발전기 3상 단락시 DC 성분이 나타나는 이유

발전기 회전자는 여자기에서 공급되는 직류에 의해서 자속을 만들어 공극을 지나 전기자권선과 쇄교할 정도로 큰 에너지를 가지고 있다. 발전기 설계사는 회전자 길이와 권선량, 공극등을 Tradeoff로 해서 원하는 용량을 설계하게 된다. 근본적으로 회전자는 많은 권선으로 되어 있어서, 대규모 인덕터로 간주하면 되며, 아래 사진은 대용량 계자권선을 볼 수 있는 발전기입니다.  

발전기가 3상 평형상태에서 발전기 단자에 돌발단락이 발생하면 터미널 단자의 임피던스는 사라지게 됩니다. 단시간 과전류에 고정자권선은 견딜 수 있도록 대부분 설계에 반영되는데, ANSI C50.13에는 전기자전류 226%에 10초간 견딜 수 있도록 규정하고 있다. 발전기를 구매할 때는 가능한 국제 규격을 많이 포함해야만 사후에 문제가 되었을 때 분쟁에서 유리한 위치에 있을 수 있습니다. 또한 돌발단락에 대한 내력은 NEMA MG 1의 경우 정격전압의 1.05배에 30초 이상 견딜 수 있도록 규정하고 있습니다.

발전기가 단락이 되면 아래 그림과 같이 DC성분이 나타나는데, 기본적으로 A, B, C상의 전압값이 다르기 때문에 고장시 발생하는 직류성분도 고장상황에 따라 달라지며, 전압 파형이 Peak 순간을 지나는 경우, 전류성분은 영이되어 DC 성분은 나타나지 않습니다. 자연계에 저장된 에너지는 연속성이라는 것이 속성인데, 즉 순간적으로 변하지 않는 속성입니다. 순식간에 물 한잔을 비우는 것과 같은데, 아무리 빨리 부어도 "0"인 순간에 컵에 물이 가득 찬 상태에서 비어있는 상태가 될 수는 없습니다. 마찬가지로 인덕터에서 자기장이 순식간에 변할 수 없는데 이를 continuity of inductor=inductor inertia라고( 사라지거나 나타날 수 없습니다)합니다. 여기서 자기장과 전류는 거의 동일시하면 됩니다.  아래의 예에서 보듯이 전류가 순간적으로 변하면 자연계 법칙에 위배되기 때문에, 전류가 순간적으로 변하지 않도록 유지하기 위해 렌쯔법칙에 따른 전압이 생긴다고 하는 것입니다. 결국 고장시에 공극에 자속이 고장전류에 더해져서 DC성분으로 나타나는 겁니다. 그리고 직류분은 회로의 R, L에 의해 나타나며 시정수 L/R로 지속적으로 감소합니다.

■ 전류가 순식간에 변할 때 현상

만약 전원과 스위치, 인덕터가 직렬로 연결된 회로에서, 스위치를 개방하면 전류가 600mA에서 0mA로 변한다고 가정하면 V=-L di/dt 렌쯔의 법칙에서 

인덕터에 걸리는 전압은 V=L*(0-600mA)/0 = 무한대

이와 같이 무한대 전압이 되어야 한다는 이상한 논리로 결론이 되어 집니다.

회전자가 인덕터이기 때문에