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https://electrical-engineering-portal.com/voltage-transformers-essentials#comment-100009
전력 시스템 측정 및 보호를 위한 가장 일반적인 전압 소스는 권선형 변압기(계기용 변압기) 또는 용량성 분배 장치(커패시터 전압 분배기 또는 부싱 전위 장치)입니다. 저항 분배기 및 광 자기 기술의 일부 새로운 응용 또한 이용 가능해지고 있습니다.
모든 장치는 고전압 전위의 축소된 복사본을 제공합니다. 그 장치들은 비율, 부하 용량 및 위상각으로 특정됩니다. 권선형 계기용 변압기(PT)는 요금 측정에 적합하고 비율 및 위상각 오차에서 최고의 성능을 제공합니다.
보호계전기를 위한 계기용 변압기도 부담을 세심하게 제어하면 요금 측정 성능을 제공할 수 있습니다.
(계기용 변압기는 대체로 2차 배선이 적정한 굵기로 제공되면 성능 저하 없이 큰 전위 회로 부하들을 공급할 수 있습니다.)
VT는 부하 또는 온도 변화에 영향을 받지 않습니다. VT는 전위를 측정하는 데 선호되는 소스입니다. 이 기술 자료에서는 MV 및 HV의 측정 및 보호 용도에서 계기용 변압기의 모든 중요한 측면을 설명합니다.
1. 계기용 변압기의 단순 등가 회로
전압 변압기는 그림 1의 등가 회로로 나타낼 수 있으며, 여기서 모든 양은 2차 측으로 표시됩니다.
전압 변압기는 소형 전력 변압기와 유사한 동작을 하며, 지정된 출력 범위 내에서 변압 비율의 정확도를 제어하는 세부 설계 사항만 다릅니다.
2. 전자기적 계기용 변압기 (Electromagnetic Voltage Transformers)
분권 방식에서 시스템 전압은 그림 1의 등가 회로의 입력 단자에 걸쳐 인가됩니다. 이 회로의 벡터 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다.
2차 출력 전압(Vs)은 지정된 출력 범위에서 입력 전압(Vp)의 축소된 정확한 복제 값이어야 합니다.
(그러므로 권선의 전압 강하를 작게하고 코어 안에서의 정상 자속 밀도를 포화밀도 이하에서 잘 유지되도록 설계되어야 합니다. 그리고 여자 전류는 작고 여자 임피던스는 어느 정도의 과전압을 포함한 요구되는 운전 범위에서 인가된 전압의 변화에 대하여 대체로 일정해야 합니다.)
이러한 제한 사항들은 계기용 변압기가 비슷한 용량의 소형 전력 변압기에 비해서 그 사이즈가 매우 커지는 결과를 초래합니다. 마찬가지로 여자 전류 또한 비슷한 크기의 전력 변압기처럼 작지는 않게 됩니다.
2.1 비율과 위상 오차
위 그림 2의 벡터 다이어그램을 이용하여 변압기의 비와 위상 오차를 계산할 수 있습니다. 비 오차는 다음과 같이 정의됩니다:
오차가 양이면 2차 전압이 공칭값보다 큽니다. 오차가 음이면 2차 전압이 공칭값보다 작습니다.
(변압기의 권선비는 변압비와 일치할 필요가 없습니다. 작은 권선 보상 (small turns compensation)이 보통 사용되는데 그래서 오차는 낮은 부담에서는 양이고 높은 부담에서는 음이 됩니다.)
위상 오차는 반전된 2차 전압 벡터와 1차 전압 벡터 사이의 위상 차입니다. 반전된 2차 전압이 1차 벡터를 앞설 때 양의 값을 갖습니다.
이와 관련된 요구사항은 IEC 60044-2에 명시되어 있습니다. 모든 전압 변압기는 표 1의 등급 중 하나를 준수해야 합니다.
(일반적으로 사용되는 계측용 변압기는 1.0CL입니다. 요금을 측정하는 PT는 0.5CL을 사용합니다. 아주 정밀한 측정이 필요한 경우에는 0.2CL을 사용합니다.)
고장 상태에서는 시스템 전압이 낮은 값으로 감소할 수 있으므로 보호 계전기의 동작을 위해 전압 측정의 정확성이 중요할 수 있습니다. 이러한 유형의 서비스를 위한 계기용 변압기는 표 2에 명시된 확장된 요구사항 범위를 준수해야 합니다.
(여기서 3P는 지정된 전압 범위 내에서 3% 이내의 오차를 가지는 것입니다. 6P는 6% 오차를 의미합니다. 일반적으로 3P만 사용됩니다.)
