리고 L성분 때문에 생긴 무효전력을 지상콘덴서로 역률 보상하고요? 이 부분이 맞는지 잘 모르겠네요.

마지막으로 L성분과 C성분이 어떤 작용을 하나요? L성분은 자기장이 나온다고 하던데…. 너무 짧은 지식이니 좀 알려주세요.

A. 교류에서의 리액턴스는 R, L, C가 있습니다. 이것은 전류가 흐르는 것을 방해하는 저항입니다.

R은 교류&직류에서 똑같이 작용하고 L과 C는 교류에서만 주파수에 의하여 리액턴스가 변합니다. 하여 L과 C는 교류저항이라고도 합니다. R은 전류를 전압과 같은 위상으로 흐르게 합니다.

하지만 L은 COIL성분 리액턴스 XL은 2πfL로 주파수에 비례하며 전류가 전압보다 90。 늦는 지상전류가 흐릅니다. 그리고 C는 Condenser 성분 리액턴스 XC는 1/2πfC로 주파수에 비례하며 전류가 전압보다 90。 빠른 진상전류가 흐릅니다.

역률이란 전압과 전류가 같은 위상이어야 하는데 위상이 다르기 때문에 전류가 흘러도 일을 하지 못하는 무효전류가 흐르기 때문에 전류가 흐르는 것에 대한 실제 일하는 비율을 역률(力率)이라 합니다. 때문에 전류를 전압과 같이 위상이 같도록 하여 일하는 비율을 올려 주는 것을 역률개선이라 합니다.

Q. kWh, kW의 정확한 의미를 알고 싶습니다. 

A. 전력 kW : 전기를 사용하는(=기기) 힘의 크기.

전력량 kWh : 위의 기기에 대한 시간당 사용량.

조광기를 사용하는 100W 전구, 1개를 사용하는 조건으로 예를 들어 보겠습니다.

1) 조광기를 최대로 사용(100%)하고, 10시간 켜 놨을 때 전력(kW)은 0.1kW입니다.(100W의 전구를 100% 사용하는 겁니다.) 전력량(kWh)=0.1kW×10h=1kWh입니다.

2) 조광기를 반을 줄여서(50%), 10시간 켜 놨을 때 전력(kW)은 0.1kW×50%=0.05kW(전기 100W짜리를 50%의 크기만 사용) 전력량(kWh)=0.05kW×10h =0.5kWh입니다.

Q. 간선굵기를 선정했는데 제가 한 것이 맞는지 틀린 것인지 모르겠네요. 1개의 분전반에 전등부하가 10kW와 3상 전동기 부하 15kW를 같이 설치했습니다. 배전반과 분전반 사이의 거리는 30m입니다. 전압강하는 4.4V로 계산했습니다.

전등부하전류가 약 45.5A(I=10×1000/220)이고 전동기부하전류는 [I=15×1000/(√3×380)]식으로 약 23A가 나오네요. 그래서 전류 합이 약 68.5A로 약 69A라 하고 A=17.8×30×69/(1000×4.4)=8.37mm3 그래서 10mm3이 맞습니까? 아니면 A=30.8×30×69/(1000×4.4)=14.49mm3 그래서 16mm3가 맞는지 고수님들의 고견을 부탁합니다.

A. 전선의 길이가 짧을 때는 허용전류라 하고 길이가 길 경우에는 전압강하를 가지고 합니다. 허용전류로 할 경우 정격전류가 50A 이하에서는 1.25배, 50A 이상일 때는 1.1배로 구하고 전압강하 식에 의하여 결정할 때는 3상 4선식일 경우 17.8×LI/(1000×전압강하)로 선정을 합니다.

그런데 길고 짧은 것에 대한 기준이 없으므로 두 가지 방법으로 구하여 굵은 전선으로 선택하여 선정합니다. 따라서 3상 4선식의 공식에서 17.8과 3상 3선식의 공식에서 30.8은 계산에 있어서 상전압과 선전압의 차이로 그 값은 같아야 합니다.

