계기용 변류기 정격

왜 배우는가: 계기용 변류기 정격은 보호계전기와 계측기가 고장 전류와 정상 전류를 정확히 받아들이는지를 정하는 기준이다. 정격부담과 과전류정수 해석이 틀리면 포화로 계전기가 오동작하거나 차단이 늦어지므로 실무 설계와 시험에서 반복해 다뤄진다. 기술사 시험에서는 정격 용어 정의와 상호 관계를 묻는 문제로 자주 출제된다.

출제 이력: 제125회 3교시 2번, 제99회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

계기용 변류기 정격은 1차 전류를 2차 전류로 변환할 때 규정된 오차 범위를 유지하는 최대 조건을 정격 전류·정격 부담·과전류 정수 등으로 나타낸 값이다.

핵심 키워드

• 계기용 변류기(CT): 대전류를 계측·보호용 소전류로 변환하는 직렬 접속 기기.
• 정격 1차 전류: 최대 부하전류의 1.25~1.5배로 선정하는 1차측 기준 전류.
• 정격 2차 전류: 표준 5A(1A 병용)의 2차측 기준 전류.
• 정격 부담(Burden): 규정 오차를 유지하는 2차 부하의 피상전력[VA].
• 과전류 정수(ALF): 정격 1차 전류의 몇 배까지 오차를 보증하는지 나타내는 값.
• 포화 특성: 철심 포화로 2차 전류가 1차 전류에 비례하지 않게 되는 현상.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 변류기는 큰 전류를 작은 전류로 줄여 계기와 계전기에 넘겨주는 장치다. 전선을 직접 계기에 연결할 수 없으므로 변류기를 쓴다. 변류기는 회로에 직렬로 접속하며 2차측을 개방하면 고전압이 생겨 위험하므로 2차측은 반드시 단락 상태를 유지한다.

정식 정의는 다음과 같다. 계기용 변류기는 1차 권선에 흐르는 전류를 변류비에 따라 2차 권선의 전류로 변환하며, 이때 규정 오차 범위를 보증하는 조건을 정격으로 정한다. 정격에는 CT 계급, 최고전압, 정격 1차·2차 전류, 정격 부담, 정격 내전류, 과전류 정수 등이 포함된다.

극성은 1차 전류의 방향과 2차 전류의 방향 관계를 나타낸다. 우리나라는 감극성을 표준으로 사용하며, 1차측 유입 단자 K와 2차측 유출 단자 k에 극성 기호를 표시한다.

정격 1차 전류는 최대 부하전류보다 여유를 두어 선정한다. 1차 정격 전류는 최대 부하전류의 1.25~1.5배가 바람직하다. 이 여유는 과부하와 증설을 고려한 값이다.

정격 2차 전류는 통상 5A가 표준이고 1A도 사용한다. 2차측에 접속되는 계기와 계전기의 정격 전류를 함께 고려해 정한다. 영상 변류기는 1차 표준 정격 전류 100~200A이고 정격 영상 1차 전류는 200mA, 정격 영상 2차 전류는 1.5mA이다.

정격 부담은 2차 정격 전류가 부하 임피던스에 흐를 때 규정 오차를 유지할 수 있는 피상전력이다. 표준 정격 부담은 5, 10, 15, 20, 25, 40, 60VA다. 부담은 2차 정격 전류의 제곱에 부하 임피던스를 곱한 값으로 계산한다.

과전류 정수는 사고 시 큰 1차 전류가 흘러도 2차 전류가 과도하게 줄지 않도록 과전류 영역의 비오차를 보증하는 기준이다. 정격 1차 전류의 몇 배까지 규정 오차를 유지하는지를 나타낸다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 계통의 전류 규모가 커지면서 계기와 보호장치를 직접 접속하기 어려워졌다. 전선 굵기와 설치 공간 문제가 생기고, 고압 회로에 직접 계기를 연결하면 안전 문제도 생긴다. 이 때문에 전류를 낮추어 계측하는 변류기가 필요해졌다.

보호계전기가 등장하면서 변류기의 역할은 계측에서 보호로 넓어졌다. 계통 사고 시에는 정상 전류의 수십 배 전류가 흐르므로 변류기가 포화하지 않아야 계전기가 정확히 동작한다. 그래서 정상 운전 영역의 정확도뿐 아니라 과전류 영역의 정확도를 따로 정하는 과전류 정수 개념이 필요해졌다.

