변류기

변류기, 커런트 트랜스포머(Current transformer, CT)는 교류를 감소시키거나 증가시켜 1차측 전류에 비례하는 전류를 2차측에 생성하는 변압기의 일종이다.

변류기는 전압 또는 전위 변압기와 함께 계기용 변성기로서, 큰 전압 또는 전류 값을 측정 기기 및 보호 계전기가 다루기 쉬운 작고 표준화된 값으로 변환한다. 계기용 변성기는 측정 또는 보호 회로를 1차 계통의 고전압으로부터 분리한다. 변류기는 1차 회로에 무시할 수 있는 부하를 가한다.Donald G. Fink, H. Wayne Beatty (ed), Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition, Mc-Graw Hill,1978, 0-07-020974-X, pp. 10-51 - 10-57

변류기는 전력 계통의 전류 감지 장치이며 발전소, 변전소, 산업 및 상업용 전력 분배에 사용된다.

 기능 
섬네일|변류기의 기본 작동
섬네일|러시아의 SF6 110 kV 변류기 TGFM 시리즈

변류기는 1차 권선, 코어 및 2차 권선을 가지고 있지만, 일부 변압기는 공심을 사용한다. 물리적 원리는 동일하지만, "변류기"와 "전압 변압기"의 세부 사항은 응용 분야의 요구 사항이 다르기 때문에 달라진다. 변류기는 정의된 범위 내에서 1차 및 2차 회로의 전류 간에 정확한 비율을 유지하도록 설계된다.

1차측의 교류는 코어에 교번 자기장을 생성하고, 이는 다시 2차측에 교번 전류를 유도한다. 1차 회로는 CT 삽입에 거의 영향을 받지 않는다. 정확한 변류기는 넓은 전류 범위에 걸쳐 2차 전류가 1차 전류에 비례하도록 하기 위해 1차와 2차 사이에 긴밀한 결합이 필요하다. 2차측 전류는 1차측 전류(단일 턴 1차를 가정)를 2차측 턴 수로 나눈 값이다. 오른쪽 그림에서 'I'는 1차측 전류, 'B'는 자기장, 'N'은 2차측 턴 수, 'A'는 AC 전류계이다.

변류기는 일반적으로 오른쪽 그림에 표시된 것처럼 구리선이 많이 감긴 규소강 링 코어로 구성된다. 1차 전류를 전달하는 도체는 링을 통과한다. 따라서 CT의 1차측은 단일 '턴'으로 구성된다. 1차 '권선'은 변류기의 영구적인 부분이 될 수 있으며, 즉 코어를 통해 전류를 전달하는 두꺼운 구리 막대이다. 윈도우형 변류기도 흔하며, 코어의 개구부 중앙을 통해 회로 케이블이 지나가서 단일 턴 1차 권선을 제공할 수 있다. 정확도를 높이려면 1차 도체를 개구부 중앙에 배치해야 한다.

CT는 1차 대 2차 전류 비율로 지정된다. 정격 2차 전류는 일반적으로 1 또는 5 암페어로 표준화된다. 예를 들어, 4000:5 CT의 2차 권선은 1차 권선 전류가 4000암페어일 때 5암페어의 출력 전류를 공급한다. 이 비율은 한쪽 변압기의 임피던스 또는 전압을 다른 쪽의 적절한 값을 사용하여 찾는 데에도 사용될 수 있다. 4000:5 CT의 경우, 2차 임피던스는 로 찾을 수 있으며, 2차 전압은 로 찾을 수 있다. 경우에 따라 2차 임피던스는 1차측으로 환산되며, 로 찾을 수 있다. 임피던스를 환산하는 것은 단순히 초기 2차 임피던스 값에 전류 비율을 곱하는 것으로 이루어진다. CT의 2차 권선은 다양한 비율을 제공하기 위한 탭을 가질 수 있으며, 5개의 탭이 일반적이다.

변류기의 모양과 크기는 최종 사용자 또는 스위치 기어 제조업체에 따라 다양하다. 저전압 단일 비율 계량 변류기는 링형 또는 플라스틱 몰드 케이스형이다.

분할 코어 변류기는 2부분 코어 또는 분리 가능한 섹션이 있는 코어를 가지고 있다. 이를 통해 도체를 먼저 분리하지 않고도 변압기를 도체 주위에 배치할 수 있다. 분할 코어 변류기는 일반적으로 저전류 측정 장비에 사용되며, 종종 휴대용, 배터리 작동식 및 휴대용이다(오른쪽 하단 그림 참조).

 사용 
섬네일|120px|right|많은 디지털 클램프 미터는 교류 (AC) 측정을 위해 변류기를 활용한다.
변류기는 전류 측정 및 전력 계통 작동 모니터링에 광범위하게 사용된다. 전압 리드와 함께 수익 등급 CT는 많은 대규모 상업 및 산업 공급 장치에서 전력 회사의 와트시 미터를 구동한다.

