보호용 변류기 정격

왜 배우는가: 보호용 변류기(CT)의 정격은 계전기가 고장전류를 정확히 검출하고 동작할 수 있는지를 결정한다. 정격을 잘못 잡으면 과전류 영역에서 포화되어 계전기가 오동작하거나 동작하지 않으므로 보호 협조 전체가 흔들린다. 그래서 기술사 시험에서 정격 표기의 의미와 선정 기준이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제129회 2교시 2번, 제110회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

보호용 변류기 정격은 고장 시 과전류를 오차 범위 안에서 2차로 전달하도록 정한 부담·정확도 등급·과전류 정수의 조합이다.

핵심 키워드

• 보호용 변류기(CT)
• 정격부담(Rated Burden)
• 오차계급(Accuracy Class)
• 과전류 정수(Accuracy Limit Factor, ALF)
• 무릎점 전압(Knee Point Voltage)
• 포화(Saturation)
• 극성(Polarity)
• 정격 1차 전류

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 보호용 변류기는 고장 때 큰 전류가 흘러도 계전기에 그 전류를 줄여서 정확히 전달하는 장치다. 계량용 변류기는 평소 부하 전류를 정밀하게 재는 것이 목적이지만, 보호용은 고장 전류가 정격의 수십 배가 되어도 2차 출력이 찌그러지지 않는 것이 목적이다.

정식 정의는 다음과 같다. 보호용 변류기 정격은 1차 정격전류, 2차 정격전류, 정격부담, 정확도 등급, 과전류 정수로 이루어진 성능 규격이다. 이 값들로 고장 시 허용 오차 범위가 정해진다.

정격부담은 2차 정격전류가 부하 임피던스에 흐를 때 규정 오차를 유지할 수 있는 피상전력이다. 2차 회로에 접속된 케이블, 계기, 계전기의 임피던스 합으로 결정된다. 표준 정격부담은 5, 10, 15, 20, 25, 40, 60VA다.

오차계급은 정격 전류 부근에서 허용되는 비오차를 나타낸다. 보호용은 'P' 계급을 쓰며, 예를 들어 5P20의 5는 허용 복합오차가 5%임을 뜻한다. 20은 정격 1차 전류의 20배에서 이 오차가 유지된다는 뜻이다. 이 20배 값이 과전류 정수다.

과전류 정수는 정격 1차 전류의 몇 배까지 오차 한계를 지키는지를 나타내는 배수다. 값이 클수록 고장 전류가 커도 포화 없이 정확히 전달한다. 과전류 정수는 정격부담과 함께 정해진다.

무릎점 전압은 2차 전압을 올렸을 때 여자 전류가 급증하기 시작하는 전압이다. 이 전압 이하에서는 CT가 선형으로 동작하고, 이 전압을 넘으면 포화가 시작된다. 보호 계전용 CT는 무릎점 전압을 기준으로 선정한다.

극성은 1차 전류와 2차 전류의 방향 관계다. 우리나라는 감극성을 표준으로 쓰며, 1차 유입 단자 K와 2차 유출 단자 k에 극성 기호를 표시한다.

1차 정격전류는 최대 부하전류의 1.25~1.5배로 잡는 것이 바람직하다. 2차 정격전류는 통상 5A가 표준이다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통에서 고장 전류는 부하 전류의 수 배에서 수십 배에 이른다. 계전기는 이 고장 전류를 보고 판단해야 하는데, 일반 계기용 CT는 과전류 영역에서 빨리 포화되어 2차 전류가 실제보다 작게 나온다. 그 결과 계전기가 고장을 놓치거나 동작이 늦어진다.

이 문제를 해결하려고 보호용 CT의 규격이 따로 생겼다. 과전류 영역에서도 정확도를 보증하도록 과전류 정수와 정격부담을 명시하는 방식이다. 국내에서는 IEC 방식과 ANSI 방식이 함께 쓰이므로, 두 표기를 구분하는 것이 필요하다.