2.2 전압 계수 (Voltage Factors)
표 2에서 Vf 값은 정격 전압의 per unit로 표시된 동작 전압의 상한 값입니다. 이 값은 건전 상의 전압 상승을 야기하는 비접지나 임피던스 접지 시스템의 불균형 고장 조건에서 올바른 릴레이 작동을 위해 중요합니다.
(접지된 시스템인지 비접지 시스템인지에 따라 적용되는 전압 계수가 다릅니다. 따라서 적용되는 시스템을 확인한 후 사용될 계기용 변압기의 전압 계수를 결정해야 합니다.)
2.3 Secondary Lead (2차측 선로)
계기용 변압기는 2차 단자에서 전압 출력의 지정된 정확도를 유지하도록 설계되었습니다. 이 정확도를 유지하기 위해서 만약 긴 2차 선로가 필요한 경우에는 VT 가까운 곳에 분배함을 설치할 수 있으며 이를 통해서 분리된 선로로 각 계기와 계전기 부하에 전원을 공급할 수 있습니다.
필요한 경우, 특정 장비를 정정할 때 리드의 저항이 개별적인 부담에 더해지도록 허용할 수 있습니다.
2.4 계기용 변압기의 보호
전압 변압기는 고차단 퓨즈(HRC Fuse)에 의해 1차측에서 66kV까지의 전압을 보호할 수 있습니다. 퓨즈는 일반적으로 더 높은 전압에서 사용하기에 충분한 차단 용량을 가지고 있지 않습니다. 실제 적용 방식은 다양하며 일부 경우에는 1차측 보호가 생략됩니다.
계기용 변압기의 2차는 항상 퓨즈나 MCB에 의해서 보호되어야 합니다. 이 장치는 가능한 한 변압기에 가깝게 설치되어야 합니다.
2차 회로 배선의 단락은 정격 출력의 몇 배의 전류를 발생시키고 과도한 온도 상승을 유발합니다. 1차 퓨즈를 장착할 수 있는 경우에도 1차 전류 값이 낮고 실행 가능한 최소 퓨즈 정격 때문에 2차 측 단락을 제거하지 못하는 것이 일반적입니다.
2.5 계기용 변압기의 구조
계기용 변압기의 구조는 냉각, 절연 및 기계 설계에 다른 중점을 둔다는 점에서 전력 변압기의 구조와 다릅니다. 정격 출력이 몇 백 VA를 초과하는 경우가 드물기 때문에 일반적으로 발생하는 열은 문제가 없습니다.
VT의 크기는 주로 시스템 전압에 의해 결정되며 1차 권선의 절연은 종종 권선의 부피를 초과합니다.
(계기용 변압기는 배전반과 고압 시스템과 동일한 수준의 충격전압과 과전압에 견딜 수 있도록 절연되어야 합니다. 소형화를 위한 설계 속에 이러한 절연을 얻기 위해서 전압은 권선 전체에 걸쳐 일정하게 분포되어야만 합니다. 이는 권선 커패시턴스의 균일한 분포나 정전기 차폐의 적용을 요구합니다.)
계기용 변압기는 일반적으로 스위치 기어와 함께 사용되므로 물리적 설계는 소형이어야 하며 스위치 기어내에 장착되거나 그 근처에 설치하기에 적합해야 합니다. 3상 장치는 36kV까지 일반적이지만 높은 전압의 경우 단상 장치가 일반적입니다.
고압 회로용 계기용 변압기는 건식 절연이 있지만 초고압 시스템은 여전히 오일형 장치를 사용합니다.
2.6 계기용 변압기의 잔류 연결 방식 (Residual connected Voltage Transformer)
균형 잡힌 계의 세 전압은 0이 되지만 단상 지락이 발생하면 그렇지 않습니다. 계의 잔류 전압은 그림 4와 같이 '부러진 델타'에 있는 VT의 2차 권선을 연결하여 측정합니다.
부러진 델타에서 연결된 2차 권선의 출력은 균형 정현파 전압이 적용될 때 0이지만 불균형 조건에서는 시스템의 영상 시퀀스 전압의 3배와 같은 잔류 전압이 발생됩니다.
(이 성분을 측정하려면 VT에 영상 자속이 발생되어야 하며, 이를 가능하게 하려면 결과적으로 합산된 자속에 대한 복귀 경로가 있어야 합니다.)
