계기용변류기
변류기는 소전력 변압기로서 1차권선이 주회로를 이루고 2차 권 선은 접속되는 계기, 전력계, 계전기 및 제어기기등을 통해 회로 적으로 차단되어 있다. 계기와 보호회로를 1차측과 절연시키고, 변류기의 과전류 특성 에 따라 과부하에 대해 장치들을 보호 한다. 변류기는 상호간에 자기적으로 완전 절연된 동일 또는 상 이한 특성을 가지는 철심으로 된 다수의 2차권선을 가질 수 있 다. 예로서 상이한 오차계급을 가지는 2개의 철심이나 상이한 과전류 정수를 가지는 계기용과 보호용 철심으로 구성되어 있다.
1. 변류기의 기본원리
변류기의 기본 원리도로서 2차측이 단락된 형태의 변압기이다. 변류기의 1차전류는 1차회로의 부하 전류로서 흐르 고 2차권선에 부하를 걸고 1차측에 자속에 대하여 2차 전류자속 이 이를 없애는 방향(감극성)으로 자기회로가 구성되어 있다. 따라서 변류기의 2차 회로가 개방되어 있으면 2차회로 자속에 의한 감극성이 없어져 1차측자속을 없앨수가 없으므로 철심이 과여자 되어 과열 온도상승 및 과전압 절연파괴로 소손에 이르 게 되므로 매우 주의하여야 한다.
여자전류를 무시하면 1차전류를 권수비로 나눈 2차전류가 2차측 에 흐른다.
1차전류 I1
즉, 2차전류 I2 = --------------------
권수비 N2/N1
정격1차전류I1 N2
변류비 = ----------------------------=------- = 권수비
정격2차전류I2 N1
위식이 정확히 성립하지 않는 것은 여자전류 때문이며 양질의 철심을 사용하여 여자전류를 줄여야 하고, 또한 보상권선이나 오차보상법을 실시해야 한다.
CT에서는 1차전압이나 2차전압은 중요치 않고 전류비가 중요하 며 여자전류는 정확한 전류비를 유지하는데 방해가 된다. 결국 오차가 적은 CT를 얻으려면 여자전류를 줄이는 것이 선결과제 이다.
CT 구조와 접속도
2. 변류기의 형식
(1) 권선형변류기
권선형변류기는 소, 중전류용으로 널리 사용된다. 권선형 변류기의 원리도로서 동일철심에 1차권선과 2차권선 이 감겨져 있으며, 보통 1차권선은 단면적이 큰 동선을 사용하 고 필요에 따라 권선수를 2회 이상으로 할 수 있기 때문에 저 전류특성을 좋게 할 수 있다.
(2) 막대형변류기
막대형변류기는 주로 대전류용의 동력반, 수전반 등에 사용된다. 막대형변류기의 원리도로서 동일철심에 1차권수 N1 = 1회인 막대모양을 하고 있으며, 이 경우 2차 전류는 다음 과 같다.
1차 전류 I2 1차전류 I1
2차 전류 I2 = ------------------------- = ------------------
권수비N2/N1 2차권수N2
(3) 관통형변류기
관통형변류기는 비교적 중, 대전류 회로에서 주로 사용하며 1 차 도체를 관통하여 수전반, 부싱형, 영상용 등에 사용된다. 고리 모양의 철심을 가지며 1차 도체를 철심중앙에 관통시키거나 1차 도체의 부싱 외주에 짜넣어 사용한다. 특히 1차 도체의 부싱 외주에 철심을 넣어 사용하는 것을 부싱변류기라 한다. 2차 전류는 막대형과 동일 하다.
(4) 공심형변류기(LC)
철심이 없는 관통형변류 기의 일종이며, 1차 - 2차회로를 결합하는 자기회로가 공심으로 되어 있어 일명 리니어 커플러(LC : Linear Coupler)라 한다.
철심이 없는 관계로 1차전류와 2차전류의 비율특성이 철심에 의한 포화 가 없어 직선으로 되어 대전류 회로의 모선 보호계 전기등의 특수용도에 사용된다.
공심형변류기는 자기회로의 철심이 없기 때문에 모선 단락시 대전류 특성이 좋고, 2차 회로가 단시간 개방되어도 여자에 의 한 소손의 염려가 없어, 전로 모선회로의 전환에 수반되는 변 류기 1차회로 전환이 용이하다는 이점을 가지고 있다.
