계기용변성기(MOF)

왜 배우는가: 계기용변성기는 고전압·대전류를 계기와 보호계전기가 다룰 수 있는 값으로 바꾸고, 회로를 절연해 분리하는 장치다. 전력 계량과 보호의 출발점이라 실무에서 항상 쓰이고, 시험에서도 PT와 CT의 목적과 구조를 묻는 문제로 반복해 나온다.

출제 이력: 제116회 1교시 1번, 제113회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

계기용변성기(MOF)는 고전압·대전류 회로를 저전압·소전류로 변환해 계기와 보호계전기에 공급하는 계기용 변압기와 변류기를 한 함체에 조합한 장치다. 핵심 키워드: 계기용변성기, 계기용 변압기(PT), 계기용 변류기(CT), 절연 분리, 정격 1차 전압, 2차 표준 전압, 정격 전류비, 전력 계량

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 계기용변성기는 큰 값을 작은 값으로 줄여 계측과 보호에 쓰게 하는 변압기다. 높은 전압이나 큰 전류를 계기에 직접 넣으면 계기가 손상되고 작업자가 감전될 위험이 있다. 그래서 1차 계통과 계측 회로를 절연해 분리하는 역할도 함께 한다. 정식 정의는 다음과 같다. 계기용 변성기(instrument transformer)는 전압 또는 전류 레벨을 분리하거나 변환하는 고정밀 등급 전기 장치다. 전압을 변환하는 것을 Potential Transformer(PT, 계기용 변압기), 전류를 변환하는 것을 Current Transformer(CT, 계기용 변류기)라 한다. 핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 1차 권선: 고전압 또는 대전류 회로에 직접 연결되는 권선이다.
• 2차 권선: 계기나 계전기가 연결되는 권선이며, 2차 표준 전압은 보통 120V, 2차 표준 전류는 보통 5A 이다.
• 병렬 접속(PT): 계통 전압에 병렬로 연결되어 측정 대상에 무시할 수 있는 부하만 준다. 2차 측 임피던스가 매우 커서 전류가 거의 흐르지 않는다.
• 직렬 접속(CT): 측정하려는 선로에 직렬로 끼워 넣어 1차 전류에 비례하는 전류를 2차에 만든다. 2차 측은 저임피던스 부하에 연결되어야 하며, 운전 중 2차를 개방하면 위험한 고전압이 2차 측에 발생할 수 있으므로 단락 또는 부하 접속을 유지해야 한다.
• 변압비: 1차 정격값과 2차 정격값의 비다. PT는 전압비, CT는 전류비로 정해진다.

계기용 변성기는 계측 정확도를 확보하는 것이 핵심이다. 그래서 PT와 CT는 일반 전력용 변압기와 달리 정격 부하 범위에서 비율오차와 위상오차가 작도록 설계된다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 계통의 전압은 수 kV에서 수백 kV에 이르고, 전류도 수천 A 이상이 될 수 있다. 이런 값을 계기와 계전기에 직접 연결하는 것은 불가능하다. 계기는 작은 정격 전압과 전류에서 설계되어 있고, 계전기도 표준화된 2차 값을 받도록 만들어져 있기 때문이다. 계기용변성기가 도입되면서 얻는 효과는 세 가지다. 첫째, 고전압과 대전류를 표준 값으로 낮춰 계측기와 계전기를 소형·저가로 만들 수 있다. 둘째, 1차 고압 회로와 2차 제어·계측 회로를 절연 분리하여 작업자와 기기를 보호한다. 셋째, 계통 상태를 정확히 측정하여 전력 계량과 보호 계전 동작의 근거를 제공한다. 변성기의 필요성은 보호 측면에서 더 뚜렷하다. 보호계전기는 고장 시 전압과 전류의 크기로 동작을 결정한다. 따라서 PT와 CT의 2차 값이 1차 값을 정확히 반영하지 못하면 계전기 오동작이나 부동작으로 이어진다. 특히 고장 전류가 정격보다 큰 상태에서도 2차 값이 일정 배율 이내로 유지되어야 하는 이유가 여기에 있다. 전력 거래용 계량에서는 PT와 CT를 한 함체에 묶은 계기용 변압변류기(MOF)가 널리 쓰인다. MOF는 전압과 전류를 동시에 변환하여 전력량을 계량하므로 계량 정확도와 절연 신뢰성이 모두 요구된다. 이 때문에 MOF 사고나 과전류 손상은 계량 오차와 계통 보호 문제로 직결된다.

