변류기의 내부 구조 및 유형

핵심: 모든 변류기의 심장

자기 코어는 변류기 내부에서 가장 성능을 결정하는 단일 구성 요소입니다. 이는 전자기 유도에 의해 1차 도체의 에너지가 2차 권선으로 전달되는 매체 역할을 합니다. 코어의 모양, 재료 및 단면적은 완성된 장치의 거의 모든 성능 특성을 결정합니다.

코어 기하학

대부분의 변류기 코어는 토로이드(링) 모양으로 제조됩니다. 이 폐쇄 루프 구조는 자속 경로가 연속적임을 보장하여 자속 누출을 최소화하고 높은 정확도에 기여합니다. 토로이달 코어는 정격 전류에서 위상각 오류가 매우 낮기 때문에 수익 등급 및 보호 등급 계측기의 표준입니다.

고비율 또는 특수 용도에 사용되는 권선형 변류기의 경우 코어는 방향성 전기 강철 스트립으로 조립된 직사각형 또는 C자형 구성으로 적층될 수 있습니다. 이러한 적층 코어를 통해 제조업체는 목표 부담 및 정확도 등급에 맞게 단면적을 정확하게 조정할 수 있습니다.

자기 코어 재료

자기 코어 재료의 선택은 변압기의 정확도 등급, 포화 동작 및 주파수 응답을 직접 제어합니다. 아래 표에는 가장 일반적인 옵션이 요약되어 있습니다.

50Hz 또는 60Hz의 표준 전력 주파수 측정의 경우 CRGO 실리콘강은 비용, 가용성 및 자기 성능 간의 유리한 균형으로 인해 여전히 지배적인 선택입니다. 니켈-철 합금은 넓은 부담 범위에 걸쳐 오류가 0.1% 또는 0.2% 이내로 유지되어야 하는 정밀 수익 측정 CT용으로 예약되어 있습니다.

코어 적층 및 절연

와전류 손실을 줄이기 위해 실리콘 강철 코어는 일반적으로 두께가 0.23mm ~ 0.35mm인 얇은 스트립으로 적층됩니다. 각 적층은 얇은 절연층(일반적으로 인산염 처리 또는 유기 바니시)으로 코팅되어 층 사이에 전류가 흐르는 것을 방지합니다. 더 단단한 라미네이션과 더 얇은 스트립은 지속적인 과부하 조건에서 손실과 열 축적을 줄입니다.

2차 권선: 플럭스를 측정 가능한 신호로 변환

2차 권선은 코어에 직접 감겨 있으며 계측기, 계전기 및 미터가 측정하는 출력 전류를 생성하는 역할을 합니다. 이 권선의 물리적 구성은 정확도와 열 성능 모두에 영향을 미칩니다.

권선 및 도체 재료

거의 모든 2차 권선은 에나멜 구리선으로 감겨 있습니다. 구리는 높은 전기 전도성, 연성 및 잘 알려진 온도 특성이 결합되어 표준 선택이 됩니다. 특수한 경량 설계에서는 알루미늄 와이어가 가끔 사용되지만 동일한 저항 목표를 달성하려면 더 큰 단면이 필요하고 부식을 방지하기 위해 조심스럽게 종료해야 합니다.

와이어 게이지는 2차 권선 저항 사양(종종 Rct라고도 함 - 2차 권선의 저항)을 충족하도록 선택됩니다. Rct가 낮을수록 사용 가능한 2차 EMF의 더 많은 부분이 내부에서 열로 소산되지 않고 외부 부담으로 전달될 수 있습니다. 이는 낮은 부담 수준의 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다.

와인딩 기술 및 회전수

2차 권선 회전 수는 1차 권선과 결합하여 변환 비율을 결정합니다. 1차가 단일 통과 도체인 표준 막대형 또는 창형 변류기의 경우 1차 권선 수는 1입니다. 그런 다음 2차 권선은 원하는 비율을 달성하도록 설정됩니다(예: 200A/1A 변압기에서 200:1 비율에 대해 200권선).

권선은 토로이드 주위에 균일하게 분포되어 있어 기자력의 균형을 유지하고 누설 자속을 최소화합니다. 권선 분포의 작은 비대칭성으로도 측정 가능한 위상 각도 오류가 발생할 수 있는 고정확도 설계에서는 균일성이 특히 중요합니다.

층간 절연

다층 권선에는 서로 다른 전위의 권선 간 전압 파괴를 방지하기 위해 층간 절연이 필요합니다. 일반적인 층간 절연 재료는 다음과 같습니다.