또한 변류기 2차 부하가 늘면 부담이 커져 오차가 증가한다. 2차 부하는 케이블 저항, 계기, 계전기가 합쳐진 값이다. 장거리 케이블로 연결하면 케이블 저항 때문에 부담이 커지므로, 부담 관리가 설계의 핵심 과제가 되었다.

1.25~1.5배는 1차 정격 전류 선정의 기준이다. 이 기준은 최대 부하전류와 여유율을 함께 고려한다.

국내 전기설비 기준에서는 변류기 정격 선정을 전기설비기준과 설계 기준에 따라 수행한다. 설계 실무에서는 보호계전기 정정값과 변류기 정격을 함께 검토한다.

4. 구성요소·원리·절차

계기용 변류기(CT)는 1차 대전류를 2차 소전류(통상 5A 또는 1A)로 변환하여 계기와 계전기에 공급하는 장치다. 1차 권선, 철심, 2차 권선의 세 요소로 구성된다. 1차 권선은 회로에 직렬로 접속되고, 2차 권선에는 계기·계전기·케이블 등 부담이 연결된다.

변류기의 원리는 전자유도 작용이다. 1차 전류 I_1과 2차 전류 I_2의 관계는 다음과 같다.

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

여기서 N_1은 1차 권수, N_2는 2차 권수, I_1은 1차 전류(A), I_2는 2차 전류(A)다. 실제 변류기는 여자 전류 때문에 이상적 비율에서 오차가 생긴다. 비오차는 공칭 변류비와 참 변류비의 차이로 정의한다.

극성은 1차 전류와 2차 전류의 방향 관계를 나타낸다. 우리나라는 감극성을 표준으로 사용한다. 감극성에서는 1차 유입 단자를 K, 2차 유출 단자를 k로 표시한다.

변류기 설치 절차는 다음과 같다.

• 계통의 최대 부하전류를 구하고 1차 정격전류를 최대 부하전류의 1.25~1.5배로 선정한다.
• 2차 정격전류를 5A(또는 1A)로 정하고 계기·계전기의 정격에 맞춘다.
• 2차 회로 부담을 계산하여 정격부담 이내인지 확인한다.
• 계전기 동작 전류 범위의 과전류 영역을 고려하여 과전류 정수를 선정한다.
• 결선 방식(가동 접속 또는 차동 접속)과 극성을 확인하고 설치한다.

부담을 계산하는 식은 다음과 같다.

$$ P = I_{2n}^{2} \times Z_b $$

여기서 P는 부담(VA), I_{2n}은 2차 정격전류(A), Z_b는 2차 회로 총 임피던스(Ω)다. 2차 정격전류가 5A이고 총 임피던스가 1Ω이면 P = 5^2 \times 1 = 25 VA가 된다. 이 값이 정격부담 25VA 이하이면 규정 오차를 유지한다.

부담이 정격부담을 넘으면 포화와 오차가 커져 계전기가 오동작할 수 있다.

지락 검출용 영상변류기(ZCT)는 3상 도체를 한꺼번에 관통하여 영상 전류만 검출한다. 정상 상태에서는 3상 합이 0이므로 2차 출력이 없고, 지락 시에만 영상 전류가 나타난다.

5. 관련 법령·기준·표준

계기용 변류기의 기준은 전기설비 관련 기술기준과 KS·IEC 규격으로 정해진다. 국내 설계에서는 한국전기설비규정(KEC)을 기준으로 적용한다. 오차계급과 부담 등급은 IEC 61869-1 체계를 따르며, 국내에서는 KS C 1731(계기용 변성기) 계열이 널리 쓰인다.

IEC 체계의 부담 등급은 1.5VA부터 60VA까지 세분된다. ANSI 체계는 B-0.1부터 B-4.0까지의 부담 표기를 쓴다.

이 표의 수치는 KEC와 KS 규격의 개정에 따라 바뀔 수 있으므로 설계 시 최신 판을 기준으로 삼는다. 2026년 기준 KEC가 적용된다.