변성기란?
1. 계기용 변성기 (Instrument Transformer)는 고전압, 대전류의 1차적인 전기량을 측정계기, 전력계 또는 보호계전기 등의 접속장치에 적합한 2차적인 전압 및 전류로 바꾸어 주는 전기기기로서, 변류기(Current Transformer, CT), 계기용 변압기 (Potential Transformer, PT) 및 계기용 변압 변류기(Combined Voltage and Current Transformer, PCT)로 나누어 진다.
계기용 변성기는 그 사용목적에 따라 전력의 계량, 선로보호 및 전력 사용상의 관리 및 제어 등 전력계통을 운영하는데 있어 매우 중요한 위치를 차지하므로, 선로의 이상전압에 대하여 충분한 절연강도를 지니고 최후까지 성능을 발휘하여 그 역할을 완전히 수행할 수 있도록 설계, 제작되어야 한다.
특히 이들의 특성은 보호계전기의 동작에 커다란 영향을 주므로 변성기의 전류비, 전압비, 오차, 접속방법 등에 관한
정확한 이해가 필요하다
2.변성기 용어
1) 계기용 변성기(Instrument Transformer)
전기계기 또는 측정장치와 함께 사용되는 전류 및 전압의 변성용 기기로서, 고전압 회로의 전압 계측용 변압기(PT 또는 PD) 및 고전압 또는 대전류 회로의 전류 계측용 변류기(CT)및 계기용 변압 변류기의 총칭이다.
2) 2차 권선(Secondary winding)
계기용 변성기의 2차측 권선으로서 계측에 적당한 전압(110, 110√3, 110/3 [V]) 또는 전류(5, 1 [A])로 변성하여 2차회로에 공급한다.
3) 변성비(Transformation ratio)
(1) 공칭 변성비(Kn) : 정격 1차 전류와 정격 2차 전류와의 비 또는 정격 1차 전압과 정격 2차 전압과의 비(예, 100A / 5A, 6000V/110V)
(2) 실제 변성비(K) : 실제로 1차 권선에 가한 전류 또는 전압과 2차 권선에서 공급 되는 전류 또는 전압과의 비
4) 비오차(Error ratio)
비오차란 공칭 변성비(Kn)와 실제 변성비(K))의 차를 실제 변성비(K)로 나눈 백분율이다. 비오차 = Kn - K × 100 [ %]K
5) 합성오차
계기용 변성기가 전기 계측기 또는 측정장치에 영향을 미치는 오차 1개 또는 1개조의 계기용 변성기의 비오차와 위상각에 의한 오차를 합성한 것을 말한다.
6) 위상각(Phase angle)
1차 측 전류 또는 전압 벡터와 180°회전된 2차측 전류 또는 전압 벡터간의 상차 180° 회전된 2차측 전류 또는 전압 벡터가 앞선 경우의 위상각을 정으로 하고 분으로 표시한다.
7) 부담(Burden)
계기용 변성기 2차 회로에 접속되는 부하로서 그 소비전력과 역율에 의해 피상전력[VA]으로 표시된다. 이때, 부하에 이르기까지의 전선 전압강하 부담율을 포함 시켜야 한다.
① 정격부담 : 정격조건하에서 성능을 보증할 수 있는 부하(VA)로서, 역율 cosθ=0.8에서 오차한계 특성을 나타낸다.
② 동작부담 : 변류기 에서는 Ohm과 부담역율 cosθ의 항으로 나타낸 임피던스이고, 전압 변성기에서는 부담 역율 cosθ의 항으로 나타낸 2차 회로의 어드미턴스 이다.
계기용 변성기는 그 사용목적에 따라 전력의 계량, 선로보호 및 전력 사용상의 관리 및 제어 등 전력계통을 운영하는데 있어 매우 중요한 위치를 차지하므로, 선로의 이상전압에 대하여 충분한 절연강도를 지니고 최후까지 성능을 발휘하여 그 역할을 완전히 수행할 수 있도록 설계, 제작되어야 한다.