• 폴리에스테르 필름 테이프(마일라형) - 유전 강도와 얇은 프로파일의 균형을 위해 중저압 CT에 사용됩니다.
• 폴리이미드 필름(Kapton 유형) — 작동 온도가 130°C를 초과하거나 내전압을 희생하지 않고 매우 얇은 절연이 필요할 때 선택됩니다.
• Nomex 종이 — 셀룰로오스 기반 소재가 분해되는 건식 고온 환경에 사용됩니다.

변류기 구성의 1차 도체 배열

변류기의 1차측은 여러 가지 서로 다른 방식으로 배열될 수 있으며, 그 결과 각각 다른 기계적 구조 유형이 발생합니다. 이는 물리적 설계에 따라 CT를 분류하는 기본 기반입니다.

바형 변류기 구성

막대형 변류기는 환상형 또는 직사각형 코어 및 권선 어셈블리의 중심을 통과하는 고정된 공장 설치 1차 도체(일반적으로 구리 또는 알루미늄 막대)를 사용합니다. 코어와 2차 권선은 이 바 주위에 캡슐화되어 있습니다. 이 구조는 최대의 기계적 강성을 제공하며 1차 전류 정격이 400A에서 수천 암페어에 이르는 스위치기어 및 부스바 설치에 선호됩니다.

바는 공장에서 설정되므로 바형 CT는 현장에서 조정할 수 없습니다. 정격 1차 전류는 제조 시 결정됩니다. 그러나 기본 경로에 느슨해지거나 부식될 수 있는 기계적 조인트가 없기 때문에 수십 년 동안 사용해도 매우 안정적입니다.

창형 변류기 구조

링형 또는 도넛 변류기라고도 하는 윈도우형 CT는 2차 코일이 감겨 있고 중앙 구멍이 있는 하우징에 둘러싸인 토로이드형 코어로 구성됩니다. 측정된 전류를 전달하는 케이블이나 버스바 등 1차 도체는 설치 시 이 구멍을 통해 간단히 연결됩니다. CT 본체와 1차 도체 사이에는 전기적 연결이 이루어지지 않습니다. 변압기는 순전히 유도에 의해 작동합니다.

도체가 창을 통해 물리적으로 맞는 한 단일 CT 모델을 다양한 단면의 도체에 설치할 수 있으므로 이 설계는 다목적입니다. 창형 CT는 분전반, 케이블 모니터링 및 기존 설비 개조에 광범위하게 사용됩니다.

권선 변압기 구성

권선 변류기에서 1차 권선은 2차 권선과 함께 코어에 직접 감겨진 절연 구리 도체의 한 바퀴 이상으로 구성됩니다. 이 배열은 1차 전류가 상대적으로 낮을 때(일반적으로 100A 미만) 사용되며 단일 패스 도체는 정확한 측정을 위해 자속이 충분하지 않습니다.

2개, 3개 또는 그 이상의 1차 회전을 추가하면 물리적으로 더 큰 코어를 요구하지 않고도 유효 변환 비율이 배가됩니다. 5개의 1차 권선과 1,000개의 2차 권선이 있는 권선 CT는 1,000:5 또는 200:1의 유효 비율을 가지며, 5턴 1차 권선은 단일 막대 1차 권선보다 동일한 라인 전류에 대해 더 큰 자속을 구동합니다.

권선형 CT는 일반적으로 동일한 정격 전류에서 막대형 또는 창형 CT보다 더 비쌉니다. 추가 권선 프로세스로 인해 노동력이 추가되고 1차 도체 절연체가 시스템의 전체 선간 전압에 대해 정격을 지정해야 하기 때문입니다.

스플릿 코어 변류기: 구성 및 응용

는 분할 코어 현재 변압기 특정 실제 문제, 즉 전원을 차단하거나 연결을 끊을 수 없는 도체에 변류기를 설치하는 방법을 해결합니다. 자기 코어는 정밀 가공된 조인트를 따라 두 부분으로 나누어집니다. 힌지 또는 래치 메커니즘은 작동 중에 반쪽을 닫은 상태로 유지하고 설치를 위해 분리할 수 있도록 합니다.

코어 반쪽이 열려 있으면 CT를 활성 케이블 주위에 배치할 수 있습니다. 일단 닫고 걸쇠를 걸면 자기 회로가 완성되고 장치는 동일한 치수의 솔리드 토로이달 CT와 동일하게 기능합니다.