(5) 영상변류기(ZCT)
케이블 관통형과 3상 변류기형이 있으며 접지전류 검출용으로 사용된다. 영상변류기는 1차측이 3개의 도체로 되어 각 도체에 한 상식 전 류가 흘러 3상회로 각 선전류의 벡터합인 영상용 전류를 검출하 는 것이다. 이 방식은 3개의 CT로 잔류회로에서 영상전류를 얻 는 방식에 비해 한개의 철심만을 가지므로 철심의 특성차이에 의한 오차출력이 적어 고감도의 지락전류 검출 전용의 변류기로 사용된다. 영상변류기의 표준전류는
- 정격 1차 영상전류 = 200㎃
- 정격 2차 영상전류 =1.5㎃ 및 3㎃로 되어 있다.
영상변류기의 K 및 L권선은 영상 1차측 전류의 보상용 권선으 로 영상 전압에 비례한 보상 전류용으로 설치되어 있다. 케이블 관통형 영상변류기는 1차 도체로 케이블을 관통시켜서 영상전류를 검출한다. 이 경우 중요한 점은 케이블 실드 접지 선을 영상변류기에 관통시켜 접지하는 일이다.
보통 ZCT는 비접지 배전선의 지락보호를 위해 선택지락계전기 SGR (Selective Ground Relay)와 함께 쓰인다.
(6) 3차 권선부 변류기와 다중철심형 변류기
3차권선부 변류기의 원리도로서 동일철심상에 2 차권선외에 3차권선을 설치한 구조이다. 3차권선은 3차영상분 으로 쓰이는데 고저항 접지계에서 정격 1차전류가 400A이상인 CT 에서 사용되는 경우가 많다.
다중 철심형변류기의 원리도로서 2개 이상의 CT가 같은 외함에 들어 있으며 1차 도체는 공동으로 사용한 다. 사용목적에 따라 CT를 별개로 나누어 쓰는데 경제성과 설 치장소의 절약을 목적으로 한다.
(a)권선형변류기 (b)막대형변류기 (c)관통형변류기 (d)공심형변류기
(e) 영상변류기 (f) 3차권선변류기 (g)다중철심변류기
3. 계기용변류기의 선정
전기설비 설계에서 계기와 보호계전기 설비를 설계하기 위해 계 기용변성기의 정확한 선정이 반드시 요구된다. 즉, 사용목적, 사 용장소, 회로전압, 계기 및 계전기의 종별, 2차 부담 등의 사항 을 고려하여 적절한 시방을 결정해야 한다.
(1) 절연구조의 선정
건식, 유입식, 가스봉입식이 있다.
(가) 건식형 변류기
옥내 수배전반 등에 널리 일반적으로 사용되고 장착장소, 최 고전류, 최고전압 등에 따라 적당한 것을 선정하며 몰드형, 관통형, 붓싱형, 케이블관통형 등이 있다.
(나) 유입식 변류기
고전압, 옥외변전소 등에 사용되고 최고전압, 설비장소를 생각 하여 선정하며 개방형과 밀봉형이 있다.
(다) 가스봉입식 변류기
가스봉입식도 건식의 한가지로서 가스절연 변전설비등에 내장하는 경우에 채택한다.
(2) 사용목적
계기용변류기의 사용목적에 따라 일반계기용, 보호계전기용 및 전력수급 용이 있으므로 용도에 따라 선정한다.
(3) 변류기의 접속방법
계기용변류기의 접속은 사용목적에 따라 일반계측이나 보호계 방식(모선, 송전선, 배전선, 발전기, 변압기, 전동기 등의 보호) 에 적합한 계기용변류기의 대수와 접속방법을 선정하여야 하 며, 이때 2차부담(VA)도 산정한다.
변류기의 접속방법
단상식 | ∙CT×1대 |
3상식 | ∙CT×2대 - 교차식 ∙CT×2대 - Vruftjs ∙CT×3대 - Yruftjs ∙CT×3대 - Δ결선 ∙CT×3대 - 3차부 Yruftjs |
영상식 | ∙영상CT×1대 ∙영상CT×1대 - 케이블관통형 ∙영상CT×1대 - 케이블관통형보상부 ∙중성점CT×1대 |
4. 변류기의 정격
(1) 변류기의 형식
사용목적, 회로전압, 설치장소 등에 따라 변류기의 형식을 결정 한다.
