변류기의 잔류 자속 - 잔류 자속의 이해

소개

시운전 중에 완벽하게 작동하던 변류기가 몇 달 후 고장이 발생하면 눈에 보이는 손상이나 설정 변경, 배선 변경 없이도 올바르게 작동하지 않을 수 있습니다. 코어는 동일하게 보입니다. 명판도 변경되지 않았습니다. 그러나 코어 내부의 무언가가 영구적으로 이동했으며, 마지막 오류 이벤트 또는 스위칭 작동 중에 소리 없이 발생했습니다. 잔류 자속은 오늘날 서비스 중인 보호 시스템 신뢰성에 가장 과소평가된 위협 중 하나입니다.

잔류 자속(잔류 자속이라고도 함)은 자화력이 제거된 후에도 CT 코어 내부에 남아 있는 자속 밀도로, 코어의 전체 자속 용량의 일부를 영구적으로 차지하고 포화 전에 사용 가능한 헤드룸을 감소시켜 다음 오류 발생 시 포화까지의 시간을 직접 단축하고 2차 출력 신호의 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다.

영국, 호주, 걸프 지역의 산업 시설에 있는 변전소의 사고 후 보호 보고서를 검토한 결과, 업계에서 인정하는 것보다 훨씬 더 자주 잔류성 물질 포화 상태가 나타났습니다. 그 이유는 간단합니다. 잔류 전류는 눈에 보이지 않고 소리 없이 축적되며 일상적인 유지보수 중에는 거의 측정되지 않기 때문입니다. 이 문서에서는 잔류의 원인, CT 성능에 미치는 영향, 정량화하는 방법, 보호 체계를 손상시키기 전에 제거하는 방법 등 완전한 엔지니어링 그림을 제공합니다. 🔍

목차

• CT 코어의 잔류 플럭스는 무엇이며 어떻게 형성되나요?
• 리맨런스는 어떻게 가용 플럭스 헤드룸을 줄이고 포화도를 가속화할까요?
• 잔존 성능 요구 사항에 따라 CT를 어떻게 지정하고 선택하나요?
• 서비스 내 잔여 플럭스를 어떻게 측정, 제거 및 모니터링하나요?
• 변류기의 잔류 자속 관련 FAQ

CT 코어의 잔류 플럭스는 무엇이며 어떻게 형성되나요?

잔류 플럭스는 결함이나 코어 손상의 징후가 아니라 다음과 같은 기본 속성입니다. 강자성 재료¹. 실리콘 스틸, 니켈-철 합금 또는 기타 강자성 재료로 만든 모든 CT 코어는 여기 후 어느 정도의 잔류 자성을 유지합니다. 공학적 문제는 잔류 자기의 존재 여부가 아니라 잔류 자기의 양과 보호 체계가 이를 견딜 수 있는지 여부입니다. ⚙️

히스테리시스 루프와 리맨런스 형성

잔류 플럭스의 기원은 히스테리시스 루프 - 강자성 코어가 완전한 자화 사이클을 거쳤을 때 B-H 다이어그램에서 추적된 닫힌 곡선입니다. 적용된 자기장 강도 H를 증가시켜 코어를 포화 상태로 유도하면 자기 도메인² 코어 재료 내의 영역이 적용된 필드와 정렬됩니다. 그런 다음 H가 다시 0으로 줄어들면 이러한 도메인은 원래의 임의 방향으로 완전히 돌아가지 않습니다. 순 정렬, 즉 순 플럭스 밀도는 그대로 유지됩니다.

이 유지 플럭스 밀도는 $H = 0$ 는 잔류 자속 밀도($B_r$). B를 0으로 되돌리기 위해 필요한 전계 강도는 강압적 힘 ($H_c$). 함께, $B_r$ 그리고 $H_c$ 코어 머티리얼의 히스테리시스 동작을 특성화합니다.

CT 코어에서 잔존의 주요 원인

잔류 플럭스는 몇 가지 다른 메커니즘을 통해 축적되며, 각각 다른 크기의 잔류량을 생성합니다:

1. DC 오프셋이 있는 비대칭 고장 전류:
보호 CT에서 가장 중요한 잔류 원인입니다. DC 오프셋이 있는 고장 전류로 인해 코어가 포화 상태가 되면 코어는 부분 히스테리시스 루프를 통과하여 고장이 해결되어도 원점으로 돌아가지 않습니다. 남겨진 잔류 자속은 다음 값에 도달할 수 있습니다. 포화 플럭스 밀도 60-80% 표준 실리콘 스틸 코어를 사용합니다.