특히 이들의 특성은 보호계전기의 동작에 커다란 영향을 주므로 변성기의 전류비, 전압비, 오차, 접속방법 등에 관한
정확한 이해가 필요하다
2.변성기 용어
1) 계기용 변성기(Instrument Transformer)
전기계기 또는 측정장치와 함께 사용되는 전류 및 전압의 변성용 기기로서, 고전압 회로의 전압 계측용 변압기(PT 또는 PD) 및 고전압 또는 대전류 회로의 전류 계측용 변류기(CT)및 계기용 변압 변류기의 총칭이다.
2) 2차 권선(Secondary winding)
계기용 변성기의 2차측 권선으로서 계측에 적당한 전압(110, 110√3, 110/3 [V]) 또는 전류(5, 1 [A])로 변성하여 2차회로에 공급한다.
3) 변성비(Transformation ratio)
(1) 공칭 변성비(Kn) : 정격 1차 전류와 정격 2차 전류와의 비 또는 정격 1차 전압과 정격 2차 전압과의 비(예, 100A / 5A, 6000V/110V)
(2) 실제 변성비(K) : 실제로 1차 권선에 가한 전류 또는 전압과 2차 권선에서 공급 되는 전류 또는 전압과의 비
4) 비오차(Error ratio)
비오차란 공칭 변성비(Kn)와 실제 변성비(K))의 차를 실제 변성비(K)로 나눈 백분율이다. 비오차 = Kn - K × 100 [ %]K
5) 합성오차
계기용 변성기가 전기 계측기 또는 측정장치에 영향을 미치는 오차 1개 또는 1개조의 계기용 변성기의 비오차와 위상각에 의한 오차를 합성한 것을 말한다.
6) 위상각(Phase angle)
1차 측 전류 또는 전압 벡터와 180°회전된 2차측 전류 또는 전압 벡터간의 상차 180° 회전된 2차측 전류 또는 전압 벡터가 앞선 경우의 위상각을 정으로 하고 분으로 표시한다.
7) 부담(Burden)
계기용 변성기 2차 회로에 접속되는 부하로서 그 소비전력과 역율에 의해 피상전력[VA]으로 표시된다. 이때, 부하에 이르기까지의 전선 전압강하 부담율을 포함 시켜야 한다.
① 정격부담 : 정격조건하에서 성능을 보증할 수 있는 부하(VA)로서, 역율 cosθ=0.8에서 오차한계 특성을 나타낸다.
② 동작부담 : 변류기 에서는 Ohm과 부담역율 cosθ의 항으로 나타낸 임피던스이고, 전압 변성기에서는 부담 역율 cosθ의 항으로 나타낸 2차 회로의 어드미턴스 이다.
변류기란?
1. 변류기는 소전력 변압기로서 1차 권선이 주 회로를 이루고 2차 권선은 접속 되는 계기, 전력계, 계전기 및 제어기기 등을 통해 회로적으로 차단되어 있다. 계기와 보호회로를 1차측과 절연시키고, 변류기의 과전류 특성에 따라 과부하에 대해 장치들을 보호한다.
변류기는 상호간에 자기적으로 완전 절연된 동일 또는 상이한 특성을 가지는 철심으로 된 다수의 2차 권선을 가질 수 있다. 예로서 상이한 오차계급을 가지는 2개의 철심이나 상이한 과전류 정수를 가지는 계기용과 보호용 철심으로 구성될 수 있다.
2. 변류기의 1차 전류는 1차 회로의 부하 전류로서 흐르고 2차 권선에 부하를 걸고 1차측에 선로의 1차 전류를 흘리면 철심에 자속이 통과하며, 철심내의 자속은 1차 전류 자속에 대하여 2차 전류 자속이 이를 없애는 방향(감극성)으로 자기회로가 투입되어 있다.
