전기안전관리_012_수배전설비 - 계기용 변성기

출처 : 한국전기기술인협회 전기안전관리교육 특별과정

 

1. 개요

1) 계기용 변성기란?

계기용변성기는 계측기 및 계전기에 전압 및 전류를 공급하며 각종 측정 장치 및 보호계전기 등의 기기를 고전압으로부터 절연시키는 역할을 합니다. 계기용변압기(PT/VT)와 계기용 변류기(CT), 계기용변압변류기 (MOF) 및 접지형 계기용 변압기(GPT)와 영상변류기 (ZCT) 등을 총칭합니다.

계기용 변성기가 부적정하게 선정되거나 이상이 발생하면 계량오차가 발생하게 됩니다. 이는 계전기 오동작 또는 부동작 등의 사고를 발생시키고 주변기기에 중대한 영향을 끼치게 됩니다. 또한 제어설비 등이 제대로 기능을 발휘할 수 없게 되는 경우도 있습니다.

 

2. 계기용변압기 (VT :Voltage Transformeer)

1) 특징 및 원리

(1) 계기용변압기는 전력용 변압기와 같이 2차측에 병렬로 배전반의 전압계, 전력계, 주파수계, 역률계, 표시램프 등 및 부족 전압 트립 코일 (UVC)이 접속되게 연결하고 1차측과 2차측에 보호용 퓨즈를 설치하여 사용합니다.

 

(2) 변압기와 같이 전압비가 권선비에 빌혜하는 원리를 이용한 것으로 2차 전압을 측정하여 1차 전압을 알 수 있습니다.

 

(3) 용어표기를 기존에는 PT라고 하였으나 최근에는 제조사에서 VT로 표기하여 사용하는 추세입니다.

 

2) 계기용 변압기의 정격

(1) 최고회로전압 : 24 (25.8)[kV]

 

(2) 정격 1차 전압 : 계통의 전압 

 

(3) 정격 2차 전압 : 110V 또는 115V

- 비접지형 및 3상 접지형의 경우 : 110V

- 단상 접지형의 경우 : 110/√3, 190/√3

 

(4) 정격부담 : 0.5P/100 [VA], 1.0P/100,200 [VA], 3P/200,300 [VA]

- 정격부담을 초과하는 부하를 연결하면 과부하로 인하여 소손될 우려가 있으므로 적정용량의 VT를 선정하여야 한다.

 

(5) 내전압 (상용주파/충격) : 50/125, 150 [kV]

 

(6) 과전압 배수 : 1.2Vn/cont, 1.5Vn/30s

 

※접지형 계기용 변압기 (GPT : Grounding Potential Transformer)는 접지 사고시 영상 전압을 검출하며 비접지계통에서 사용한다.

 

3) 계기용 변압기의 안전관리

- 계기용 변압기 1차측에는 단락보호 및 지락보호를 위해 전력퓨즈는 정격전류 1[A] 를 설치한다.

- 유입형은 누유와 애관의 균열을 확인한다.

- 몰드형은 크랙의 유무를 확인한다. 

- VT 2차 회로의 전압을 측정하여 정상인지 확인한다.

- 접속 단자의 부식, 나사 풀림 등을 확인한다.

- VT 정격부담을 확인하고 부하부담을 확인한다. 

 

3. 계기용 변류기 ( CT : Current Transformer)

1) 특징

(1) 계기용변류기는 계기용 변압기와 다르게 2차측에 직렬로 배전반의 전류계, 전력계, 역률계, 과전류계전기등을 접속하여 사용하는 직렬기기이다. CT 2차 정격전류는 일반적으로 5[A]이다.

 

(2) 전류를 변성하는 기기로서 용도에 따라 표준용, 일반계기용, 전력수급용, 보호계 전용으로 구분된다. 계기용은 회로의 정격전류 범위에서의 변성비 오차가 중요하며 보호계전기용은 사고시의 이상 상태에서의 올바른 변성이 요구된다. 