는 key engineering challenge in split-core design is minimizing the air gap at the joint. Even a microscopic gap in the magnetic circuit dramatically increases the magnetizing current required and introduces errors, particularly at low primary current levels near 5% to 20% of the rated value. Manufacturers address this through:

• 결합 표면을 10마이크로미터 미만의 공차로 정밀 가공
• 작은 잔여 틈에 더 잘 견디는 고투과성 코어 소재 사용
• 일관된 조임력을 적용하여 절반 부분을 단단히 결합시키는 스프링 장착 래치
• 약간 불완전한 폐쇄에도 불구하고 낮은 오류를 유지하는 나노결정질 또는 비정질 코어 재료

스플릿 코어 CT는 에너지 감사, 건물 에너지 관리 시스템, 개조된 전력 모니터링 패널 및 모니터링되는 회로를 차단하지 않고 설치를 수행해야 하는 모든 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 코어 재료 및 접합 품질에 따라 클래스 1부터 클래스 0.5까지의 정확도 등급으로 제공됩니다.

토로이달 변류기: 링 모양이 중요한 이유

는 toroidal current transformer is by far the most common construction used in modern panel-mount and inline current measurement. Its defining feature is the doughnut-shaped core, which creates a closed magnetic path with no deliberate air gap (in solid-core versions) and no exposed pole faces.

토로이드 코어의 자기 효율

토로이드 설계에서는 자속이 코어 재료 내에서 완전히 순환하기 때문에 기본적으로 자속이 주변 공기로 빠져나가지 않습니다. 이는 두 가지 실질적인 결과를 가져옵니다. 첫째, 작동 자속을 설정하는 데 필요한 자화 전류가 매우 낮아서 비율 오류와 위상 변위를 직접적으로 줄입니다. 둘째, 환상형 CT는 직사각형 코어 설계에 비해 창 내 1차 도체 위치(위치 오류 내성이라는 속성)에 훨씬 덜 민감합니다.

잘 설계된 토로이달 CT에서는 1차 도체를 창 중앙에서 중심에서 벗어난 위치로 이동하면 추가 비율 오류가 0.05% 미만으로 발생합니다. 직사각형 코어 CT에서는 동일한 변위로 인해 0.3%를 초과하는 오류가 발생할 수 있습니다.

토로이달 코어 제조

변류기용 토로이달 코어는 대상 재료에 따라 세 가지 방법 중 하나로 제조됩니다.

1. 테이프로 감긴 코어 — 실리콘 강철, 니켈-철 합금 또는 나노 결정질 리본의 연속 스트립을 맨드릴 주위에 나선형으로 감은 다음 열처리하여 감는 동안 발생하는 기계적 응력을 완화합니다. 이 방법은 가장 높은 정확도 등급에 사용됩니다.
2. 적층형 적층 코어 — 개별 펀치 라미네이션은 쌓여서 인터리빙되어 링을 형성하며, 일반적으로 테이프 권선이 과도한 내부 응력을 생성하는 더 큰 직경의 코어에 사용됩니다.
3. 분말 또는 소결 페라이트 코어 — 고주파 애플리케이션에 사용됩니다. 페라이트는 환상형 금형에 압착되어 고온에서 소결됩니다.

변류기의 절연 시스템

CT 절연은 두 가지 기능, 즉 저전압 2차 회로에서 고전압 1차 도체를 분리하고 환경 저하로부터 권선 및 코어 어셈블리를 보호하는 기능을 동시에 수행해야 합니다. 선택되는 절연 시스템은 정격 전압, 주변 환경, 애플리케이션의 기계적 요구 사항에 따라 달라집니다.

수지 캡슐화(에폭시 또는 폴리우레탄 성형)

는 majority of low-voltage and medium-voltage current transformers used in metering panels and switchgear are manufactured by casting or vacuum-injecting epoxy resin around the wound core assembly. This process, often called molded-case construction, creates a solid, void-free insulating body that:

• 표준 에폭시 시스템에 대해 3kV/mm를 초과하는 절연 강도 제공
• 추가 밀봉 없이 습기 유입 방지
• 진동과 충격으로부터 코어와 권선을 기계적으로 보호합니다.
• 패널 장착을 위한 외부 몸체의 정확한 치수 제어가 가능합니다.

VPI(진공 압력 함침)는 주조가 불가능한 대형 어셈블리에 사용됩니다. 권선을 진공 상태의 수지에 담가서 갇힌 공기를 제거한 다음, 경화되기 전에 압력을 가하여 모든 빈 공간에 수지를 밀어 넣습니다.

