제110회 건축전기설비기술사

1. 개요

영상변류기(ZCT: Zero-sequence Current Transformer)는 3상 교류 회로에서 지락사고 발생 시 발생하는 영상전류($3I_0$)를 검출하여 지락계전기(GR, SGR, DGR 등)에 공급하는 변류기이다.

건축전기설비 및 수배전반 설계에서 비접지 계통(6.6 $\text{kV}$ 등) 및 고저항 접지 계통의 정확한 지락 보호를 위해 ZCT의 정확한 특성 이해와 시공이 필수적이다. ZCT는 정상 상태에서의 각 상 전류 합이 0이 되는 키르히호프의 전류 법칙을 기본 원리로 하며, 과전류 배수, 여자임피던스, 잔류전류 오차 등 전기적 특성과 케이블 실드 접지선의 관통 방법 등 시공 기술에 따라 보호계전 시스템의 신뢰성이 크게 좌우된다.

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2. 이론 및 원리

2.1. ZCT의 기본 검출 원리

ZCT는 철심 내부에 3상 도체(A, B, C상)를 일괄 관통시켜 설치한다. 앙페르의 주회 법칙(Ampere's Circuital Law)과 패러데이의 전자기 유도 법칙(Faraday's Law)에 따라 작동한다.

🖼 [그림] ZCT의 3상 일괄 관통에 따른 자복 합산 및 영상전류 검출 원리도

(1) 정상 상태 (평형 및 불평형 부하)

3상 선로에 흐르는 전류의 벡터합은 0이 되므로 철심 내부의 합성 자속도 0이 되어 2차 측에 전압이 유도되지 않는다.

$$I_a+I_b+I_c=0$$

$${\Phi }_{net}={\Phi }_a+{\Phi }_b+{\Phi }_c=0$$

$$e_2=-N_2\frac{d{\Phi }_{net}}{dt}=0\text{ [V]}$$

(2) 지락사고 발생 시

1선 지락사고 발생 시 지락전류 $I_g$가 흐르게 되며, 3상 선로 전류의 벡터합은 영상전류의 3배인 $3I_0$가 된다.

$$I_a+I_b+I_c=I_g=3I_0\ne 0$$

이때 철심 내부에 합성 영상자속 ${\Phi }_0$가 형성되어 2차 권선에 자속 변화에 비례하는 기전력이 유도된다.

$${\Phi }_{net}={\Phi }_0\propto 3I_0$$

$$e_2=-N_2\frac{d{\Phi }_0}{dt}\ne 0\text{ [V]}$$

$$I_2=\frac{e_2}{Z_2+Z_L}\text{ [A]}$$

여기서, $N_2$는 2차 권선수, $Z_2$는 ZCT 2차 내부 임피던스, $Z_L$은 부하(계전기) 임피던스이다.

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3. 상세 내용

3.1. ZCT의 주요 정격 및 성능요소 비교

항목	표준 제원 및 정의	주요 기능 및 영향
정격 1차 영상전류	보통 $200\text{ mA}$ (또는 $1\text{ A}$, $5\text{ A}$)	계통의 최소 지락전류 검출 감도 결정
정격 2차 전류	보통 $1.5\text{ mA}$ (또는 $10\text{ mA}$, $100\text{ mA}$)	계전기 입력 정격과 정합
변류비 ($K_n$)	$200\text{ mA}/1.5\text{ mA}$ (표준형)	영상전류의 수신 비율 결정
정격 부담 ($VA$)	$0.15\text{ VA}\sim 0.5\text{ VA}$ 수준	계전기 연결 전선 및 계전기 입력 임피던스 규정

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3.2. 정격과전류 배수 ($n$)

(1) 정의

정격과전류 배수 $n$은 ZCT의 1차 측에 대전류(대지락전류 또는 단락전류)가 흐를 때, ZCT 2차 출력 오차가 지정된 한격(예: $-10\%$)에 도달할 때의 1차 전류 값을 정격 1차 전류로 나눈 값이다.

