표피효과(Skin Effect)와 응용

현재 제 업무를 같이 하시던 세명의 선배가 계셨었는데, 그 분중에 한분이 막 이 고장분석업무 일을 맡은 저에게 본인 대신 전동기 강의를 가서 다녀 오라고 해서, 강의 파일을 받아서 보니 전동기에 대한 심화이론과 고장사례가 포함되어 있는 내용인데, 그 내용중에 전동기 회전자 구조에 대한 부분을 보다 표피효과라는 말이 나오는 것을 보고 약간 놀랐는데요. 표피효과는 송전선로 도체에서 발생하는 현상이라는 것이 뇌리에 박혀있다보니, 이 일을 겪으면서 내 지식이 많이 짧구나라는

생각과 모든 전기기기에서 동일하게 나타나는 현상을 이해해야만 지식의 폭이 넓어지겠구나라는 것을 느끼게 했던 표피효과라, 오랫만에 다시보니 감회가 새로워 쓸데없는 내용을 좀 적어봅니다.    

도체에 교류전류가 흐르게 되면 자속이 발생하고, 이 자속은 AC 전류 파형에 따라 반주기동안은 0에서 최대가 되고, 0으로 된 후 다시 음의 반주기동안 동일하게 반복됩니다. 도체와 쇄교하는 변화하는 자기력선은, 도체에서 정상전류의 흐름을 방해하는 방향으로 도체에 전압을 유기하게 되는데, 도체 중심부일수록 그 전류가 만드는 전자속과 쇄교하는 수가 많아서 인덕턴스가 커지기 때문입니다. 이러한 효과는 전선 표면에 가까워질수록 적어지므로 전류가 중심부에는 잘 흐르지 않고 표면에 집중하여 흐르려는 경향을 표피효과라고 하며, 전선이 굵을수록 도자율 및 투자율이 클수록 주파수가 높을수록 커집니다.

■ 표피효과 감소 방법

이러한 도체에서 표피효과를 감소시키기 위해 우리가 알고 있는 ACSR전선이 대표적으로 사용되는 건데, 아래 그림에서 보시는 것 처럼 작은 소선을(stranded)을 다수 사용하여, 오른쪽 단일도체(solid)와 동일한 효과를 내면서, 표피효과를 피해가는 방법입니다.

동기발전기, 변압기에서는 표피효과 현상을 줄이기 위해 권선을 stranded로 하면서 Transposition을 하는 방식을 취하고 있는데요, Transposition이란 아래와 같이 권선의 위치를 바꾸어서 위치해 놓은 것을 말합니다.

■ 표피효과 응용한 전동기 회전자 구조

이층농형(Two cages rotor) 회전자는 아래 그림 b)처럼 두 층의 권선을 가지는데, 바깥측(Top Cage Bar) 권선은 높은 저항을 가진 재료(황동, brass)을 사용하며, 내측권선은(Bottom  cage Bar)는 구리와 같은 낮은 저항을 가진 권선(Bar)을 사용합니다. 기동시에 와전류에 의한 회전자전류는 표피효과에 의해 높은 저항을 가진 Top Cage Bar로 주로 흘려(기동시 회전자에 유도된 주파수는 슬립이 1이므로 고정자권선 주파수와 동일한 값이 되며, 전부하시에는 슬립이 매우 작으므로 회전자 주파수는 10Hz이하가 되어) 기동전류를 작게하고, 기동토크를 크게 하며, 전부하시는 슬립이 작아 저항이 작은 상태의 전동기 운전이 가능하게 됩니다.