기름으로 채워진 단열재

36kV 이상의 정격 고전압 변류기는 일반적으로 광유를 주요 절연 및 냉각 매체로 사용합니다. 권선형 코어와 2차 어셈블리는 변압기 등급 미네랄 오일로 채워진 밀봉된 금속 탱크 내부에 배치됩니다. 셀룰로오스 종이 절연체가 1차 도체 주위에 여러 겹으로 감겨 있어 라인 전압을 견디는 데 필요한 연면 거리가 늘어납니다.

오일 충전 CT는 송전 변전소의 110kV, 220kV 및 500kV 설치에 대한 표준입니다. 정기적인 오일 샘플링과 용존 가스 분석을 통해 유지보수 팀은 고장이 발생하기 전에 초기 절연 성능 저하를 감지할 수 있습니다.

가스 절연 변류기

가스 절연 스위치기어(GIS) 설치에서 변류기는 GIS 인클로저에 통합되고 육불화황(SF6) 가스를 절연 매체로 사용합니다. 이러한 CT는 주변 스위치기어와 동일한 공간을 차지하며 액체 유지 관리가 필요하지 않지만 밀봉된 가스 시스템의 압력과 순도를 모니터링해야 합니다.

건식 및 공기 절연 설계

최대 약 36kV의 전압으로 통제된 환경의 실내 설치의 경우 고체 절연 재료(수지 결합 유리 섬유, 주조 수지 또는 Nomex)를 사용하는 건식 CT는 오일 충전 설계에 대한 대안을 제공합니다. 더 가볍고, 기름 유출 위험을 없애고, 유지 관리를 단순화합니다. 하지만 열악한 실외 환경에서 사용할 경우 응결 및 오염에 더 민감합니다.

구조 유형에 따른 변류기 분류

는 following table consolidates the major construction types, their typical current ranges, accuracy capabilities, and primary application sectors:

내부 구조가 정확성과 성능에 미치는 영향

올바른 변류기를 선택하는 것은 단순히 전류 비율을 일치시키는 문제가 아닙니다. 내부 구조는 부하 변화, 온도 상승, 고조파 존재 시 작동 범위 전반에 걸쳐 CT가 작동하는 방식을 결정합니다.

비율 오류와 그 원인

비율 오류는 자화 전류(코어에 자속을 형성하는 데 필요한 전류)가 2차 출력에 나타나지 않기 때문에 발생합니다. 모든 자화 전류는 1차측에서 끌어오지만 어느 것도 부담에 도달하지 않습니다. 1차 전류에 비해 자화 전류가 클수록 비율 오류가 커집니다. 투자율이 매우 높은 니켈-철 및 나노결정질 코어는 실리콘-강철 코어보다 훨씬 적은 자화 전류를 필요로 하므로 동일한 코어 단면에서 더 낮은 비율 오류를 달성합니다.

위상 변위 오류

위상 변위는 1차 전류 페이저와 2차 전류 페이저(방향이 반대) 사이의 각도 차이(분 단위로 측정)입니다. 위상 변위는 역률 및 에너지 측정에서 특히 중요합니다. 작은 각도 오류라도 와트시 계산에서 코사인 의존 오류를 유발하기 때문입니다. 역률이 0.5인 부하에서 10분간 위상 변위가 발생하면 약 0.5%의 에너지 측정 오류가 발생할 수 있습니다.

부담과 정확도에 미치는 영향

는 secondary burden — the total impedance of connected instruments, wiring resistance, and relay coils — directly affects the accuracy class performance. Most accuracy class specifications (IEC 61869, IEEE C57.13) define performance at a rated burden and at 25% of rated burden. A CT specified as Class 0.5 at a 5 VA burden will perform within 0.5% ratio error only when the connected burden does not exceed 5 VA. Exceeding the rated burden increases secondary terminal voltage, drives the core toward saturation, and degrades accuracy.

고조파 성능

가변 속도 드라이브 설치, 아크로 및 데이터 센터 전력 시스템에서 1차 전류에는 종종 5차, 7차, 11차 및 13차 고조파에 상당한 고조파 성분이 포함되어 있습니다. 표준 실리콘-강철 코어는 고조파 주파수에서 증가하는 손실과 위상각 왜곡을 나타냅니다. 평평한 투자율 곡선이 수 킬로헤르츠까지 확장되는 나노결정질 및 비정질 코어는 왜곡된 파형에 대해 훨씬 더 나은 정확도를 제공하며 클래스 A 전력 품질 분석기에 선호되는 선택입니다.