$$n=\frac{I_{overcurrent}}{I_{n1}}$$

(2) 과전류 배수가 미치는 영향

• 철심 포화 현상: 단락사고나 대지락사고 시 Primary 전류가 과다하게 흐르면 ZCT 철심이 포화(Saturation)되어 2차 전류의 파형이 왜곡되고 출력이 감소한다.
• 계전기 부동작/오동작: 포화가 발생하면 $3I_0$ 전압 유도가 불충분하여 선택지락계전기(SGR)나 방향지락계전기(DGR)의 위상 판별에 오류가 발생하여 비보호 영역이 생길 수 있다.
• 선택 기준: 지락 단락 겸용 보호 또는 대용량 계통에서는 과전류 배수가 충분히 높은($n>5$ 이상) ZCT를 선정해야 한다.

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3.3. 정격여자임피던스 ($Z_e$)

(1) 정의

정격여자임피던스 $Z_e$는 ZCT 2차 단자에서 바라본 여자 회로의 임피던스로, 2차 유도기전력 $E_2$와 여자전류 $I_e$의 비로 나타낸다.

$$Z_e=\frac{E_2}{I_e}=R_e+j{X}_e$$

🖼 [그림] ZCT의 등가회로 (1차 변환 전류, 여자 임피던스 $Z_e$, 2차 burden $Z_L$)

(2) 전기적 특성 및 영향

• 검출 감도와의 관계: $Z_e$가 클수록 여자전류 $I_e$가 줄어들어, 1차 영상전류 $3I_0$가 2차 부하 전류 $I_2$로 손실 없이 대부분 전달된다.
• 신뢰성 향상: 미세한 지락전류($\text{mA}$ 단위)를 검출해야 하는 고저항 접지/비접지 계통에서는 $Z_e$ 값이 높을수록 미소 지락전류 검출 정밀도가 향상된다.

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3.4. 잔류전류 (Residual Current)

(1) 정의

잔류전류란 계통에 실제 지락사고(지락전류)가 발생하지 않았음에도 불구하고, 대용량 부하의 기동전류, 단락전류, 또는 3상 전류 불평형에 의해 ZCT 2차 측에 오차로 인해 출력되는 불필요한 영상전류를 말한다.

(2) 발생 원인

1. 도체의 편심(Eccentricity): ZCT 관통 창 내부에서 3상 케이블/도체가 중심에 위치하지 않고 한쪽으로 치우쳐 설치된 경우.
2. 철심의 자기적 불균일성: ZCT 자성체의 투자율 분포가 균일하지 않거나 제작 오차가 있는 경우.
3. 대전류 통전 시 자속 쇄교 불균형: 기동전류나 부하 급증 시 자속 편차 발생.

(3) 영향 및 방지 대책

• 영향: 정상 운전 중 또는 사고 외부 지락/단락 시 지락계전기의 오동작(False Tripping) 유발.
• 대책:
  • ZCT 관통 도체를 중앙에 배치(Spacer 활용).
  • 대전류 인근 배치 금지 및 자기 차폐형 ZCT 사용.
  • 잔류전류 정격이 규격치($0.1\text{ mA}\sim 0.2\text{ mA}$ 이하) 만족 제품 사용.

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4. 실무 적용 및 계통별 비교

4.1. 접지 방식별 ZCT 검출 방식 적용

구분	비접지 계통 (6.6 $\text{kV}$)	고저항 접지 계통	직접/소호리액터 접지
검출 방식	ZCT + GPT + SGR/DGR	ZCT + GR/DGR	3-CT 잔류회로 결선 또는 ZCT
지락전류 크기	매우 작음 ($\text{A}$ 단위 이하)	소규모 ($10\text{ A}\sim 100\text{ A}$)	대규모 ($\text{kA}$ 단위)
ZCT 요구 성능	고감도, 고 $Z_e$, 정밀 위상 맞춤	표준 ZCT	대용량 과전류 배수($n$) 확보

4.2. ZCT와 3-CT 잔류회로 방식 비교

🖼 [그림] ZCT 일괄 관통 방식과 3-CT 잔류회로(Residual Connection) 결선 방식 비교도

• ZCT 일괄 관통 방식: 3상을 하나의 철심에 관통시키므로 CT 특성 불일치에 의한 오차가 없어 미소 영상전류 감도($200\text{ mA}$) 검출에 최적.
• 3-CT 잔류회로 방식: 각 상 CT 2차 측을 병렬 결선하여 $I_a+I_b+I_c$를 추출. CT 개별 오차로 인해 오차 전류가 커서 미세 지락 검출에는 부적합하며, 대전류 계통에 주로 적용.

