변류기 과전류정수·과전류강도

왜 배우는가: 변류기는 계통 전류를 계측·보호 계전기에 안전하게 전달하는 핵심 기기이며, 고장 시 큰 전류가 흘러도 2차 측 정확도를 유지하는 능력이 보호 협조의 성패를 좌우한다. 과전류정수와 과전류강도는 보호계전기용 변류기 선정 문제에서 거의 매회 반복되어 출제된다.

출제 이력: 제131회 2교시 4번, 제116회 2교시 2번, 제89회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변류기 과전류정수는 정격 1차 전류의 배수 중 비오차가 규정 한도(보통 ±10%)를 넘지 않는 최대 배수이다

핵심 키워드

• 과전류정수(Accuracy Limit Factor, ALF)
• 정격 과전류정수와 과전류정수 선정
• 포화특성과 비오차
• 정격 내전류와 정격부담
• 기계적 과전류강도와 열적 과전류강도
• 무릎점 전압(Knee Point Voltage)
• 감극성 표준과 극성 표시

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변류기는 큰 전류를 작은 전류로 줄여 계전기에 넘기는 기기다. 사고 때는 전류가 정격의 수십 배로 커지는데, 이때 철심이 포화하면 2차 전류가 1차 전류 비율을 따라가지 못한다. 그 한계를 보여 주는 값이 과전류정수다.

정식 정의는 다음과 같다. 과전류정수는 정격 1차 전류에 대한 한계 1차 전류(IPL)의 비이며, 정격부담 하에서 2차 전류 비오차가 규정 값 이내로 유지되는 최대 배수를 뜻한다. 보호계전기용 변류기는 사고 시 과전류 영역에서 정확도를 보증하는 것이 목적이므로, 계측용과 달리 과전류 영역의 비오차를 기준으로 규정한다.

비오차는 공칭 변류비와 참 변류비의 차이를 백분율로 나타낸 값이다. 철심이 포화하면 2차 출력이 정격보다 작아져 비오차가 음(-)의 방향으로 커진다. 예를 들어 비오차가 -0.5%라면 2차 전압과 전류가 정격값보다 0.5% 작다는 뜻이다.

정격 내전류는 변류기가 연속으로 흘릴 수 있는 1차 전류의 한도이며, 1차 정격전류의 1.25~1.5배 수준으로 선정하는 것이 바람직하다. 2차 정격전류는 통상 5A를 표준으로 쓴다.

과전류강도는 사고 전류로 인해 변류기가 손상되지 않고 견디는 능력을 말한다. 열적 강도(단시간 열전류)와 기계적 강도(전자력에 대한 내력)로 나뉜다. 과전류강도는 권선과 절연의 열 한계, 그리고 도체 배치에 따른 전자력 한계로 결정된다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통의 단락 용량이 커지면서 사고 전류는 정격 전류의 수십 배까지 올라간다. 이때 일반 계측용 변류기를 쓰면 철심이 빨리 포화하여 계전기가 사고 전류를 정확히 보지 못하게 된다. 보호 협조가 무너지면 사고 구간이 넓어지고 정전 범위가 커진다.

따라서 보호계전기용 변류기는 계측용과 구분하여, 사고 전류 영역의 정확도를 보증하는 과전류정수 규격을 쓴다. 미국식 ANSI 표기는 C200처럼 2차 단자전압으로 나타내고, IEC 체계는 과전류 한계 배수와 비오차 등급으로 나타낸다. 국내에서는 KEC와 한국전력 기준에 맞춰 두 체계를 함께 이해해야 한다.

또 변류기 2차 회로가 개방되면 철심이 과여자되어 고전압이 생기므로, 과전류정수 선정과 함께 2차 개방 방지가 설계상 필요하다. 이 점은 기계적·열적 강도와 함께 안전 측면의 배경이 된다.