외부 하우징 및 장착 구성

는 enclosure of a current transformer protects the active components from environmental exposure and provides the mechanical interface for installation. Housing design varies significantly between application categories.

패널 마운트 성형 케이스 하우징

계량 패널용 저전압 CT는 거의 보편적으로 유리 섬유 강화 폴리에스터(GRP) 또는 주조 수지 코어 어셈블리 주변의 사출 성형으로 형성된 폴리카보네이트 하우징에서 생산됩니다. 하우징에는 IEC 표준에 따라 장착 러그 또는 DIN 레일 클립, 예상 출력 전류 등급의 보조 단자대, 극성 표시(1차용 P1/P2, 2차용 S1/S2)가 통합되어 있습니다.

부싱형 변류기

부싱 CT는 전력 변압기 또는 회로 차단기의 도자기 또는 폴리머 부싱 위로 미끄러지도록 설계된 링 모양의 어셈블리입니다. 그들은 자신의 집이 없습니다. 대신 부싱의 플랜지와 변압기 탱크 커버 사이에 고정됩니다. 부싱 CT는 부싱 자체가 1차 도체와 전압 절연을 제공하므로 가장 컴팩트한 설계 중 하나입니다.

야외 도자기 및 폴리머 절연 디자인

중압 및 고전압 실외 변류기는 도자기 또는 실리콘 고무 복합 절연체 창고와 함께 밀봉된 어셈블리에 보관됩니다. 셰드 프로파일은 오염 조건에서 적절한 연면 거리를 유지하도록 설계되었습니다. IEC 표준에서는 약간 오염된 환경의 경우 최소 연면 거리가 16mm/kV, 심하게 오염된 장소의 경우 최대 31mm/kV를 요구합니다. 실리콘 고무 복합 하우징은 더 가벼운 무게, 오염된 환경에서의 우수한 오염 성능 및 취성 파괴에 대한 저항성으로 인해 새로운 설치에서 도자기를 대체했습니다.

변류기를 계량 시스템에 통합

완전한 전류 측정 시스템에는 CT, 상호 연결 배선 및 수신 장비가 포함됩니다. 는 분할 코어 현재 변압기 이러한 이유로 개조 계량 프로젝트에서 종종 선호되는 선택입니다. 서비스를 중단하지 않고 설치할 수 있습니다. 일단 설치되면 CT 2차는 전용 CT 회로를 통해 에너지 미터, 전력 분석기 또는 보호 계전기에 연결됩니다. 이는 위험한 2차 과전압 조건을 방지하기 위해 작동 중에 항상 닫혀 있어야 합니다.

정확도 표준 및 클래스 지정

변류기 정확도 등급은 국제 및 지역 표준에 따라 정의됩니다. 가장 많이 참조되는 두 가지는 IEC 61869-2(이전의 IEC 60044-1)와 IEEE C57.13입니다. 클래스 지정을 이해하면 애플리케이션에 적합한 CT를 지정하는 데 도움이 됩니다.

IEC 계량 등급

IEC 61869-2는 측정 정확도 등급을 0.1, 0.2, 0.2S, 0.5, 0.5S, 1 및 3으로 정의합니다. "S" 접미사(특수)는 저전류에서 확장된 정확도를 나타냅니다. 특히 CT는 표준 5%가 아닌 정격 전류의 1%까지 비율 오류 사양을 충족해야 합니다. 부하는 종종 CT 정격 1차 전류의 100% 미만에서 작동하기 때문에 클래스 0.5S 및 0.2S는 많은 규제 프레임워크에 따라 수익 등급 에너지 계량기에 필요합니다.

IEC 보호 등급

보호 등급 CT는 ALF(정확도 제한 계수) 및 무릎 지점 동작으로 지정됩니다. 클래스 5P 및 10P는 표준 지정이며, 여기서 숫자는 정격 정확도 제한 요소에서 최대 복합 오류를 나타냅니다. 5P20 CT는 1차 전류가 정격 전류의 20배일 때 5%를 초과하지 않는 복합 오류를 유지합니다. 이는 오류 상태에서 과전류 계전기의 안정적인 작동에 필요한 조건입니다.

IEEE 수업

는 IEEE C57.13 standard uses a letter-number combination: the letter (C, K, T, or X) indicates the performance basis, and the number indicates the secondary terminal voltage at rated burden and 20 times rated current. A C200 CT can deliver its rated secondary current into a burden that develops 200 V at 20 times rated primary current without exceeding 10% ratio error. This classification system is prevalent in North American utility and industrial protection practice.

자주 묻는 질문