전류 변성기(CT): 정의, 용도, 동작 원리

전류 변성기(Current Transformer, CT)

전류 변성기는 계기용 변압기의 일종입니다. 전압 변압기와 비슷하지만 전압이 아닌 전류를 변환합니다.

정의:

“주 목적은 고압 송전선로의 전류를 승압/강압하는 것입니다. 2차 권선 전류는 1차 권선 전류에 비례하지만 크기는 감소됩니다.”

주 목적은 교류 전류 측정입니다.

왜 전류 변성기를 사용하는가?

전압 변압기로 전압을 변환할 수 있는데 왜 전류 변성기가 필요할까요?

1. 표준 전류계(측정기)는 큰 전류를 감당할 수 없고 고압 송전선에 직접 연결할 수 없습니다. 송전선 실제 전류를 표준 전류계로 측정하려면 전류 변성기가 필요합니다. 2차 권선 전류가 1차에 비례하지만 크기가 작아지기 때문입니다.
2. 측정기를 고압 선로로부터 절연하기 위해 씁니다.
3. 보호용 계전기에 전류 입력을 제공하기 위해(고압 송전선에서) 씁니다. 계전기 동작용 전류가 필요할 때 CT를 써서 1차에 비례하지만 크기가 줄어든 2차 전류를 만듭니다.

동작 원리:

CT의 기본 동작은 전압 변압기(PT)와 비슷하지만, 1차 권선이 고압 선로와 직렬로 연결됩니다. 고압 선로 전류가 매우 크므로 가는 선을 1차로 쓰면 손상됩니다. 그래서 1차 코일은 굵은 전선(헤비 듀티)을 씁니다. 2차 전류는 1차에 비례하지만 크기가 작아집니다. 그럼 1차와 2차 권수비는 어떨까요? 변압기 기본 식을 봅시다.

N₂I₂ = N₁I₁

N₂/N₁ = I₁/I₂

이 관계에 따라 전류를 강압하려면 2차 권수가 1차보다 많아야 합니다.

1차 코일이 전력선과 직렬이므로 ‘직렬 변압기’라고도 부릅니다.

2차 권선은 큰 단면적의 저손실 자성 재료 적층 철심에 감깁니다.

CT에서 2차 권선에 연결된 부하(부담)는 2차 측 고전압 파괴를 막기 위해 매우 작게 유지합니다. 이 점을 이해하는 게 CT 사용에 중요합니다.

이것은 2차 권수가 1차보다 많은 강압 변압기입니다.

N₂/N₁ = V₂/V₁ = 10/1

예를 들어 권수비가 10:1이면(N₂/N₁=10/1=I₁/I₂) 1차 전류가 2차의 10배지만, 1차 전압은 2차의 1/10입니다.

N₂/N₁ = V₂/V₁ = 10/1

“2차 측에 연결된 임피던스(부담)는 매우 작습니다.”

이해를 돕기 위해 예를 들어보겠습니다.

• R_L=1Ω이면 전압 강하 V₀=IR=1A×1Ω=1V
• R_L=10Ω이면 V₀=1A×10Ω=10V
• R_L=100Ω이면 V₀=1A×100Ω=100V
• R_L=1kΩ이면 V₀=1A×1kΩ=1kV

위 계산처럼 부담 R_L이 커지면 그에 걸리는 전압 V₀도 커집니다. 2차 권선에 연결할 수 있는 R_L에는 한계가 있습니다. 이 한계를 넘으면 플래시오버가 발생해 CT가 탑니다. R_L을 제거하면 안 됩니다. 제거하면 저항이 무한대(∞)가 되어 플래시오버가 나기 때문입니다. R_L이 최소값을 초과해도 CT가 탑니다.

2차 권선을 정격 부담에서 분리해선 안 됩니다.

“부담이란 2차 권선에 연결된 부하를 말합니다.”

따라서 CT는 항상 단락 상태로 운전됩니다. 부담(부하)은 2차 전류×전압(VA)의 곱으로 정의됩니다. CT는 저전력을 처리합니다.

전류 변환비:

“1차 전류와 2차 전류의 비율을 전류 변환비라 합니다.”

송전선 1차 전류는 10~3000A 이상, 2차 전류는 0.1~5A 정도입니다.