변류기 정격 검토

왜 배우는가: 변류기(CT)는 고압 전류를 계측기와 보호계전기가 받을 수 있는 소전류로 바꾸는 장치이며, 고장 시 보호계전기가 정확히 동작하려면 과전류 영역에서의 오차 특성을 알아야 한다. 그래서 변류기 정격 검토 문제는 단락전류와 차단기 동작시간을 주고 과전류강도·과전류정수·부담을 계산하는 형태로 반복 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 3번, 제134회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변류기 정격 검토는 계통의 최대 단락전류와 보호 동작시간에 맞추어 변류비, 정격부담, 과전류강도(정격 과전류강도)를 확인하는 작업이다.

핵심 키워드

• 변류기(CT, Current Transformer)
• 변류비
• 정격부담(Rated Burden)
• 과전류강도(Rated Short-time Current)
• 과전류정수(Accuracy Limit Factor, ALF)
• 포화특성(Saturation Characteristic)
• 비오차(Ratio Error)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변류기는 큰 전류를 작은 전류로 줄여 주는 기기다. 배전반의 전류계, 전력계, 보호계전기, 차단기 트립코일에 전류 신호를 준다. 회로에 직렬로 접속하며, 2차 측을 개방하면 고전압이 생기므로 2차 측은 항상 부하에 접속되어 있어야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 변류기는 1차 전류를 정격 변류비에 따라 2차 전류로 변환하는 계기용 변성기다. 계측용과 보호용으로 구분하며, 보호용은 고장 전류 영역에서 오차가 허용 범위 안에 있어야 한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

변류비는 1차 정격전류와 2차 정격전류의 비다. 예를 들어 50/5A는 1차 50A가 흐를 때 2차 5A가 나오는 변류기다. 한국에서 2차 정격전류는 통상 5A가 표준이다.

정격부담은 2차 정격전류가 부하 임피던스에 흐를 때 규정된 오차 범위를 유지할 수 있는 피상전력(VA)이다. 표준 정격부담은 5, 10, 15, 20, 25, 40, 60VA이다.

과전류강도는 변류기가 열적·기계적으로 견딜 수 있는 단락전류의 크기를 정격 1차 전류의 배수로 나타낸 값이다. 열적 과전류강도는 통상 1초 동안 견디는 전류로 규정한다.

과전류정수는 과전류 영역에서 비오차를 보증하는 배수다. 정격 1차 전류의 몇 배까지 규정된 비오차(예: 10%) 이내를 유지하는지를 나타낸다. 보호용 변류기에서 특히 중요하다.

비오차는 공칭 변류비와 실제 변류비의 차이를 백분율로 나타낸 값이다. 1차 전류가 커지면 철심이 포화하여 2차 전류가 실제보다 작아지고, 그 결과 비오차가 음(-)의 방향으로 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

고압·특고압 계통에서 1차 전류를 직접 계기에 넣을 수 없다. 전류가 크면 전선이 굵어져 계기 부착이 어렵고 위험하다. 그래서 변류기로 전류를 낮추어 계측과 보호에 공용한다.

보호 측면의 필요성은 고장 시 확실히 드러난다. 단락 고장이 나면 1차 전류는 정격의 수십 배가 될 수 있다. 이때 철심이 포화하면 2차 전류가 실제 고장전류를 반영하지 못해 보호계전기가 늦게 동작하거나 동작하지 않는다. 보호용 변류기는 정상 전류 정확도보다 고장 전류 영역의 오차 보증이 선정의 핵심이다.

따라서 변류기 정격 검토는 다음 세 가지를 확인하는 절차다. 첫째, 정격 1차 전류가 최대 부하전류에 맞는가. 둘째, 최대 단락전류에 대해 과전류강도와 과전류정수가 충분한가. 셋째, 2차 측 부하(케이블·계전기·계기)가 정격부담 안에 있는가. 세 항목 중 하나라도 부족하면 변류기가 포화하여 보호 실패로 이어진다.

시험에서는 단락전류, 차단기 동작시간, 변류비가 주어진다. 이때 과전류강도는 차단기 동작시간 기준으로 열적 조건을 환산해 검토한다. 이 검토 방식을 이해하면 1교시 용어형 문제와 4교시 논술형 문제를 같은 틀로 풀 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

변류기(CT)는 1차 대전류를 2차 소전류로 변환하는 계기용 변성기다. 구성요소는 1차 권선, 철심(코어), 2차 권선, 절연물, 단자로 나뉜다. 보호계전용은 대전류 영역에서도 철심이 포화되지 않도록 설계된다.

표에서 보듯 철심이 전류 변환의 중심이다. 철심의 자화 특성이 곧 과전류 영역의 오차를 정한다. 따라서 보호용 변류기는 철심의 포화 개시점을 높게 잡는다.

원리는 다음과 같다. 1차 기자력 N_1 I_1과 2차 기자력 N_2 I_2의 차가 철심을 자화하는 여자 기자력이 된다. 이를 식으로 나타내면 아래와 같다.

$N_1 I_1 = N_2 I_2 + N_2 I_e$

여기서 N_1, N_2는 1차·2차 권수, I_1, I_2는 1차·2차 전류, I_e는 여자전류(A)다. 여자전류가 작을수록 비오차가 작다. 1차 전류가 커져 철심이 포화되면 I_e가 급증하고 I_2가 실제 비율보다 작아진다.

과전류 영역의 비오차는 철심 포화 때문에 생긴다

변류비는 1차 정격전류와 2차 정격전류의 비이며, 2차 정격전류는 통상 5A를 쓴다. 1차 정격전류는 최대 부하전류의 1.25~1.5배로 선정하는 것이 바람직하다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 최대 부하전류를 구하고 1차 정격전류를 1.25~1.5배 범위에서 정한다.
• 2차 정격전류(5A 표준)를 정하고 변류비를 결정한다.
• 계통의 최대 단락전류를 구해 과전류 정수와 과전류강도를 정한다.
• 2차 회로의 부담(케이블·계기·계전기)을 계산해 정격부담을 선정한다.
• 포화특성과 과전류 영역 비오차가 요구 오차 내인지 검토한다.
• 계측용과 보호용을 분리할지 겸용할지 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

변류기는 KS와 국제표준 체계를 따른다. 국내 설계는 한국전기설비규정(KEC)의 계기용 변성기 기준과 한국전력 공급 규정을 함께 참고한다. 국제표준은 IEC 61869-2(변류기 추가 요구사항)와 IEEE C57.13(ANSI) 체계가 널리 쓰인다. 구 IEC 60044-1은 IEC 61869-1로 대체되었다.

보호계전용 변류기의 대표 기준값은 다음과 같다.

표의 값 중 IEC 5P 계급과 ANSI 10% 기준은 널리 쓰이는 값이다. 계측용 FS는 계측기 보호를 위해 작게 잡는다.

개정 연혁으로는 IEC 60044-1이 IEC 61869-1·61869-2 체계로 대체된 점이 중요하다. 국내에서는 KEC 시행 이후 계기용 변성기 기준이 KEC 체계로 정리되었다.

6. 유형과 비교

변류기는 설치 목적, 절연 방식, 계측·보호 용도에 따라 여러 형식으로 나뉜다. 답안에서는 계기용 변류기와 보호계전기용 변류기를 먼저 구분하고, 보호용은 오차 표기 방식(IEC·ANSI)에 따라 다시 나눈다.