○ 권선형변류기 ○ 관통형변류기
○ 케이블관통형변류기(영상변류기) ○ 붓싱형변류기
(2) 최고 회로전압
사용하려는 회로전압에 의해 적용규격을 참조하여 결정한다.
(3) 정확도(오차)계급
변류기의 오차계급을 말하는 것으로 사용목적에 따라 계기용, 보호계전기용, 지락 계전기용으로 구분하고, 2차부담에 따라 각 종 규격별 오차계급과 한계를 참조하여 정확한 정확도계급을 선정한다. 일반적으로 정격부담이 커지면 오차가 증가하는 경향을 가진다.
(4) 절연계급
설치회로의 절연현조에 의하여 각종 규격별 절연계급을 참조하여 선정한다.
(5) 정격부담
변류기에 접속되는 계기 및 계전기의 소비전력(VA)에 의해 2 차회로의 부담을 산정하고 각종 규격별 정격부담을 참조하여 선정한다. 이때 2차회로의 케이블 부담을 반드시 포함하여 2차 회로의 부담을 산정한다.
(6) 정격전류
정격1차전류는 최대 부하전류보다 1.25 ～ 1.5배 높게 선정하는 것이 바람직하다. 정격2차전류는 통상5A가 표준이며, 변류기의 2차측에 접속되는 계기 및 계전기의 정격전류를 고려하여 선정 한다. 단, 영상변류기의 1차 표준정격전류는 100～200A, 정격영상1차전류는 200mA, 정격영상2차전류는 1.5mA이다.
(7) 과전류 강도의 선정
변류기 설치회로의 최대 단락전류인 3상 단락전류를 우선 산정 하고 이에 변류기가 절연파괴 온도에 도달하지 않고 1초 동안 견딜 수 있는 최대전류인 과전류 강도를 선정한다. 단시간 내전류는 1차측 권선에 열적인 영향을 줄 뿐만 아니라, 단락 사고시 최초의 최대전류는 대략 It의 2.5배에 이르며 이 최대전류는 1차측 권선의 각 권선사이와 각 상간에 전자기력을 일으킨다. 그러므로 변류기가 단시간 열적 과전류뿐만 아니라 기계적 과전류에도 견딜 수 있는 능력을 가지도록 정격 과전류 강도를 반드시 확인하여 선정하여야 한다.
(8) 과전류 정수
일반 계기만 사용할 경우에는 필요치 않고, 계전기를 사용하는 경우에 계통의 보호방식 및 계전기의 특성에 따라 결정한다.
(9) 사용상태
주위온도가 최고 40℃, 최저온도는 옥외용의 경우 -25℃ 옥내 용은 -5℃의 범위를 넘지 않으면서, 24시간 주위 평균온도가 35℃이하이고, 설치장소의 표고가 1000m를 넘지 않아야 한다.
상기 사용상태 이외의 특수 사용상태에서 사용하고자 할 때에 는 제작사와 협의하여 제작 사용한다.
5. 변류기의 특성
(1) 변류기의 부하특성
변류기의 오차를 계산하려면 반드시 변류기 부담(Burden)을 계 산해야 한다. 변류기의 2차측에 걸리는 외부 임피던스를 부담 이라 하며, 이 부담은 변류기에 2차 정격전류를 흘렸을 때 부 하임피던스에서 소비되는 볼트, 암페어(VA)로 표시한다.
즉, VA = IN2 × ZB 이며, 여기서 부하 임피던스는 2차회로에 연결된 계전기 등의 임피던스와 접속전선의 임피던스를 합한 것이다. 임피던스가 2배로 되면 단자전압은 2배로 되고 부하의 크기도 2배로 된 다. 즉 임피던스와 부하는 비례관계에 있으 며 부하는 또한 임피던스로 나타낼수 있다. 예를 들어, 40VA가 2차 부하라고 하면 정격 2차전류가 5A일 때 부하의
∙ 단자전압은 40÷5 = 8V
∙ 임피던스는 8÷5 = 1.6Ω
역률이 0.8일 때
∙ 저항분은 1.6×0.8 = 1.28Ω
∙ 리액턴스분은 1.6×0.6 = 0.96Ω이다.
