CT 2차 회로가 개방되면 큰 문제가 발생한다는 것을 모두단 알고 있습니다. 그래서 CT 회로에는 단자대도 단락이 가능한 특수한 단자대를 사용하고 CT TEST TERMINAL도 2차 회로를 개방 시에는 CT 후단을 단락 시키는 기능을 가지고 있습니다.
그런데 CT 2차 회로가 개방되면 전압이 얼마나 발생하는 걸까요? 그 전압을 계산할 수 있는 것인가요? 이 질문에 대한 답을 찾아보려고 노력했는데 쉽지는 않았습니다. 정확한 답이 무엇인지 알기가 어려웠다고 해야 할까요? CHAT GPT에 물어봐도 엉뚱한 답만 내놓았습니다.
여러 자료를 찾아보고 검토한 결과를 여기에 올립니다. 결론은 계산으로 나오지 않는다는 것입니다. 아래 내용을 참고하시기 바랍니다.
1. 변류기의 2차 회로 개방 시 특성
변류기(CT)의 개방 상태는 CT의 2차 측 단자에서 위험한 과전압 상태를 초래할 수 있습니다. 특히 변류비가 높고 높은 전류를 전달하는 CT의 회로 개방은 수 킬로 볼트 범위의 2차 개방 전압을 생성할 수 있습니다. 이 전압은 일반적으로 CT 용 단자대 사이에 연속적인 아킹 상태를 유지하기에 충분하며 잠재적인 화재 위험을 가지고 있습니다.
설치 시 배선 오류로 인해 CT가 단선되거나 나중에 느슨해진 접속부나, 우발적인 분리 또는 고의적인 행동으로 인해 단선될 수 있습니다. 개방회로 CT가 위험할 정도로 높은 전압을 생성하는 이유를 이해하기 위해서는 CT 등가 회로를 이해해야 합니다. 아래 그림을 이용하여 CT를 나타낼 수 있습니다. 이 그림에서 ZE는 자화 임피던스, ZS는 리드선 임피던스, ZB는 부담(부하) 임피던스입니다.
Current Transformer (CT) Equivalent Circuit
2차 전류는 전선을 통해서 임피던스 ZS와 연결 부하(부담) ZB를 통해 흐릅니다. 전류의 일부는 CT 자화 임피던스 ZE를 통해서도 흐릅니다. 정상적인 상황에서는 이 자화 임피던스가 매우 높고(수백 킬로 옴 단위) 이 회로에서는 전류 흐름이 미미합니다.
2. 2차 회로가 개방된 CT는 어떻게 극도로 높은 전압 스파이크를 발생시키나요?
1차 전류를 전달하는 CT가 2차 측에서 개방되면 2차 전류는 흐를 곳이 없고 자화 리액턴스 ZE의 높은 임피던스를 통해 흐릅니다. 이는 위 그림에서 임피던스 ZE에 큰 전압 강하 ES를 생성하여 CT를 포화 상태로 만듭니다. 포화된 CT는 비포화 CT보다 자화 임피던스 ZE가 낮으므로 여자 전류(IE)가 불균형적으로 증가합니다. 2차 회로가 개방된 높은 변환 비율의 CT의 경우 일반적으로 작은 1차 전류로 코어를 포화시키기에 충분합니다.
이것은 개방회로 조건에서는 CT 코어가 포화상태로 작동한다는 것을 의미합니다. 포화상태에서 CT 코어의 플럭스 변화율은 거의 0입니다 (낮은 자화 임피던스 때문에 이미 최대 플럭스를 전달하고 있습니다). 그러나 각 반주기의 짧은 간격에서 전류는 0을 통과하고 자화는 한 방향의 포화에서 다른 방향의 포화로 빠르게 바뀝니다. 이 기간 동안 리액턴스는 매우 높은 값으로 증가하고 여자 전류는 양에서 음 방향으로 빠르게 전환됩니다. 짧은 간격 동안 플럭스의 급격한 변화가 높은 개방회로 크레스트 전압의 원인입니다. 전압은 비슷하게 모양이 짧지만 매우 높은 크레스트(피크) 전압 스파이크로 나타납니다.
Open circuit CT waveform
참고: CT가 개방된 경우 RMS 전압계를 이용한 전압 측정은 실제 전압을 보여주지 않을 수 있으며 위험하지 않은 것으로 보일 수 있습니다. 이는 CT 개방 중에 RMS 전압이 높은 것이 아니라 피크 또는 크레스트 전압이 매우 높은 것입니다.
3. CT 개방 회로 전압 크기에 영향을 미치는 요인
CT 회전 비율이 높습니다 회전 비율이 높을수록 전압 스파이크가 커집니다.