고전압 변류기는 자기 또는 폴리머 절연체에 장착되어 접지로부터 절연된다. 일부 CT 구성은 고전압 변압기 또는 회로 차단기의 부싱 주위를 감싸서 도체가 CT 창 내부에 자동으로 중앙에 위치하도록 한다.

변류기는 전력 변압기의 저전압 또는 고전압 리드에 장착할 수 있다. 때로는 모선 섹션을 제거하여 변류기를 교체할 수 있다.

종종 여러 개의 CT가 다양한 용도로 "스택"으로 설치된다. 예를 들어, 보호 장치와 전력량계는 별도의 CT를 사용하여 계량 및 보호 회로 간의 절연을 제공하고, 서로 다른 특성(정확도, 과부하 성능)을 가진 변류기를 장치에 사용할 수 있도록 한다.

미국에서는 미국 국가 전기 규격(National Electrical Code, NEC)에 따라 주방 및 욕실과 같은 "습한" 장소와 실외에 설치된 방수 콘센트를 보호하기 위해 상업 및 주거용 전기 시스템에 잔류 전류 장치가 필요하다. 이러한 장치 중 가장 일반적인 누전 차단기 (GFCI)는 일반적으로 120볼트 활선 도체와 중성 귀환 도체를 모두 변류기를 통해 연결하고, 2차 코일은 트립 장치에 연결된다.

정상적인 조건에서는 두 회로 전선 내부의 전류가 같고 반대 방향으로 흐르므로 CT를 통한 순 전류는 0이고 2차 코일에는 전류가 흐르지 않는다. 공급 전류가 하류에서 세 번째 (접지) 회로 도체로 (예: 전동 공구의 접지된 금속 케이스가 120볼트 도체에 접촉하는 경우) 또는 접지 (예: 사람이 120볼트 도체에 접촉하는 경우)로 전환되면 중성 귀환 전류가 공급 전류보다 작아져 CT를 통한 양의 순 전류 흐름이 발생한다. 이 순 전류 흐름은 2차 코일에 전류를 유도하여 트립 장치가 작동하고 회로의 전원을 차단한다. 일반적으로 0.2초 이내에 이루어진다.

부담(부하) 임피던스는 2차 전압이 변류기의 한계를 초과하는 것을 방지하기 위해 지정된 최대값을 초과해서는 안 된다. 변류기의 1차 전류 정격을 초과해서는 안 된다. 그렇지 않으면 코어가 비선형 영역으로 진입하고 궁극적으로 포화될 수 있다. 이는 1차측 AC 사인파의 각 절반(양수 및 음수)의 첫 번째 절반이 끝날 무렵에 발생하며 정확도를 저해한다.

 안전 
변류기는 종종 고전류 또는 고전압 전류를 모니터링하는 데 사용된다. 기술 표준 및 설계 관행은 변류기를 사용하는 설치의 안전을 보장하는 데 사용된다.

변류기의 2차측은 1차측에 전류가 흐르는 동안 부하로부터 분리해서는 안 된다. 2차측이 효과적으로 무한한 임피던스에 전류를 계속 공급하려고 시도하여 잠재적으로 고전압을 생성하고 작업자 안전을 위협할 수 있기 때문이다. 특정 변류기의 경우 이 전압은 수 킬로볼트에 도달하여 아크 방전을 일으킬 수 있다. 2차 전압을 초과하면 변압기의 정확도가 저하되거나 파괴될 수도 있다. 코어가 포화되면 1차 자속이 2차 자속에 의해 상쇄되지 않으므로 출력 전압은 코어 포화에 의해 제한된다. 이 때문에 소형 변류기는 공칭 작동 시 실제로 위험한 전압을 유발하지 않을 수 있다. 그러나 부하가 켜지는 것과 같은 더 빠른 전류 과도 현상은 높은 전류 기울기로 인해 여전히 위험한 전압 수준을 유도할 수 있다.

 정확도 
CT의 정확도는 다음을 포함한 여러 요인의 영향을 받는다.
 부담
 부담 등급/포화 등급
 정격 계수
 부하
 외부 전자기장
 온도
 물리적 구성
 다비율 CT의 경우 선택된 탭
 위상 변화
 1차와 2차 사이의 용량성 결합
 1차와 2차의 저항
 코어 여자 전류

다양한 유형의 측정 및 2차 회로의 표준 부하(부담)에 대한 정확도 등급은 IEC 61869-1에서 0.1, 0.2s, 0.2, 0.5, 0.5s, 1 및 3 등급으로 정의된다. 등급 표시는 CT 정확도의 대략적인 측정값이다. 1등급 CT의 비율(1차 대 2차 전류) 오차는 정격 전류에서 1%이다. 0.5등급 CT의 비율 오차는 0.5% 이하이다. 위상 오차도 중요하며, 특히 전력 측정 회로에서 더욱 그렇다. 각 등급에는 지정된 부하 임피던스에 대한 허용 최대 위상 오차가 있다.

