8. 계기용변압기

계기용 변압기(P.T : Potential Transformer)

가. 개요

계기용 변압기란 어떤 전압 값을 이에 비례하는 전압으로 변성하는 계기용 변성기를 말한다.

1. 절연구조에 따른 분류

1) 건식
절연재료로 종이, 면 등을 절연 와니스에 진공 함침한 것을 사용한 것으로 저 전압 옥내용으로 많이 사용된다.

2) Mold형
흡습에 의한 절연파괴를 방지하기 위하여 합성수지 또는 부틸고무 등을 사용하여 권선 또는 전체를 절연한 것으로 저전압 및 30KV 미만에 많이 사용한다.

3) 유입형
절연유를 절연재료로 사용한 것으로 탱크형으로 비교적 고전압 옥외용에 많이 사용한다.

4) 가스형
절연유 대신 SF₆ 가스를 사용하여 탱크형으로 제작된다 최근 GIS 설비용으로 많이 사용되고 있다.

2. 권선형태에 따른 분류(원리에 따른 분류)

권선형과 CPD의 사용구분은 주로 경제성 검토에서 결정되며, 현재 100KV 이상의 CPD가 권선형보다 경제성이 있으며 특히 전력선 반송을 하는 곳에서는 전압이 다소 낮아져도 경제적인 경우가 있으므로 검토할 필요가 있다.

1) 권선형

1,2차 모두가 권선으로 제작되어 권수비에 따라 변압비가 결정된다.

	계측기를 고전압 회로로부터 절연하고 계측에 적당한 전압으로 변환한다. 단상형과 3상형, 건식과 유입식 (6.6㎸이상)이 있다.
권선형 계기용 변압기"예"

2) 콘덴서형 계기용 변압기(CCPD또는 CPD : Coupling Capacitance Potential Device)

고전압측을 권선대신 Capacitance를 이용하여 1차전압을 분배시킨 후 사용하기 적당한 전압 TAP을 만들어 이 전압을 권선형 PT로 필요한 전압을 얻는 방식이다.

원리
콘덴서 분압기의 원리를 이용한 계기용 변압기
종류
결합콘덴서형, 부싱형, 1차리액터형, 2차 리액터형, 누설변압기형, 보호지역용, 비보호 지역용이 있다.
특징
권선형에 비해 절연의 신뢰성이 높고 염가이다.
정전용량에서 층간단락사고가 발생하면 분압상태가 변하여 2차회로에 고전압이 유기될 우려가 있어 방전갭을 만들어 이상과전압을 방지한다.
용도
100㎸이상인 고압회로의 전압을 체감하여 계기나 계전기에 전기를 공급하기 위해 사용된다.

보통 사용되는 공진형에서는 부담과 직렬로 공진리액터를 내장하고 있다. 이 공진 리액터의 리액턴스는 가 되도록 조정된다. 따라서 2차측의 단자에서 본 CPD 내부 임피던스는 거의 "0"에 가깝다.
분압전압이 높아질 경우, 즉 외부에서의 서지전압 또는 1선지락시의 건전상 전위상승 또는 CPD 2차회로의 단락사고 때에 CPD를 보호하기 위해 분압콘덴서와 병렬로 방전갭을 설치하며, 그 방전갭의 방전전압은 정격분압전압의 2.5배정도로 하고 있다.
CPD는 콘덴서와 리액터를 주요구성요소로 하기 때문에 1차 전압이 급격히 변화하면 2차 전압에 과도현상이 발생한다.(정전시에도 수 사이클 동안 전압이 잔류하여 계전기의 동작에 영향을 미칠수 있으나 방향판정에는 지장이 없다)
CPD는 철심을 갖는 임피던스와 콘덴서의 직렬회로이므로 1차전압의 인가 또는 2차측 단락의 복귀 등 전기적 충격으로 인덕턴스의 자기포화에 의해 철공진 현상을 일으킬 수 있다.

