계기용 변성장치(計器用 變成裝置)

계기용 변성장치(計器用 變成裝置)

1. 권선형태에 의한 변류기 분류

1) 권선형 변류기 (Wound Type Current Transformer)
철심에 1차 및 2차권선을 감은 것으로서 필요에 따라서 1차권선의 권수를 2회 이상할 수 있는 것으로 저전류 특성이 좋게 만들어진 변류기이다.

2) 관통형 변류기
1차도체를 변류기의 1차권선으로 사용하는 것으로 1차 권수는 하나이다. 즉, 2차권선이 감겨진 환상철심의 중심 부를 1차도체가 통하게 되어 있는 형의 변류기를 말한다.
Cable, 동봉, 동관, Al관 등 1차 도체의 종류가 다양하다

3) 부싱형 변류기 (Bushing Type Current Transformer)
1차 도체를 변류기의 1차권선으로 사용하며 1차 권수가 하나인 것은 관통형 변류기와 동일하나, 2차권선이 감겨진 환상철심이 변압기나 차단기의 Bushing에 설치되어, 이 Bushing을 1차권선으로 하여 사용되는 형의 변류기를 말한다.
Bushing형 변류기 철심내경은 크게 되므로 자로장이 다른 변류기보다 크게 된다. 이것을 보상하기 위하여 철심의 단면적을 크게 한다. 따라서 포화특성이 좋아 Bushing 형 변류기는 1차전류가 큰 경우에도 오차가 적은 경향이 있다. 그러나 저전류 영역에서는 여자전류가 큼으로써 일반적으로 오차가 크다.

2. 용도에 의한 변류기 분류

1) 보조 변류기 (Auxiliary Current Transformer)
변류기 2차 전류의 크기를 변경시키기 위해 변류기 2차에 별도 변류기를 연결하는데 이때에 사용되는 변류기를 보조변류기라고 한다. 보조변류기 때문에 사용할 경우 보조변류기가 소비하는 여자전류 때문에 오차가 증가하며 부담 Imp도 보조변류기의 권선비 제곱에 역비례하여 변류기에 부담으로 가해진다. 2차전류를 증가시키는 경우에는 부담증가로 정확도가 저하하므로 보조변류기는 2차전류를 감소시키는 목적으로 사용하는 것이 좋다.

2) 영상 변류기 (Zero Sequence Current Transformer)
1차 권선으로 3상회로의 3개의 도체를 절연해서 통과시키고, 2차 권선은 철심의 둘레에 균일하게 분포시켜 감은 것으로서, 3상 전류의 Vector합, 즉 3배의 영상전류에 대응하는 이차전류를 출력으로 얻도록 된 CT를 영상변류기라 하며, 영상변류기를 이용하여 영상전 류를 얻는 방법은 변류기 3개를 이용한 잔류회로에 의한 방법에 비하여 철심 한개에서 얻어지므로 철심의 특성차에 의한 오차영상출력이 적으므로, 고감도의 지락보호에잘 쓰여진다. 영상변류기 1, 2차 변류비는 200mA/1.5mA 가 많이 사용되며 주로 비접지계통의 배전선지락사고 보호용으로 방향지락계전기와 조합하여 사용된다.

3) 공심 변류기 (Air Core Current Transformer)
공심변류기는 1차권선이 한개의 관통 도체로 통과되고, 2차권선은 철심이 없는 절연물위에 균일하게 감은 것으로서, 일종의 공심 Reactor이다. 공심변 류기는 보통의 Bushing CT와 같은 모양으로 차단기나 변압기 등에 내장할 수 있을 뿐만 아니라, 애자형 단독 CT 와 같이 사용할 수도 있다. 특성적으로는 철심이 없으므로 철심포화의 문제가 없다. 즉 공심이기 때문에 1차전류(I P )와 2차전압(E S )과의 관계는 E S =jωMI P 로 되어 ωM이 일정하고 포화가 없기 때문에 철심이 있는 CT에서와 같은 포화에 의한 오차는 없다. 또 2차를 개방해도 적은 전압이 발생하므로 안전하다. 이변류기는 초고압 모선보호계전기용으로 많이 사용된다.