 

2) 변류기의 정격

(1) 계기용변류기의 사양

항목	고압 변류기
최고 회로 전압	24kV (25.8kV)
최대 1차 전류	5 ~ 1200A
정격 12차 전류	5A (1A)
충격 내전압 (BIL)	150kV (125kV)
정격부담(보호용)	40VA
과전류강도	40, 75, 150, 300 In (12.5, 25, 31.5, 40 kA)
오차계급	5P10, 5P20 (보호용), 0.5, 1.0 (계기용)
과전류정수(n)	n>5, n>10, n>20

 

(2) 계기용 변류기의 2차 정격전류별 용도

- 5A : 일반 계기, 보호계전기

- 1A : 원방계측시 (디지털 계전기)

- 0.1A : 원방계측시

 

3) IEC 및 KS의 규격 - 50VA 10P20의 의미

(1) 50VA : 정격부담 50VA = I^2 X Z = (5A)^2 X (2Ω)

- 5A : CT 2차 전류

- 2Ω : cT 2차 회로의 임피던스

 

(2) 10 : 과전류 정수 n=20 에서 비오차 10%

 

(3) P : Protection (보호용, 계전기용)

 

(4) 20 : 과전류 정수 n= 20

오차등급	1차 정격전류에서의 전류오차	1차 정격전류에서의 위상차 오차	정격오차 제한 1차 전류에서의 전류오차
5P	±1%	±1.8%	5%
10P	±3%	-	10%

 

4. 계기용변류기 선정

1) 정격 1차전류

- 변류기에 흐르는 전류는 통상의 규정된 사용 상태에서는 그 정격전류를 초과하는 일이 없도록 설계

- 정격1차 전류는 회로의최대부하전류를 계산하여 여유를 두어 선정한다. 일반적으로 수전인입회로와 변압기 보호는 최대부하전류의 125~150%로 전동기 회로도 대체로 150~200%로 선정하면 큰 문제가 없다.

 

2) 정격부담

- 계기용변성기의 2차측 단자 간에 접속되는 부하의 한도를 말하며 [VA]로 표시

- CT 2차에 연결된 총사용부담에 대해 CT의 정격부담을 크게 선정하여야 한다.

- 사용부담이 클 경우에는 변류기의 비오차가 증가하마로 적정한 것을 선택

- 변류기가 사용 중 2차 회로가 개방되면 고전압이 발생되어 과열 및 절연파괴가 발생하여 CT가 소손될 우려가 있으므로, 2차 권선에 연결된 계기나 계전기를 무정전으로 교체할 때에는 반드시 회로를 단락하고 작업을 하여야 한다.

 

변류기의 정격 부담 [VA]

계급	정격부담
0.1급	2.5	5	-	15	25	-	-
0.2급	-	5	-	15	25	-	-
0.5급	-	-	-	15	25	40	100
1.0급	-	5	10	15	25	40	100
3.0급	-	5	10	15	25	40

 

3) 과전류 강도

- 과전류 강도란 변류기에 과전류가 유입되었을 경우 과전류를 견디어 내는 정도를 나타내는 것으로 CT의 정격 1차 전류에 대한 배수로 표시하거나 과전류로 표시. (배수 : 40, 75, 150, 300 In, 과전류 : 12.5, 25, 31.5, 40 kA)

- 과전류 강도는 계통의 고장전류에 의해서 열적 과전류 강도와 기계적과전류 강도로 구분되며 기계적 과전류 강도는 열적 과전류 강도의 2.5배가 된다. CT의 과전류강도는 계통의 최대 고장전류의 크기에 따라서 결정된다. 

 

4) 과전류 정수

(1) 보호계전기용 변류기는 과전류 범위에서 비오차가 중요하게 되므로, 과전류 영역에서의 비오차를 보증하기 위한 방법으로 과전류 정수라는 용어를 사용한다. 과전류영역에서는 전류가 어느정도를 넘어서면 비오차가 급격히 증대하게 되는데 비오차 -10%가 될때의 1차전류를 정격전류로 나눈값을 과전류정수라고 한다.

