CT 포화특성

왜 배우는가: 변류기(CT)의 포화특성은 보호계전기가 고장전류를 정확히 검출할 수 있는지를 결정하므로 계전 시스템 설계와 정정의 출발점이다. 포화 시 2차 전류 파형이 왜곡되어 계전기 오동작이나 부동작으로 이어지기 때문에 기술사 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 1교시 6번, 제122회 1교시 7번, 제114회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변류기의 포화특성은 2차 여자전압이 무릎점 전압을 넘으면 여자전류가 급증하여 1차 전류를 2차에 선형으로 전달하지 못하는 특성이다.

변류기 포화특성은 2차 여자전압-여자전류 곡선에서 무릎점 이후 여자전류가 급증하여 CT 오차가 커지는 현상이다

핵심 키워드

• 무릎점 전압(Knee Point Voltage)
• 여자전류(Excitation Current)
• 철심 포화(Core Saturation)
• 과전류 정수(Accuracy Limit Factor)
• 부담(Burden)
• 보호용 CT와 계측용 CT

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 CT 철심이 자기적으로 한계에 가까워져 더 이상 자속을 늘리지 못하는 상태가 포화다. CT는 1차 전류가 만든 자속을 2차 권선이 상쇄하도록 동작하는데, 철심이 포화되면 이 상쇄 작용이 무너진다. 그 결과 2차 전류가 1차 전류의 비율을 따르지 못한다.

정식으로는 CT 2차 단자에 정격 주파수의 정현파 전압을 인가하고 다른 권선은 개방했을 때, 전압을 10% 올리면 여자전류가 50% 증가하는 지점의 전압을 무릎점 전압이라 한다. 무릎점 이상에서는 전압의 작은 증가에도 여자전류가 크게 증가한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 무릎점 전압: 여자전류 증가율이 급격히 커지기 시작하는 2차 전압이다. 보호용 CT의 포화 정도를 나타내는 대표 값이다.
• 여자전류: 철심을 자화시키는 데 필요한 2차측 전류 성분으로, 포화되면 급증한다.
• 포화 자속밀도: 철심 재료가 더 이상 자속을 늘리지 못하는 최대 자속밀도 수준이다.

여자 특성은 자기회로의 B-H 곡선으로 설명된다. 초기에는 선형 구간이 나타나고, 자속이 어느 값을 넘으면 기울기가 완만해진다. 이 비선형 곡선이 CT 포화의 물리적 원인이다.

핵심 관계식은 2차 유기기전력 E_2 = 4.44\,\phi\,f\,T_2 이다. 여기서 E_2는 2차 유기기전력(V), \phi는 철심 최대 자속(Wb), f는 계통 주파수(Hz), T_2는 2차 권수다. 자속이 포화 값에 가까워지면 같은 전압 상승에도 자속 증가가 거의 없으므로 여자전류가 급증한다.

3. 등장 배경과 필요성

보호계전 시스템은 고장전류를 CT로 받아 계전기에 전달한다. 고장전류는 정격전류의 20~30배까지 흐를 수 있어, CT가 이 큰 전류를 정확히 변환하지 못하면 계전기가 고장을 올바르게 판단할 수 없다. 특히 차동계전 방식은 양측 CT의 2차 전류 차이로 고장을 판정하므로, 한쪽 CT만 포화되어도 차전류가 생겨 오동작할 수 있다.

또한 CT의 2차측을 개방하면 철심이 강하게 포화되고 2차 단자에 수 킬로볼트의 고전압이 나타날 수 있다. 이는 작업자 안전과 절연 파괴 문제로 이어지므로 포화특성은 안전 측면에서도 필요한 개념이다.

계측용 CT는 정격전류 근방(1.2~1.5배)에서 정확도가 요구되고, 보호용 CT는 고장전류 범위에서 포화되지 않아야 하므로 두 종류의 포화 요구 조건이 다르다. 이 차이가 보호용 CT의 무릎점 전압 규정이 별도로 필요한 이유다.