접지가 없으면 영상 여자 전류가 흐를 수 없기 때문에 1차 권선 중성이 접지되는 것도 마찬가지로 필요합니다.
VT는 섹션 1.2 및 표 3에 설명된 바와 같이 정격이 적절한 전압 계수를 가져야 하며, 이는 지락 고장 시 건전상의 전압 상승에 부응하기 위한 것입니다.
(계기용 변압기는 종종 일반적인 스타 연결된 2차 권선과 개방 델타로 연결된 제3의 권선과 함께 공급될 수 있습니다. 대안으로 잔류 전압은 메인 계기용 변압기의 2차 권선으로부터 가압되는 보조 계기용 변압기를 스타/개방 델타로 연결하여 사용함으로 추출될 수 있습니다. 이때 메인 계기용 변압기는 이전에 설명된 영상 전압을 다루기 위해 요구되는 모든 조건을 만족시켜야 합니다.)
보조 VT도 요구되는 전압 계수에 적합해야 합니다. 1차 전압파형에서의 영상 전압인 제3 고조파는 개방 델타 권선에서 합산된다는 점에 유의해야 합니다.
2.7 과도현상
과도 오차는 전통적인 계기용 변압기의 사용에서 거의 문제를 야기하지는 않습니다. 오차는 일반적으로 VT 1차측에서 전압이 갑자기 인가되거나 제거된 후 짧은 기간으로 제한됩니다.
전압이 갑자기 인가되면 전력변압기와 마찬가지로 돌입 과도가 발생합니다. 그러나 그 영향은 VT의 낮은 자속 밀도 때문에 전력변압기보다 덜 심각합니다. VT가 상당히 높은 전압 계수를 가지는 것으로 평가되면 돌입 효과가 거의 없습니다.
발생하는 돌입 과도에 비례하여 출력 전류의 처음 몇 사이클에서 오차가 나타납니다.
(계기용 변압기의 1차 전원이 차단될때 철심의 자속이 즉시 사라지지는 않습니다. 2차 권선은 이 자속을 지속하기 위한 자화력을 유지하고 부하 전류를 흐르게 하는데 이는 지수함수보다 조금 길거나 짧게 감쇠됩니다. 또한 권선의 캐페시턴스에 의해서 겹쳐진 가청 주파수 진동이 있을 수 있습니다.)
암페어 턴의 여자가 부담을 초과하는 경우에는 과도 전류가 상당할 수 있습니다.
2.8 직렬 계기용 변압기 (Cascade Voltage Transformer)
기존의 전자기식 계기용 변압기의 높은 비용 때문에 커패시터 VT(다음 절에서 설명)가 개발되었지만, 주파수 및 과도 응답은 전통적인 계기용 변압기보다 만족도가 떨어집니다.
문제에 대한 또 다른 해결책은 그림 5에 나와 있습니다.
기존 유형의 VT는 단일 1차 권선을 가지며 절연은 약 132kV 이상의 전압에서 문제를 나타냅니다. 캐스케이드 VT는 몇 가지 분리된 단계들로 1차 전압을 나누어 이러한 어려움을 방지합니다.
완전한 VT는 여러 개의 개별 변압기로 구성되며, 이들의 1차 권선은 그림 5와 같이 직렬로 연결됩니다.
- 각 자화 철심은 양쪽면에 각각 1차 권선을 가지고 있습니다.
- 2차 권선은 마지막 단계에서만 하나의 권선으로 구성됩니다.
- 커플링 군선이 단계 사이를 연결합니다. 단계들 사이에서 부하 암페어턴의 전달을 위해 낮은 임피던스 회로를 제공하는데 이는 상용주파수 전압이 여러 1차 권선들에 걸쳐 균등하게 분배되는 것을 보장합니다.
코어와 커플링 권선의 전위는 1차 권선의 선택된 점에서 연결하는 것으로 일정한 값에 고정됩니다. 각 권선의 절연은 단수에 따라 그 권선에 분배되는 전압에 견디기에 충분하게 제작됩니다.
개별 변압기는 단계간 절연을 제공하는 절연 재료로 제작된 구조물에 장착되고 스택의 전체 높이에 걸쳐 전체 시스템 전압을 견딜 수 있는 값으로 적층 됩니다.
전체 조립품은 기후에 대응할 쉐드를 취부한 중공 원통형 포세린 하우징에 설치되어 있으며, 하우징은 오일로 채워져 밀봉되며, 팽창 벨로우즈가 포함되어 있어 기밀 밀봉 상태를 유지하고 온도 변화에 따라 팽창할 수 있습니다
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