전력 시스템에서의 두 가지 주요 계측 변압기 유형입니다

I. 전압 변환기 (VT)

전압 변환기(전위 변환기, PT라고 줄여 표기하거나, 전압 변환기, VT라고 줄여 표기함)는 전력 회로에서 전압 수준을 변환하는 데 사용되는 전기 장치입니다.

1. 작동 원리

전압 변환기는 전자기 유도의 원칙에 따라 작동하며, 일반적인 변압기와 유사한 구조를 가지고 있으며, 주로 일차 권선, 부차 권선, 그리고 코어로 구성됩니다. 일차 권선은 측정 대상인 고전압 회로와 병렬로 연결되어 있고, 많은 수의 턴수를 가지고 있습니다.

부차 권선은 적은 수의 턴수를 가지고 있으며, 측정 기기, 보호 계전기, 기타 부하에 연결됩니다. 정상 작동 조건에서는 부차측은 거의 개방 회로 상태에 가깝습니다. 전자기 유도 법칙에 따르면, 일차 전압과 부차 전압의 비율은 턴수 비율(U₁/U₂ = N₁/N₂)과 같습니다. 이를 통해 고전압이 비례적으로 표준화된 저전압(일반적으로 100V 또는 100/√3 V)으로 낮아져, 측정 및 보호 장치에 안전하고 적합하게 됩니다.

그 전기 기호는 다음과 같습니다:

2. 기능

• 전압 측정: 시스템의 고전압을 표준화된 저전압(예: 100V 또는 100/√3 V)으로 낮추어 전압계, 에너지 미터, 기타 측정 기기에 사용되며, 전력 시스템의 전압을 실시간으로 모니터링할 수 있게 합니다.
• 계전기 보호: 과전압, 저전압 등의 보호 기능을 위한 보호 계전기에 신뢰성 있는 전압 신호를 제공합니다. 이상적인 전압 조건이 발생할 때, 보호 시스템은 신속하게 반응하여 트립 명령을 트리거하여 고장 회로를 격리하고 시스템 및 장비의 안전을 확보합니다.
• 에너지 측정 및 청구: 에너지 미터와 함께 작동하여 고전압 회로에서 전력 소모를 정확히 측정합니다. 이는 유틸리티 청구 및 에너지 정산의 중요한 기반이 됩니다.

3. 특징

• 고정밀도: 측정 등급의 전압 변환기는 정밀도가 높은 등급(예: 0.2, 0.5)을 가지며, 정확한 전압 측정 및 에너지 측정을 보장합니다. 보호 등급의 VT는 빠른 응답을 우선시하며, 상대적으로 낮은 정밀도 등급(예: 3P, 6P)을 가집니다.
• 고절연 요구사항: 고전압 VT는 고운전 전압을 견뎌내야 하며, 일반적으로 오일 침지형, SF₆ 가스, 또는 고체 수지 절연재를 사용하여 안정적이고 신뢰성 있는 성능을 발휘합니다. 저전압 VT는 대부분 건식이며, 간단한 구조와 유지 관리가 쉽습니다.
• 부차측은 단락되지 않아야 함: 부차측의 단락은 매우 높은 전류를 발생시켜, 권선을 과열시키고 파괴할 수 있습니다. 따라서 부차 회로는 용량이나 미니어처 회로 차단기로 보호되어야 합니다.

4. 적용 사례

• 고전압 적용: 1 kV 이상의 전압(예: 10 kV, 35 kV, 110 kV 시스템)을 가진 송전선 및 변전소에 적합합니다. 버스바 또는 선로의 전압을 모니터링하고 보호 시스템에 입력을 제공하여 안전하고 안정적인 그리드 운영을 보장합니다.
• 저전압 적용: 1 kV 이하의 배전 시스템(예: 220V 주거용 회로, 380V 산업용 시스템)에 적용됩니다. 저전압 스위치 기어에서 소비자 측의 전압을 모니터링하거나 에너지 미터와 인터페이스하여 전력 측정에 사용됩니다.

II. 전류 변환기 (CT)

전류 변환기(CT), 또는 전류 변환기라고도 알려져 있으며, 정상 작동 조건 하에서 일차 전류와 실질적으로 비례하는 부차 전류를 생성하며, 올바르게 연결될 때 위상 차이가 거의 0에 가까워집니다.

