CT 철심 포화

왜 배우는가: 변류기(CT)는 보호계전기에 전류 신호를 전달하는 핵심 기기이며, CT 철심이 포화하면 2차 전류가 왜곡되어 계전기가 오동작하거나 동작하지 않을 수 있다. 실무에서 고장 전류가 큰 계통과 직류분이 섞인 고장 전류에서 반복적으로 문제가 되므로 시험에서도 자주 출제된다.

출제 이력: 제136회 4교시 2번, 제108회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

CT 철심 포화는 1차 전류가 커지거나 직류분이 포함될 때 변류기 철심의 자속이 포화 영역에 들어가 2차 전류가 1차 전류에 비례하지 않게 되는 현상이다.

• 계기용 변류기(CT)
• 철심 포화(Core Saturation)
• 잔류자기(Residual Magnetism)
• 비오차(Ratio Error)
• 위상각 오차(Phase Angle Error)
• 과전류정수(Accuracy Limit Factor)
• 부담(Burden)
• 무릎점 전압(Knee Point Voltage)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 CT는 큰 전류를 작은 전류로 줄여 계기나 계전기에 넘기는 변압기다. 철심이 자속을 실어 나르는데, 철심이 자속을 더 이상 담지 못하는 상태가 되면 1차 전류가 늘어도 2차 전류가 따라가지 못한다. 이 상태가 철심 포화다.

정식으로는 CT의 자속 밀도 B가 철심 재료의 포화 자속 밀도 Bs에 가까워져, 1차 기자력에 대응하는 2차 전류가 변류비에 따른 값에서 벗어나는 현상을 말한다. 포화 전에는 여자전류가 작아 2차 전류가 I_S = I_P / K_T 에 가깝게 유지된다. 포화가 시작되면 여자전류가 급격히 커져 오차가 커진다.

철심이 포화하는 이유는 철심 재료의 B-H 곡선이 어느 점 이후 기울기가 급격히 작아지기 때문이다. 이 점을 무릎점(Knee Point)이라 하며, 무릎점 부근에서 CT는 포화 경계에 놓인다. 보호용 CT는 고장 전류가 커도 정확해야 하므로 무릎점 전압이 높은 재료와 구조를 쓴다.

직류분이 있으면 자속이 한쪽 방향으로 치우쳐 쌓인다. 교류 자속의 피크에 직류 자속이 더해져 포화가 더 빨리 일어난다. 고장 초기 과도 구간에서 직류 성분이 크게 나타나므로 이 현상이 특히 문제가 된다.

각 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 비오차: 공칭 변류비와 실제 변류비의 차이를 백분율로 나타낸 값이다.
• 위상각 오차: 1차 전류와 역상 2차 전류 사이의 위상 차이다.
• 과전류정수: 정격 전류의 배수 중 오차가 허용값 이내로 유지되는 최대 배수다.
• 잔류자기: 포화 후 철심에 남은 자속이다. 제거되지 않으면 다음 고장에서 포화를 더 쉽게 만든다.

3. 등장 배경과 필요성

계통 용량이 커지면서 고장 전류 크기가 정격 전류의 수십 배에 이르게 되었다. 이때 CT가 포화하지 않으면 계전기는 실제 고장 전류를 정확히 보지 못한다. 따라서 보호계전 설계에서는 포화 여부를 미리 확인하는 것이 필수가 되었다.

과거에는 전자형 계전기가 많이 쓰였고 부담이 커도 큰 문제가 드러나지 않았다. 디지털 계전기는 동작 기준이 정밀해지면서 작은 오차도 판단에 영향을 준다. 그래서 CT의 포화 특성을 정확히 파악하는 것이 더 중요해졌다.

직류분이 섞인 고장 전류는 과도기에 나타나므로 정상 상태 계산만으로는 찾기 어렵다. 과도 포화를 고려하지 않으면 차동계전기나 거리계전기의 오동작 원인을 찾기 어렵다. 따라서 CT 포화는 보호 신뢰도를 좌우하는 기초 개념이다.