4) 광학식 전류변성기 (OCT : Optical Current Transformer)
광학식 전류변성기는 전류에 의해 발생 하는 자기장의 변화에 따라 측정광의 편광특성이 비례적 으로 변하는 성질(자기광학효과)을 활용한 전류계측 센서 이다.
자기광학효과(Faraday effect)소자 및 센서모양에 따라 광섬유형과 벌크형으로 구분되고, 측정 매질이 광이므로 별도의 절연장치 없이 간단한 구조로 초고압부 전류측정이 가능하며, 주파수 특성이 우수하고 포화특성이 없어 대전류 측정 및 보호용 전류센서로서 우수한 특성을 가진다

5) 전자식 전류변성기 (ECT : Electronic Current Transformer)
디지털 변전소 등의 디지털 또는 전자 측정계기, 미터 또는 유사 장치에 적합하도록 정격 1차 전류(I pr )에 대하여 2차측이 22.5, 150, 200, 225mV 및 4V의 아날로그 또는 디지털 전압 신호로 출력되며 옴(ohm) 단위의 정격부담을 갖는 변성기를 전자식 전류 변성기라 한다. 계기용 및 보호용으로 사용되며 공심코일, 광-전기변환 센서 등이 전자적인 구성요소와 함께 구성되며 다상 또는 다채널 2차 변환기가 연결되는 병합장치(Merging unit)를 통하여 IED와 같은 하나의 접속장치로 연결된다.

3. 특성에 의한 변류기 분류

1) 계측기용 변류기(Meter)
평상시 정상부하에서 계측용으로 사용되고, 고장시 대전류 영역에서는 계측기 및 회로를 보호한다.

2) 계전기용 변류기(Relay)
계전기는 고장시에 동작해야 하므로 상당한 대전류에서도 포화되지 않아야 한다. 정력전류의 20배 전류에 포화되지 않고 비오차 10% 이내로 유지되어야 한다.

3) C형 변류기(C Class current transformer)
ANSI 규격(미국)에서 보호계전기용 변류기에 대한 오차계급(Accuracy class)을 규정하는 기호이며, C는 변류 비를 계산할 수 있는 것으로 권선이 일정하게 배분되어 감겨진 Bushing형 변류기와 철심누설자속이 규정치 이내 로서 변류비에 영향을 무시할 수 있는 변류기 등이 이에 속한다.
C800이라면 정격 2차부담이 200VA가 되며, 정격부담에서 10% 이하의 비오차로 20배의 정격전류를 흘릴 수 있으 며, 이때 2차 단자전압이 800V라는 의미이다.

4) T형 변류기(T Class current transformer)
C형 변류기와 마찬가지로 ANSI규격에서 변류기에 대한 오차계급을 규정하는 기호이며, T는 계산에 의할 수없고, 시험측정에 의해서 표시할 수 있는 것으로 대부분의 권선형(Wound Type) 변류기와 철심누설자속이 변류비에 현저하게 영향을 주는 변류기가 이에 속한다.

5) X형 변류기(X Class Current Transformer)
IEC 61850 디지털 변전소화에 의해 적용되는 CT로써 보호, 계측의 기능이 통합된 CT이다. X Class CT는 특별한 적용 분야에서 사용되며, X Class의 ‘X’는 어떤 표준화된 클래스에 속하지 않는 것을 뜻한다. X Class CT는 개별특성(권선비, 정격 1, 2차 전류, Knee point 전압, CT 2 차 저항 등)의 지정이 필요할 경우에 사용되며, 일반적으로 포화 없이 더 높은 전류에서의 작동을 방지하기 위해 High knee point에 사용된다.