ANSI 표기는 C와 T로 나타낸다. C는 누설 자속이 적은 관통형(부싱형), T는 권선형을 뜻한다. C200은 정격 2차 전류의 20배 과전류에서 오차가 ±10% 이내인 2차 단자전압이 200V라는 의미다.

모선 보호에서는 CT 포화가 특히 중요하다. 선로 수가 많으면 고장 전류가 한 CT로 몰려 포화될 수 있으므로, 최대 고장 전류가 과전류 정수 이하인지 확인해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

보호용 변류기(Protective Current Transformer)는 계통 고장 시 큰 전류가 흘러도 계전기가 정확히 동작하도록 과전류 정수와 정격부담을 갖춘다. 1차 전류를 2차 전류로 축소하는 구성은 철심, 1차 권선, 2차 권선, 부담으로 이루어진다.

CT의 원리는 1차 암페어턴과 2차 암페어턴이 같다는 것이다. 여자 전류가 작을수록 비오차가 작고, 2차 부담이 커지면 철심이 포화되어 고장 전류가 축소되지 않는다. 따라서 고장 시 최대 전류가 과전류 정수 범위 안에 들어와야 한다.

선정 절차는 다음과 같다.

• 1차 정격전류를 최대 부하전류의 1.25~1.5배로 정한다.
• 2차 정격전류(5A 또는 1A)를 계전기 정격에 맞춘다.
• 최대 고장전류를 구하고 과전류 정수(n)를 정한다.
• 2차 부담을 계산하여 정격부담(VA) 이하인지 확인한다.
• 정격 2차 전류의 n배에서 허용 오차 이내인지 검토한다.

과전류 정수 계산식은 다음과 같다.

$n = \frac{I_{\text{pn}}\text{(최대 고장전류, A)}}{I_{\text{1n}}\text{(1차 정격전류, A)}}$

2차 부담 피상전력은 $S = I_{2n}^2 \times Z_b$ 로 구한다. I_{2n}은 2차 정격전류(A), Z_b는 부담 임피던스(Ω)다.

위 식은 과전류 정수 n과 정격부담이 서로 연결된다는 점을 보여 준다. 부담이 커지면 허용 가능한 과전류 정수가 줄어든다.

다음 도식은 CT 선정의 흐름을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

보호용 변류기의 기준은 주로 국제규격 IEC 61869-2와 미국 기준 ANSI C57.13에서 정한다. 국내에서는 한국전력의 배전 설계기준과 전기설비 설계 관행을 함께 쓴다. 기준값은 아래 표로 정리한다.

극성은 감극성을 표준으로 쓴다. 1차 유입 단자 K와 2차 유출 단자 k에 극성 기호를 표시한다. 영상 변류기는 1차 표준 정격전류를 100~200A로 쓰고, 정격 영상 2차 전류는 1.5mA로 본다. 3차 권선 CT는 2차 Y결선과 3차 델타결선으로 지락 전류를 검출하며 변류비를 100/5A로 두는 것이 일반적이다.

개정 연혁은 KEC(한국전기설비규정)의 적용 이후 전기설비 기준을 현행으로 쓰며, 옛 판단기준은 대체되었다.

6. 유형과 비교

보호용 변류기는 사용 목적과 정확도 유지 범위에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 계측용 CT와 보호용 CT는 같은 변류기라도 요구 성능이 다르다. 계측용은 정격 전류 부근의 비오차를 작게 유지하는 것이 목적이고, 보호용은 사고 시 큰 전류에서도 포화되지 않고 계전기가 정확히 동작할 수 있도록 과전류 영역의 성능을 보장하는 것이 목적이다.

계측용 CT와 보호용 CT 비교

계측용은 고장 시 계측기를 보호하기 위해 FS 값이 작아야 하고, 보호용은 과전류 영역에서 오차가 작아야 한다. 그래서 두 용도를 한 대로 겸용하면 과전류 영역에서 포화 여부를 반드시 검토해야 한다.