따라서 변류기의 2차 회로가 개방되어 있으면 2차회로 자속에 의한 감극성이 없어져 1차측 자속을 없앨 수 없게 되므로 철심이 과여자 되어 과열 온도상승 및 과전압 절연파괴로 소손에 이르게 되므로 매우 주의하여야 한다.3. 정격부담
변류기의 접속되는 계기 및 계전기의 소비전력[VA]에 의해 2차 회로의 부담을 산정 하고 각 종 규격별 정격부담을 참조하여 선정한다.이때 2차 회로의 케이블 부담을 반드시 포함하여 2차 회로의 부담을 산정한다.
4. 정격전류
정격 1차 전류는 최대 부하전류보다 1.25∼1.5배 높게 선정하는 것이 바람직하다.
정격 2차 전류는 통상 5[A]가 표준이며, 변류기의 2차측에 접속되는 계기 및 계전기의 정격 전류를 고려하여 선정한다. 단 영상 변류기의 1차 표준 정격전류는 100∼200[A], 정격 영상 1차 전류는 200[mA], 정격 영상 2차 전류는 1.5[mA] 이다.
5. 과전류 강도의 선정
변류기 설치회로의 최대 단락 전류인 3상 단락전류를 우선 산정하고 이에 변류기가 절연파괴 온도에 도달하지 않고 1초 동안 견딜 수 있는 최대전류인 과전류 강도를 선정한다. 단시간 내 전류는 1차측 전선에 열적인 영향을 줄 뿐만 아니라, 단락사고시 최초의 최대전류
는 대략 I1의 2.5배에 이르며 이 최대전류는 1차측 권선의 각 권선사이와 각 상간에 전자기력을 일으킨다. 그러므로 변류기가 단시간 열적 과전류 뿐만 아니라 기계적 과전류에도 견딜 수 있는 능력을 가지도록 정격 과전류 강도를 반드시 확인하여 선정하여야 한다.6. 과전류 정수(Accuracy Limit Factor)
보호계전기용 변류기는 과전류 범위에서 비오차가 중요하게 되므로, 과전류 영역에서의 비오차를 보증하기 위한 방법으로 과전류 정수라는 용어를 사용한다. 과전류영역에서는 전류가 어느정도를 넘어서면 비오차가 급격히 증대하게되는데 비오차 -10%될 때의 1차
전류를 정격전류로 나눈 값을 과전류정수라고 부른다. 과전류 정슈를 크게 만들기 위해서는 CT의 철심단면적을 크게하는 방법, 권선수를 많게하는 방법등이 있다.
1) 과전류정수란 과전류영역의 오차특성을 표시하는 값으로 정격부담(PF 0.8 lag) 시에 있어서 비오차가 -10%가 될 때 1차전류를 정격전류1차전류로 나눈 값이다.
2) 규격에서의 정의
IEC정의 :정격 오차한도 1차전류 합성오차가 규정오차에 일치하는 CT의 1차전류의 최대값을 말한다.
JIS정의 : CT의 1차 전류가 증가하면 철심의 포화로 -마이너스 오차가 발생하며 전류비의 오차가 10% 될때의 1차전류의 최대값과 정격 1차전류의 비를 말한다.
3) 과전류정수의 값은 n>5, n>10, n>20, n>20 이 표준으로 과전류 계전기와 관계에서 문제되는 변류기의 특성을 나타내는 값이다.
그러나 계기용의 경우는 높은 사고전류에 대해 계기를 보호할 목적으로 CT가 포화 되는것이 오히려 유리하다.
4) 과전류정수의 선정은 과전류 계전기의 순시요소 동작정정치를 고려하여여 하며, 一般的으로 순시요소의 동작 정정값은 10, 20, 30, 40A, 로 60A, 80A는 극히 적다 예를 들면 40A에 설정되어 있으면 n>8 이상의 과전류 정수가 필요하다.
5) n 값이 작다는 것은 CT코아의 포화 값이 작다는것이며, 1차에 과대한 전류가 흐를 경우 이에 비례한 2차전
류를 얻을 수 없다는 의미이다. 즉 CT는 과전류 영역에서 1차전류가 어느 한계를 넘으면 철심이 포화되어 비오차는 급격히 증가 한다.
