변류기(CT)

왜 배우는가: 변류기(CT)는 전력설비의 전류를 계측기와 보호계전기에 안전하게 전달하는 기기여서, 전기안전 점검과 보호협조 설계의 출발점이다. 계측용과 보호용의 요구가 다르다는 점이 시험에서 반복해서 비교·서술된다.

출제 이력: 제138회 4교시 4번, 제123회 4교시 5번, 제119회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변류기(CT)는 1차 대전류를 계측·보호에 적합한 2차 소전류(통상 5A 또는 1A)로 변환하여 절연된 상태로 전달하는 기기이다.

• 변류기(CT)
• 변류비
• 정격 부담
• 과전류 강도
• 계측용 CT
• 보호용 CT
• 비오차
• 정확도 한계전류

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변류기는 큰 전류를 작은 전류로 줄여서 계기와 계전기가 안전하게 읽을 수 있게 하는 변환기다. 송전선이나 모선에 수백~수천 A가 흐를 때 그 전류를 직접 계기에 넣을 수 없으므로 CT로 축소한다.

정식 정의는 다음과 같다. 변류기는 1차 권선, 2차 권선, 철심으로 구성되며, 1차 권선에 흐르는 전류에 비례하는 2차 전류를 발생시키는 변성기이다. 1차와 2차 사이는 절연되어 있어 고압 회로를 2차 측 기기로부터 분리한다.

변류비는 1차 정격전류와 2차 정격전류의 비이다. 예를 들어 1000:5 CT는 1차 1000A일 때 2차 5A를 출력한다. 계측기 입력 규격이 1A 또는 5A이므로 변류비는 이 값에 맞춰 선정한다.

정격 부담은 2차 회로에 접속할 수 있는 부하의 한도로, 단위는 VA로 표시한다. 부담이 커지면 2차 전압이 높아져 철심이 쉽게 포화되고, 그 결과 오차가 증가한다.

변류기는 용도에 따라 둘로 나뉜다. 계측용 CT는 정상 부하 범위에서 전류를 정밀하게 재는 것이 목적이다. 보호용 CT는 고장전류를 검출해 보호계전기를 동작시키는 것이 목적이다. 같은 1차 전류라도 두 용도의 선정 기준이 다르다.

비오차는 2차 전류가 이상적인 값(공칭 변류비에 의한 값)에서 벗어나는 백분율 오차다. 계측용은 정격전류 근처에서 이 비오차가 작아야 한다.

과전류 강도는 CT가 열적·기계적 손상 없이 견디는 1차 과전류의 배수다. 고장 시 흐르는 대전류를 CT가 버틸 수 있는지를 나타낸다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통에서 전류를 직접 계측하거나 계전기에 넣으면 기기 절연과 안전에 문제가 생긴다. 고압 회로를 직접 연결할 수 없고, 계기의 입력 범위도 제한되어 있다. 이 때문에 CT가 1차 회로와 계측·보호 회로 사이의 절연 경계 역할을 맡는다.

보호계전 측면에서는 단락·지락 같은 고장 상황에서 CT가 정확하게 고장전류를 재현해야 계전기가 올바르게 동작한다. 고장전류는 정격전류의 수십 배에 이르므로 CT가 포화되면 계전기가 고장을 놓치거나 오동작할 수 있다. 따라서 보호용 CT는 과전류 영역의 특성이 특히 중요하다.

또한 계측용과 보호용의 요구가 달라서, 같은 CT를 두 용도에 겸용하면 어느 한쪽 성능이 떨어질 수 있다. 이 차이가 기술사 시험에서 용도별 비교로 자주 출제되는 이유다. 계측 정밀도를 우선하는 계측용과 과전류 포화 억제를 우선하는 보호용을 구분하는 것이 설계의 출발점이다.

계측 측면의 정밀도는 정격전류 부근에서 등급별 비오차 한도 같은 등급 기준으로 관리하고, 보호용은 5P10은 정확도 한계전류 10배에서 복합오차 한도 기준으로 관리한다.

