ZCT의 구조와 전자기적 원리 및 지락계전기 동작원리

ZCT의 구조와 전자기적 원리 및 지락계전기 동작원리

 

 

1. 영상변류기(ZCT)과 지락계전기의 개요

전동기 보호용 방식중에 하나인 ZCT(zero current transformer) 방식은 삼상일괄로 전류를 감지하고 있으며, 정상운전중에는 a, b, c상의 전류가 벡터적으로 0(영)이된다. 그래서 계전기에는 전류가 흐르지 않는다.

그래서 1차측에는 영상전류가 존재하지 않게 된다. 전동기가 정상일때 Ia+Ib+Ic=0(벡터적으로)이 되며, 지락시에는 어느 한상의 전류가 흐르므로 Ia+Ib+Ic=3Io로 계전기에 고장전류가 흐르며,

이때 1차측의 a,b,c상의 차이가 얼마발생했을 때 계전기가 동작할 것인지 결정하는 것이 정정이며, 보통 1차측이 20 - 30A로 차이가 났을 때(삼상간에 벡터적으로 전류차가 얼마나 발생했을 때) 계전기가 동작하도록 설계를 한다.

 

1) ZCT(영상변류기)

세 상 전류(또는 다심(다상)선)를 모두 관통시키는 토로이달(고리) 형태의 CT. 정상상태에서는 세 상의 벡터 합(=잔류전류)이 0이므로 ZCT 2차에는 거의 전류가 유기되지 않음. 지락(접지) 사고가 나면 일부 전류가 지로(earth)로 빠져나가 합이 0이 아니게 되므로 ZCT가 그 잔류전류(residual / zero-sequence current) 를 검출한다.

 

2) 지락계전기

ZCT의 2차 전류를 받아 설정치와 비교하여 동작(차단 신호 출력)한다. 즉 ZCT가 만든 잔류전류가 계전기의 트립(또는 알람) 기준을 넘으면 차단기(또는 차단장치)를 작동시켜 결함을 격리한다.

 

 

2. ZCT의 구조와 전자기적 원리

1) 구조

· 보통 토로이드(core) 내부에 1) 송전선의 세상선(상선 Ia, Ib, Ic)과(또는 보호용 중성선) 1회로(primary)로 관통되고, 2) 토로이달 코어에 감긴 2차 권선이 있다(권선수 n). 즉 실제로는 1차는 “단일회전(single-turn)”(선 자체), 2차가 권선이다.

· 코어는 저휘자력(soft magnetic) 재질로 만들어지고, 자기적으로 균형을 잘 맞춘다.

 

2) 전자기적 원리

· 토로이드 코어의 2차 전류 Is는 1차(선들의 벡터 합)의 변화에 대응한다. 3상에서 1차로 관통한 전류들의 벡터 합(잔류전류)이 0이면 코어에 자속이 발생하지 않아 2차 전류는 0에 가깝다.

· 잔류전류(Residual current) 정의(직관적)

(IEC/전력계통의 대수적 합; 순환성분을 포함)

· 계전기 관점의 제로시퀀스 성분( I0 )

ZCT의 2차는 주로 Ia+Ib+Ic에 비례하는 신호를 만든다. 계전기 설정·규격에 따라 위 식의 상수(권수비 등)를 고려하여 해석한다.

 

3) CT비와 2차 전류

· ZCT의 권수비가 N일 때, 2차 전류 I2는

(여기서 Ires=Ia+Ib+Ic). 계전기는 이 I2를 측정해 동작 판단.

 

 

3. 지락(대지) 사고 시 흐름 (시나리오)

1) 정상상태

· 선별 전류들의 벡터합 = 0 → ZCT 2차≈0 → 계전기 동작 안 함.

 

2) 단선-지락(single line-to-earth)

· 예를 들어 A상에서 지락 발생 → 일부 A상 전류가 지로 빠져나가 부하로 돌아오는 루프가 변경 → Ia+Ib+Ic≠0 → ZCT 2차 전류 생김 → 계전기가 설정치 이상이면 트립.

 

3) 다상 지락(복합 고장)

· 마찬가지 원리로 잔류전류가 발생하면 검출 가능.

 

 

4. 지락계전기의 동작원리(내부 블록)

계전기는 여러 블록으로 구성됨

1) 검출부

· ZCT 2차 입력(전류 신호).

 

2) 정류·필터·정밀화

· 전류를 정류해 DC 값으로 바꾸거나 RMS/peak 측정, 노이즈 필터(주파수 성분 제거) 적용.

 

3) 비교부(픽업 비교)

· 측정값과 설정치(Ipickup)를 비교.

 

4) 시간특성부

· 즉시 동작(instantaneous) 또는 시간지연형(inverse time, definite time) 선택.

· Definite time : 전류가 설정치 초과하면 일정 시간(예: 0.1 s) 후 트립.

· Inverse time : 전류 크기와 반비례하는 동작시간(큰 전류일수록 빠름).

 

5) 출력부(접점/출력 릴레이)

· 차단기에 트립 신호 출력, 알람, 블로킹 신호 등.

 

 

5. 설정값(픽업·시간) 설계 고려사항

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1) 감도(픽업 전류)

· 낮게 설정하면 소형 누전(예: 절연파괴 초기)을 빠르게 검출하지만 오동작(예: 누설, 대지 커패시턴스, 선로 정전용량 전류) 가능성 증가.