X Class CT의 변류비 허용 오차로는 CT Class와 다르게 IEEE 규격에 1.0I n – 1%, 20.0I n – X%(User defined)로 적용토록 정의되어 있으며,(IEEE C57.13, 2008) 국내에 선 1.0I n – 1%, 20.0I n – 10%로 정의하여 사용하고 있다. (ES-5950-0006, 2010)

4. CT 극성 (Polarity)

변류기 1차 전류의 방향에 대하여 2차전류의 방향을 나타내는 특성을 극성이라 한다. 극성에는 감극성과 가극성 2가지 종류가 있으며 우리 회사에서는 감극성을 표준으로 하고 있다. 감극성은 1차 전류가 H 1 에서 H 2 측으로 흐른다고 하면 X 1 측에서 부하를 통하여 X 2 측으로 흐름을 의미한다.
- K(H 1 ) : 1차측 전류가 흘러들어가는 방향

- k(X 1 ) : 2차측 전류가 흘러나오는 방향

5. 오차계급 (Accuracy class, Error class)

변류기의 오차특성을 규정하는 방법으로 오차계급이 사용되며, 보호계전기용 변류기의 오차계급은 JEC(일본), ANSI(미국), BS(영국)에 따라 표현방법이 다르며, JEC의 경우 1.0급, 3.0급 두 종류로 표시하고, ANSI에는 변류기의 능력을 규정하는 두개의 기호, 즉 C와 T로 구분(C:변 류비를 계산할 수 있는 것, T:변류비를 시험에 의하여야만 결정되는 것)하여 표시하며, BS는 변류기의 오차계급표시를 “P”자를 붙여 쓰는데 5P, 10P 두 종류가 있다.

6. 비오차 (Ratio error)

전류 측정시 변류가 발생하는 오차로서, 이는 실제 변류 비와 정격 변류비가 동일하지 않으므로 발생한다. 백분율로 표시하는 비오차는 다음의 공식으로 나타낸다.
                      비오차 =KnIs - Ip / Ip × 100(%)
여기서,

K n : 정격 변류비

I p : 실제 1차 전류

I s : 측정 상태에서 실제 1차 전류가 흐를 때의 실제 2차 전류

7. 여자전류 (Excitation current)

1차 권선 및 기타의 권선을 개방한 상태에서 2차 단자에 정격 주파수의 정현파 전압을 인가할 때, 변류기의 2차 권선에 흐르는 실효 전류값을 말한다.

8. 2차측 여자 특성곡선 (Secondary excitation curve)

변류기의 2차측에는 1차전류 중에서 철심을 여자하는데 소비되는 여자전류를 뺀 나머지를 2차측에서 환산한 전류가 흐른다. 이때 1차측의 여자전류를 2차측으로 환산한 전류와 2차단자전압과의 관계를 표시한 곡선을 2차여자 특성곡선이라 한다. 이 2차 여자특성곡선은 변류기의 1차권 선을 개방하고 2차권선에 정격주파수의 교류전압을 인가 하여 거기에 흐르는 전류(2차여자전류)를 측정하여 작성 한다.

9. 비보정계수 (Ratio Correction Factor)

변류기의 변류비오차를 표시하는 한 방법으로, 미국 ANSI규정에서 사용하는 방법이다. 변류기의 실제 측정 변류비를 공칭(명판)변류비로 나눈 값을 비보정계수 또는 R.C.F 라고 한다. 공식으로 표시해 보면

 I P (1차전류)＝I S (2 차전류)×n(공칭변류비)×R. C.F이다.

10. 과전류정수

보호계전기용 변류기는 과전류범위에서 비오차가 중요 하게 되므로, 과전류 영역에서의 비오차를 보증하기 위한 방법으로 과전류정수라는 용어를 사용한다. 과전류영역에 서는 전류가 어느 한도를 넘어서면 비오차가 급히 증대하게 되는데 비오차가 10% 될 때의 1차전류를 정격1차전류로 나눈 값을 과전류정수라고 부른다. 두가지를 같이 이용 하는 방법 등이 있다. 과전류정수는 n으로 표시하며, 변류 기와 연결하여 사용하는 보호계전기의 요구에 따라 n>5, n>10, n>20, n>40 등이 사용되고 있다. 과전류정수를 크게 하려면, CT의 철심단면적을 크게 하는 방법, 권회수를 많이 하는 방법 및 두 가지를 같이 이용하는 방법 등이 있다.

