중성선(N상)

중성선(Neutral, N선)은 변압기 2차측 Y(스타)결선의 중성점(세 권선이 한 점에서 만나는 별점)에서 끌어낸 도체다. R·S·T 세 상선은 서로 위상이 120도씩 차이 나는 전압상(phase)이지만, N선은 위상을 갖지 않는 중성점의 연장선이다. 현장에서 'RSTN상'처럼 묶어 부르다 보니 'N상'이 통용될 뿐, 정확한 표기는 'N선' 또는 '중성선'이다.

중성선의 핵심 역할은 두 가지다. 첫째, 단상 전원 인출의 기준점이다. Y결선에서 상-N 사이로 상전압 220V(단상)를, 상-상 사이로 선간전압 380V(3상 동력)를 동시에 뽑을 수 있다. 선간전압과 상전압의 관계는 V(선간) = √3 × V(상) 이므로 380 ≈ √3 × 220 이 성립한다. 둘째, 부하전류의 귀로(돌아오는 길)다. 각 상에 걸린 단상부하의 불평형 전류가 N선을 통해 변압기 중성점으로 되돌아가 폐회로를 완성한다.

따라서 3상 평형 동력부하(모터 등)만 쓴다면 N선 없이 3상3선으로도 충분하지만, 상-N 220V 단상 조명·콘센트를 함께 쓰는 일반 수용가는 반드시 3상4선식 Y결선을 채택한다.

중성선과 접지선(보호도체, PE)은 변압기 중성점에서 같은 접지점을 공유하기 때문에 전위가 비슷하지만, 역할은 정반대다. 중성선(N)은 평상시 부하전류가 정상적으로 흐르는 '전류 통로(전력선)'이고, 접지선(PE)은 평소엔 전류가 흐르지 않다가 고장(누전·지락) 시에만 사고전류를 흘려 차단기를 동작시키고 인체를 보호하는 '안전선(보호도체)'이다.

변압기측에서 접지점을 공유하더라도(TN계통), 부하측 분기회로 이후에는 N과 PE를 반드시 분리(TN-S)해야 한다. 이를 한 선으로 합쳐 쓰면(TN-C식 사용) 평상시 부하 귀로전류가 접지선·기기 외함으로 흘러 감전·화재 위험이 생긴다. 더 치명적인 것은 누전차단기(ELB) 부동작이다. 누전차단기는 상선으로 나간 전류와 N선으로 돌아온 전류의 벡터합(영상전류)이 0이 아닐 때 누전으로 판단하는데, N과 PE를 혼용하면 정상 부하전류가 두 경로로 나뉘어 흘러도 합이 0으로 보여 실제 누전을 검출하지 못한다.

TN-C(N과 PE를 PEN 한 선으로 겸용)가 허용되는 것은 한전 다중접지 계통이나 변압기~인입 구간 등 특정 구간뿐이고, KEC상 수용가 내부 분기 이후는 TN-S로 분리 배선해야 한다.

중성선의 성격은 변압기 2차 중성점을 어떻게 접지하느냐에 따라 결정된다. 한국 저압 계통(380/220V)은 변압기 중성점을 직접접지하여 핫상-대지 전압을 상전압 220V로 고정한다. 참고로 440/254V 계통(선박 등)에서는 핫상-대지 전압이 254/127V가 된다.

접지방식별 특성은 1선 지락 시 거동으로 나뉜다. 직접접지(유효접지) 계통은 지락전류가 최대로 흘러 보호계전기가 확실히 동작하지만 건전상 전위상승은 작다. 비접지 계통은 반대로 지락전류가 작고 건전상 전위상승(√3배까지)이 최대가 되어 계속 운전은 가능하나 절연에 부담이 크다. 22.9kV 배전선로는 Y결선 3상4선식 다중접지 방식으로, 가공선로 위쪽 3선이 상선(R·S·T)이고 그 아래 별도 가설된 한 가닥이 중성선으로 여러 곳에서 반복 접지(다중접지)된다. 154kV 이상 송전계통도 Y결선 유효접지지만, 중성선을 함께 가선하지 않고 변압기 중성점만 접지한다.

KEC(2021 시행) 이후 계통접지는 TN(TN-C/TN-S/TN-C-S)·TT·IT 체계로 분류한다. 과거 '제1·2·3종 접지' 용어는 폐지되고 계통접지·보호접지·기기접지 체계로 바뀌었으므로, 현장에서 흔히 쓰는 '2종접지(중성점 접지)' 등은 구 기준 용어임에 유의해야 한다.

'3상이면 중성선 전류는 항상 0'이라는 말은 선형·평형 부하일 때만 성립하는 절반의 진실이다. 실제로는 두 가지 성분이 N선에 흐른다.

첫째, 부하불평형 전류다. 각 상에 걸린 단상부하의 크기가 다르면 그 차이만큼 N선으로 흐른다. 3상4선식에서 중성선 전류는 세 상전류의 벡터합과 같다: In = Ia + Ib + Ic (각 상의 위상 0°·120°·240°를 반영한 복소수 합). 단순 크기 합이 아니다. 단상부하만 있을 때 근사식은 In = √(Ir² + Is² + It² − IrIs − IsIt − ItIr) 로 산정한다. 한 상만 쓰면 그 상 전류가 그대로 N선에 흐른다.