3) BCPD형(Bushing Capacitance Potential Device)

고전압측 권선대신 부싱의 대지간 정전용량을 이용하여 1차전압을 분압시킨후 분압된 전압을 CCPD형과 같은 방법으로 필요한 2차전압을 얻으며, 주변압기와 같이 Bushing이 있는 곳에서만 사용이 가능하다.

4) 3차권선부 PT

한 개의 철심에 1,2,3차 권선을 각각 설치하여 2차측은 Y 결선하여 정상전압을, 3차측은 개방 Δ결선하여 영상전압을 얻을 수 있다. 또는 2차측은 1st main용으로 3차측은 2nd main으로 각각 구분 사용한다.

5) 이중비 PT

2차권선에 중간탭을 만들어 두가지 전압을 얻을 수 있는 PT로서 Y 결선시 선간전압이 상전압의 √3배가 되기 때문에 상전압을 정격전압의 1/√3에 해당하는 탭을 만들면 선간전압을 정격전압으로 운전할 수 있다.

3. 사용 목적에 따른 분류

사용목적에 따라 접지형과 비 접지형, 상수에 따라 단상과 3상으로 분류

1) 단상 PT
한상분의 PT가 한 대의 기기에 내장된 것으로 3상 측정을 위해선 2대 또는 3대가 필요하다.

2) 삼상 PT
한 대의 기기속에 3상 모두를 측정할 수 있도록 제작된 PT 이다.(정상분 또는 영상전압을 얻기 위해서는 3상을 사용하는 것이 경제적이다.)

3) 보조 PT
단상과 비슷하나 소폭의 전압조정, 위상조정, 절연 및 오차보상 등의 목적으로 사용된다.

4) 접지식
고압권선의 한단을 접지해서 저감절연 방식을 사용토록 제작되어 경제적이다.

5) 비접지식
고압권선 양단을 모두 전절연하여 다목적으로 사용토옥 제작된 방식으로 비교적 고가이다.

1. 정격전압

정격 1차전압 : 계통의 전압
정격 2차전압 : 110V 또는 115V 가 표준전압이다.
- 비 접지형 및 3상접지형의 경우 : 110V
- 단상접지형의 경우 : 110/√3, 190/√3
( 자가용 수전설비 13.2/22.9㎸-Y의 경우 13.2㎸ / 110V적용)

2. 정격부담

2-1. 계기용 변압기의 정격부담이란 변압기 2차측에서 오차범위를 유지할 수 있는 부하 임피던스를 VA로 표시하며 다음과 같이 나타낸다.

- V_{2 :}정격 2차전압(V)
- Zb : 계전기 계측기 2차 케이블을 포함한 총 부하(Ω)

2-2. 2차회로

PT회로의 1차전류는 PT 2차 회로의 상태에 따라 결정된다.
즉, 2차회로가 개방되어 있으면 여자전류뿐이고 부하가 연결되면 부하전류가 흐른다. 만약 단락되면 단락전류가 흘러 소손될 우려가 있다.

2-3. 오차발생

PT 2차 부하는 병렬로 접속되기 때문에 부하가 증가하면 부하 임피던스는 감소하고 정격부담을 초과하여 감소하면 오차가 발생한다.

2-4. 2차단락

정격부담을 많이 초과하거나 단락상태가 되면 1차에는 단락전류가 흘러 소손될 우려가 있다.

<표> 계기용 변압기의 정격부담

계급	정 격 부 담 (VA)
0.1급	10	15	25	-	-	-	-
0.2급	10	15	25	-	-	-	-
0.5급	-	15	-	50	100	200	-
1.0급	-	15	-	50	100	200	500
3.0급	-	15	-	50	100	200	500

<표> 정격부담을 고려한 2차측 케이블의 굵기(㎟)

정격부담 (VA)	케이블길이m
	30	50	75	100	150	200	250	300
100	3.5	3.5		5.5
200	3.5	5.5				8	14
500	5.5		8	14		22
500(영상)	3.5

3. 비오차

실제의 1차전압과 2차전압 또는 2차 전압의 비가 공칭 변성비(명판)에 대한 오차를 나타낸다.