11. 과전류강도

변류기에 정격부담, 정격주파수에서 1차정격전류의 어
떤 배수만큼의 전류를 1초간 흘려서 열적, 기계적으로 손 상되지 않을 때, 1차정격전류에 대한 이 전류의 배수를 과전류강도라고 한다. 변류기의 정격과전류강도는 40, 75, 150, 200 등이 있다.

12. CT 포화 (Saturation)

변류기의 1차 권선을 개방하고 2차 권선에 정격주파수 (60Hz)의 교류전압을 서서히 증가시키면서 2차 여자전류를 측정하면 2차여자포화곡선이 그려진 다. 포화되기 직전의 2차 여자전압, 즉 2차 여자전압이 +10 % 증가할 때 2차 여자전류가 +50 % 증가 되는 점을 Knee point라고 하며 이때 전압을 Knee point voltage라 한다. Knee point voltage가 높은 특성의 CT를 계전기에 사용하여야 큰 고장전류에서도 확실한 보호계전기 동작을 기대할 수 있다.

13. 보조변압기 (Auxiliary Potential Transformer)

계기용 변압기의 2차전압을 다시 올리거나 내리려는 경우 계기용 변압기 2차에 별도 P.T를 연결하는데 이때의 PT를 Aux.P.T라 한다.
이러한 경우 보조변압기의 1차 및 2차권선의 Imp가 가해져 전압강하를 증가시키므로 총합적인 오차가 커진다.
또한 계기용 변압기에 대한 부담변화도 현저하게 커져 전체오차를 크게 한다. 즉 보조 PT를 사용하는 경우 부담 Imp는 보조변압기의 변압비의 제곱에 반비례한다.

14. 절연방식에 의한 분류

1) 몰드형 계기용변성기 흡습에 의한 절연파괴를 방지하기 위한 목적으로 몰드형 계기용변성기를 사용하는데 몰드용 재료로는 합성수지 또는 고무가 사용된다. 몰드방법에는 변성기의 권선만 하는 방법과 권선 및 철심을 동시에 몰드하는 방법이 있다.
즉 1차 권선에 밀착하여 2차 권선을 감은 후 1차와 2차를 합성수지 또는 합성고무로 완전히 밀폐하여 전체를 성형한 구조의 변성기를 말하며 주로 30kV 이하 소용량의 전력계통에 사용한다.

2) 유입형 계기용변성기
1차권선에 환형의 2차권선을 감고 절연유를 사용하여 1 차와 2차권선사이의 절연을 유지하고, 외형을 철조형 또는 애자형구조로한 변성기를 말한다. 우리회사에서는 66 kV 이상의 계기용 변성기에 주로 사용하고 있다.

15. 3권선 계기용 변압기

1차, 2차 및 3차권선을 가지고, 2 차 및 3차권선에서 각각 다른 전압을 얻을 수 있도록 제작된 PT를 3권선 계기용변압기라고 한다. 주로 우리계통에 서는 1차측은 Y로 전력계통에 접속하고, 2차측은 Y로 결선하여 단락계전기에 사용하며, 3차측은 Open delta로 결선하여 지락계전기에 사용한다.

16. 광학식 전압변성기 (OVT : Optical Voltage Transformer)

광학식 전압변성기는 전압에 의해 발생하는 전계의 변화에 따라 광의 위상특성(전기광학효과) 이 비례적으로 변하는 성질을 이용한 전압측정 센서이다 전기광학효과(Pockels effect)소자로서 BSO, BGO, LiNbO 3등이 주로 사용되며 광이 가지는 고유특성으로서 절연특 성, 주파수 특성이 우수하고 절연성능저하 및 단락에 의한 사고위험이 없어 광학식 전류변성기와 더불어 높은 신뢰 성이 요구되는 전류/전압 측정 시스템에 주로 활용된다

17. 전자식 전압변성기 (EVT : Electronic Voltage Transformer)