 

비오차 = {(공칭 변류비 - 실측 변류비) / 실측변류비} X 100%

 

과전류 정수 = 비오차가 -10%가 될 때의 1차 전류 / 정격 1차전류

 

(2) 과전류 정수값은 n>5, n>10, n>20이 표준으로 과전류계전기와 관계에서 문제되는 변류기의 특성을 나타내는 값이다. 그러나 계기용의 경우는 높은 사고전류에 대해 계기를 보호할 목적으로 CT가 포화 되는 것이 안전하다. 

 

(3) 과전류정수(n)의 값이 작다는 것은 CT코아의 포화 값이 작다는 것이며, 1차에 과대한 전류가 흐를 경우 이에 비례한 2차 전류를 얻을 수 없는 의미이다. 즉 CT는 과전류 영역에서 1차 전류가 어느 한계를 넘으면 철심이 포화되어 비오차는 급격히 증가한다.

 

(4) CT의 과전류 정수와  CT 2차 부담의 곱은 거의 일정하므로 부담이 커지면 과전류 정수는 작아지게 되며, 반대로 큰 과전류 정수가 필요로 할 때는 부담(전자형계전기, Digital 계전기 또는 Cable 길이 등)을 줄여야 한다. 그러나 과전류 정수가 너무 크게 되면 CT 2차측에는 사고전류에 비례한 큰 전류가 흘러 계전기의 열적, 기계적 내량이 문제가 되어서 주의해야 한다.

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5. 계기용 변압변류기 (MOF : Metering Out Fit)

1) MOF란?

전력 수급용 전력량을 측정하기 위한 MOF는 계기용 변류기와 변압기가 하나의 함에 들어있는 계기용 변성기이다.

 

2) MOF정격

최고 회로전압	25.8kV (3상4선)	전압	22,900/√3 , 190/√3
전류 (계급)	5/5 ~ 15/5A (0.5W)	과전류 배수	150 In
	20/5 ~ 50/5A (0.5W)		75In
	75/5 ~ 250/5A (0.5W)		40In
	300/5 ~ 400/5A (0.3W)		40In
부담	3 X 25 VA	절연계급	25.8 / 50 / 150kV

 

3) MOF 변류비 및 한전변전소에서부터 거리별 (km) 과전류 강도 선정

CT비	1 [km]	3 [km]	5 [km]	7 [km]	8 [km]	20 [km]	20[km] 이상
5/5	300In	150In			75In		40In
10/5	150In		75In			40In
15/5	150In	75In		40In
20/5	75In	40In
50/5	40In
75/5	40In

4) MOF 1차 정격전류 선정 

(1) MOF CT 1차 정격전류 = (계약용량 (kW) / √3 X 22.9 X 0.9) X 1.25

 

(2)계약전력별 MOF 선정 

계약전력 [kW]
3상3선				3상 4선		CT1차 전류[A]
6,600V	22,000V	66,000V	154,000V	22,900V	345,000V
51	171	514	1,200	178	2,689	5
103	343	1,029	2,401	357	5,378	10
154	514	1,543	3,601	535	8,067	15
206	686	2,058	4,801	714	10,756	20
309	1,029	3,087	7,202	1,071	16,134	30
412	1,372	4,115	9,602	1,428	21,512	40
514	1,715	5,144	12,003	1,785	26,890	50
772	2,752	7,716	18,005	2,677	40,335	75
1,029	3,429	10,288	24,006	3,570	53,780	100
1,543	5,144	15,433	36,009	5,355	80,670	150
2,058	6,859	20,577	48,012	7,140	107,560	200
2,572	8,574	25,721	60,016	8,924	134,450	250
3,087	10,288	30,865	72,019	10,709	161,341	300
4,115	13,718	41,154	96,025	14,279	215,121	400
5,144	17,147	51,442	120,031	17,849	268,901	500
6,173	20,577	61,730	144,037	21,419	322,681	600
7,716	25,721	77,163	180,047	26,773	403,351	750
8,231	27,436	82,307	192,050	28,558	430,241	800
10,288	34,295	102,884	240,062	35,698	537,802	1,000
12,346	41,154	123,461	288,075	42,837	645,362	1,200
15,433	51,442	154,326	360,093	53,546	806,703	1,500
20,577	68,589	205,768	480,124	71,395	1,075,604	2,000
30,865	102,884	308,651	720,187	107,093	1,613,405	3,000
41,154	137,178	411,535	960,249	142,790	2,151,207	4,000