2. 회로 차단기 중단:
회로 차단기가 전류 0 근처에서 고장 전류를 차단하면 1차측 전류의 갑작스러운 중단으로 인해 히스테리시스 루프에서 원점이 아닌 지점에서 코어가 떠납니다. 그 결과 잔류 전류는 중단 순간의 순간 자속 레벨에 따라 달라집니다.

3. 변압기 에너지화 및 돌입:
CT를 통해 전력 변압기에 전원을 공급하면 CT 코어가 변압기의 돌입 전류에 노출되는데, 이 전류는 심하게 왜곡된 DC 바이어스 파형으로 대칭이 아닌 자화 경로를 따라 CT 코어를 구동하여 상당한 잔류 자속을 남깁니다.

4. DC 테스트 및 주입:
잘못 적용된 절연 저항 테스트를 포함하여 DC 전류 소스를 사용하는 2차 주입 테스트는 단방향 경로를 따라 코어를 자화시켜 오류 이벤트와 비슷한 잔류 수준을 남길 수 있습니다.

5. 지자기 유도 전류³:
고위도 설치의 경우, 지자기 교란은 장기간에 걸쳐 CT 코어를 서서히 자화시켜 식별 가능한 결함 이벤트 없이 잔류성을 생성할 수 있습니다.

핵심 소재별 잔존 특성

핵심 재료	잔존율 계수 $K_r$	강압적 힘 $H_c$	채도 플럭스 $B_{sat}$	잔존 위험 수준
곡물 지향 실리콘 스틸4 (GOES)	60 - 80%	낮음-중간	1.8 - 2.0 T	높음
냉간 압연 비방향성 강철	50 - 70%	Medium	1.6 - 1.8 T	높음
니켈-철 합금(퍼멀로이 50)	40 - 60%	매우 낮음	0.75 - 1.0 T	Medium
비정질 금속 합금	20 - 40%	낮음	1.2 - 1.5 T	낮음-중간
나노 결정 합금	5 - 15%	매우 낮음	1.2 - 1.3 T	매우 낮음
에어 갭 코어(TPZ 등급)	<1%	N/A(격차가 우세함)	유효 0.3-0.5 T	무시할 수 있음

그리고 잔존율 계수 $K_r$ 는 IEC 61869-2에 정의된 표준화된 메트릭입니다:

$K_r = \frac{B_r}{B_{sat}} \times 100$

A $K_r$ 의 75%는 포화 이벤트가 발생한 후 다음 오류가 시작되기 전에 코어의 총 자속 용량 중 75%가 이미 사용되었다는 의미입니다. 코어의 헤드룸 중 25%만 사용 가능한 상태로 남아 있습니다.

리맨런스는 어떻게 가용 플럭스 헤드룸을 줄이고 포화도를 가속화할까요?

잔류 자속의 공학적 결과는 매우 간단합니다. 코어의 현재 작동 지점과 포화 무릎 지점 사이의 거리가 줄어듭니다. 잔류 자속이 1웨버 감소할 때마다 다음 오류 과도 상태를 수용할 수 있는 웨버가 하나씩 줄어듭니다. 그러나 전체 영향은 이러한 정적 감소보다 더 깊습니다. 잔류 자속은 DC 오프셋과 상호 작용하여 그렇지 않으면 적절한 CT를 완전히 부적절하게 만들 수 있습니다. 🔬

플럭스 헤드룸 방정식

DC 오프셋이 있는 고장 시 총 플럭스 수요는 코어의 내부에 수용되어야 합니다. 사용 가능한 플럭스 헤드룸:

$\텍스트{사용 가능한 헤드 룸} = \Phi_{sat} - \Phi_{residual} = B_{sat} \times A_c \times (1 - K_r)$

어디 $A_c$ 는 코어 단면적입니다. 오류 발생 시 필요한 플럭스는 다음과 같습니다:

$\Phi_{required} = \frac{K_{td} \times I_{f_secondary} \times (R_{ct} + R_b)}{4.44 \times f \times N}$

CT가 포화 상태를 피하기 위해:

$\Phi_{필요} \leq \Phi_{sat} \times (1 - K_r)$

이 불평등은 리맨런스와 필요한 니 포인트 전압 사이의 직접적인 곱셈 관계를 보여줍니다. 코어의 $K_r = 75$ 니 포인트 전압이 필요합니다. 4배 더 높음 를 사용하여 동일한 포화 내성을 달성할 수 있습니다.

리맨런스의 함수로서의 포화 시간

운영상 가장 중요한 리맨런스의 영향은 다음에 미치는 영향입니다. 포화 시간 ($T_{sat}$) - 고장 발생 후 CT 2차측 출력이 크게 왜곡될 때까지 경과된 시간입니다. 1-3사이클로 작동하는 고속 보호 계전기의 경우, 약간만 감소해도 $T_{sat}$ 는 올바른 작동과 실패의 차이를 의미할 수 있습니다.