디지털 변전소 등의 디지털 또는 전자 측정계기, 미터 또는 유사 장치에 적합하도록 1차 전압(U pm )에 대하여 2 차측이 1.625, 2, 3.25, 4, 및 6.5V의 아날로그 또는 디지털 전압 신호로 출력되며 옴(ohm) 단위의 정격부담을 갖는 변성기를 전자식 전압 변성기라 한다. 계기용 및 보호용 으로 사용되며 저항 또는 용량형으로 분압되는 1차 변환 기가 전자적인 구성요소와 함께 구성되며 다상 또는 다채널 2차변환기가 연결되는 병합장치(Merging Unit)를 통하여 IED와 같은 하나의 접속장치로 연결된다.

18. 콘덴서형 전위변성기

1) C.C.P.D (Coupling Capacitance Potential Device)
전압변성기의 일종으로 고전압을 일단 콘덴서를 사용하여 분압한 후 분압된 전압을 한번 더 변압기로 강압하여 2차출력을 얻도록 되어 있는 것을 C.C.P.D라 하며, 일반적 으로 사용하고 있는 공진형에서는 부담과 직렬로 들어있는 공진 Reactor가 내장되어 있다. 이 공진 Reactor의 Reactance X L 은 등가회로에 표시된 Condenser reactor를 X C1 , X C2 라 하면 X L ＝(X C1 ․X C2 )/ (X C1 ＋X C2 )이 되도록 조정되어 있다.

2) B.C.P.D (Bushing Capacitance Potential Device)
전압변성기의 일종으로 고압력을 일단 콘덴서를 사용하여 분압한 후 분압된 전압을 다시 변압기로 강압하는 것은 C.C.P.D와 같으나 C.C.P.D의 Coupling Condenser(주 콘덴서) 대신에 Bushing의 대지간 정전용량을 사용하는 것을 특히 B.C.P.D라 하며, C.C.P.D보다 경제적이긴 하나 2차부담이 적다.

19. CVT (CPD)

CVT는 일반적으로 고전압의 전압계측용에 사용하는데 그 이유는 고전압을 직접 권선형 계기용 변압기로 하면 대형 또는 고가가 되기 때문에 먼저 콘덴서의 조합으로 고전압을 1차 분압하고 이 분압전압 또는 권선형 계기용 변압기에 의하여 다시 강압하여 2차, 3차전압을 110/ √3 , 110/3V로 사용한다.

20. PT 극성 (Polarity)

변성기 1차 전압의 방향에 대하여 2차전압의 방향을 나타내는 특성을 극성이라 한다. 극성에는 감극성과 가극성 2가지 종류가 있으며 우리 전력계통에서는 감극성을 표준 으로 하고 있다. 감극성 표시는 U단자에 ＋전압이 가해지면 2차전압의 ＋측은 u단자로 나타난다.
극성을 확인하기 위한 극성시험 방법은 V단자와 2차측의 v단자를 연결하고 U단자와 u단자에 직접 AC전압계를 연결한 다음 1차측 전압 -2차측 전압이면 감극성, 1차측 전압 ＋2차측 전압이면 가극성이다.

21. 위상오차 (Phase Error)

계기용변성기에서 1차입력 벡터와 2차입력 벡터사이의 위상각차를 위상오차라 한다. 계기용변압기(PT 또는 PD) 에서의 위상오차는 1차단자 전압 벡터와 2차단자 전압의 역벡터사이의 위상각차를 말하며, 2차전압 역벡터가 1차 전압 벡터보다 앞설 때를 위상오차가 정(正)이라 한다. 변류기(CT)의 경우 위상오차는 1차전류 벡터와 2차전류 벡터사이의 위상각차를 말하며, 이때의 위상각차는 변류기 여자전류에 기인되며, 2차부담이 Inductive 부담일 경우는 2차전류와 여자전류의 거의 동상이기 때문에 위상오차도 적게 된다. 계기용변성기에서의 위상오차에 대한 규격은 각종규격(ANSI, BS, JEC 등)에 명시되어 있으나 보호계 전기용의 경우 일반적으로 ±360분(2도) 미만으로 사용되고 있다.