보호 계전용 변류기는 계통 사고 발생 시 계전기의 정확한 성능을 보장하기 위해 정상 정격을 초과하는 과부하 전류에서도 정확도 요구 사항을 갖는다. 2.5L400 등급의 CT는 2차 권선에서 정격 2차 전류의 20배(일반적으로 ) 및 400 V(IZ 강하)의 출력을 제공하며, 출력 정확도는 2.5% 이내이다.

 부담 
변류기의 2차 부하를 1차 부하와 구별하기 위해 "부담"이라고 한다.

CT 계량 네트워크의 부담은 2차 권선에 가해지는 주로 저항성 임피던스이다. IEC CT의 일반적인 부담 정격은 1.5 VA, 3 VA, 5 VA, 10 VA, 15 VA, 20 VA, 30 VA, 45 VA 및 60 VA이다. ANSI/IEEE 부담 정격은 B-0.1, B-0.2, B-0.5, B-1.0, B-2.0 및 B-4.0이다. 이는 B-0.2의 부담 정격을 가진 CT는 2차 회로에서 최대 0.2 Ω까지 지정된 정확도를 유지함을 의미한다. 이러한 사양 다이어그램은 CT의 정격 부담에서 크기 및 위상각 오차 스케일을 포함하는 정확도 평행사변형을 보여준다. 전류 측정 회로의 부담에 기여하는 항목은 스위치 블록, 미터 및 중간 도체이다. 과도한 부담 임피던스의 가장 일반적인 원인은 미터와 CT 사이의 도체이다. 변전소 미터가 미터 캐비닛에서 멀리 떨어져 있을 때 과도한 케이블 길이는 큰 저항을 생성한다. 이 문제는 더 두꺼운 케이블과 더 낮은 2차 전류(1 A)를 가진 CT를 사용하여 줄일 수 있으며, 이 둘 모두 CT와 계량 장치 사이의 전압 강하를 줄인다.

 무릎점 코어 포화 전압 
변류기의 무릎점 전압은 출력 전류가 선언된 정확도 내에서 입력 전류를 선형적으로 따르지 않게 되는 2차 전압의 크기이다. 테스트에서 2차 단자에 전압이 가해지면 여자 전류는 무릎점에 도달할 때까지 가해진 전압에 비례하여 증가한다. 무릎점은 가해진 전압이 10% 증가할 때 여자 전류가 50% 증가하는 전압으로 정의된다. 무릎점 이상의 전압에서는 2차 단자 전압의 작은 증분에도 불구하고 여자 전류가 상당히 증가한다. 무릎점 전압은 계량 변류기에는 덜 적용된다. 그들의 정확도는 일반적으로 훨씬 높지만 변류기 정격의 매우 작은 범위, 일반적으로 정격 전류의 1.2배에서 1.5배 이내로 제한되기 때문이다. 그러나 무릎점 전압의 개념은 보호 변류기에 매우 중요하다. 보호 변류기는 필연적으로 정격 전류의 20배에서 30배에 달하는 고장 전류에 노출되기 때문이다.Anon, Protective Relays Application Guide Second EditionThe General Electric Company Limited of England, 1975 Section 5.3

 위상차 
이상적으로 변류기의 1차 및 2차 전류는 동상이어야 한다. 실제로는 불가능하지만, 정상적인 전력 주파수에서 수십 분의 1도 정도의 위상차를 달성할 수 있으며, 더 간단한 CT는 더 큰 위상차를 가질 수 있다. 전류 측정의 경우 전류계는 전류의 크기만 표시하므로 위상차는 중요하지 않다. 그러나 와트 미터, 에너지 미터 및 역률에서 위상차는 오차를 유발한다. 전력 및 에너지 측정의 경우 단위 역률에서는 오차가 무시할 수 있는 것으로 간주되지만 역률이 0에 가까워질수록 더 중요해진다. 전자식 전력 및 에너지 미터의 도입으로 전류 위상 오차를 보정할 수 있게 되었다.

 구조 
바형 변류기는 1차 회로의 전원 및 부하 연결 단자를 가지며, 변류기 본체는 1차 회로와 접지 사이에 절연을 제공한다. 유입 절연 및 자기 부싱을 사용하여 이러한 변압기는 최고 송전 전압에 적용할 수 있다.