잔존 레벨 ($K_r$)	사용 가능한 헤드 룸	포화 시간(일반, X/R=20)	보호 영향
0%(자성 제거)	100%의 $B_{sat}$	3 - 5주기	릴레이가 올바르게 작동합니다.
30%	70%의 $B_{sat}$	2~3주기	한계 - 릴레이 작동 가능
60%	40%의 $B_{sat}$	1~2주기	고위험 - 릴레이가 실패할 수 있음
75%	25%의 $B_{sat}$	<1주기	임계 - 릴레이가 응답하기 전 포화 상태
90%	10%의 $B_{sat}$	<0.5주기	치명적 - 보호에 쓸모없는 CT

자동 재접속 스키마의 잔존 기간

자동 리클로즈 방식은 보호 엔지니어링에서 가장 심각한 잔존 문제를 야기합니다. 일련의 이벤트는 복합적인 잔존 문제를 야기합니다:

1. 첫 번째 결함: DC 오프셋으로 코어가 포화 → 결함 제거 → 잔류로 이동합니다. $B_{r1}$ 남아
2. 데드 타임(0.3~1.0초): 자연 자화를 위한 시간 부족
3. 자동 재전원: 돌입 전류는 다음과 같은 추가 플럭스를 추가합니다. $B_{r1}$
4. 두 번째 결함(지속되는 경우): DC 오프셋은 이제 이미 코어에 작용합니다. $B_{r1} + 텍스트{인러시 잔존량}$

표준 GOES 코어에서 두 번의 결함 복구 주기 후 누적 잔류량은 다음과 같습니다. 85-90%의 $B_{sat}$ - 두 번째 오류 전류가 피크에 도달하기도 전에 CT가 기능적으로 포화 상태가 됩니다.

고객 스토리: 호주 퀸즐랜드의 132kV 송전 변전소에서 근무하는 James라는 보호 엔지니어는 과도 고장 이력이 있는 피더에서 자동 재폐로 작업 중 모선 차동 보호의 반복적인 고장을 보고했습니다. 사고 후 분석 결과 대칭 고장 수준에 맞게 올바르게 지정된 클래스 P CT가 누적된 잔류로 인해 두 번째 재폐로 시도에서 반주기 이내에 포화 상태에 진입한 것으로 나타났습니다. 벱토는 나노 결정질 코어가 있는 클래스 TPY 교체용 CT를 공급했습니다($K_r < 8$), 잔존물 축적 문제를 완전히 제거했습니다. 보호 체계는 이후 6번의 자동 폐쇄 이벤트 동안 단 한 번의 오작동 없이 올바르게 작동했습니다. ✅

잔존 성능 요구 사항에 따라 CT를 어떻게 지정하고 선택하나요?

잔존 수명 사양은 이전 프로젝트에서 복사할 수 있는 단일 숫자가 아니라 각 개별 CT 애플리케이션의 작동 조건에서 파생되어야 하는 보호 기능별 요구 사항입니다. 다음은 이를 올바르게 파악하기 위한 구조화된 프레임워크입니다. 📐

1단계: 보호 기능 및 잔존 감도 파악하기

보호 기능에 따라 잔류 유발 포화도에 대한 허용 오차가 근본적으로 다릅니다:

보호 기능	잔존 감도	최소 CT 클래스	최대 $K_r$
과전류 릴레이(50/51) - 시간 지연형	낮음	클래스 P	지정되지 않음
과전류 릴레이(50/51) - 순간적	Medium	클래스 P 또는 PX	<60%
접지 오류 릴레이(51N)	낮음-중간	클래스 P	지정되지 않음
변압기 차동(87T)	높음	클래스 PX 또는 TPY	<30%
버스바 차동(87B)	매우 높음	클래스 TPZ	<1%
거리 릴레이 (21)	높음	클래스 TPY	<10%
자동 재접속 체계	매우 높음	클래스 PR 또는 TPY	<10%
발전기 차동(87G)	매우 높음	클래스 TPY	<10%

2단계: 리맨런스가 조정된 니 포인트 전압 계산하기

표준 $V_k$ 계산을 수정하여 잔존율을 고려해야 합니다:

$V_{k_adjusted} = \frac{V_{k_base}}{1 - K_r}$

어디 $V_{k_base}$ 는 리맨런스를 제외하고 계산된 니 포인트 전압입니다. 코어의 경우 $K_r = 0.75$:

$V_{k_adjusted} = \frac{V_{k_base}}{0.25} = 4 \times V_{k_base}$

필요한 니 포인트 전압이 4배나 증가한 것은 리맨런스 사양을 부차적인 문제로 취급할 수 없는 이유를 잘 보여줍니다.