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5. 문제점 및 시공 시 고려사항

ZCT 설치 시 가장 빈번하게 발생하는 오류는 케이블 실드 차폐선(Shield Wire)의 접지선 처리 오류에 의한 지락계전기 부동작 및 오동작이다.

5.1. 케이블 실드 접지선 시공 원칙 (핵심)

케이블 차폐층에 유도되는 전류 또는 사고 시 실드를 통해 흐르는 지락전류에 의한 자속을 cancellation(상쇄)하기 위해 접지선의 관통 방향이 정확해야 한다.

🖼 [그림] 케이블 실드 접지선의 ZCT 관통 방법 (ZCT 전원측/부하측 설치 위치별 올바른 접지선 관통 경로)

(1) ZCT를 케이블 단자대 부하 측(하부)에 설치 시

• 실드 접지선을 ZCT 내부로 관통시키지 않고 직접 접지한다.

(2) ZCT를 케이블 차폐 접지점보다 전원 측(상부)에 설치 시

• 실드 접지선을 ZCT 관통창 내부로 다시 관통시켜(Pass Back) 전원 측 방향에서 접지 단자에 접속한다.
• 이유: 지락 전류가 케이블 실드 타고 들어올 때, 1차 도체 전류와 실드 귀환 전류의 자속이 상쇄되는 것을 방지하여 실제 순수 지락전류만 ZCT에 검출되도록 하기 위함이다.

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5.2. 실무 시공 체크리스트

(1) 관통 도체의 편심 방지

• 케이블이 ZCT 관통창의 중앙에 위치하도록 Clamping 또는 Spacer를 설치한다.
• ZCT 내경 대비 케이블 외경은 적절한 유격을 유지해야 하며, 곡선 가공으로 인한 편심 응력을 받지 않도록 한다.

(2) 이격거리 확보 (자기장 간섭 방지)

• 모선(Busbar) 대전류 도체 및 인접 상도체와 최소 $150\text{ mm}\sim 200\text{ mm}$ 이상의 정격 이격거리를 유지하여 외부 누설자속에 의한 오동작을 방지한다.

(3) KEC 및 기술기준 준수 사항

• 한국전기설비규정(KEC)에 따른 보호도체(PE) 및 차폐층 접지공사 규정을 준수한다.
• ZCT 2차 측 신호선은 유도장애 방지를 위해 Shielded Twisted Pair(STP) 케이블을 사용하고, 신호선 차폐선은 계전기 측 1점 접지를 시행한다.

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6. 결론 (기술사로서의 견해)

영상변류기(ZCT)는 건축전기설비의 지락 보호 시스템에서 사고를 초기에 감지하여 전원 차단 및 인명·설비 피해를 최소화하는 핵심 센서이다.

최근 분산전원(태양광, ESS 등)의 계통 연계 증가와 인버터 부하 증가로 인해 고주파 고조파 성분이 포함된 지락전류가 발생하는 환경이 조성되고 있다. 따라서 기술사로서 기술적 검토 시 다음 사항을 반드시 반영해야 한다.

1. 정밀 선정: 계통의 접지 방식과 지락전류 크기에 맞추어 정격 1차 전류, 과전류 배수($n$), 여자임피던스($Z_e$)를 체계적으로 계산하여 선정한다.
2. 시공 품질 관리: 케이블 실드 접지선의 정확한 통과 경로(Pass-back 기술)를 감리 및 시공 단계에서 검수 마크업(Check-list)하여 지락 보호 미동작 사고를 근본적으로 예방해야 한다.
3. 주기적 점검: 지락계전 시험기(Primary Injection Tester)를 이용한 ZCT 1차 통전 시험 및 오동작 잔류전류 측정을 통해 유지관리 신뢰성을 향상시켜야 한다.