둘째, 3배수(영상) 고조파다. 컴퓨터·LED·SMPS·인버터 같은 단상 비선형 부하는 3·9·15차 등 3배수 고조파를 발생시키는데, 이 영상분 고조파는 세 상에서 모두 동상(위상이 같음)이라 N선에서 산술합으로 더해진다. 그 결과 중성선 전류가 상전류보다 더 커지는 경우도 생긴다. 따라서 고조파가 심한 건물은 중성선을 상선과 동일 이상 굵기로 시공하거나, K-factor 변압기·영상고조파필터(지그재그결선 변압기)를 적용한다. 한편 5·7차 고조파는 역상·정상분이라 중성선에 누적되지 않으므로, '5고조파가 중성선에 모인다'는 말은 틀린 통념이다.

그래서 후크메타 실측값이 불평형 계산치보다 크게 나오면 고조파 성분을 의심해야 하며, 정확한 진단은 THD(고조파 왜형률) 측정 기능이 있는 전력분석기로 한다.

중성선 단선은 3상4선식에서 가장 위험한 고장이다. 정상 상태에서 단상부하들은 각 상과 N선 사이(220V)에 연결된다. 중성선이 끊기면 중성점 기준(0V)이 사라지고, 단선 지점 이후의 단상부하들이 서로 직렬로 연결된 폐회로를 이루게 된다.

여기서 직렬회로 양단에 '얼마의 전압이 인가되는가'는 그 부하들이 어느 상에 걸려 있는지에 따라 달라진다. 서로 다른 두 상에 걸린 단상부하(예: R-N 부하와 S-N 부하)가 직렬로 놓이면, 직렬회로 양단에는 그 두 상 사이의 선간전압(약 380V)이 인가된다. 반대로 같은 상에 걸린 부하끼리(예: R-N 부하 두 개) 직렬이 되는 경우엔 그 상의 상전압 220V가 인가된다. 즉 '항상 380V가 걸린다'는 것이 아니라, 직렬경로 양단에 걸리는 인가전압은 부하가 걸린 상의 조합으로 결정된다.

직렬회로에서 인가전압은 각 부하의 임피던스 비율대로 재분배된다. 따라서 임피던스가 큰(소비전력이 작은) 부하 쪽에 220V를 훨씬 넘는 과전압이 걸려 소손되고, 임피던스가 작은 쪽에는 저전압이 걸린다. 예컨대 서로 다른 두 상에 걸린 부하가 직렬이 되어 양단에 380V가 인가된 상태에서, 한쪽이 대기전력만 쓰는 에어컨 PCB나 냉장고처럼 임피던스가 크고 반대쪽이 큰 부하면, 작은 부하(고임피던스) 쪽이 과전압으로 타버린다. 주의할 점은 '두 부하에 220+220=440V가 걸린다'는 것은 틀린 통념이라는 것이다. 직렬회로 양단에 인가되는 전압은 (서로 다른 두 상 직렬일 때) 선간전압 380V이며, 이 380V가 임피던스 비율로 두 부하에 나뉘어 분배되는 것이다. 또 양쪽 상의 부하 임피던스가 비슷하면 단선되어도 각 부하에 190V 안팎으로 비교적 고르게 분배되어 큰 피해가 없을 수도 있다.

한전 인입측 1차 N선 접속불량(특히 알루미늄-동 이종금속 슬리브 접속부)도 같은 증상을 만든다. 중성점이 떠서 경부하 상에 과전압(220V 초과), 중부하 상에 저전압이 걸린다. 야간 경부하 시 전등이 평소보다 밝아지거나 누전차단기가 떨어지고 특정 구역 기기가 무더기로 타는 것이 전형적 증상이다. 이때는 전력분석기로 48시간 측정하고 한전에 N상 재접속을 요청한다. 특정 구역 기기 다수 소손, 일부는 멀쩡한 사고는 중성선 단선·접속불량을 1순위로 점검해야 한다.

중성선은 중성점이 접지되어 정상상태에서 대지전위가 0에 가깝지만 '안전하다'고 단정하면 안 된다. 부하전류가 흐르는 통전선이고, 접촉저항·불평형·접지불량 등으로 수 V~수십 V의 전위가 뜰 수 있으며, 단선 시에는 핫상 전압(220V)이 역으로 실릴 수 있다. 따라서 항상 활선으로 간주하고 정전·검전 후 절연장구를 착용하고 작업하는 것이 원칙이다.

핫상(L)과 중성선(N)이 바뀐 역결선도 위험하다. 단순 저항부하나 양극을 모두 개폐하는 회로는 대개 문제없지만, 조명회로처럼 한쪽(N)을 공통으로 쓰는 경우 스위치가 상선이 아닌 중성선을 끊게 되어, 스위치를 꺼도 등기구에 상전압이 살아있다. 이 때문에 '반불(미점등)'이나 작업 중 감전이 발생한다. L/N 극성을 지정한 정류기·SMPS 등은 오동작·소손될 수 있다. 조명 작업 전 스위치 OFF만 믿지 말고 반드시 검전기로 상선/중성선을 확인해야 한다.

중성선 사고의 대부분은 단자대 접촉불량 발열에서 시작된다. 중성선 간선이 부스바·단자대에 제대로 체결되지 않으면 접촉저항으로 발열→산화→탄화가 반복되며 결국 단선된다. 압착터미널을 거꾸로(등쪽) 압착하거나 누름피스 하나로만 물린 경우, 굵은 간선을 가는 단자에 무리하게 물린 경우가 흔한 원인이다. 압착터미널은 정방향(배쪽 압착)으로, 굵은 간선은 양측 조임 단자대로 시공하고, 정기점검 시 중성선 단자의 발열·변색을 열화상 카메라로 확인하는 것이 좋다.