그리고 전압강하의 전압은 3상 4선식은 상전압이어야 하고 3상 3선식은 선간전압이어야 합니다. 그 이유는 17.8/(선간전압/√3)=30.8/선간전압과 같기 때문입니다.

따라서 질문자의 계산한 공식에서 전등부하 10kW를 3상으로 나누어 전류를 구하여야 하고 그 전류를 Motor의 전류와 더해 주어야 합니다. 그러면 역률 무시하고 3상 전류값은 25kW/(380×√3)≒40A가 됩니다.

그리고 계산은 3상 3선식 30.8을 적용하고 선간의 전압강하를 적용하면 됩니다. 그런데 전압강하를 3상 3선식과 3상 4선식을 똑같이 4.4V로 적용하였네요. 하여 굵기가 다르게 나온 것입니다.

이렇게 계산한 전선의 굵기와 상기 계산한 40A 전류값을 1.25배로 구한 전선굵기과 비교하여 굵은 전선을 선정하면 됩니다.

Q. 면접을 보는데 발전기의 병렬조건에 대해 발표를 했습니다. 발표 후 질문은 받는 시간에 ‘위상이 뭐죠?’라는 질문에 순간적으로 저는 할 말을 잃었습니다. 저항은 전류와 전압이 동상 이런 거 말고 그냥 말 자체로 위상을 뭐라고 설명해야 할까요?

A. 위상차(Phase Difference, 位相差)란 : 한자어에서 가져온 단어입니다. 용어는 항상 뜻이 있습니다. 그 뜻은 ‘상 위치의 차이’라 합니다.

교류에서 전압이나 전류는 1Hz 360。의 전기각에서 각각 위치를 지키고 있습니다. 이것을 전기의 위상이라 합니다. 단상은 HOT상과 NEUTRAL상이 있고 3상에서는 R, S, T, N상이 있습니다.

단상은 HOT상과 NEUTRAL상이 각각 180。의 위치에 있고 3상은 R, S, T가 각각 120。 차이를 두고 있습니다. 이것이 R, S, T상이 갖는 위치, 즉 위상입니다. 따라서 서로 같은 서로 다른 전압이나 전류, 전압과 전류의 상 위치 차이를 ‘위상차’라 합니다.

Q. 전기초보가 질문 드립니다. 영 볼트와 - 차이를 알고 싶습니다. 그리고 RST 중에 R선을 N과 결선하면 R에서 N으로 흐르는 걸 알겠는데 R과 S를 결선하면 어디서 어떻게 흐르나요. 그리고 N은 영 볼트인가요?

A. N상에 대한 개념을 정확히 알아야 합니다.

N상이란 쉽게 말해서 R, S, T 3상이 있는데 이들의 위상각이 각각 120。이고 그래서 이들의 공통점인 N상에서는 전압이 평형을 이루기 때문에 N상에서는 N상과 대지 간의 전위차는 없습니다.(0볼트) 따라서 전류가 흐르지 않습니다.(누설전류가 있으면 흐르겠지요?)

따라서 N상은 대지 간의 전압이 없으므로 R상과 연결하면 당연히 R상에서 N상으로 흐르겠지요? 그래서 220V를 사용할 때 R상을 , N상으로 -로 부르고 있죠. (교류에서 , -라고 하면 이해하기 어렵습니다. 그냥 현장에서 이해하기 쉽도록 그렇게 호칭하고 있을 따름입니다.)

R상과 S상을 뽑아서 사용한다면(부하를 연결한다면) 380V가 되고 교류이기 때문에 매초 60회씩 번갈아 가면 R=>S, S=>R 이렇게 흐름이 바뀌겠지요? 직류라면 영구히 =>- 한 방향이겠고요.

