계기용변성기

1. 일반사항

계기용변성기(Instrument Transformer)는 고전압, 대전류의 1차 적인 전기량을 측정하는, 전력계 또는 보호계전기 등의 접속장 치에 적합한 2차적인 전압 및 전류로 바꾸어 주는 전기기기로서, 변 류기(Current Transformer, CT), 계기용변압기(Potential Transformer, PT) 및 계기용변압변류기(Combined Voltage and Current Transformer, PCT)로 나누어진다.

계기용변성기는 그 사용목적에 따라 전력의 계량, 선로보호 및 전력 사용상의 관리 및 제어 등 전력계통을 운영하는데 있어 매 우 중요한 위치를 차지하므로, 선로의 이상전압에 대하여 충분 한 절연강도를 지니고 최후까지 성능을 발휘하여 그 역할을 완 전히 수행할 수 있도록 설계, 제작되어야 한다. 특히 이들의 특 성은 보호계전기의 동작에 커다란 영향을 주므로 변성기의 전류 비, 전압비, 오차, 접속방법 등에 관한 정확한 이해가 필요하다.

 

가. 계기용변성기의 종류

(1) 계기용변류기(CT)

- 권선형 계기용변류기

- 막대형 계기용변류기

- 관통형 계기용변류기

- 공심형 변류기(LC)

- 영상 변류기(ZCT)

(2) 계기용변압기(PT)

- 권선형 계기용변압기

- 콘덴서형 계기용변압기

(3) 계기용 변압․변류기(PCT)

- 권선형 변압․변류기(PCT)

- 거래용 변압․변류기(MOF)

 

나. 계기용변성기의 기능

(1) 절연

1차측의 고전압 대전류 회로를 계측기나 계전기가 접속된 2차 측과 전기적으로 절연하여, 인체에 위험이 없고 취급이 편리한 저전압 소전류로 바꾸어 줄 수 있도록 완전 절연되어야 한다.

(2) 측정범위의 확장

대전류 고전압을 직접 측정하는 것은 위험하고 어렵기 때문에 측정이 용이하고 편리한 5A와 110V로 낮추어 측정하는 표준계 기로서 광범위한 전압, 전류를 자유로이 측정할 수 있다. 측정 범위의 확장과 절연이 계기용변성기에서 중요한 두가지 사용목 적이며, 이 조건을 합리적으로 만족하는 구조를 가지도록 계기 용변성기를 설계, 제작하는 것이 필수적이다.

(3) 계기 및 계전기의 표준화

1차측의 전류와 전압에 관계없이 2차측을 5A, 110V로 표준화 하여 계기의 종류를 통일하고 생산과 사용이 용이하다.

(4) 정밀측정

고전압 대전류를 측정하기 쉬운 전압, 전류로 변성하기 때문에 정밀한 계측이 가능하다. 또한 다중비의 계기용변류기를 사용 하면 언제나 정격전류 부근에서 계기를 사용할 수 있기 때문에 정밀하게 계측할 수 있다.

(5) 각종 제어

고전압 대전류로부터 멀리 떨어진 배전반에서 통합계측이나 계 전이 가능하며 저전압, 소전류이므로 각종 제어기나 컴퓨터등 과 조합하여 원격자동제어를 실시할수 있다.

 

다. 계기용변성기의 특징

변압기와 구조는 같으나 앞서 기술한 사용목적을 만족하기 위 하여 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

① 일반 전력용 변압기에서 용량을 좌우하는 것은 주로 온도 상승이지만 PT 와 CT의 용량을 제한하는 것은 주로 오차 정도인 오차계급이다.

② PT의 권선도체는 정격부담 전류에 의한 온도상승에서 결 정된 굵기 보다 굵은 도선을 사용해야 하고, CT의 철심 자 속밀도는 일반 변압기의 경우보다 어느 정도 낮아도 된다.

③ 철손 및 여자전류가 오차에 큰 영향을 주기 때문에(CT의 오차는 여자전류만에 의해서 결정됨) 이들이 증가하지 않 도록 제작이나 취급상의 주의가 요구된다.

