변류기 이상현상

왜 배우는가: 변류기 이상현상은 보호계전기 오동작과 작업자 감전·설비 손상으로 직결되어 실무에서 가장 먼저 점검하는 항목이다. 시험에서도 포화, 직류분, 2차 개로가 반복 출제되므로 원리와 수치를 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제129회 1교시 6번, 제109회 4교시 5번, 제90회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변류기 이상현상은 1차 전류가 정상 범위를 벗어나거나 2차 회로 상태가 비정상일 때 CT의 철심 포화와 과전압, 오차 증가로 보호·계측 기능이 손상되는 현상이다.

핵심 키워드

• 변류기(CT, Current Transformer)
• 포화(Saturation)
• 직류분(DC offset)
• 2차 개로(Open circuit of secondary)
• 비오차(Ratio error)
• 과전류정수(Accuracy limit factor)
• 무릅점전압(Knee point voltage)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 변류기는 큰 전류를 작은 전류로 바꿔 계전기와 계측기에 넘겨주는 장치다. 1차 전류를 2차로 축소해 전달하는데, 이 변환이 정확히 유지되어야 보호가 제대로 된다.

정식으로는 CT의 2차 전류가 1차 전류에 변류비를 곱한 값과 일치하는 상태를 정상으로 본다. 철심이 자속을 전달하는 매체이므로, 철심이 포화되거나 2차 회로가 끊기면 이 비례 관계가 깨진다. 이때 나타나는 전반적 현상을 CT 이상현상이라 부른다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 포화는 철심의 자속밀도가 한계에 도달해 1차 전류가 늘어도 2차 전류가 증가하지 않는 상태다. 직류분은 고장 초기에 나타나는 지수 감쇠 직류 성분으로, 철심을 한쪽 방향으로 편자화시킨다. 2차 개로는 2차 단자가 부하 없이 끊긴 상태로, 2차측이 사실상 무한 임피던스가 되어 고전압을 만든다.

부담 30VA 이하처럼 부담은 이상현상 해석의 기본 조건이다. 비오차는 공칭 변류비와 실제 변류비의 차이를 백분율로 나타낸 값이다.

비오차 \varepsilon는 다음과 같다.

$\varepsilon = \frac{K_n - K}{K} \times 100\,[\%]$

여기서 K_n은 공칭 변류비, K는 실제 변류비다.

위상오차는 1차와 2차 전류의 위상차가 180°에서 벗어나는 정도다. 비오차와 위상오차를 함께 고려한 값을 합성오차라 한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통 용량이 커지면서 고장전류 크기도 함께 커졌다. 보호계전기는 고장 순간의 큰 전류를 정확히 측정해야 하는데, CT가 포화하면 2차 전류가 실제보다 작아져 계전기가 고장을 놓치거나 늦게 동작한다.

또한 고장 초기 직류분이 포함된 비대칭 전류가 흐르면 철심이 한쪽으로 편자화되어 포화가 더 빨리 일어난다. 이 때문에 CT 선정 시 과전류정수와 무릅점전압을 확인하는 절차가 필요해졌다.

2차 개로 사고는 작업 중 2차 단자를 분리하는 과정에서 자주 발생한다. 2차 전압이 수 kV에 이를 수 있어 절연 파괴와 감전 사고로 이어지므로, 설계와 운전 양쪽에서 예방 대책이 요구된다.