4. 구성요소·원리·절차

변류기(Current Transformer, CT)는 1차 대전류를 2차 5A 또는 1A 전류로 낮추어 계측기와 보호계전기에 전달하는 기기다. 구성요소는 1차 권선, 2차 권선, 철심(코어)과 절연 부분이다. 1차 권선은 계통 전류가 흐르는 도체로 이루어지며, 2차 권선은 계측기·계전기 부담에 연결된다.

원리는 전자유도다. 1차 권선의 기자력과 2차 권선의 기자력이 평형을 이루어 N_1 I_1 = N_2 I_2 가 성립한다. 여기서 N_1, N_2 는 1차·2차 권수, I_1, I_2 는 1차·2차 전류(A)다. 실제 변류기에는 여자전류 I_0 가 있으므로 I_2 = I_2' - I_0 로 보고, 여자 임피던스 Z_0 가 클수록 오차가 작다. 이 여자전류 때문에 비오차와 위상각 오차가 생긴다.

정격 부담은 2차측에 접속할 수 있는 부하의 한도(VA)다. 2차 부하가 커지면 2차 전압 V_2 가 커지고 여자전류가 증가해 비오차가 늘어난다. 반대로 부담을 줄이면 같은 정격에서 더 큰 과전류 정수까지 사용할 수 있다.

계측용은 정격전류 부근의 정밀도, 보호용은 고장전류 영역의 포화 억제가 핵심이다.

선정 절차는 다음과 같다.

• 최대 부하전류와 예상 증가분을 구해 정격 1차전류(변류비)를 정한다.
• 최대 단락전류와 차단시간으로 단시간 열전류 I_{th} 와 동적전류 I_{dyn} 을 확인한다.
• 계측기·계전기 부담과 2차 배선 저항을 합산해 정격 부담(VA)을 정한다.
• 계측용은 정확도 등급을, 보호용은 정확도한계계수와 포화 여부를 검토한다.
• 결선 방식(가동접속, 차동접속)과 2차 접지 위치를 정한다.

과전류 정수 n 은 정격 1차전류에 대한 정확도한계 1차전류의 배수로 정의하며, 보호용 5P20 은 n = 20 이다. 예를 들어 300/5 A, 5P20, 정격 부담 30VA인 CT의 정확도한계 1차전류는 300 imes 20 = 6000 A 다. 결과는 고장전류 수 kA 범위에서 포화 없이 동작함을 뜻하므로 상식 범위에 맞는다.

5. 관련 법령·기준·표준

변류기 관련 기준은 국제표준(IEC 61869-1, 구 IEC 60044-1)과 국내 전기설비 기준(한국전기설비규정 KEC)을 따른다. 국내 법령에서는 전기설비기술기준 체계가 KEC로 바뀌었다(2021-01-01 시행). 기준값은 아래 표로 정리한다.

표의 과전류강도는 최대 비대칭 단락전류를 1차 정격전류로 나눈 값이다. 100/5 CT 의 과전류강도 40 은 4000A 1초 통전에 열적 손상이 없음을 뜻한다. 계측용 0.5 등급 기준은 정격 전류 구간의 오차를 규정하며, 저전류·위상각 오차도 등급별 한도가 따로 있다. 보호용은 정확도한계계수 n 에 따라 복합오차 한도가 정해진다.

이 표의 항목은 확인된 기준과 널리 알려진 등급 체계를 따른다. 실무에서는 적용 표준의 최신 판과 부담 조건을 함께 확인해 선정한다. 국내 전기설비 판단 기준은 KEC 체계로 적용한다. 과전류강도와 정확도 값은 IEC 계열 시험 기준을 따른다.

6. 유형과 비교

변류기는 절연방식, 권선형태, 검출 용도에 따라 나눈다. 세 기준은 서로 독립이므로 한 기기를 세 가지 이름으로 동시에 부를 수 있다. 예를 들어 옥내 큐비클에 설치된 몰드식 관통형 보호용 CT는 절연방식·권선형태·용도가 모두 정해진 기기다. 답안에서는 세 기준을 따로 나누어 쓰면 채점자가 구조와 용도를 함께 판단하기 쉽다.

절연방식에 따른 분류는 다음과 같다.