계기용 변류기(CT) 과전류 정수

왜 배우는가: 계기용 변류기(CT)는 계측과 보호계전기 동작의 기초가 되는 기기다. 고장 전류 상황에서 CT 2차 출력이 얼마나 정확히 유지되는지가 보호 협조의 성패를 가르므로 실무에서 반드시 검토해야 한다. 과전류 정수와 과전류 강도는 기술사 시험에서 용어형과 논술형으로 반복 출제되는 핵심 개념이다.

출제 이력: 제134회 1교시 2번, 제120회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 계기용 변류기(CT)의 과전류 정수는 정격 1차 전류의 배수에서 CT 오차가 규정 범위(일반적으로 비오차 10% 이내)를 유지하는 최대 배수값이고, 과전류 강도는 과전류 영역에서 포화 없이 견디는 능력을 나타낸다.

과전류 정수는 과전류 영역에서 비오차를 보증하는 배수, 과전류 강도는 그 영역에서의 포화 내량이다

핵심 키워드

• 과전류 정수(Accuracy Limit Factor, ALF)
• 과전류 강도(Overcurrent Strength)
• 포화특성(Saturation Characteristic)
• 비오차(Ratio Error)
• 정격부담(Rated Burden)
• 오차계급(Accuracy Class)
• 보호계전기용 CT

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 CT는 큰 전류를 작은 전류로 줄이는 기기다. 평상시에는 1차 전류에 비례하는 2차 전류를 정확히 내보내야 하고, 고장 때에는 큰 전류가 흘러도 2차 쪽이 찌그러지지 않고 계전기를 제대로 동작시켜야 한다. 이 두 요구를 나타내는 수치가 과전류 정수와 과전류 강도다.

CT는 1차·2차 권선과 철심으로 구성된다. 1차 권선은 회로에 직렬로 접속되고, 2차 권선에는 계기나 보호계전기가 부하로 붙는다. 정식 정의상 계기용 변류기(Instrument Current Transformer)는 1차 대전류를 2차 소전류(5A 또는 1A)로 변성하는 기기다.

여기서 비오차(Ratio Error)는 공칭 변류비와 실제 변류비의 차이를 백분율로 나타낸 값이다. 비오차가 -0.5%라면 2차 전압·전류가 정격값보다 0.5% 작아진다는 뜻이다. 계측용은 정격전류 부근의 비오차가 중요하다.

보호계전기용 CT는 고장 때 큰 전류가 흐르므로 과전류 영역에서의 비오차를 보증해야 한다. 이때 쓰는 용어가 과전류 정수다. 과전류 정수는 정격 1차 전류의 몇 배까지 비오차가 허용 범위 안에 있는지를 나타내는 배수이다. 예를 들어 과전류 정수 20이면 정격 1차 전류의 20배까지 오차 기준을 지킨다는 뜻이다.

과전류 강도(Overcurrent Strength)는 과전류 영역에서 CT가 포화에 얼마나 강한지를 말한다. 포화가 심하면 2차 파형이 찌그러져 계전기가 늦게 동작하거나 오동작할 수 있다. 따라서 과전류 강도는 보호 신뢰성의 지표다.

그림으로 보면 과전류 정수와 과전류 강도는 CT의 포화 곡선 위에 나타난다. 정격 부근에서는 직선에 가깝게 비례하고, 일정 전류 이상에서 곡선이 꺾이며 포화가 시작된다. 과전류 정수는 그 꺾임 이전까지의 배수다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통이 커지면서 고장 전류의 크기도 커졌다. 차단기 용량과 계전기 정정에 맞춰 CT가 큰 고장 전류를 2차로 정확히 전달해야 할 필요가 생겼다. 계측용 CT만으로는 이 요구를 충족하지 못해 보호용 CT 기준이 따로 정립되었다.

계측용과 보호용은 설계 목표가 다르다. 계측용은 정격 전류 부근의 정밀도가 우선이다. 보호용은 고장 전류 영역의 포화 특성이 우선이다. 이 차이 때문에 같은 CT라도 과전류 정수를 따로 규정한다.

포화가 일어나면 2차 전류가 1차 전류에 비례하지 않는다. 철심이 자기 포화에 도달하면 여자 임피던스가 급격히 낮아져 여자 전류가 증가하고, 2차로 가야 할 전류가 줄어든다. 결국 계전기는 실제 고장 전류보다 작은 전류를 보게 된다.

