계기용 변류기(CT) 선정

왜 배우는가: 계기용 변류기(CT)는 고압 대전류를 측정·보호용 소전류로 바꾸는 기기라서, 선정이 잘못되면 계기 오차나 보호계전기 오동작으로 이어진다. 전기응용기술사 시험에서는 정격부담, 과전류정수, 과전류강도처럼 선정 항목을 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 4교시 4번, 제121회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

계기용 변류기(CT, Current Transformer)는 고압 회로의 대전류를 정격 2차전류(5A 또는 1A)로 변환하여 계측기와 보호계전기에 공급하는 기기다.

계기용 변류기는 1차 대전류를 정격 2차전류(5A 또는 1A)로 변환해 계측·보호 장치에 공급하는 변류기다.

핵심 키워드

• 변류비(CT ratio)
• 정격부담(rated burden, VA)
• 과전류정수(accuracy limit factor, ALF)
• 과전류강도(short-time thermal current rating)
• 정확도 등급(accuracy class)
• 포화(saturation)
• 2차 정격전류(5A, 1A)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, CT는 큰 전류를 작은 전류로 줄여서 계기와 계전기가 안전하게 읽을 수 있게 만드는 장치다. 1차 권선은 회로에 직렬로 연결되고, 2차 권선에는 전류계나 계전기가 연결된다.

정식 정의는 다음과 같다. 변류기는 1차 전류를 변류비에 따라 비례하는 2차 전류로 변환하는 계기용 변성기다. 변류비는 1차 정격전류와 2차 정격전류의 비로 나타내며, 예로 1000:5 CT는 1차에 1000A가 흐를 때 2차에 5A가 흐른다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 정격부담: CT 2차 회로에 접속할 수 있는 부하의 한도로, 단위는 VA다. 정격부담을 넘으면 2차 측 전압이 높아져 철심이 쉽게 포화된다.
• 과전류정수: 정격 1차전류의 배수로 나타내며, 정격부담에서 허용 비오차(보통 10%)를 유지하는 최대 1차전류 배수다. 보호용 CT의 정확도를 과전류 영역에서 보증하는 값이다.
• 과전류강도: 2차를 단락한 상태에서 1초 동안 열적·기계적으로 손상되지 않고 견디는 1차 전류의 정격 배수다. 표준값은 40, 75, 150, 300이다.

계측용 CT와 보호용 CT는 기능이 다르다. 계측용은 정격전류 부근에서 정확도가 중요하고, 보호용은 고장전류 영역에서 포화되지 않는 것이 중요하다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통의 전류는 수 kA 이상으로 커질 수 있다. 이런 전류를 계기나 계전기에 직접 연결하면 배선이 굵어져 설치가 어렵고, 사람과 기기에도 위험하다. 그래서 CT로 전류를 낮추고 전기적으로 격리하여 계측과 보호를 분리한다.

계통의 전압·전류 변환 기기는 CT와 계기용 변압기(PT)로 나뉜다. CT는 회로에 직렬로 접속하고, PT는 병렬로 접속한다. CT 2차는 개방하면 안 된다. 개방되면 2차에 높은 전압이 생겨 절연과 기기를 손상시킬 수 있다.

선정 기준이 필요한 이유는 다음과 같다. 정격전류를 잘못 잡으면 정상 부하에서 계측 오차가 커지고, 정격부담을 넘기면 포화로 계전기가 정확히 동작하지 않는다. 과전류 영역의 성능이 부족하면 고장 시 계전기가 잘못 판단한다. 따라서 CT 선정은 정격전류, 정격부담, 과전류정수, 과전류강도를 함께 검토해야 한다.

계통 고장 시 고장전류가 CT 1차에 흐르므로 권선은 열적·기계적 스트레스를 받는다. 과전류강도는 이 스트레스를 견디는 능력을 나타내는 값이다.

• 1차 전류 산정 참고: 변압기 회로와 전동기 회로는 최대 부하전류를 기준으로 관련 기준이 정한 배율을 적용하는 경우가 많다.

4. 구성요소·원리·절차

계기용 변류기(CT)는 1차 권선, 철심, 2차 권선으로 구성된다. 1차 권선은 계통 회로에 직렬로 접속되고, 2차 권선에는 전류계·계전기·계량기가 부담으로 붙는다. 1차 전류와 2차 전류의 비가 변류비이며, 2차 정격전류는 5A 또는 1A로 한다.

표의 구성 요소 중 철심의 포화 특성이 과전류 영역의 오차를 결정하므로 선정 때 가장 먼저 검토한다. 2차 권선 측 부담은 배선 저항과 계기 소비 전력의 합으로 보며, 부담이 커지면 2차 전압이 커져 여자전류가 늘고 비오차가 커진다.

동작 원리는 전자유도 작용이다. 1차 기자력 N1·I1과 2차 기자력 N2·I2의 차가 철심을 자화하는 여자 기자력이 되며, 이 값이 작을수록 I2가 I1/(N2/N1)에 가깝다. 철심이 포화하면 여자 전류가 급증하므로 2차 전류가 1차 전류에 비례하지 않게 된다. 이것이 보호계전기용 CT에서 과전류 영역 오차를 따로 보증하는 이유다.

선정 절차는 다음과 같다.

• 계통의 부하전류와 단락전류를 구한다. 변압기 회로와 전동기 회로는 최대 부하전류에 관련 기준이 정한 배율을 적용해 1차 정격전류를 정한다.
• 1차 정격전류를 기준으로 변류비를 정하고 2차 정격전류(5A 또는 1A)를 선택한다.
• 계기용인지 보호용인지 용도를 정하고 정확도 등급을 선택한다.
• 2차 회로의 부담을 계산하여 정격부담(VA)이 이를 만족하는지 확인한다.
• 단락전류로 과전류강도를 구하고, 과전류정수로 포화 여유를 확인한다.
• 결선 방식(가동 접속 또는 차동 접속)을 정한다.

부담 계산은 $P = I_2^2 \times (R_{\text{배선}} + R_{\text{계기}} + R_{\text{접촉}})$ 으로 한다. 여기서 P는 부담(VA), I_2는 2차 정격전류(A), R은 각 저항(Ω)이다. 예를 들어 2차 전류 5A에서 배선·계기·접촉 합계 저항을 알면 위 식으로 부담을 구하고, 구한 부담 이상의 정격부담을 가진 CT를 고른다. 배선 저항이 커지면 부담이 급증하므로 1A 정격 CT와 굵은 배선을 함께 쓴다.

결선은 가동 접속과 차동 접속으로 나뉜다. 가동 접속(정상 접속)에서는 전류계 지시값이 2차 전류와 같고, 차동 접속(교차 접속)에서는 지시값이 2차 전류의 √3배이다.

5. 관련 법령·기준·표준

CT의 선정 기준은 법령보다 설계·시공 기준과 제조 표준에 많이 담겨 있다. 국내에서는 전기설비 설계 기준인 한국전기설비규정(KEC)과 수전설비 관련 기준을 따른다. 이 기준들은 변류기의 정격 1차·2차 전류, 정확도 등급, 정격부담, 과전류강도를 규정한다.

과전류강도는 정격 1차전류의 몇 배까지 1초간 열적·기계적으로 견디는지를 정한 값이다. 예를 들어 100/5 CT의 과전류강도가 40이면 1차 4,000A 실효치 1초 통전과 그 2.6배 순시 전류에 손상되지 않는다는 뜻이다. 과전류정수는 정격 과전류 영역에서 비오차를 보증하기 위한 값이며, 부담을 줄이면 같은 정격부담에서 더 큰 과전류정수를 쓸 수 있다.