또한 CT 2차 측 부담이 커지면 포화 시점이 앞당겨진다. 계기와 계전기, 제어 케이블의 임피던스가 합쳐져 부담을 만들기 때문에 배선 길이와 굵기도 함께 고려해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

CT(변류기)는 1차 도체에 흐르는 대전류를 2차측 소전류로 변환하는 변압기다. 1차측은 계통 전류가 그대로 흐르고, 2차측은 계전기와 계측기가 부담(부담, burden)으로 연결된다. 철심 포화는 철심의 자속밀도가 포화점을 넘어 자속이 더 늘지 않는 현상이며, 이때 CT는 1차 전류를 정확히 따라가지 못한다.

표는 CT 각 구성요소가 포화에 미치는 영향을 보인다. 부담과 철심 자속밀도의 관계가 가장 중요하다.

원리는 다음과 같다. 2차 권선에 유기되는 전압은 E_2 = 4.44\,f\,N_2\,\phi_m 으로 주어진다. 여기서 f는 주파수(Hz), N_2는 2차 권수, \phi_m은 철심 최대 자속(Wb)이다. 2차 부담 임피던스가 커지면 필요한 E_2가 커지고, 그만큼 \phi_m이 커져 포화점에 빨리 도달한다. 그래서 포화는 고장전류 크기와 부담 크기가 함께 결정한다.

정상 상태에서는 여자전류가 작아 1차 전류와 2차 전류 관계가 권수비에 가깝다. 고장 시 대전류가 흐르면 여자전류가 커져 비오차가 증가하고, 2차 전류 파형이 찌그러진다. 직류분이 섞이면 철심이 한쪽 방향으로 치우쳐 자속이 빨리 포화된다. 이 과정을 순서대로 정리하면 다음과 같다.

• 고장 발생으로 1차 전류가 정격의 수십 배로 증가한다.
• 2차 부담과 전류에 의해 철심 자속이 증가한다.
• 자속이 포화점을 넘으면 여자전류가 급증한다.
• 여자전류가 2차 전류에서 빠져 2차 전류가 줄어들고 파형이 평탄해진다.
• 2차 전압이 부담 임피던스에 의해 제한되며 계전기 동작 판정이 지연되거나 실패한다.

포화 시 2차 전류는 1차 전류에 비례하지 않고 파형이 찌그러져 계전기 오동작이나 동작 지연을 일으킨다

개념 그래프로 보면 1차 전류가 증가할 때 2차 전류는 처음에 직선 비례하다가 포화 구간에서 완만해진다. 이 모양이 핵심이다.

이 그래프의 교차점 이후 구간이 CT 포화 영역이며, 계전기 정정은 이 영역을 피하도록 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

CT의 포화와 오차는 기준에서 과전류정수와 부담으로 관리한다. 보호계전기용 CT는 정격 과전류 범위의 비오차를 보증하기 위해 과전류정수를 쓴다. 과전류정수는 정격 1차 전류의 배수로 표시하며, 그 배수까지 비오차를 허용치 안에 둔다.

기준값 표는 다음과 같다. 세부 수치는 기술기준과 설계기준의 원문을 따른다.

위 표는 CT 선정에서 확인하는 대표 조건이다. 최대 고장전류가 과전류정수보다 작아야 포화를 피한다.

관련 법령은 「전기설비기술기준」과 한국전기설비규정(KEC)이다. 2021-01-01 부터 KEC가 적용되며, 옛 판단기준은 대체됐다. 보호계전 CT 시설 기준은 KEC 보호장치 시설 절에 있다.

직류분에 의한 포화에 대해서는 잔류자속이 포화 특성에 영향을 준다. 잔류자속은 포화 후 철심에 남아 다음 사고 때 포화를 더 빨리 일으킨다. 그래서 CT 선정 시 잔류자속 영향을 고려한다.

6. 유형과 비교

CT 철심 포화와 관련해 실무와 시험에서 함께 비교되는 것은 정상 상태 오차(비오차·위상각 오차) , 과전류 영역 포화, 직류분 포화(과도 포화) 세 가지이다. 세 현상은 원인과 나타나는 2차 파형이 달라 구분해서 답해야 한다.

표는 포화 원인이 정상 여자전류인지, 고장 크기인지, 직류분인지를 나누어 보여 준다. 답안에서는 세 현상을 먼저 구분하고 파형을 각각 설명한다.