그래서 보호 설계에서는 계전기 정정 전류와 고장 전류의 크기를 먼저 정하고, 그에 맞는 과전류 정수를 가진 CT를 선정한다. 이 절차가 보호 협조의 출발점이다.

국내에서는 계기용 변성기를 전압용(PT, GPT), 전류용(CT, ZCT), 전압·전류 복합용(MOF)으로 나눈다. 보호용 CT의 과전류 정수 기준은 그중 전류용 기기에 적용되며, 실무에서는 보호 계전기 정정과 함께 검토된다.

정리하면 과전류 정수와 과전류 강도는 고장 시 보호 신뢰성을 보증하기 위해 도입된 개념이다. 답안에서는 정의, 포화 원리, 계측용과의 차이를 함께 쓰면 점수 효과가 크다.

4. 구성요소·원리·절차

계기용 변류기(CT)는 1차 권선, 2차 권선, 철심으로 구성된다. 1차 권선은 회로에 직렬로 접속되고 2차 권선에는 계전기·계기의 부담이 걸린다. 철심은 자속을 전달하며 여자 특성을 결정한다.

표의 구성요소는 계기용과 보호용 모두 같다. 차이는 철심 재질과 설계 목표에 있다.

원리는 다음과 같다. 1차 전류 I_1과 2차 전류 I_2는 권수비에 따라 I_1 N_1 = I_2 N_2 관계를 가진다. 여기서 N_1, N_2는 1차·2차 권수다. 철심의 여자전류 I_0가 있으므로 실제 2차 전류는 이상값보다 작아진다. 이 차이가 비오차다. 과전류 영역에서는 철심 포화로 여자전류가 급증하고, 2차 전류가 1차 전류에 비례하지 않게 된다. 보호용 CT는 과전류 영역의 포화 한계가 비오차보다 중요하다

등가회로는 이상 변압기에 여자 임피던스 Z_0를 병렬로 둔 형태다. 여자 임피던스 Z_0에 흐르는 I_0가 크면 오차가 커진다. 2차 부담 Z_b가 커지면 2차 유기 전압이 높아지고 철심이 빨리 포화된다.

과전류 정수 산정 절차는 다음과 같다.

• 계통의 최대 고장전류와 1차 정격전류를 정한다.
• 1차 정격전류 대비 고장전류 배수를 구한다.
• 2차 부담(케이블·계전기 임피던스 합)을 구한다.
• 정격부담과 과전류 정수 조건을 맞춰 CT 등급을 정한다.
• 무릎점 전압 또는 포화전압이 요구치 이상인지 확인한다.

이 절차에서 과전류 정수 n은 다음 식으로 정의한다.

$n = \frac{I_{\text{정격 과전류 한계}}}{I_{1n}}$

I_{1n}은 1차 정격전류(A), 분자는 정격 오차 한계(10%)에서의 1차 전류(A)다.

5. 관련 법령·기준·표준

변류기의 기준은 국내 전기 설비 기준과 국제 규격으로 나뉜다. 국내에서는 전기설비 기준으로 한국전기설비규정(KEC)을 적용한다. 변류기 자체의 성능 규격은 국제규격 IEC 61869-1(구 IEC 60044-1)과 미국 규격 IEEE C57.13(ANSI)이 널리 쓰인다. 두 규격은 오차 계급과 과전류 정수 표기 방식이 다르다.

표의 수치는 표준 값이며 보호용 과전류 정수 목록은 선정 시 대표 값이다. 실제 선정은 계통 조건과 제작사 규격을 함께 본다.

계기용 CT와 보호용 CT의 기준 차이도 정리한다. 계기용 CT는 정격전류 부근의 비오차 등급(예: 0.2, 0.5)을 보증한다. 보호용 CT는 과전류 정수(예: 10, 20)와 정격부담을 함께 표기하며, 예를 들어 P급 표기는 정격 과전류 한계 배수에서 복합 오차를 보증하는 등급이다.

개정 연혁으로는 전기설비 기준이 개정되어 한국전기설비규정(KEC) 체계로 정리된 것이 있다. 변류기 규격은 IEC 60044-1이 IEC 61869-1로 대체되었다.