· 가정용/인체보호형(RCCB)은 30 mA, 100 mA 등.

· 설비용 전력계통 지락계전기는 보통 수십 mA ~ 수 A 스케일 (시스템 크기·목적에 따라 다름). 변전소/송배전용은 수백 mA ~ 수 A.

2) 시간 지연

· 부하 기동시 발생하는 일시적인 고조파·불평형 전류로 인한 오동작 방지 목적. 유틸리티는 보통 선택적 보호(다단계) 사용.

3) 조합 보호

· 선로의 자기 계전기(Overcurrent relay)와 연계하여 보조논리(예: 방향성 지락계전기) 적용.

 

 

6. 특수 고려사항 — 접지계(earth system)에 따른 동작 차이

1) TT, TN, IT 등 접지 방식에 따라 지락 전류 크기와 흐름 경로가 크게 달라짐.

· TN(직접접지) : 지락시 큰 전류가 흐르므로 과전류 차단기도 동작할 가능성 큼.

· IT(불접지 또는 고임피던스 접지) : 지락전류가 작아져 ZCT+지락계전기가 더 민감해야 함.

2) 중성점(중성선) 연결 여부

· 중성선이 ZCT를 통과하는 방식으로 중성선 루프를 구성할 때 주의.

 

 

7. 전기적 현실 문제(노이즈·고조파·용량성 누설 등)

1) 선로의 정전용량성 누설전류

· 긴 케이블/송전선은 선로-대지 간 정전용량으로 누설전류가 흐름. 이 성분은 주파수(50/60Hz)에서 위상이 다르므로 계전기의 필터/위상검출로 구별 가능.

 

2) 진성 고조파(삼차 고조파 등)

· 삼차 고조파(3rd, 9th 등)는 세 상에서 동상성분(zero-sequence)을 만들 수 있어 ZCT에 검출될 수 있음 → 계전기는 고조파 필터링 또는 주파수 보상 사용.

 

3) CT 포화

· 큰 1차 전류가 갑자기 흐르면 토로이드 코어 포화가 발생해 계전기의 정확성 저하. 설계 시 코어 용량과 권수, 부하(secondary burden)를 확인해야 함.

 

 

8. 지락계전기의 유형

1) 비정향성(Non-directional) 지락계전기

· 잔류전류만으로 동작. 일반적으로 한 선에서 분기되어 다수의 ZCT+계전기가 설치된 경우 적용.

 

2) 방향성(Directionally sensitive) 지락계전기

· 지락 전류의 방향(전원 쪽인지 부하 쪽인지)을 판별해야 할 때 사용. 일반적으로 전압 변환기(또는 위상 비교 회로)와 조합해서 사용.

 

3) 차동형 보호(예: 변전소)

· 두 점 사이의 전류 차이를 검출하는 방식으로, 더 정밀한 보호를 위해 사용.

 

 

9. 설치·시험·실무 체크리스트

ZCT의 모든 상(및 중성선)이 정확히 토로이드 내부를 통과하도록 확인(한 번이라도 빠뜨리면 정상전류도 검출되어 오동작).

2차 회로는 항상 단락(secondary short) 상태로 유지(CT의 개방은 위험). 지락계전기의 2차 계측선 연결·단락 상태 확인.

권수비(N)·정격·정격 전압·부담(secondary burden) 확인.

시험: 1차 주입시험(primary injection) 또는 2차 주입시험(secondary injection)으로 픽업·시간특성 확인.

접지계통(중성점 접지 방식)에 맞는 픽업값 설정.

서지·낙뢰·EMI로 인한 오동작 방지용 서지 보호기 설치 고려.

 

 

10.수식 모음(요약)

1) 잔류(Residual) 전류

 

2) 제로시퀀스(Zero-sequence) 성분(1/3 정의)

 

3) ZCT 2차 전류

(N: 권수비; 실제 계전기의 표시/해석은 권수·상수에 따라 다름)

 

 

11. 예시(단순 수치 예제)

예: A상 지락으로 A상에서 5 A가 지락(대지)로 흐르고 B,C상에는 0A라면

 

만약 ZCT 권수비가 1000:1이라면 2차 전류는 5/1000 = 0.005 A = 5 mA → 계전기의 픽업이 10 mA라면 동작 안 함, 픽업이 3 mA라면 동작.

(실무에선 전력급 설비에선 권수비·픽업값이 훨씬 다름 — 단순 예시)

 

 

12. 오동작 원인과 방지책

1) 오동작 원인

· 선로 정전용량 누설, 고조파(특히 삼차), 기동시 불평형, ZCT 설치 불량(상 누락), CT 포화, 접지계통 변화

 

2) 방지책

· 필터·여과(위상·주파수 보정), 시간지연 설정, 다단계 보호 논리, 방향성 계전기 사용, 정기 시험·캘리브레이션

 

 

13. 실제 적용 예 — 배전반·변압기 보호

1) 저압배전반

· 누전차단기(RCD/RCCB)나 잔류전류 계전기(RCI)가 ZCT 원리를 활용.

 

2) 고압 송배전·변전소

· ZCT + 방향성 지락계전기 + 차단기 연계로 계통 보호·정밀한 고장위치 판별.

 

 

14. 안전 및 규정

· 설치·시험 시 항상 차단기 차단, 2차 회로 단락 유지, 고전압 작업 절차 준수.

· 각국/지역(IEC, KS 등) 규격 권장치·시험법 준수.