3단계: 잔존율 요건에 맞는 코어 머티리얼 선택하기

• $K_r$ 지정되지 않음(시간 지연 과전류): 표준 GOES 핵심, 클래스 P - 비용 효율적이고 적절함
• $K_r < 30$ (변압기 차동): 니켈-철 합금 또는 비정질 금속 코어, 클래스 PX 또는 TPY
• $K_r < 10$ (거리, 자동 닫기, 발전기 차동): 나노 결정 합금 코어, 클래스 TPY
• $K_r < 1$ (버스바 보호, 초고속): 에어 갭 코어, 클래스 TPZ

4단계: 환경 적합성 확인

• 열대 지역 설치(주변 온도 35°C 이상): 코어 재료의 열 안정성 검증 - 나노 결정질 코어 유지 $K_r$ 최대 120°C 성능, 표준 GOES 코어는 80°C 이상에서 성능 저하
• 진동 환경(산업 기계, 견인): 기계적 진동은 시간이 지남에 따라 코어의 자성을 부분적으로 제거하여 잔류성을 감소시켜 성능에 도움이 될 수 있지만 캘리브레이션에 영향을 미치지 않는지 확인해야 합니다.
• 오염이 심한 지역 또는 해안 지역: 절연 성능 저하를 가속화하는 습기 유입을 방지하기 위해 단자함이 밀폐된 IP65 인클로저를 확인하십시오.

고객 스토리: 이탈리아 밀라노에 있는 스위치 기어 제조업체의 구매 책임자인 마리아는 풍력 발전소 계통 연결 프로젝트를 위해 24kV 실내 스위치 기어 배치를 준비하고 있었습니다. 이 보호 엔지니어는 다음과 같이 클래스 TPY CT를 지정했습니다. $K_r < 10$ 피더 차동 보호를 위해. 경쟁 공급업체 3곳은 GOES 코어가 포함된 표준 클래스 PX CT를 제공했습니다($K_r \약 70$), “TPY 등가” 요건을 충족했다고 주장했습니다. 벱토는 공장 인증을 받은 나노결정질 코어 클래스 TPY CT를 제공했습니다. $K_r = 6.5$, 전체 IEC 61869-2 과도 성능 테스트 보고서와 함께. 고객의 독립적인 테스트 기관은 벱토 문서만 규정을 준수하는 것으로 인정했습니다. Maria의 납품 일정은 지켜졌고 프로젝트는 첫 번째 시도에서 그리드 코드 준수 테스트를 통과했습니다. 💡

서비스 내 잔여 플럭스를 어떻게 측정, 제거 및 모니터링하나요?

잔존 수명 관리는 일회성 시운전 작업이 아닌 능동적이고 지속적인 엔지니어링 분야입니다. 여기에 설명된 절차는 변전소의 유지보수 프로그램에 표준 관행으로 포함되어야 하며, 특히 고속 보호 체계의 CT에 대해서는 더욱 그렇습니다.

현장의 잔류 플럭스 측정

잔류 자속을 직접 측정하려면 특수 장비가 필요하지만, 실용적인 간접 평가는 다음을 통해 수행할 수 있습니다. 자화 곡선 비교 방법:

1. 2차 단자(1차 개방 회로)에 증가하는 AC 전압을 적용합니다.
2. 0에서 무릎 지점 위까지 V-I 여기 곡선을 기록합니다.
3. 측정된 곡선을 원래 커미셔닝 기준선과 비교합니다.
4. 겉보기 니 포인트가 더 낮은 전압으로 이동하거나 주어진 전압에서 여자 전류가 증가하면 상당한 잔류 자속이 존재함을 나타냅니다.

보다 직접적인 방법은 플럭스미터 CT 코어에 감긴 검색 코일에 연결할 수 있지만, 대부분의 설치된 CT에서 사용할 수 없는 코어 액세스가 필요합니다.

자화 제거 절차

AC 자화(선호 방법):

1. 변수 연결 오토트랜스포머⁵ CT 보조 단자(1차 개방 회로)에 연결합니다.
2. AC 전압을 점차적으로 약 $1.2 \times V_k$ 완전한 코어 포화도를 보장하기 위해
3. 최소 30초 동안 천천히 지속적으로 전압을 0으로 낮춥니다.
4. 점진적인 감소는 코어를 점차적으로 작은 히스테리시스 루프를 통과시켜 원점에 수렴합니다.
5. 자화 곡선을 다시 측정하고 원래 기준선과 일치하는지 확인하여 확인합니다.