4. 구성요소·원리·절차

CT의 포화특성은 2차 측 부담이 커지거나 고장전류가 커질 때 철심이 포화되어 2차 전류가 1차 전류를 비례하게 따르지 못하는 현상이다. 보호계전기에 정확한 전류를 전달하려면 이 현상의 원리와 구성요소의 역할을 함께 이해해야 한다.

구성요소별 역할은 다음과 같다.

원리는 유기기전력식으로 설명한다. 2차 권선에 유기되는 기전력은 다음과 같다.

$E_2 = 4.44\,f\,\phi\,T_2$

여기서 E_2는 2차 유기기전력(V), f는 계통 주파수(Hz), \phi는 철심의 최대 자속(Wb), T_2는 2차 권선 권수다. 철심 자속이 포화 영역에 들어가면 \phi가 더 증가하지 못하므로 여자전류 I_e가 급격히 커진다. 즉 2차 전압이 일정 값을 넘으면 1차 전류 대부분이 여자전류로 빠져나가 2차 전류가 줄어든다.

포화 특성의 핵심 절차는 다음 순서로 진행된다.

• 고장전류가 1차 측에 흐르면 2차 전류는 권수비에 따라 비례하여 생성된다.
• 2차 부담 임피던스에 전류가 흐르며 2차 전압이 생긴다.
• 2차 전압이 무릎점 전압(Knee Point Voltage)을 넘으면 철심이 포화된다.
• 여자전류가 급증하여 2차 전류가 1차 전류를 정확히 추종하지 못한다.
• 보호계전기의 동작 특성이 왜곡되어 오동작이나 동작 지연이 생길 수 있다.

여자전류와 자속의 관계는 비선형이다. 일정 값 이상의 여자전류에서는 자속이 거의 증가하지 않으며, 이 곡선을 B-H 곡선이라 한다. 무릎점은 이 곡선에서 전압 10% 증가에 여자전류 50% 증가가 일어나는 지점이다.

무릎점 전압 이상에서 여자전류가 급증하여 2차 전류가 1차 전류를 비례 추종하지 못한다

5. 관련 법령·기준·표준

CT의 포화 특성은 전기설비 기준과 국제 표준에서 정확도 등급과 무릎점 전압으로 규정한다. 국내에서는 전기설비기술기준과 한국전기설비규정(KEC)이 CT 설치와 보호계전 조건을 다룬다. 보호용 변류기의 기준으로는 국제전기기술위원회 표준 IEC 61869-1 (구 IEC 60044-1)과 미국 IEEE C57.13이 널리 쓰인다.

보호용 CT의 대표 기준값은 다음과 같다.

계량용 CT는 정확도가 높으나 정격 전류 근처에서만 유지되므로 무릎점 개념은 주로 보호용 CT에 적용한다. 보호용 CT는 고장전류의 20~30배에 노출되므로 포화 여부를 반드시 검토한다.

모선 보호에서는 보호용 전용 CT를 쓰고 권수비를 일치시키며, 부담을 정격 이하로 유지하는 것이 기본 조건이다. 과전류 정수 이하 조건은 포화를 피하기 위한 최소 조건으로 본다.

개정 연혁으로는 전기설비 기준이 전기설비기술기준의 판단기준에서 한국전기설비규정(KEC)으로 2021-01-01부터 전환되었다. CT 표준은 IEC 61869 시리즈로 개편되어 구 IEC 60044 계열을 대체했다.

무릎점 전압은 10% 전압 증가에 50% 여자전류 증가로 정의

6. 유형과 비교

CT는 철심 재질, 용도(보호용·계측용), 정격 조건에 따라 포화 특성이 크게 다르다. 같은 권수비라도 보호용 CT(Protection CT)와 계측용 CT(Metering CT)는 포화 양상과 관심 영역이 다르므로 구분해서 답해야 한다.