부하에는 2차접속선의 임피던스가 포함되므로 2차접속선이 긴 경우는 정격부하에서 2차도선의 임피던스를 빼주어야 한다. CT 의 부하는 계기나 계전기의 임피던스와 2차접속 도선의 임피던 스 합이 되므로 계기나 계전기를 다수 사용하는 경우 이것들을 직렬로 접속하며 역률각이 다른 부하를 합성하는 경우는 직렬 임피던스의 합성과 같다.
(2) 변류기의 오차특성
(가) 오차 계산식
변류기의 오차는 비오차와 위상각으로 나타내는데, 비오차는 CT의 실제 변류비(1차전류/2차전류)가 명판에 표시된 공칭변 류비에 대해 얼마나 차이가 있는가를 나타내는 것이며, 위상 각은 1차전류와 2차전류가 정확히 동상이 아니며 그 사이에 위상차가 있을때 그 각도가 위상각이 된다.
위상각은 2차전류가 앞서는 방향을 정(+), 뒤지는 방향을 (-) 로 한다. 이들은 허용오차 시험으로 실측하지만 다음 계산식 으로 계산할 수 있다.
Kn : 공칭 변류비, K : 측정한 실 제변류비(I1/I2)라 하면
Kn - K
비오차 ε = ----------------- × 100% 이며
K
공칭변류비 = 1인 경우는 Kn = 1이므로
비오차 ε = -100/I1(I1 - I2)[%] 로 된다. θ는 적으므로
I1 - I2 ≒ BD = BE + ED = Ii cosφ2 + Im sin φ2
비오차는 다음과 같이 된다.
비오차 ε = - 100/I1(Imsinφ2 + Ii cos φ2)[%]
비오차를 보상하기 위하여 2차 권선수는 공칭변류비로 구한 권선수 N2보 다 어느 정도 적은 권선수인 N2'로 감해진(N2 - N2')의 감권을 백분율로 나타내어 보통 1%정도로 한다.
따라서 비오차의 계산식은 일반적으로 다음식이 이용된다.
ε = -100/I1(Im sin φ2 + Ii cos φ2) + β[%]
(감권 β = (N2-N2') × 100)
(나) 여자특성을 이용한 비오차 계산
CT의 2차 유기전압 Vs(r.m.s)는 다음식으로 구할 수 있다.
Vs = Is(Zs + Zlead + ZL)
여기서, Zlead 는 연결도선의 부하임피던스, ZL은 부하임피던스 이다.
(다) 오차 계급
CT의 오차정도를 구성하는 오차계급에는 일반계기용, 정밀계 측용, 보통계측용 겸 배전반용, 배전반 계기용으로 나누어지며, 비오차 및 위상각의 허용범위는 그림 3-4에 나타낸 것과 같다.
정격 주파수에서 정격부하의 100%와 25%(단, 정격2차 전류가 5A이고 정격부하가 5VA의 CT는 2.5VA) 사이의 임의의 부하 (역율0.8뒤짐)로 시험할 때에는, 그림의 (+),(-)허용범위의 내에 들어가면 좋다.
1) 계기용변류기
정격전류 및 그 이하의 전류에 대한 허용오차의 계산에 따른 계급은 정격부하에서 정격전류의 여자전류가 약 1.0% 이하인 경우 대체로 1.0급이면 우수하고, 오차보상을 하여 여자전류 가 1.0%보다 클 경우에도 1.0급을 쓸 수 있다.
계기용 철심의 주요특성은 다음과 같다.
ㅇ 전류범위 : 정격전류의 5～120%
ㅇ 높은 정밀도
ㅇ 낮은 부하
ㅇ 낮은 포화전압
ㅇ 계기보호 관전류정수(FS) : 정격전류의 배수를 나타내는 관전류정수
이 정수를 초과하는 과전류가 흐를 때 계기용 변류기의 철심 이 포화되어 정수이상의 전류가 흐르지 못하도록 하여 2차 측에 연결된 계기를 보호해주는 과전류 배수이다. 이 정수는 최대값으로 표기한다.
2) 보호계전기용 변류기
계기용 CT에서는 정격전류 이하의 특성만으로 충분하지만, 계전기용 CT경우는 단락시 큰 전류를 충분히 변성하여 과전 류계전기를 동작시켜야 하고, 또한 차동보호의 경우는 과전 류가 흐를 때 CT의 비오차에 차이가 있어도 오동작의 원인 이 되기 때문에, 과전류 영역의 비오차 특성이 양호함과 동 시에 특성의 변화가 적은 것이 필요하다. 이 변류기는 정격 전류 이상에서만 작동하며, IEC 등급은 5P와 10P가 있다.