4. 구성요소·원리·절차

MOF는 계기용 변류기와 계기용 변압기를 한 함체에 묶은 계기용 변성기(MOF) 이다. 고압 계통의 전압과 전류를 전력량계가 읽을 수 있는 저압 표준값으로 줄여 준다. 고압 전력량 계량에 필요한 두 기능을 한 장치로 해결하는 것이 특징이다.

표에서 보듯 변류기부와 변압기부는 접속 방식이 반대다. 변류기부는 부하 전류가 흐르는 도체에 직렬로 물리고, 변압기부는 선간 또는 상과 대지 사이에 병렬로 연결한다. 2차 측의 개방과 단락 금지 조건도 이 접속 방식에서 나온다.

변류기부의 원리는 1차와 2차 권선의 기자력이 평형을 이루는 데 있다. 1차 권수가 N1, 2차 권수가 N2일 때 전류비는 다음과 같다.

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

여기서 I1은 1차 전류(A), I2는 2차 전류(A), N1과 N2는 1차·2차 권수다. 변압기부는 권수비에 따라 전압을 낮춘다.

$V_2 = \frac{N_2}{N_1} V_1$

여기서 V1은 1차 전압(V), V2는 2차 전압(V)이다. 두 식은 이상적인 값이며, 실제 계기에는 비오차와 위상각 오차가 남는다. 2차 측 계기 부하가 정격 부담을 넘으면 이 오차가 커져 계량 정확도가 떨어진다. 부담은 2차 회로에 연결된 계기와 배선이 소비하는 피상전력(VA)으로 나타낸다.

계량용 MOF의 설치 절차는 다음과 같다.

• 계통의 정격 1차 전압과 최대 부하 전류를 확인하여 정격 1차 전압과 전류를 정한다.
• 변류비를 정하고 2차 정격 전류 5A 를 확정한다.
• 2차에 연결될 계량 기기의 VA 를 합산하여 정격 부담을 정한다.
• 계량 정확도급을 정하고 2차 배선 길이를 짧게 하여 배선 부담을 줄인다.
• 2차 회로는 규정에 따라 한 점 접지하고, 시험성적서로 비오차와 위상각 오차를 검정한다.

위 구성도는 두 변성기가 같은 계통에서 나와 하나의 전력량계로 모이는 구조를 보인다. 전류 경로와 전압 경로를 분리해 그리면 답안지에서 2차 배선 오류를 찾기 쉽다.

5. 관련 법령·기준·표준

계량용 변성기는 전력 거래와 요금 산정에 쓰이므로 전기사업 관련 계량 규정과 전기설비 기준을 함께 적용한다. 설치 세부 기준은 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 옛 전기설비기술기준의 판단기준은 2021-01-01 부터 한국전기설비규정으로 대체됐다.

국제 기준은 IEC 61869 시리즈다. 변류기는 IEC 61869-2, 전압 변성기는 IEC 61869-3 에서 다룬다. 국내 계량용 MOF도 이 체계의 정확도급과 부담 개념을 기준으로 한다.

위 표의 계량 정확도급은 값 자체보다 등급의 의미가 중요하다. 숫자가 작을수록 오차 한도가 작다. 보호용 정확도급은 고장 전류 영역에서의 오차를 보장하는 개념이므로 계량용과 구분해 쓴다.

정격 과전류강도는 고장 시 변성기가 손상되지 않고 견디는 전류 한도를 뜻한다. 변류기부의 정격 과전류강도는 관련 기준이 정한 배수와 시간 동안 견디는 값으로 정한다. 변압기부는 정격 전압의 관련 기준이 정한 배율을 연속 인가해도 견뎌야 한다. 이 두 값은 MOF 사고 원인 분석과 직결된다.