변압비 : 1차전압에 대한 2차전압 크기의 비이다.
비오차 : 공칭 변압비와 측정 변압비 사이에서 얻어진 백분율 오차이다
- 비오차 = (공칭 전압비-측정 전압비)·100/측정 전압비

비 보정계수( Transformer Correction Factor) : 비 오차 표시방법중 한가지로 위상 각 오차까지를 포함한 계수로서 아래와 같이 구한다.
- T.C.F = 측정 변류비/공칭 변류비

[표] PT의 오차계급 비교표

구분 ＼ 국별	계 전 기 용			계 기 용
구분 ＼ 국별	계급	부담	허용오차	계급	부담	허용오차
한국 KSC 1701	0.5 1.0 3.0 0.1 0.2	일반용 일반용 일반용 표준형 표준형	±0.5% ±1.0% ±3.0% ±0.1% ±0.2%	0.3W 0.5W 1.0W	전력수급용 " "	-
미국 (ANSI)	W X Y Z ZZ M	12.5 25 75 200 400 35	-	1.2 0.6 0.3	- - -	± 1,2% ± 0.6% ± 0.3%
영국(BS)	E F	- -	±3% ±10%	A B C	- - -	±0.5% ±1.0% ±2.0%
일본 (JEC)	2차용			3차용
일본 (JEC)	1.0 3.0	- -	±1.0% ±3.0%	3G 5G	- -	± 3% ± 5%

4. 위상 각

1차 전압벡터에 대해 180°회전시킨 2차전압 또는 3차 전압의 벡터가 이루는 각을 분으로 나타낸 것이다.

5. 극성

1차전압의 방향에 대하여 2차전압의 방향을 나타내는 특성이며, 감극성과 가극성으로 분류되고 한국에서는 감극성을 표준으로 하고 있다.
즉 감극성은 U단자에 1차전압의 +측이 가해지면 2차전압의 +측은 u단자로 나타난다. 가극성은 이와 반대로 v 단자에서 +측이 나타난다.

6. Fuse 사용

1차측 : 66KV 이하에서는 Fuse를 사용하고, 154KV 이상에서는 사용하지 않는 것이 일반적이다.

2차측 : Fuse를 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 계전기회로, Volt Regulator회로, 영상전압회로 등에는 Fuse를 설치하지 아니하는 것을 원칙으로 한다.
전압강하 : Fuse 사용으로 인한 전압강하는 0.1% 이하이어야 한다.

1. PT용 퓨즈의 선정

1-1. 1차측 퓨즈

PT의 고장이 선로에 파급되는 것을 방지하기 위해 설치.
고압 이상의 경우에는 COS 또는 PF로서 0.5A 또는 1A의 정격이 사용된다.

1-2. 2차측 퓨즈

부하의 고장 등으로 인한 2차측의 단락 발생시 1차측으로 사고파급을 방지하기 위해 설치.
정격부담에 적합한 전류치 채용( 3, 5, 10A 등)

2. 접지

2점 접지로 하지 말 것.
접지는 1개소에서 또한 보안상으로는 변성기의 단자측보다 계전기의 장치측에서 실시한다.(전압에 따라 1종 또는 3종) - 전기설비기술기준 26조 계기용변성기의 2차측 전로의 접지

1. 사용 PT 선정

1-1. 보호구간

보호용으로 사용되는 PT 선정시 CT와 같은 보호구간은 없다. 일반적으로 154KV 이하 계통에서는 선로마다 설치하지 않고 모선에 모선종합 PT를 설치하여 공동사용한다. 154KV Loop 계통에서는 자동재폐로 방식 운전에 따른 동기검정계전기용으로 선로측에 단상 PT 한 대를 설치한다.
345KV 계통에서는 모선종합 PT를 사용하지 않고 각 선로마다 설치하여 사용한다.

