계측용·보호용 변류기

왜 배우는가: 계측용과 보호용 변류기는 같은 CT 원리로 만들어지지만 요구 성능이 정반대여서, 용도를 잘못 고르면 계측 오차가 커지거나 고장 시 계전기가 오동작한다. 수변전설비 설계와 보호협조의 기본이라 1교시 용어와 4교시 비교 논술에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제114회 4교시 1번, 제92회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변류기(CT, Current Transformer)는 1차 대전류를 2차 소전류(5A 또는 1A)로 변성하여 계측기와 보호계전기에 안전하게 공급하는 기기이다. 답안 첫 줄에는 아래 정의 문장을 쓴다.

계측용 CT는 정격전류 부근의 비오차를, 보호용 CT는 과전류 영역의 포화특성을 중시하는 변류기이다.

핵심 키워드

• 계측용 CT
• 보호용 CT
• 비오차
• 위상오차
• 과전류 정수
• 과전류 강도
• 정확도 등급
• 포화특성

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 계측용 CT는 전기를 정확히 재는 것이 목적이고 보호용 CT는 사고 전류를 놓치지 않고 계전기에 전달하는 것이 목적이다. 두 CT는 같은 철심과 권선 구조를 가지지만 설계 우선순위가 다르다.

정식 정의에서 계측용 CT는 전류 측정 자체를 목적으로 하는 변류기이며 전류계, 전력계, 전력량계에 쓰인다. 보호용 CT는 고장전류를 검출하여 보호계전기를 동작시키는 것을 목적으로 하며 단락 및 지락 보호에 쓰인다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 비오차: 1차 전류와 2차 환산 전류의 크기 차이를 백분율로 나타낸 값이다. 계측용 CT 정확도 등급은 주로 이 값으로 정한다.
• 위상오차: 1차 전류와 2차 전류의 위상 차이다. 전력량 계측에서 특히 중요하다.
• 포화특성: 2차 전류가 일정 값을 넘으면 철심이 포화되어 2차 전류가 이상값에서 벗어나는 성질이다.
• 과전류 정수: 정격 전류의 몇 배까지 정확도를 유지하는지를 나타내는 값이며, 예를 들어 10배 같은 표기로 쓴다.

여자 전류 I_0가 커질수록 2차 전류 오차가 커지므로, 보호용 CT는 큰 고장전류에서도 철심이 포화되지 않도록 여자 임피던스 Z_0를 충분히 크게 설계한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통의 전압과 전류는 수 kA에서 수십 kA에 이르므로 계측기나 계전기에 직접 연결할 수 없다. CT는 전류를 낮추면서 계측기와 계전기를 1차 회로에서 절연시키는 역할을 한다. 따라서 2차 측 전류 규격을 5A 또는 1A로 표준화하여 계기와 계전기의 설계를 단순하게 만들었다.

계통이 커지고 보호 방식이 세분화되면서 한 개의 CT로 계측과 보호를 모두 만족시키기 어려워졌다. 정상 운전에서는 정확한 전력 측정이 필요하지만, 사고 시에는 계전기가 확실히 동작해야 한다. 이 두 요구가 상충하여 계측용과 보호용을 구분하는 방식이 정착되었다.

계측용 CT는 정격전류 부근에서 정확도 등급 이하의 비오차를 요구하는 경우가 많다. 보호용 CT는 정확도 등급을 5P처럼 표기하며, 이는 정격 정확도 한계 I1에서 복합 오차 한계가 5%임을 의미한다. 보호용 CT 고장전류 대응 능력은 IEC 61869-1과 IEEE C57.13 같은 표준에서 정한다.

국내에서는 계기용 변성기를 PT, GPT, CT, ZCT, MOF로 분류하며, 그중 CT는 계측용과 보호용으로 나눈다. 이 구분은 설계 단계에서 CT 사양을 정하는 기준이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

계측용·보호용 변류기는 같은 원리(전자기 유도)로 동작하지만 철심 재료, 권수비, 정격 부담, 정확도 기준이 다르게 설계된다. 구성요소는 1차 권선, 2차 권선, 철심, 절연물, 단자로 이루어진다. 1차 권선은 회로에 직렬로 연결되어 부하전류가 흐르고, 2차 권선은 계기나 계전기에 연결된다.