1. 3,300V 는 6,600V의 1/2qo, 5,700V 는 22,900V의 1/4배 계약전력을 적용함

2. 154kV 3상4선식 공급시에는 3상3선식 공급시와 동일치를 적용함

3. 본 용량표는 역률 90%를 기준으로 산정한 것임

 

5) 1상 결상시 문제점

- 배전선로 전선단선 고장시, 전원측 결상으로 인한 수용가 측 MOF가 수십대 소손된 사례가 잇는데, 이는 MOF 내부 PT는 내철형 철심 구조로 1-2차 Y결선 형태이며 분석결과 전원 전선 단선시 MOF의 철심에 의해 건전상의 전압이 역으로 유기되어 단선된 이후 배전선로 부하를 역으로 공급하기 때문에 1차 권선이 과부하로 소손되는 것이다.

 

- 간이 수전설비는 전력퓨즈의 용단 등의 결상 사고에 대한 보호계전기가 없으므로 변압기 2차측에 설치되는 주차단기에는 결상계전기 등을 설치하여 결상 사고에 대한 보호 능력이 있도록 함이 바람직 하다.

 

- MOF의 PT철심(내철형 타입)을 외철형 철심 또는 개별 철심형으로 제작하여 PT소손과 전압 오차를 개선할 수 있다.

 

6. 영상변류기 (ZCT : Zero-phase Current Transformer)

1) 원리

3상회로의 3개의 도체를 절연해서 철심 중심부를 관통시켜서 1차 도체로 사용하고, 2차 권선은 철심 주위에 균이랗게 감은 구조이다. 따라서 1차측 3상의 전류의 벡터합, 즉 영상전류의 3배의 크기에 비례하는 2차 전류를 지락계전기의 입력으로 얻을 수 있다. 이 방식은 CT3개를 사용하는 잔류회로 방법에 비하여 칠심 1개를 공통으로 이용하므로 철심의 특성차이에 기인하는 오차가 적어서 고감도의 지락보호에 널리 사용한다.

 

2) ZCT정격

(1) 최고회로전압 : 7.2kV

(2) 내전압 (상용주파/충격) : 20/60kV

(3) 최대1차전류 : 800A

(4) 영상1차전류 : 200mA

(5) 영상2차전류 : 1.5mA

(6) 등급 : H급, L급

(7) 정격 여자 임피던스 : H급 (Zo > 40Ω), L급 (Zo > 10Ω)

(8) 정격 과전류 정수 : 영상변류기가 포화되지 않는 영상 1차 전류의 범위 (no > 100 또는 no >200)

 

3) ZCT의 접속

- 영상변류기는 한회로에 1대를 사용하는 것이 원칙이다. 

 

- 케이블 굵기나 가닥수 등의 문제로 부득이 한 경우에는 영상변류기는 병렬로 설치하되 지락계전기는 1개만 사용하는 방식을 채택한다. 이 경우 영상순환전류는 상쇄되지만 한쪽 사고 시 다른 쪽 영상변류기의 여자임피던스가 계전기와 병렬로 되므로 계전기의 감도가 저하되는 단점이 있다.

 

- 실드 접지선의 처리

: 케이블 실드의 편단접지선은 전원측 (ZCT 1차 측) 접지 시에는 ZCT를 관통시키고, 부하측 (ZCT 2차 측) 에서 접지를 할 경우에는 관통시키지 않아야 한다.