주요특성은 다음과 같다.
○ 낮은 정밀도(계기용변류기보다 오차가 크다)
○ 높은 포화전압
○ 권회수 조정이 없다
6. 변류기의 측정범위
변류기의 표준측정 범위는 정격전류의 1.2배(1.2 In)에서 연속적 으로 운전할 수 있어야 하며, 0.1 In ～ 1.2 In의 범위에서 그들 계급에 대한 오차한계를 유지할 수 있어야 한다.
200%범위로 확장된 변류기는 2.0 In에서 연속적으로 동작할 수 있어야 하며, 0.05 In ～ 2 In의 범위에서 그들 계급에 대한 오차 한계를 유지할 수 있어야 한다. 150%의 경우도 유사하다.
단, 150%와 200%로 확장된 변류기의 1차측과 2차측은 정격전류 의 1.5배와 2배로 설계된다. 결국 변류기의 크기와 1차측 결선은 확장범위에 따라 달라진다.
※ 변류기의 2차회로는 운전중에 절대로 개방되어서는 안 된다. 높은 전류에서 사용하는 경우 2차측 개방시 고전압이 발생할 수 있으며, 따라서 사람이 접촉할 수 있는 변류기의 모든 비활성 금속부분은 반드시 영구적인 접지를 하여야 한다. 2차권선중 한 단자는 반드시 접지되어야 한다.
7. 변류기의 이상현상과 보호
CT철심의 자기회로는 2차전류 자속이 1차전류 자속을 감하도록 적정한 자기회로를 형성하고 있으므로, 만일 2차회로가 개방되 면 1차전류의 자속이 상쇄되지 않아 CT의 철심이 과여자, 과열, 절연파괴, 소손 등의 사고가 발생한다. 따라서 CT 2차회로가 개 방되지 않도록 오 결선에 유의하여야 한다.
(1) 1차회로
절연협조를 통해 1차 회로에 적정한 절연계급을 선정하고, CT 의 1차측 단락 전류는 1차 회로의 단락전류가 되므로 1차측의 최대단락 전류를 산출하여 이 단락 전류에 견디는 과전류 강도 를 산정한다.
(2) 2차회로
CT의 2차권선 단자는 부하가 없을 때는 항상 단락시켜 놓아야 한다. 즉 2차권선이 절단된 경우나 잘못하여 개방되면 고전압 을 발생하여 2차권선의 절연이 파괴되고 철손이 증가하여 철심 의 과열로 소손에 까지 이른다. 이를 보호하기 위해서는
(가) CT 2차 단자의 1선 접지
CT절연파괴등에 의하여 1차회로전압 → 2차회로 혼촉 보호등 을 위해 CT 2차측의 단자를 접지공사(고압 제3종, 특별고압 제1종)에 의하여 접지한다.
(나) CT 2차 단자간 어레스터(Arrestor)
CT 2차회로에 저압 어레스터나 고저항 등을 설치하여 회로개 방에 대비 하여야 한다.
(다) CT 2차측 병렬 보호장치 접속
2차 회로의 부하와 병렬로 보호장치를 설치하는 2차 보호장치 는 싸리스터를 이용하는 것, 피뢰기의 원판을 이용하는 것 등 이 있다. 2개의 싸리스터 SCR을 역병렬로한 회 로인 경우, 2차가 개로되어 2차전압 E2가 상승하면 다이오드 SR을 통하여 게이트 전류 Ig가 흐르고, 싸리스터가 교대로 작 동하여 2차전류(교류)가 흘러 2차는 단락상태와 같아진다.
피뢰기 원판을 사용하면 정상시 원판에 흐르는 전류는 없지 만, 2차전압이 상승하여 급격한 전류가 흐르면 과전압을 저감 함과 동시에 부속된 접점이 닫혀져 2차회로를 단락하게 되도 록 동작한다. 또한 그림 3-9는 2차단락 장치로서 부하가 절단 되면 2차전압이 상승하여 갭 G가 동작하게 되면 2차전류가 마그네트 코일M을 여자시켜 접점 S를 닫아 2차를 단락한다. 이들 보호장치는 1차측에 단락 대전류가 흐르는 경우에도 2차 측 계기의 손상을 방지하는 보호장치의 역할을 수행한다.
2차회로 보호장치 2차 단락장치