CT의 마그네틱 코어의 재료 및 구성.
1차 전류 레벨. 1차 전류가 작아도 턴수비가 매우 높은 CT는 2차 전압이 높을 수 있습니다.
1차 전압 - 1차 전압이 클수록 2차 개방 회로 전압이 커집니다. 이는 선형 관계가 아니며 CT 2차가 개방되어 있을 때만 재생됩니다.
동작 주파수가 높을수록 전압 스파이크가 커집니다.
4. 개방 회로 CT 증상 및 특성
CT 단락 단자대를 가로질러 또는 CT 리드선이 개방되는 곳마다 아크를 발생시킵니다.
CT 자체에서 리드가 오픈되어 있는 경우 유전체 손상으로 인한 CT 손상.
CT에서 상당한 소리가 나기 시작합니다.
CT가 개방된 상태에서는 CT 코어 온도가 증가하지 않을 수 있습니다.
다양한 측정 데이터와 공개된 데이터를 기반으로 한 CT 2차 개방 회로 전압의 근사치를 아래에 제공합니다. CT는 정격 1차 전류를 전달합니다. 이것은 최대 탭이 4000:5인 윈도우 타입 멀티 비율 CT에 대한 것입니다.
CT open circuit voltage (KV) vs CT ratio
IEEE C57.13 2008 -IEEE Standard Requirements for Instrument Transformers section 6.7 ‘Secondary winding induced voltages 내용 참조
"전류 변압기는 위험한 크레스트 전압이 발생할 수 있기 때문에 2차 측 회로를 개방한 상태에서 작동시켜서는 절대 안 됩니다. 이 표준에 부합하는 변압기는 개방 회로 전압이 3,500V 크레스트를 초과하지 않을 경우 2차 회로가 개방된 상태에서 정격 1차 전류에 정격 계수 (RATING FACTOR)를 곱한 전류값에서 1분 동안 비상 조건에서 작동할 수 있어야 합니다."
"개방 회로 전압이 3,500V 피크를 초과할 경우 2차 권선 단자에는 전압 제한 장치(바리스타 또는 스파크 갭)가 제공되어야 합니다."
Current Transformer(CT) 개방 회로에 대한 보호가 필요한 경우 바리스터, 스파크 갭 또는 다른 전압 클램핑 장치를 사용할 수 있습니다. 이 CT 개방 회로 보호 장치(OCP)는 특성이 비선형적입니다. 정상적인 작동 조건에서 장치는 개방 회로가 됩니다. 장치 양단의 전압이 임계 전압보다 크면 장치는 전도를 시작하여 개방 회로 전압을 낮춥니다. 이 구성 요소(바리스터, 스파크 갭 등)는 희생 장치이며 여러 번의 전도 사이클 후 교체해야 할 수도 있습니다. 반면 OCP는 CT 2차 전류를 지속적으로 운반하는 정격이므로 교체하지 않아도 됩니다.
5. 변류기 개방회로 테스트 및 파형
이 테스트에서는 정격 1차 전류가 흐르는 동안 50:5 CT가 개방됩니다. 최대 부하 조건에 대해 2차 개방 회로 전압이 측정됩니다. 2차 개방 회로 전압 파형은 파고 전압을 보여주는 오실로스코프를 사용하여 캡처됩니다. 또한 실험에서는 CT가 개방된 상태에서 rms 전압계가 위험한 과전압 상태의 실제 범위를 보여주지 못하는 이유를 보여줍니다. 높은 파고/피크 전압은 오실로스코프 또는 피크 판독 멀티미터로만 측정할 수 있습니다.
CT open circuit test
Open circuit CT waveform
개방 회로 전압은 전류 파형이 양극 반주기에서 음극 반주기로 극성을 변경할 때 나타납니다.
위의 그림을 통해 우리는 개방 회로 전압의 피크 값이 4.2V인 반면 RMS 전압은 1.26V에 불과하다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 피크는 RMS의 3.3배 이상입니다. 큰 비율의 CT를 사용한 실제 응용 분야에서는 RMS 전압을 사용한 개방 회로 전압 측정은 위험 전압의 실제 범위를 나타내지 못할 수 있으므로 피크 판독 멀티미터가 필요합니다. 피크 판독 멀티미터를 사용하더라도 CT가 1,000V를 초과하는 개방 회로 전압을 생성하고 일반적으로 600V 또는 1,000V에 대해서만 정격인 멀티미터 리드가 측정에 적합하지 않다는 것도 중요한 고려 사항입니다.
참고 자료: OPEN CIRCUIT CURRENT TRANSFORMER CHARACTERISTICS
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