1. 작동 원리

전류 변환기는 전자기 유도의 원칙에 따라 작동하며, 일반적인 변압기와 유사한 구조를 가지고 있으며, 일차 권선, 부차 권선, 그리고 자기 코어로 구성됩니다. 일차 권선은 측정 대상인 회로와 직렬로 연결되어 있으며, 매우 적은 수의 턴수(때로는 한 턴)를 가지고 있으며, 높은 일차 전류를 운반합니다.

많은 수의 턴수를 가진 부차 권선은 측정 기기, 보호 계전기, 기타 부하와 직렬로 연결되어 폐쇄 회로를 형성합니다. 정상 작동 조건에서는 부차측은 거의 단락 상태에 가깝습니다. 전자기 유도에 따르면, 일차 전류와 부차 전류의 비율은 턴수 비율(I₁/I₂ = N₂/N₁)의 역수에 비례합니다. 이를 통해 큰 전류가 비례적으로 표준화된 저전류(일반적으로 5A 또는 1A)로 낮아져, 측정, 모니터링, 보호를 용이하게 합니다.

그 전기 기호는 다음과 같습니다:

전류 변환기의 일차 및 부차 정격 전류의 비율을 전류 변환 비율(Ke)이라고 합니다. 전류 변환 비율의 표현은 다음과 같습니다:

참고:

• W₁, W₂는 각각 변압기의 일차 및 부차 권선의 턴수입니다;
• I₁ₑ, I₂ₑ는 각각 일차 및 부차 권선의 정격 전류입니다;
• I₁, I₂는 각각 일차 및 부차 권선의 실제 전류입니다.

2. 기능

• 전류 측정: 높은 일차 전류를 표준화된 저전류(예: 5A 또는 1A)로 낮추어 암미터, 에너지 미터, 기타 기기가 부하 전류를 실시간으로 모니터링할 수 있게 합니다.
• 계전기 보호: 과전류, 차동, 거리 보호 등에 필요한 전류 신호를 보호 계전기에 공급합니다. 단락 또는 과부하와 같은 고장이 발생할 때, 보호 시스템은 트립 신호를 트리거하여 전원을 차단하여 장비 손상 및 시스템 불안정을 방지합니다.
• 전기적 분리: 고전압/고전류 일차 회로와 측정, 제어, 보호를 위한 저전압 부차 회로 사이에 갈바닉 분리를 제공합니다. 이는 작업자의 안전과 부차 장비의 안전을 보장합니다.

3. 특징

• 고신뢰성: 단락 시 고역학적 및 열적 스트레스를 견뎌내어야 합니다. CT는 극단적인 고장 조건에서도 무결성을 유지하기 위해 우수한 동적 및 열적 안정성을 갖추도록 설계되었습니다.
• 다중 권선 설계: 고전압 CT는 종종 여러 개의 부차 권선을 가지고 있습니다—하나는 측정용(고정밀도, 예: 0.5 등급)이고 다른 하나는 보호용(넓은 범위 및 빠른 응답, 예: 5P 또는 10P 등급)입니다. 저전압 CT는 일반적으로 기본 응용 요구를 충족하기 위해 단일 또는 이중 권선을 가지고 있습니다.
• 부차측은 개방 회로가 되어서는 안 됨: 부차측의 개방 회로는 권선에 매우 높은 전압(수 kV까지)을 유도하여 절연 파괴, 장비 손상, 전기 충격 등의 심각한 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 부차 회로는 작동 중에 반드시 폐쇄되어 있어야 하며, 개방은 엄격히 금지되어 있습니다.

4. 적용 사례

• 고전압 적용: 1 kV 이상의 전압(예: 10 kV, 35 kV, 110 kV 시스템)을 가진 송전선 및 변전소에서 사용됩니다. 변압기, 회로 차단기, 버스바 등의 중요 장비의 전류 모니터링 및 보호에 널리 적용되며, 그리드의 신뢰성 및 안전을 보장하는 중요한 역할을 합니다.
• 저전압 적용: 1 kV 이하의 배전 시스템(예: 산업 작업장, 상업 건물, 주거 단지)에서 적용됩니다. 일반적으로 저전압 스위치 보드 또는 배전 패널에 설치되어 지선 모니터링, 에너지 측정, 잔류 전류 장치(RCD) 및 스마트 미터와 통합하여 안전하고 효율적인 전력 사용 관리를 가능하게 합니다.