6) CT의 과전류 정수와 CT2차 부담의 곱은 거의 일정하므로 부담이 커지면 과전류 정수는 작아지게 되며, 반대로 큰 과전류 정수가 필요로 할 때는 부담(전자형 계전기,Digital 계전기 또는 Cable길이 등)을 줄여야 한다. 그러나 과전류정수를 너무크게되면 CT 2차측에는 사고전류에 비례한 큰 전류가 흘러 계전기의 열적, 기계적 내량이 문제가 됨으로 주의하여야 한다.
만약 차단기 근처에서 단락이 발생할 경우 단락전류는 수배에서 수십배 달하므로 변류기는 1초동한 과대전류에 의한 열적, 기계적인 강도를 가져야 한다.
7) 과전류 정수는 계통의 사고 최대 전류에서 CT가 포화되지 않도록 n> 최대사고 전류 / CT 1차 정격전류가 되어야 한다.
8) 사용부담에 있어서 과전류정수 n' 와 정격과전류정수 n과의 관계는 다음과 같다.
n' = n x CT의 정격부담 + CT 2차누설 VA / 사용부담 + CT2차누설VA가 되어 사용부담이 작으면 사용부담에 있어서
과전류정수 n'가 크게 된다.
변류기는 상호간에 자기적으로 완전 절연된 동일 또는 상이한 특성을 가지는 철심으로 된 다수의 2차 권선을 가질 수 있다. 예로서 상이한 오차계급을 가지는 2개의 철심이나 상이한 과전류 정수를 가지는 계기용과 보호용 철심으로 구성될 수 있다.
2. 변류기의 1차 전류는 1차 회로의 부하 전류로서 흐르고 2차 권선에 부하를 걸고 1차측에 선로의 1차 전류를 흘리면 철심에 자속이 통과하며, 철심내의 자속은 1차 전류 자속에 대하여 2차 전류 자속이 이를 없애는 방향(감극성)으로 자기회로가 투입되어 있다.
따라서 변류기의 2차 회로가 개방되어 있으면 2차회로 자속에 의한 감극성이 없어져 1차측 자속을 없앨 수 없게 되므로 철심이 과여자 되어 과열 온도상승 및 과전압 절연파괴로 소손에 이르게 되므로 매우 주의하여야 한다.3. 정격부담
변류기의 접속되는 계기 및 계전기의 소비전력[VA]에 의해 2차 회로의 부담을 산정 하고 각 종 규격별 정격부담을 참조하여 선정한다.이때 2차 회로의 케이블 부담을 반드시 포함하여 2차 회로의 부담을 산정한다.
4. 정격전류
정격 1차 전류는 최대 부하전류보다 1.25∼1.5배 높게 선정하는 것이 바람직하다.
정격 2차 전류는 통상 5[A]가 표준이며, 변류기의 2차측에 접속되는 계기 및 계전기의 정격 전류를 고려하여 선정한다. 단 영상 변류기의 1차 표준 정격전류는 100∼200[A], 정격 영상 1차 전류는 200[mA], 정격 영상 2차 전류는 1.5[mA] 이다.
5. 과전류 강도의 선정
변류기 설치회로의 최대 단락 전류인 3상 단락전류를 우선 산정하고 이에 변류기가 절연파괴 온도에 도달하지 않고 1초 동안 견딜 수 있는 최대전류인 과전류 강도를 선정한다. 단시간 내 전류는 1차측 전선에 열적인 영향을 줄 뿐만 아니라, 단락사고시 최초의 최대전류
는 대략 I1의 2.5배에 이르며 이 최대전류는 1차측 권선의 각 권선사이와 각 상간에 전자기력을 일으킨다. 그러므로 변류기가 단시간 열적 과전류 뿐만 아니라 기계적 과전류에도 견딜 수 있는 능력을 가지도록 정격 과전류 강도를 반드시 확인하여 선정하여야 한다.6. 과전류 정수(Accuracy Limit Factor)
보호계전기용 변류기는 과전류 범위에서 비오차가 중요하게 되므로, 과전류 영역에서의 비오차를 보증하기 위한 방법으로 과전류 정수라는 용어를 사용한다. 과전류영역에서는 전류가 어느정도를 넘어서면 비오차가 급격히 증대하게되는데 비오차 -10%될 때의 1차
전류를 정격전류로 나눈 값을 과전류정수라고 부른다. 과전류 정슈를 크게 만들기 위해서는 CT의 철심단면적을 크게하는 방법, 권선수를 많게하는 방법등이 있다.