1-2. 상일치

발전소 또는 변전소의 구내 상배치를 확인하고 PT의 1차측과 2차측의 상을 일치시킨다. 일치가 불가능할 때에는 상을 확인후 실계통에 맞도록 사용한다.

1-3. 특성일치

오차계급 부담 등과 같이 PT의 특성과 계측기 및 계전기가 요구하는 특성이 일치하도록 한다.

2. PT 결선법

PT의 2차회로는 CT 와 마찬가지로 계전기측에서 접지한다. 이 경우에도 CT의 경우와 마찬가지로 반드시 1점에서만 접지하고 다중접지하지 않는 것이 중요하다.

결선방법	특징
	1. Y 결선 Y 결선은 PT회로의 기본결선이다. PT를 각각 설치하고 권선의 한측(-)을 Common하고 다른 한측(-)에서 건전상을 얻어내는 결선 법이다. 선간 전압은 상 전압의 √3배가 된다. 위상은 1차와 2차가 동상이 된다.
	2. △ 결선 PT의 1차측은 Y결선 된 것이 일반적이므로 2차회로를 △ 결선으로 하는 경우는 거의 없다. 그 이유는 1차와 2차 간에 30°의 위상 차가 발생하기 때문이다. 지락방향계전기의 극성을 얻을 수 없으므로 영상전압이 필요한 경우에는 오픈△ 결선을 사용하여야 한다.
	3. V 결선 평형 3상 3선식 회로에서는 두 대의 PT를 그림과 같이 V결선하면 3상전압을 얻을 수 있어 경제적인 방법이다. 1차회로의 B상에 FUSE를 두지 않도록 한다. 만약 B상이 결상되면 AC 단상전압이 2대의 PT에 공급되어 반 전압이 걸리고 2차측의 위상도 V_AB 대신 V_AC가 V_BC대신 V_AC가 나타나 60°의 위상 차가 발생되기 때문이다. 지락방향계전기의 극성을 얻을 수 없으므로 영상전압이 필요한 경우에는 오픈△ 결선을 사용하여야 한다.
4. 직병렬결선 두 대의 단산 PT를 직렬 또는 병렬로 결선하는 방법으로 4가지 방법이 있다. 그러나 이 방법은 벡터 합성시 외에는 별 의미가 없어 사용되지 않는 방법이다. 그림a는 1차 및 2차권선 모두를 직렬로 결선한 경우이다. 이때 종합변압비는 변하지 않고 전압은 반전압이 걸리게 된다. 그림b는 1차는 직렬, 2차는 병렬로 결선한 경우이다. 종합변압비는 배가 되고 전압은 반전압이 걸린다. 그림C는 1차는 병렬, 2차는 직렬로 결선한 경우이다. 종합변압비는 반이되고, 전압은 정격전압 그대로 이다. 그림D는 1차 및 2차권선 모두를 병렬로 결선한 경우이다. 종합변압비 및 정격전압 모두 변하지 않고 그대로이다.

바. 계기용 변압기의 특이현상

1. 중성점 불안정 현상

1-1. 발생원인

전력계통이 비 접지일 때 계기용 변압기를 접지한 경우.
전력계통이 접지계일 때 일시적으로 계통분리에 의하여 전력계통이 비 접지계로 된 경우.
계기용 변압기의 정격부담이 극히 적은 경우로서
- 전력계통에 갑자기 전압이 인가되거나 1선지락사고의 복구와 같은 전기적인 충격에 의한 전력계통의 혼란.
- 차단기 단로기 등의 개방 또는 퓨즈용단 등의 전력계통의 단선

1-2. 영향

철 공진을 일으켜 중성점에 복잡한 과도진동이 생기게 되는데 이것이 원인이 되어 정상진동으로 진행되어 계기용 변압기의 대지전압이 높아져서(정상전압의 2~3배) 철심이 포화되고 돌입전류가 흐르게 된다.(계속 반복된다)

1-3. 대책

GPT의 부담을 적당히 크게 한다.