Q. 유도기를 공부하면서 슬립에 관한 것이 나와서 슬립에 관한 공식들은 달달 외우는데 도대체 슬립이 무엇인지 궁금해서요. 슬립의 정의에 대해 알려 주세요? 

A. ‘Slip’은 말 그대로 ‘미끄러지는 것’입니다. 하여 동기속도에서 얼마나 미끄러지느냐 입니다.

이것은 부하가 걸리면 걸릴수록 회전자가 무거워져 회전을 방해하는데 Slip은 얼마나 회전을 방해하느냐와 같습니다. 즉 미끄러져 차이가 나는 정도를 SLIP이라고 합니다.

공식은 동기속도×(1-Slip/1)=회전속도입니다. 슬립은 회전을 방해하는 Motor Bearing이나 부하 등에 의하여 발생합니다.

Q. AC UPS와 DC UPS의 차이는 어떤 것이 있나요? 예를 들면, AC UPS는 AC-DC-AC의 변환 과정을 거친다는데 그렇다면 DC UPS는 어떤 과정을 거치는지 잘 모르겠습니다.

우리가 흔히 AC를 사용하고 축전지에다 충전해 놓았다가 정전되면 축전지에 있는 걸 끄집어내 AC로 변환해서 사용하는 게 AC UPS를 뜻하는 건가요? DC UPS를 뜻하는 건가요?  

A. UPS의 풀 스펠링은 Un-interrupted Power Supplyer입니다. 무정전 전원장치입니다. 안정된 전압으로 교류전원(한전측)을 정류장치를 거치게 하여 DC로 변환하여 축전지에 저장하였다가 정전 시, 극히 짧은 시간에 직/교류 변환장치(컨버터)를 거쳐서 교류로 변환시키죠.

즉, 평상시에는 교류>>>직류>>> 시스템과 정전압 조정장치(Regulator)를 거쳐서 교류를 사용하다가, 정전되면, 직류>>>컨버터>>>교류>>>정전압 조정장치(Regulator)로 거친 안정된 교류전원을 취하는 것입니다.

Q. 통신선 유도장해는 정전유도와 전자유도 작용으로 영향을 받는데 특히 3고조파가 문제 되는 이유는 무엇인가요? 

A. 고조파는 고조파의 차수에 비례해서 진폭이 작아지게 됩니다. 저차수의 고조파일수록 진폭이 커져서 큰 영향을 미치지요! 3고조파가 고조파 중에서 가장 진폭이 크기 때문에 가장 큰 영향을 미치게 됩니다.

그래서 통신선이든 전력선이든 3고조파의 영향이 가장 큰 것입니다. 5, 7, 9…, 50차 고조파까지를 일반적으로 고조파라고 하고 선로를 타고 영향을 미칩니다.

220[V], 60[Hz]의 상용주파 전원에 고주파가 유입 합성되어 고조파가 되었다고 할 때, 3차 고조파는 실효진폭이 약 220×(1/3)=73[V], 고조파 주파수 60×3=180[Hz]가 됩니다.

50차 고조파는 실효진폭이 약 220×(1/50)=4.4[V], 고조파 주파수 60×50=3000[Hz]가 되지요. 전원파형은 3고조파의 영향에 의해서는 파형이 심하게 왜곡이 돼서 거의 본래의 정현파 형태를 잃어버리게 되지요.

그렇지만 50고조파의 영향에 의해서는 전원의 파형이 왜곡되기는 하지만 본래의 정현파 형태를 유지하고 그냥 꼬불꼬불한 정현파가 되겠지요! 오실로 스코프상의 형상을 알기 쉽게 비유하면 마치 백열전구의 필라멘트의 모양처럼 됩니다.

그래서 3고조파가 고조파 중에서 가장 해로운 고조파가 되지요. 참고로 50고조파 이상의 고조파는 선로를 탈출하여 전파 노이즈 형태로 변할 수 있고 선로를 타고 이동하더라도 고조파보다는 노이즈(Noise) 형태로 작용하여 고조파로 해석하지 않습니다. 

<자료제공 : 카페-전기박사>