표의 구성요소는 두 용도에서 같은 이름을 쓰지만, 철심 설계 방향이 반대다. 계측용은 정격 근처의 오차를 줄이는 것이 목적이고, 보호용은 고장 전류가 흘러도 2차 출력이 계전기 동작에 필요한 크기를 유지하는 것이 목적이다.

원리: 1차 권선의 전류 I1과 권수 N1, 2차 권선의 전류 I2와 권수 N2 사이에는 기자력 평형이 성립한다. 이상적인 경우 N1·I1 = N2·I2 이다. 실제로는 여자 전류 I0가 흐르므로 2차 전류에 오차가 생긴다.

$I_2 = \frac{N_1}{N_2} I_1 - I_0$

여기서 I2는 2차 전류(A), N1·N2는 1차와 2차 권수, I1은 1차 전류(A), I0는 여자 전류(A)다. 비오차는 여자 전류가 작을수록 작아진다. 따라서 계측용은 여자 전류가 작은 철심을 쓰고, 보호용은 고장 전류 영역에서 철심이 포화되지 않는 설계를 쓴다.

다음은 보호용 CT가 고장 전류를 2차로 옮기는 절차다.

• 고장 전류가 1차 권선을 흐른다.
• 철심 자속이 증가하여 여자 전류가 커진다.
• 철심이 포화 영역에 들어가면 2차 전류가 이상값에서 벗어난다.
• 포화 전에 계전기가 필요한 전류를 받도록 정확도 한계 전류를 확보한다.
• 계전기는 2차 전류로 과전류 또는 지락을 판정한다.

보호용 CT는 고장 전류 영역에서 포화되지 않아야 계전기가 동작한다

계측용 CT의 절차는 정격 전류 부근에서 비오차와 위상오차를 측정하는 것으로 충분하다. 보호용 CT는 과전류 정수(ALF, Accuracy Limit Factor)를 기준으로 검정한다. 과전류 정수는 정확도 한계 1차 전류를 정격 1차 전류로 나눈 값이다.

$ALF = \frac{I_{alf}}{I_{1n}}$

여기서 Ialf는 정확도 한계 1차 전류(A), I1n은 정격 1차 전류(A)다. 예를 들어 5P20 CT는 정격 전류의 20배까지 복合 오차를 5% 이내로 유지한다는 뜻이다.

핵심어: 권수비, 여자 전류, 포화, 과전류 정수, 부담

5. 관련 법령·기준·표준

변류기의 정확도와 시험 기준은 국제표준과 국가표준으로 정해진다. 국내 수변전 설비에서는 한국전기설비규정(KEC)이 설계 요구를 정하고, 기기 시험은 IEC 61869-1 계열을 따르는 것이 일반적이다. 미국 계열은 IEEE C57.13 이 쓰인다.

계측용 CT 등급은 비오차와 위상오차를 함께 정한다. 전력량계용은 0.2 이상의 등급을 쓴다. 보호용 등급 표기는 첫 숫자가 복합오차 허용치(%), P가 보호용 표시, 뒤 숫자가 정격 전류 배수(정확도 한계 계수)다. 계측용 CT는 과전류 영역의 포화를 허용하지 않아야 계측기가 손상되지 않으므로, 고장 시에도 출력이 계측기 범위에 머물도록 설계한다.

과전류 정수 기준은 보호 계전 시스템의 정정 근거다. 계전기 정정 시 CT의 ALF가 계통 고장 전류 배수보다 커야 한다. 개정 연혁으로는 IEC 60044-1 이 IEC 61869-1 로 대체되었다.

정격 전류에서 비오차 1% 0.5등급 비오차 0.5% 이하 보호용 5P 등급 복합오차 5%

핵심어: 정확도 등급, 비오차, 복합오차, 정확도 한계 계수, IEC 61869-1

6. 유형과 비교

변류기는 용도에 따라 계측용과 보호용으로 나뉜다. 두 용도는 같은 1차 대전류를 2차 소전류로 변성하지만, 요구되는 성능의 우선순위가 다르다. 계측용은 정격 전류 부근에서의 비오차가 중요하고, 보호용은 고장 전류 영역에서의 포화 특성이 중요하다. 이 차이가 권선비, 철심 재질, 정격 부담, 등급 표기 방식 전체를 결정한다.