DC 자기 제거(대안):
진폭이 점차 감소하여 0으로 끝나는 극성을 번갈아 가며 일련의 직류 전류 펄스를 적용합니다. 이 방법은 교류 자화보다 신뢰성이 떨어지며 새로운 자기가 유입되지 않도록 주의 깊게 제어해야 합니다.

설치 및 유지 관리 체크리스트

1. 시운전 전 자화 제거 - 운송 및 공장 테스트 잔류물을 제거하기 위해 항상 통전 전에 자기를 제거합니다.
2. 장애 후 자화 제거 - 상당한 DC 오프셋이 있는 근접 고장 후 필수; 다음 정전으로 미루지 마십시오.
3. 자동 복구 후 자화 제거 - 지속적인 오류와 관련된 자동 폐쇄 시퀀스 후 보호 영역의 모든 CT를 서비스 복귀 전에 자성을 제거합니다.
4. 연간 자화 곡선 검증 - 고속 보호 체계의 모든 CT에 대한 커미셔닝 기준과 비교합니다.
5. DC 테스트 후 자화 제거 - DC 주입 테스트, 절연 저항 테스트 또는 1차 주입 테스트 후에는 항상 자기를 제거합니다.

일반적인 유지 관리 실수

• 잔류가 자연적으로 소멸된다고 가정할 때 - 제대로 제조된 CT 코어의 잔류 자속은 활성 자화 없이도 무한정 지속될 수 있습니다.
• DC 전류로만 자화 제거 - DC 자화는 신뢰할 수 없고 코어를 부분적으로 자화된 상태로 둘 수 있으며, AC 자화는 히스테리시스 루프의 원점으로의 복귀를 보장하는 유일한 방법입니다.
• “경미한” 결함 후 자화 건너뛰기 - 측정 가능한 DC 오프셋이 있는 모든 고장은 잔류 상태를 남기며, 고장 전류의 크기에 따라 감자가 필요한지 여부가 결정되지 않습니다.
• 자화 제거 후 자화 곡선 재확인 실패 - 후속 곡선 검증 없는 자화 제거는 절차가 효과적이라는 공학적 보증을 제공하지 않습니다.
• 모든 CT 클래스에 동일한 자화 절차 사용 - 클래스 TPZ 에어 갭 코어는 솔리드 코어 클래스 TPY 장치와는 다른 절차가 필요하므로 항상 제조업체의 특정 자화 지침을 따르십시오.

권장 유지 관리 일정

활동	트리거	권장 간격
전체 자화 + 곡선 검증	커미셔닝	처음 에너지를 공급하기 전에 한 번
장애 후 자화 제거	근접 오류 이벤트	다음 정전 시 즉시
폐쇄 후 자화 제거	영구 오류 자동 복구	서비스 복귀 전
일상적인 자화 곡선 확인	예약된 유지 관리	3~5년마다
전체 2차 주입 + 부담 측정	주요 변전소 정전	10년마다

결론

잔류 자속은 CT 성능에 대한 조용하고 눈에 보이지 않는 누적적인 위협으로, 모든 오류 이벤트, 모든 스위칭 작업 및 모든 DC 테스트에 따라 증가하지만 코어의 가용 헤드룸이 손상되었다는 외부 징후는 남기지 않습니다. 리맨런스 형성 이해, 올바른 리맨런스 지정 $K_r$ 각 보호 기능에 대한 제한, 애플리케이션의 과도 요구 사항에 맞는 핵심 재료 선택, 활성 자화 프로그램 유지는 보호 시스템의 작동 수명 내내 설계된 대로 성능을 유지하는 네 가지 분야입니다. 선제적으로 잔존을 관리하면 CT가 보호 체계에서 가장 필요할 때 정확한 2차 신호를 정확하게 전달합니다. 🔒

변류기의 잔류 자속 관련 FAQ

1. 전력 시스템 구성 요소에 사용되는 핵심 재료의 기본적인 자기 특성을 이해합니다. ↩

2. 자성 물질 내의 원자 수준 정렬이 히스테리시스와 잔류성에 어떻게 기여하는지 살펴보세요. ↩

3. 송전선로에서 준 직류 전류를 유발하는 대기 및 태양광 이벤트에 대해 알아보세요. ↩

4. 입자 지향 전기강의 기술적 특성과 포화 한계를 검토합니다. ↩

5. 테스트에 가변 전압 변압기를 사용할 때의 작동 및 안전 고려 사항을 자세히 설명합니다. ↩