변류기 과전류 정수 및 비오차

왜 배우는가: 변류기(CT)는 대전류를 계측기·보호계전기가 다룰 수 있는 소전류로 바꾸는 장치이며, 과전류 영역에서 비오차가 얼마나 유지되는지가 보호계전기의 동작 신뢰도를 좌우한다. 기술사 시험에서는 과전류정수·비오차·합성오차의 정의와 계산, 계측용과 보호용 CT의 차이를 묻는 문항이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제137회 1교시 5번, 제124회 2교시 6번, 제123회 1교시 12번, 제108회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변류기(CT)는 1차 대전류를 정격 2차 전류(일반적으로 5A 또는 1A)로 변환하여 계측기와 보호계전기에 공급하는 변성기이며, 과전류정수와 비오차로 대전류 영역의 정확도를 나타낸다.

• 변류기(CT, Current Transformer)
• 과전류정수(Accuracy Limit Factor, ALF)
• 비오차(Ratio Error)
• 합성오차(Composite Error)
• 정격부담(Rated Burden)
• 무릎전압(Knee Point Voltage)
• 포화곡선(Saturation Curve)

2. 개념 풀이

변류기는 큰 전류를 작은 전류로 줄여 주는 장치이다. 전류가 큰 회로에 전선을 직접 연결해 계기를 달면 전선이 굵어지고 작업이 위험해진다. 그래서 회로에 직렬로 CT를 넣고, 2차 쪽에서 5A급 전류를 읽는다. 이때 2차 전류는 1차 전류를 변류비로 나눈 값으로 흐른다.

정식으로는 변류기를 1차 권선 수와 2차 권선 수의 역비로 전류를 변환하는 계기용 변성기라고 정의한다. 변류비는 공칭 변류비(예: 100/5)로 표시하지만, 실제 변류비는 권선과 여자전류 때문에 이 값과 조금 다르다. 이 차이가 바로 비오차(Ratio Error)이다. 비오차는 공칭 변류비와 실제 변류비의 차이를 백분율로 나타낸 값이다.

비오차 \varepsilon 은 다음과 같이 정의한다.

$\varepsilon = \frac{K_n I_2 - I_1}{I_1}\times 100\,[\%]$

여기서 K_n은 공칭 변류비, I_1은 1차 전류(A), I_2는 2차 전류(A)이다.

위상오차(Phase Error)는 1차 전류와 2차 전류의 위상이 정확히 180°가 되지 않는 차이다. 비오차와 위상오차는 모두 여자전류가 커질수록 증가한다. 두 오차를 함께 고려한 값이 합성오차(Composite Error)이며, IEC 규격에서 이 개념을 다룬다.

보호계전기용 CT는 사고 때 큰 전류를 받는다. 이때 철심이 포화되면 2차 전류가 1차 전류에 비례해 증가하지 않는다. 따라서 과전류 영역에서 오차를 보증하기 위해 과전류정수(ALF)를 쓴다. 과전류정수는 정격 1차 전류에 대한 정확도 한계 전류의 배수로, 정격부담에서 합성오차가 규정값(보통 5%)을 넘지 않는 최대 1차 전류의 배수이다. 예를 들어 과전류정수 20이면 정격 전류의 20배까지 오차 규정을 만족한다는 뜻이다.

여기서 무릎전압(Knee Point Voltage)도 함께 알아야 한다. 포화 직전 2차 전압이 10% 증가할 때 2차 여자전류가 50% 증가하는 점의 전압이다. 무릎전압이 높은 CT를 쓰면 큰 고장전류에서도 보호계전기가 확실히 동작한다.

3. 등장 배경과 필요성

송배전 계통의 전압과 전류가 커지면서 계기를 직접 연결하기 어려워졌다. 이 때문에 전류와 전압을 저압·소전류로 변환하는 계기용 변성기가 필요해졌다. 전류를 변환하는 것이 CT이고, 전압을 변환하는 것이 계기용 변압기(PT)이다.