1) 과전류정수란 과전류영역의 오차특성을 표시하는 값으로 정격부담(PF 0.8 lag) 시에 있어서 비오차가 -10%가 될 때 1차전류를 정격전류1차전류로 나눈 값이다.
2) 규격에서의 정의
IEC정의 :정격 오차한도 1차전류 합성오차가 규정오차에 일치하는 CT의 1차전류의 최대값을 말한다.
JIS정의 : CT의 1차 전류가 증가하면 철심의 포화로 -마이너스 오차가 발생하며 전류비의 오차가 10% 될때의 1차전류의 최대값과 정격 1차전류의 비를 말한다.
3) 과전류정수의 값은 n>5, n>10, n>20, n>20 이 표준으로 과전류 계전기와 관계에서 문제되는 변류기의 특성을 나타내는 값이다.
그러나 계기용의 경우는 높은 사고전류에 대해 계기를 보호할 목적으로 CT가 포화 되는것이 오히려 유리하다.
4) 과전류정수의 선정은 과전류 계전기의 순시요소 동작정정치를 고려하여여 하며, 一般的으로 순시요소의 동작 정정값은 10, 20, 30, 40A, 로 60A, 80A는 극히 적다 예를 들면 40A에 설정되어 있으면 n>8 이상의 과전류 정수가 필요하다.
5) n 값이 작다는 것은 CT코아의 포화 값이 작다는것이며, 1차에 과대한 전류가 흐를 경우 이에 비례한 2차전
류를 얻을 수 없다는 의미이다. 즉 CT는 과전류 영역에서 1차전류가 어느 한계를 넘으면 철심이 포화되어 비오차는 급격히 증가 한다.
6) CT의 과전류 정수와 CT2차 부담의 곱은 거의 일정하므로 부담이 커지면 과전류 정수는 작아지게 되며, 반대로 큰 과전류 정수가 필요로 할 때는 부담(전자형 계전기,Digital 계전기 또는 Cable길이 등)을 줄여야 한다. 그러나 과전류정수를 너무크게되면 CT 2차측에는 사고전류에 비례한 큰 전류가 흘러 계전기의 열적, 기계적 내량이 문제가 됨으로 주의하여야 한다.
만약 차단기 근처에서 단락이 발생할 경우 단락전류는 수배에서 수십배 달하므로 변류기는 1초동한 과대전류에 의한 열적, 기계적인 강도를 가져야 한다.
7) 과전류 정수는 계통의 사고 최대 전류에서 CT가 포화되지 않도록 n> 최대사고 전류 / CT 1차 정격전류가 되어야 한다.
8) 사용부담에 있어서 과전류정수 n' 와 정격과전류정수 n과의 관계는 다음과 같다.
n' = n x CT의 정격부담 + CT 2차누설 VA / 사용부담 + CT2차누설VA가 되어 사용부담이 작으면 사용부담에 있어서
과전류정수 n'가 크게 된다.
2.과전류 강도
변류기에 정격부담, 정격주파수에서 1차정격전류의 어떤 배수만큼의 전류를 1초간 흘려서 열적, 전기적, 기계적으로 손상되지 않을 때 1차정격전류에 대한 이 전류의 배수를 과전류 강도 라고 한다.