④ 보상권선(Back Turn)을 실시하므로 전압비, 전류비, 권수 비는 보통 일치하지 않는다.

⑤ 각종 오차보상법이 이용되며, CT의 경우 과전류정수나 과 전류내력이 특히 중요하다.

⑥ 사용중 CT의 2차측은 절대로 개방해서는 안된다.

 

라. 계기용변성기의 구분

계기용변성기는 사용목적, 절연방식 및 구조등에 따라 아래표 와 같이 분류할 수 있다. 옥내용은 배전반실이나 배전상자 내 에서 사용되기 때문에 전압은 20kV 이하가 많으며, 대부분 기 름을 사용하지 않아 화재나 폭발의 위험이 적은 건식의 몰드형 절연방식이 많이 사용되고 있는 추세이다.

 

계기용변성기의 구분

장 소	절 연 방 식		구 조		상 수	주 파 수
옥내용	건식형	-일반건식 -Compound형 -Mold형(고무,수지) -Gas 주입형	통기형	-Tank형 -외관형	단상	상용주파수 (50, 60Hz)
옥외용	유입형(광유, 불연유)		밀폐형	-단일형 -Gasket형 -Bushing형	삼상	고주파수

 

몰드형 절연방식의 분류와 특징

합 성 수 지 (에폭시수지계)	- 흡습에 의한 절연열화가 적다. - 절연이 필요한 코일의 미세부분까지 수지가 침투, 기포가 없는 완전 충진이 가능하여 절연 신 뢰도가 크다. - 생산에 적합하며, 제품의 치수 정밀도가 높다. - 소형, 경량으로 설치장소나 부착 방향의 제한이 없으며, 보수 점검이 용이하다. - 난연성으로 화재나 폭발의 위험이 없다.
합 성 고 무 (부틸 고무계)	- 태양광이나 코로나에 대한 내력이 크다. - 기계적 충격에 매우 강한 특성을 가진다.

 

(1) 건식형 변성기

건식형은 옥내의 수전반, 동력반 등에 널리 사용되고 있으며 그 형식은 개방형, 밀봉형, 몰드형, 부싱형, 케이블관통형 등 장

착장소와 회로전압에 따라 적정한 것을 선정한다.

(2) 유입식 변성기

유입식 변성기는 고전압, 옥외 변전소 등에 사용되고 개방형,

밀봉형이 있으므로 설비장소와 회로전압에 따라 선정한다.

(3) 가스 봉입식 변성기

건식 변성기의 한 종류로서 가스절연 변전설비에 내장하는 경우에 채택한다.

 

마. 계기용변성기의 용어해설

(1) 계기용변성기(Instrument Transformer)

전기계기 또는 측정장치와 함께 사용되는 전류 및 전압의 변성 용 기기로 서, 고전압 회로의 전압 계측용 변압기(PT 또는 PD) 및 고전압 또는 대전류회로의 전류 계측용 변류기(CT)의 총 칭이다.

(2) 변류기(Current Transformer)

어떤 전류값을 이것에 비례하는 전류값으로 변성하는 기기

(3) 1차권선(Primary Winding)

계기용변성기의 1차측 권선으로서 측정대상인 고전압 또는 대 전류가 공급된다.

(4) 2차권선(Secondary Winding)

계기용변성기의 2차측 권선으로서 계측에 적당한 전압(110, 110/√ 3, 110/3V) 또는 (5, 1A)로 변성하여 2차회로에 공급한다.

(5) 2차회로(Secondary Circuit)

계기용변성기의 2차권선에 의해 공급되는 계기, 계전기 등의 외부장치 회로이다.

(6) 최고허용 연속동작 전압

(Maxium Permitted Continuous Operating Voltage)

규정조건하에서 성능을 보증할 수 있는 최고의 회로전압으로 절연구성상 정상동작 조건하에서 발생하는 최고 공급계통 선간 전압의 실효치(kV)로 나타내며, 공칭전압의 약 105 ～ 110%로 되어 있다. 외부요인에 기인된 전압과도현상이나 급작스런 전 압변동은 고려되지 않는다.

