인버터도 정전기도 아닌데 축전압이 나옵니다

기계 자체가 완벽히 대칭이 아니기 때문입니다. 인버터도 정전기도 아닌 세 번째 원인이고, 인버터가 나오기 훨씬 전부터 대형 발전기와 전동기에서 알려져 있던 현상입니다.

저항을 넣어도 안 떨어진다면

인버터가 없는 설비에서 축전압이 나오면 원인은 크게 둘입니다. 접지 회로에 저항을 넣어 보는 방법으로 가릅니다.

저항을 넣었을 때	원인
전압이 뚝 떨어진다	정전기
전압이 거의 그대로	자기적 비대칭 (이 글)

정전기는 전하가 쌓여서 생기므로 조금만 흘려보내도 전압이 서지 못합니다. 반면 자기적으로 유도된 전압은 기계가 돌아가는 내내 계속 만들어집니다. 저항을 넣어도 전원이 계속 밀어 주니 값이 잘 안 떨어집니다.

축을 감는 자속이 생깁니다

이상적인 전동기라면 회전자 둘레의 자기 회로가 완전히 대칭이어서, 축을 한 바퀴 감는 자속의 합이 0이 됩니다. 실제 기계는 그렇지 않습니다.

합이 0이 되지 않으면 축을 감는 자속이 남고, 이 자속이 변하면서 축 양 끝 사이에 전압을 유도합니다. 그 전압이 이런 고리를 돌립니다.

축 → 한쪽 베어링 → 프레임 → 반대쪽 베어링 → 축

고리 모양이 인버터가 만드는 고주파 순환전류와 같습니다. 다만 원인과 주파수가 다릅니다. 인버터 쪽은 공통 모드 전류가 프레임을 타면서 생기는 수십 kHz~MHz 현상이고, 이쪽은 기계의 자기 회로에서 상용 주파수 대역으로 생깁니다. 인버터를 떼어내도 남습니다.

무엇이 대칭을 깨뜨리나

• 고정자 철심의 이음매 — 큰 기계는 철심을 조각으로 나눠 조립합니다. 이음매마다 자기적 성질이 조금씩 다릅니다
• 공극의 편심 — 회전자 중심이 고정자 중심과 어긋난 상태입니다. 위치가 고정된 정적 편심과, 회전하면서 공극이 계속 변하는 동적 편심이 있습니다
• 휜 축과 조립 오차
• 권선 불평형·층간 단락 같은 전기적 결함
• 축의 잔류 자기 — 아래에서 따로 봅니다

여기서 중요한 것은 대부분이 제조·조립·정비 단계에서 결정된다는 점입니다. 운전 조건을 바꿔서 없앨 수 있는 성질이 아닙니다. 그리고 편심이나 권선 결함은 축전압으로 드러나기 전에 이미 다른 문제이기도 합니다 — 축전압이 진단의 실마리가 되는 경우입니다.

⚠ 자분탐상 뒤 탈자를 빠뜨렸다면

현장에서 가장 실질적인 대목입니다. 정비 이력이 원인이 되는 경우가 있습니다.

축이나 용접부에 균열이 있는지 보는 자분탐상검사라는 비파괴검사가 있습니다. 자기장을 걸고 그 위에 고운 철가루를 뿌리면, 균열이 있는 자리에서 자속이 새어 나와 가루가 모입니다. 그것을 보고 균열을 찾아냅니다. 즉 검사를 하려면 축을 자화시켜야 합니다.

그래서 검사가 끝나면 탈자를 해야 합니다. 이 과정이 빠지거나 불충분하면 축에 잔류 자기가 남고, 그 자기가 축을 감는 자속을 만들어 축전압으로 이어집니다.

터보기계 쪽 문헌은 잔류 자기가 3가우스를 넘으면 탈자를 시행하라고 권합니다. 특히 축전류 손상이 이미 발생한 뒤에는 반드시 탈자를 거치라고 덧붙입니다. 손상 자체가 자화를 더 키우기 때문입니다.

그래서 베어링을 갈아 끼웠는데 같은 일이 반복된다면, 최근 정비 이력에 자분탐상이 있었는지 확인해 보실 만합니다.

접지만으로 안 되는 경우가 있습니다

대책은 원인에 따라 갈립니다. 저희가 축 접지 장치를 다루지만, 이 경우는 접지로 해결되지 않는 상황이 있습니다.

원인	대책
구조적 비대칭(이음매·편심)	한쪽 베어링 절연 + 반대쪽 축 접지
축의 잔류 자기	탈자 — 접지만으로는 부족
편심·권선 결함이 심한 경우	정비·교정이 먼저

터보기계 문헌은 잔류 자기에서 오는 전자기 축전류에 대해 「탈자가 신뢰할 만한 유일한 해법이며 접지만으로는 충분하지 않다」고 못 박습니다. 자기가 남아 있는 한 전압이 계속 만들어지기 때문입니다.

반대로 구조적 비대칭은 없앨 수 없으므로 전류가 베어링을 지나지 못하게 하는 쪽으로 갑니다. 한쪽 베어링을 절연해 고리를 끊고 반대쪽에 축 접지 장치를 두는 구성입니다. 순환전류를 다루는 방식과 같습니다.

어느 쪽이든 먼저 재 봐야 합니다. 축전압 크기와 저항 삽입 시 변화, 그리고 축의 잔류 자기를 함께 보면 원인이 좁혀집니다.

※ 자기적 비대칭의 원인 분류는 회전기 축전압·베어링 전류를 다룬 학술 문헌을, 잔류 자기와 탈자 관련 내용은 터빈·압축기 로터의 전자기 축전류를 다룬 터보기계 분야 자료를 참고했습니다. 3가우스 기준은 해당 자료의 권고값이며 설비와 상황에 따라 판단이 달라집니다.