변류기 C등급

왜 배우는가: 변류기 정격 표기(C200, C100 등)는 보호계전기의 정확도와 포화 여부를 판단하는 기본이다. 2차 부담 임피던스에 맞춰 규격을 고르는 문제는 실무 설계와 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 1교시 4번, 제123회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: ANSI 변류기 규격 C○○○은 정격 2차 전류의 20배 과전류에서 오차 ±10% 이내를 유지하는 2차 단자전압 ○○V를 뜻하는 표기다.

키워드

• ANSI C 등급
• 2차 단자전압
• 정격 2차 전류(5A)
• 과전류 정수(K)
• 표준 부담(burden)
• 2차 임피던스
• 무릎전압(Knee Point Voltage)
• 포화

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, C 등급은 "큰 고장전류가 흘러도 보호계전기에 정확한 신호를 줄 수 있는 변류기인지"를 나타내는 표기다. 숫자는 그 능력의 크기다.

정식 정의는 다음과 같다. ANSI/IEEE 표기에서 C는 관통형(부싱형) 변류기를 뜻하고, T는 권선형을 뜻한다. C 뒤 숫자는 표준 부담 조건에서 정격 2차 전류의 20배 과전류가 흐를 때 비오차가 ±10%를 넘지 않는 2차 단자전압이다. 예를 들어 C200은 이 조건에서 2차 단자전압이 200V인 변류기다. 이때 표준 부담은 2Ω, 정격 부담은 50VA로 본다.

핵심 용어를 풀어 쓴다. 정격 2차 전류는 보통 5A다. 과전류 정수는 정격 1차 전류 대비 오차 한도를 유지하는 최대 1차 전류의 배수다. 과전류 정수가 20이면 정격 전류의 20배까지 오차를 보증한다는 뜻이다. 무릎전압은 2차 전압을 높일 때 여자전류가 급격히 늘어나는 점의 전압이다. 보호용 CT의 성능을 가르는 기준이 된다.

관계식으로 정리하면 다음과 같다. 정격 2차 전압은 V_{s}=I_{2n}\times K\times Z_{b} 로 근사한다. 여기서 V_{s}는 2차 단자전압(V), I_{2n}은 정격 2차 전류(A), K는 과전류 정수, Z_{b}는 2차 부담 임피던스(Ω)다. 이 식은 부담이 커지면 필요한 단자전압이 비례해서 커진다는 점을 보여 준다.

3. 등장 배경과 필요성

보호계전기는 고장 시 큰 전류를 정확히 받아야 동작한다. 계기용 CT는 정상 부하 범위에서 정밀도가 중요하지만, 보호용 CT는 고장 전류가 정격의 수십 배까지 흐르는 조건에서도 2차 신호가 왜곡되지 않아야 한다. 이 요구를 수치로 표현한 것이 ANSI C 등급이다.

계통 전압이 높아지고 고장 전류가 커지면서 CT의 포화 문제가 실무에서 자주 나타났다. 포화된 CT는 2차 파형이 찌그러져 거리계전기나 과전류계전기의 오동작을 일으킨다. 그래서 설계 단계에서 2차 부담과 과전류 정수를 같이 확인해 포화를 피하는 절차가 필요해졌다. 이러한 이유로 C 등급 선정 문제는 보호계전 설계의 기본 문항으로 남아 있다.

국제적으로는 IEC 61869-1(구 IEC 60044-1)과 IEEE C57.13 표기가 함께 쓰인다. 국내 설계에서는 두 체계의 차이를 이해하고, 문항이 ANSI 기준을 묻는지 IEC 기준을 묻는지 구분해서 답해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

변류기(Current Transformer, CT)는 1차 대전류를 2차 소전류로 변환해 계측기와 보호계전기에 공급한다. ANSI 규격의 C등급은 2차 측 부담을 고려해 과전류 영역에서 오차를 보증하는 성능을 나타낸다. 구성요소와 동작 원리를 먼저 이해해야 C등급의 의미를 답안에 정확히 쓸 수 있다.

1차 권선과 2차 권선, 그리고 철심이 기본 구성이다. 1차 권선은 계통 전류가 흐르는 도체이며 턴수가 적다. 2차 권선은 계전기와 계기가 연결되는 권선이며 턴수가 많다. 철심은 자속을 전달하며 포화 특성이 오차를 좌우한다.

표 아래 설명: 1차 권선과 2차 권선의 턴비가 전류비를 결정한다. 2차 부담이 커지면 철심 자속 요구량이 늘고, 포화 시점이 낮아져 오차가 커진다.

변류비는 1차 정격전류와 2차 정격전류의 비로 정한다. 변류기의 기본 관계식은 다음과 같다.

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

여기서 I_1은 1차 전류[A], I_2는 2차 전류[A], N_1·N_2는 1차·2차 권선 턴수다.

극성은 1차 전류 방향과 2차 전류 방향의 관계를 나타낸다. 우리나라는 감극성을 표준으로 쓴다. 1차 유입 단자(K), 2차 유출 단자(k)에 극성 기호를 표시한다.

과전류 정수(Accuracy limit factor, ALF)는 정격 1차전류 대비 오차 한도를 보증하는 최대 1차전류 배수다. ANSI에서 C200의 과전류 영역은 2차 정격전류의 20배다.

절차: 변류기 선정 절차는 다음과 같다.

• 계통 최대부하전류와 고장전류를 구한다.
• 1차 정격전류를 최대부하전류의 1.25~1.5배로 정한다.
• 2차 측 부담(계전기·케이블 임피던스)을 계산한다.
• 부담에서 필요한 2차 단자전압을 구한다.
• 단자전압이 C등급 값 이상인지 확인하고 등급을 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

변류기 규격은 국제 표준과 국내 기준이 함께 쓰인다. 국내 계통 설계는 한국전기설비규정(KEC)과 한국전력 설계 기준을 따른다. ANSI/IEEE C57.13은 북미 기준으로 C등급과 T등급을 정한다. IEC 61869-1은 국제 기준으로 정격부담과 오차 등급을 정한다.

C200은 2차 정격전류의 20배에서 2차 단자전압 200V 기준이다. 이 값은 표준부담 2Ω과 정격부담 50VA 조건에서 성립한다.

표 아래 설명: ANSI는 단자전압으로 등급을 표시하고, IEC는 복합 오차로 표시한다. 두 기준을 비교할 때 표시 방식이 다름을 먼저 밝힌다.

개정 연혁: IEC 60044-1이 IEC 61869-1로 대체되었다. 국내 기준은 KEC 시행(2021-01-01) 이후 변류기 설계 기준이 바뀌었다.

정격 1차전류는 최대 부하전류의 1.25~1.5배 로 정한다.

6. 유형과 비교

변류기는 설계 기준과 용도에 따라 여러 방식으로 나뉜다. 가장 기본이 되는 구분은 계측용(계기용 변류기)과 보호용(보호계전용 변류기)이다. 계측용은 정상 부하 범위에서 정확도가 중요하고, 보호용은 고장 전류가 흘러 과전류 영역에서도 2차 출력이 살아 있어야 한다. 두 용도를 같은 CT 한 대로 겸용하려면 과전류 영역의 포화 여부를 반드시 검토해야 한다.

위 표처럼 계측용은 정격 부하 근처의 비오차를, 보호용은 과전류 영역에서의 포화 한계를 중심으로 본다. 한전은 계측용과 보호용을 겸용하지 않고 분리 적용한다는 점을 함께 기억한다.