(7) 변성비(Transformation Ratio)

① 공칭변성비(Kn) : 정격1차전류와 정격2차전류와의 비 또는 정격1차전압과 정격2차전압과의 비(예, 100A/5A, 6000V/110V)

② 실제변성비(K) : 실제로 1차권선에 가한 전류 또는 전압과 2차권선에서 공급되는 전류 또는 전압과의 비

(8) 비오차(Error Ratio)

비오차란 공칭변성비(Kn)와 실제변성비(K)의 차를 실제변성비 (K)로 나눈 백분율이다.

비오차 = Kn-K / K x100%

(9) 합성오차

계기용변성기가 전기계측기 또는 측정장치에 영향을 미치는 오 차, 1개 또는 1개조의 계기용변성기의 비오차와 위상각에 의한 오차를 합성한 것을 말한다.

(10) 총합오차(Total Error)

계기용변성기를 전기계기와 조합하였을 경우 합성오차와 설계 설비오차의 전체오차를 말한다.

(11) 위상각(Phase Angle)

1차측 전류 또는 전압벡터와 180도 회전된 2차측 전류 또는 전 압벡터 간의 상차, 180도 회전된 2차측 전류 또는 전압벡터가 앞선 경우의 위상각을 정으로 하고 분으로 표시한다.

(12) 부담(Burden)

계기용변성기 2차회로에 접속되는 부하로서 그 소비전력과 역 율에 의해 피상전력[VA]으로 표시된다. 이때, 부하에 이르기까 지의 전선 전압강하 부담율을 포함시켜야 한다.

① 정격부담 : 정격조건하에서 성능을 보증할 수 있는 부하 [VA]로서, 역율 cosθ = 0.8에서 오차한계 특성을 나타낸다.

② 동작부담 : 변류기에서는 Ohm과 부담역율 cosθ의 항으로 나타낸 2차 회로의 어드미턴스이다.

(13) 정격주파수(Rated Freguency)

정격조건하에서 성능을 보증할 수 있는 변성기 설계상의 주파 수이며, 명판에 [Hz]로 표기한다.

(14) 정확도(오차)계급(Accuracy Class)

정격 조건하에서 비오차의 한도를 나타내는 계급으로서 용도와 적용규격에 따라 오차계급을 선정한다.

(15) 절연계급(Insulation Level)

절연의 강도를 나타내는 계급으로 공칭전압 275[kV]이하에 대 해서는 상용주파 및 뇌 임펄스의 내전압, 공칭전압 500[kV]에 대해서는 상용주파, 뇌 임펄스, 장시간 상용주파 내전압을 나타 내는 계급으로 구분된다. 계통회로의 절연협조에 의해 결정한다.

(16) 부분방전 시험(Partial Discharge Test)

계기용변성기의 절연성능 시험으로 고체로 절연된 변성기에 대 해 Vm = 7.2[kV]를 초과하는 전압인 경우 검수시험으로 부분 방전 시험이 필요하다.

부분방전은 시험 대상물에 전압을 인가할 때 발생하는 약하고 간헐적인 전기적 방전으로서, 인가전압이 절연물의 부분방전 개시전압을 초과하면 방전이 발생하고 비교적 높은 전계가 금 속부 말단이나 절연물 내부의 결함부위 및 가스 함유된 공극 부위에 집중되어 열에너지와 화학적 에너지에 의해 절연특성 의 열화가 초래될 수 있다. 따라서 부분방전의 측정을 통해 절 연물의 균질성 검사나 내부결함 및 공극의 존재 여부를 판정할 수 있다.

(17) 사용조건(Operating Conditions)

계기용변성기는 다음 조건하에서 사용하는 것이 적절하다.

① 주위온도 : 최고사용온도 40℃, 최고24시간 평균온도 35℃ 최저온도옥내용 -5℃, 옥외용 -25℃

② 상대습도 : 옥내용 70%, 옥외용 100% 까지

③ 표 고 : 해발 100m 이내, 설치표고가 100m를 초과하는 경우 절연능력의 감소를 고려해야 한다.