 

4) ZCT의 확인사항

(1) 설치위치

ZCT의 설치위치가 대전류 도체 등으로부터 10cm (저압) 이상 충분히 이격되어 있는지 확인

 

(2) 1차 배선상태

1차 배선이 ZCT의 K쪽으로 부터 L쪽으로 관통되었는지 확인

 

(3) 2차 배선상태

SGR 또는 DGR 등 방향성 계전기와 영상 변류기 2차 배선의 극성이 올바르게 접속되었는지 확인

 

(4) 케이블 접지선의 ZCT관통상태

케이블 Shield 접지선은 지락전류가 ZCT를 교차하도록 설치되었는지 확인

 

(5) 전자적인 불평형 배선으로 ZCT 2차에 잔류전류가 검출되어 지락계전기, 누전경보기 등의 오동작의 원인이 되므로 전자적인 평형이 되도록 개선한다.

 

7. 계기용 변성기의 고장예방방안

1) 계기용변류기의 운용

- 변류기의 2차측을 개로한 상태에서 운전하면 2차측 끝단에 고전압이 유기되므로 감전에도 유의

- 평소 주기적으로 발열 및 손사영부를 육안으로 관찰하고 열화상카메라로 접촉 불량, 발열 여부를 진단

- 유입형은 누유, 부싱의 균열과 오염, 몰드형은 크랙 등을 점검한다.

 

2) 계기용변압기의 운용

- 계기용변압기는 1차측에는 단락보호 및 지락보호를 위해 정격전류 1A의 한류퓨즈를 설치한다.

- 유입형은 누유, 부싱의 균열과 오염, 몰드형은 크랙 등을 점검한다.

 

3) 계기용변성기의 관리

- 정기점검시마다 측정, 기록하고 이상 징후를 사전에 포착하여 예방 보수

- 정전상태에서 계기용 변성기의 1차 단자와 대지간의 절연저항을 측정

- 계기용 변류기 외함에 규정된 접지시설(몰드형은 제외)이 되어 있는지 확인

 

건식 계기용 변성기의 점검기준

점검항목	방법	판단기준	비고
단자	온도테이프 열화상카메라	65~75℃ 이하
절연저항	절연저항계	특고 : 100MΩ 이상 고압 : 30MΩ 이상 저압 : 10MΩ 이상	특고,고압 : 1,000V 절연저항계 저압 : 500V 절연저항계 단자-대지간 및 각 단자간
접지저항	접지저항계	고압이상 : 10Ω 이상 저압 : 100Ω 이상

 

유입 계기용 변성기의 점검기준

점검항목	방법	판단기준	비고
절연저항	절연저항계	특고 : 100MΩ 이상 고압 : 30MΩ 이상 저압 : 10MΩ 이상	1차 - 대지간 1차 - 2차간 1차 - 3차간
접지저항	절연저항계	고압이상 : 10Ω 이상 저압 : 100Ω 이상
절연유 시험	내압시험기 산화측정	직경 12.5mm, 갭2.5mm 원형전극시험 30kV 이상 : 양호 25 ~ 30kV : 요주의 25kV 미만 : 불량 0.2 미만 : 양호 0.2 ~ 0.3 : 요주의 0.3 이상 : 불량

 

8. VTT 및 CTT의 관리

1) VTT는 VT시험 단자대이며, CTT는 CT시험 단자대 이다

 

2) 정상사용시에는 전용 PLUG를 배전반에서 분리하고 단자대는 분진의 침입 방지를 위하여 커버를 닫는다.

 

3) 시험시에는 PLUG를 배전반에 삽입하여 사용한다.

 

4) 보호계전기 시험시에는 VTT, CTT의 전원측과 부하측을 구별할 필요가 있다.

 

 

전기안전관리_011_수배전설비 - 피뢰기

 

전기안전관리_013_수배전설비 - 전력퓨즈(PF)