제3고조파가 중성선 전류를 키우는 이유는?

핵심 답변

3상 4선식에서 세 상의 기본파(60 Hz) 전류는 서로 120°씩 어긋나 있어 부하가 같으면 중성선에서 상쇄됩니다. 그런데 제3고조파는 주파수가 기본파의 3배라서 120°의 3배인 360°만큼 어긋나, 결국 세 상이 같은 위상이 되어 중성선에서 그대로 더해집니다. 그래서 LED 조명·컴퓨터·UPS처럼 제3고조파가 많은 단상 전자기기가 몰린 회로는 세 상 부하가 고르게 나뉘어 있어도 중성선 전류가 상전류보다 커질 수 있습니다. KEC는 3배수 고조파가 많은 회로의 중성선을 선도체 이상으로 굵게 하고, 아주 많으면 중성선 전류를 기준으로 굵기를 정하도록 합니다.

원리 이해

세 상 전류를 각각 기본파와 고조파로 나눠 보면, 기본파·5차·7차 성분은 상마다 위상이 달라 평형이면 중성선에서 합이 0이 됩니다. 반면 3·9·15차처럼 3의 배수 차수는 세 상이 같은 방향으로 움직이므로 더해집니다. 제조사 기술자료는 세 상이 평형일 때 중성선 전류가 상전류에 포함된 제3고조파의 약 3배가 된다고 설명합니다^[1]. 같은 원리로 상전류의 제3고조파가 기본파의 45%라면 중성선 전류는 기본파의 약 1.35배(3 × 45%)가 됩니다^[2].

간단한 예로, 세 상 모두 기본파 100 A에 제3고조파 30 A(30%)가 섞인 평형 회로라면 상전류 실효값은 √(100² + 30²) ≈ 104 A로 기본파와 큰 차이가 없지만, 중성선에는 3 × 30 = 약 90 A가 흐릅니다. 9차·15차 같은 다른 3배수 고조파가 있으면 중성선 전류는 더 커집니다. 제3고조파 함유율이 33%를 넘으면 중성선 전류가 기본파 전류보다 커져 상전류와 비슷해지거나 더 커집니다.

이런 전류는 일반 클램프미터로 상전류만 볼 때는 드러나지 않고, 중성선을 따로 재거나 고조파를 측정해야 보입니다. 중성선은 보통 과전류 차단기가 없거나 선도체 기준으로만 보호되므로, 중성선이 과열돼도 차단기가 떨어지지 않을 수 있습니다.

고조파 함유율과 KEC 기준

KEC 231.3.2는 3배수 고조파 함유율이 15~33%인 3상 회로의 중성선을 선도체 이상으로 하고, 33%를 넘으면 중성선 굵기를 늘려 설계하도록 정합니다. 212.4.1 주석 4는 영상분 고조파가 지속되면 중성선 전류를 설계전류로 보도록 합니다^[3].

현장에서 확인할 점

중성선 전류 직접 측정 — 상전류가 정격 안이어도 중성선 전류를 따로 재 봅니다. 상전류보다 크면 고조파 영향을 의심합니다.

고조파 측정 — 전력품질 계측기로 상별 전류의 3차 고조파 함유율과 전류 THD를 확인합니다.

중성선 접속부 점검 — 중성선 단자의 변색·조임 상태를 정기적으로 확인합니다. 중성선이 끊어지면 상전압이 크게 흔들려 기기가 손상될 수 있습니다.

확인 순서

1. 관리자 회로에 연결된 부하 중 LED 조명·컴퓨터·UPS·인버터 같은 전자기기의 비중을 정리합니다.
2. 자격자 분전반에서 상전류와 중성선 전류를 함께 재고, 중성선 전류가 상전류와 비슷하거나 크면 고조파를 측정합니다.
3. 자격자 3배수 고조파 함유율이 15%를 넘으면 중성선 굵기가 선도체 이상인지, 33%를 넘으면 중성선 기준 설계가 됐는지 확인합니다.
4. 관리자 필요하면 중성선 보강이나 고조파 저감 대책을 검토합니다.

하지 말아야 할 것

• 상전류가 정격 안이라고 중성선 과열 가능성을 배제하지 마세요.
• 중성선을 선도체보다 가늘게 하거나 여러 회로가 하나의 중성선을 같이 쓰게 하지 마세요.
• 운전 중인 회로의 중성선 단자를 풀어 점검하지 마세요.

관련 기준과 근거

• 평형 시 중성선 전류 ≈ 제3고조파 × 3 — 제조사 기술자료^[1], 함유율에 따른 중성선 전류 예 — 전력품질 응용 가이드^[2]
• KEC 212.4.1 주석 4, 231.3.2 중성선의 단면적, 232.5.4 통전도체 수^[3]

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