섬네일|영상 변류기
링형 변류기는 모선 또는 절연 케이블 위에 설치되며 2차 코일에 낮은 수준의 절연만 있다. 비표준 비율을 얻거나 다른 특별한 목적으로, 1차 케이블의 한 턴 이상이 링을 통과할 수 있다. 케이블 재킷에 금속 차폐가 있는 경우, 정확도를 보장하기 위해 순 시스 전류가 링을 통과하지 않도록 종단되어야 한다. 3상 설치와 같이 지락(영상) 전류를 감지하는 데 사용되는 변류기는 링을 통과하는 세 개의 1차 도체를 가질 수 있다. 순 불균형 전류만이 2차 전류를 생성한다. 이는 활선 도체에서 접지로의 고장을 감지하는 데 사용될 수 있다. 링형 변압기는 일반적으로 건식 절연 시스템을 사용하며 2차 권선 위에 단단한 고무 또는 플라스틱 케이스가 있다.

일시적인 연결을 위해 분할 링형 변류기는 케이블을 분리하지 않고도 케이블 위에 장착할 수 있다. 이 유형은 경첩형 부분이 있는 적층 철심을 가지고 있어 케이블 위에 설치할 수 있다. 코어는 단일 턴 1차 권선에 의해 생성된 자기 자속을 여러 턴으로 감긴 2차 권선에 연결한다. 경첩형 부분의 간격이 부정확성을 유발하므로 이러한 장치는 일반적으로 전력량계에는 사용되지 않는다. 섬네일|분할 코어 변류기

변류기, 특히 고전압 변전소 서비스용으로 제작된 변류기는 2차 권선에 여러 탭을 가지고 있어 동일한 장치에서 여러 비율을 제공할 수 있다. 이는 예비 장치 재고를 줄이거나 설치에서 부하 증가를 허용하기 위해 수행될 수 있다. 고전압 변류기는 동일한 1차측에 여러 개의 2차 권선을 가질 수 있어 별도의 계량 및 보호 회로를 허용하거나 다양한 유형의 보호 장치에 연결할 수 있다. 예를 들어, 한 2차측은 분기 과전류 보호에 사용될 수 있고, 두 번째 권선은 버스 차동 보호 방식에 사용될 수 있으며, 세 번째 권선은 전력 및 전류 측정에 사용될 수 있다.

 특수 유형 
특별히 제작된 광대역 변류기는 오실로스코프와 함께 사용되어 펄스 전력 시스템 내의 고주파 또는 펄스 전류의 파형을 측정하는 데 사용되기도 한다. 전력 회로에 사용되는 CT와 달리 광대역 CT는 1차 전류 암페어당 출력 볼트 단위로 정격이 지정된다.

부담 저항이 측정 주파수에서 2차 권선의 유도 임피던스보다 훨씬 작으면 2차 전류가 1차 전류를 추적하고 변압기는 측정된 전류에 비례하는 전류 출력을 제공한다. 반대로 그 조건이 사실이 아니면 변압기는 유도성이며 차동 출력을 제공한다. 로고프스키 코일은 이 효과를 사용하며 측정된 전류에 비례하는 전압 출력을 제공하기 위해 외부 적분기가 필요하다.

 표준 
궁극적으로 고객 요구 사항에 따라 변류기가 설계되는 두 가지 주요 표준이 있다. IEC 61869-1(이전 IEC 60044-1) 및 IEEE C57.13(ANSI)이며, 캐나다 및 호주 표준도 인정된다.

 고전압 유형 
변류기는 고전압 변전소 및 전력 계통에서 보호, 측정 및 제어에 사용된다. 변류기는 개폐 장치 또는 장치 부싱 내부에 설치될 수 있지만, 종종 독립형 옥외 변류기가 사용된다. 개폐장에서 활선형 변류기는 인클로저의 상당 부분이 선로 전압으로 전기가 통하므로 절연체에 장착해야 한다. 비활선형 변류기는 측정 회로를 인클로저로부터 절연한다. 활선형 CT는 1차 도체가 짧아 안정성이 좋고 단락 전류 정격이 높기 때문에 유용하다. 권선의 1차측은 자기 코어 주위에 고르게 분포될 수 있어 과부하 및 과도 현상에 대한 성능이 향상된다. 활선형 변류기의 주 절연이 1차 도체의 열에 노출되지 않으므로 절연 수명과 열 안정성이 향상된다.

고전압 변류기는 다양한 목적(예: 계량 회로, 제어 또는 보호)을 위해 여러 코어와 각 코어에 2차 권선을 포함할 수 있다.Protective Relays Application Guide, (The General Electric Company Limited of England, 1975) pages 78-87 중성선 변류기는 변압기의 Y형 중성점에서 중성선을 통해 흐르는 고장 전류를 측정하기 위한 지락 보호 장치로 사용된다.

 같이 보기 
 계측
 변압기 종류
 전류 감지 기술

 각주 


분류:변압기
분류:전자 테스트 장비