1) 전력회로에 단락사고가 발생하면 주 회로에 접속된 변류기의 1차 권선에도 큰 고장전류가 흐르게 되어 그 과전류에 의하여 권선의 온도가 상승하여 권선이 용단되거나, 강력한 전자력에 의하여 권선이 변형 될 경우가 있다. 따라서 변류기는 이러한 사고에 대하여 열적, 기계적으로 견딜 필요가 있다. 즉, 고장전류가 변류기 1차권선에 흐를 경우 그 변류기의 정격 1차전류값의 몇배의 고장전류까지 견딜수 있는가를 정한 것을 변류기의 과전류강도 라고 한다.
2) 변류기의 과전류 강도는 40, 75, 150, 200, 300 등이 있다.
과전류 강도 = 최대비대칭 단락전류 / 정격1차 전류
변류기의 정격과전류 강도
정격 과전류 강도 / 보증하는 과전류 강도
40 / 정격 1차전류의 40배
75 / 정격 1차 전류의 75배
150 / 정격1차 전류의 150배
변류기에 정격부담, 정격주파수에서 1차정격전류의 어떤 배수만큼의 전류를 1초간 흘려서 열적, 전기적, 기계적으로 손상되지 않을 때 1차정격전류에 대한 이 전류의 배수를 과전류 강도 라고 한다.
1) 전력회로에 단락사고가 발생하면 주 회로에 접속된 변류기의 1차 권선에도 큰 고장전류가 흐르게 되어 그 과전류에 의하여 권선의 온도가 상승하여 권선이 용단되거나, 강력한 전자력에 의하여 권선이 변형 될 경우가 있다. 따라서 변류기는 이러한 사고에 대하여 열적, 기계적으로 견딜 필요가 있다. 즉, 고장전류가 변류기 1차권선에 흐를 경우 그 변류기의 정격 1차전류값의 몇배의 고장전류까지 견딜수 있는가를 정한 것을 변류기의 과전류강도 라고 한다.
2) 변류기의 과전류 강도는 40, 75, 150, 200, 300 등이 있다.
과전류 강도 = 최대비대칭 단락전류 / 정격1차 전류
변류기의 정격과전류 강도
정격 과전류 강도 / 보증하는 과전류 강도
40 / 정격 1차전류의 40배
75 / 정격 1차 전류의 75배
150 / 정격1차 전류의 150배
참고
계측용 CT에 대해서만 IEC에서 정의함.
1) IPL (Rated instrument Limit Primary Current)란 CT2차 부담이 정격부담인때 계측기용 CT의 합성오차
(Composite error)가 10% 또는 그 이상인때의 1차 전류의 최소값을 말한다. 계통 고장으로 인한 높은 전류로부터 계측용 CT에 연결된 계측기 또는 이와 유사한 장치를 보호하기 위하여 합성오차는 10%보다 커야 한다.
2) FS (instrument security fctor)란 정격 1차 전류와 IPL과의 비를 말한다.
CT의 1차측에 계통 고장 전류가 흐를 경우 계측용 CT의 2차측에 연결된 계측기 또는 이와 유사한 장치는 FS값이 적을 수록 안전.
FS의 값은 특별히 정해진바는 없으나 계측기용일 경우 5 또는 10이하로 한다.
계측용 CT에 대해서만 IEC에서 정의함.
1) IPL (Rated instrument Limit Primary Current)란 CT2차 부담이 정격부담인때 계측기용 CT의 합성오차
(Composite error)가 10% 또는 그 이상인때의 1차 전류의 최소값을 말한다. 계통 고장으로 인한 높은 전류로부터 계측용 CT에 연결된 계측기 또는 이와 유사한 장치를 보호하기 위하여 합성오차는 10%보다 커야 한다.
2) FS (instrument security fctor)란 정격 1차 전류와 IPL과의 비를 말한다.
CT의 1차측에 계통 고장 전류가 흐를 경우 계측용 CT의 2차측에 연결된 계측기 또는 이와 유사한 장치는 FS값이 적을 수록 안전.
FS의 값은 특별히 정해진바는 없으나 계측기용일 경우 5 또는 10이하로 한다.