KR100966450B1 - Contactless Current Measuring Device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치에 있어서 로고우스키 코일의 저전압 출력신호를 증폭할 수 있는 비접촉식 전류 측정 장치를 제공하려는 것으로서, 전류 측정 대상의 주위에 비접촉되게 설치되어, 상기 전류 측정 대상에 흐르는 전류에 비례하는 전압신호를 출력하는 로고우스키 코일; 및The present invention is to provide a non-contact current measuring device capable of amplifying a low voltage output signal of a Rogo whiskey coil in a non-contact current measuring device using a Rogo whiskey coil, is installed in a non-contact around the current measurement target, the current Rogoowski coil for outputting a voltage signal proportional to the current flowing in the measurement object; And
상기 로고우스키 코일이 출력하는 전압신호를 증폭시킬 수 있도록, 상기 로고우스키 코일을 다중으로 관통하도록 상기 로고우스키 코일의 주위에 다중 권선되는 전류 측정 대상 자체 또는 전류 측정 대상에 접속된 전기적 도체를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.An electrical conductor connected to the current measurement object itself or the current measurement object that is multi-wound around the Rogosky coil so as to amplify the voltage signal outputted by the Rogoowski coil. Characterized in that configured to include.
비접촉식 전류 측정 장치, 로고우스키 코일 Non-contact current measuring device, Rogoowski coil
Description
본 발명은 비접촉식 전류 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치에 있어서 저전압의 로고우스키 코일의 권선 수 변경 없이 출력전압을 원하는 수준의 전압으로 증폭시킬 수 있는 비접촉식 전류 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a non-contact current measuring device, in particular in the non-contact current measuring device using a Rogo whiskey coil non-contact current measurement that can amplify the output voltage to a desired level of voltage without changing the number of windings of the low voltage Rogo whiskey coil Relates to a device.
로고우스키 코일(Rogowski coil)은 전류를 비접촉식으로 측정할 수 있는 소자로서 1912년에 측정원리가 알려졌지만 이를 뒷받침할 수 있는 전자기술이 부족하여 실용화되지 못하다가 수 십년 전부터 상용화되어 전력분야에 전류 측정 소자로서 널리 사용되고 있다. 로고스키 코일은 일반적으로 비 자성체 코어{예컨대 내부가 진공상태인 일명 空心 core}에 권선 밀도(단위길이당 권선수)가 균일하게 감겨진 코일의 형태를 가지고 있다. Rogowski coil is a device that can measure current in a non-contact manner.The principle of measurement was known in 1912, but it was not commercialized due to lack of electronic technology to support it. It is widely used as a measuring element. Rogowski coils generally have the form of a coil in which the winding density (the number of turns per unit length) is uniformly wound on a nonmagnetic core (for example, a vacuum core inside the vacuum state).
로고스키 코일의 원리는 패러데이-렌쯔(Faraday-Lenz)의 전자유도법칙에 따라 내부를 관통하는 전류에 의해 발생된 자속이 로고우스키 코일의 코일 부를 쇄교할 때 쇄교량 변화로 유도되는 기전력을 측정하여 전류를 간접 측정하는 것으로, 피측정 전류의 미분 치에 비례하고 로고스키 코일의 단 면적과 단위길이당 권선수 및 투자율에 비례하는 전압이 2차 측(즉 로고우스키 코일, 여기서 1차 측은 전류 측정 대상 도체)에 발생된다. The principle of Rogowski coil is to measure the electromotive force induced by the change of the chain bridge when the magnetic flux generated by the electric current penetrating the inside of the Rogowski coil is in accordance with Faraday-Lenz's law of electromagnetic induction. Indirect measurement of current, in which the voltage is proportional to the derivative of the measured current and is proportional to the Rogowski coil's end area, the number of turns per unit length, and the permeability, the secondary side (i.e. Current conductor).
이러한 로고스키 코일의 장점은 코어가 비 자성체이므로 자기포화(magnetic saturation)로 인한 비선형(non linear) 특성 즉, 일정 전류이상의 측정대상 전류에 대해서 자속이 포화되어 거의 일정한 자속을 출력하는 현상이 없으며, 1차 측 측정 대상 도체의 전류와 전기적으로 절연 및 분리되어 측정 가능하며, 광범위한 대역폭(광범위한 측정 전류 폭)을 가진다는 것과 철심을 사용하지 않으므로 소형/ 경량으로 제작할 수 있다는 것이다. The advantage of the Rogowski coil is that the core is non-magnetic, so the non-linear characteristic due to magnetic saturation, that is, the magnetic flux saturates for the current to be measured above a certain current, produces almost constant magnetic flux. It can be measured by being electrically insulated and separated from the current of the primary measurement target conductor, has a wide bandwidth (wide range of measurement current), and can be manufactured in small size and light weight without using iron core.
이러한 장점들 중에서 로고스키 코일의 가장 큰 장점은 자기포화가 되지 않아 수 암페어(A)의 작은 전류에서부터 수백 킬로 암페어(kA)까지의 큰 전류를 측정할 수 있다는 것이다. 그러나 수 (A) 이하의 저 전류 영역에서는 코어가 비 자성체이므로 2차 측 출력 전압 값(즉 로고우스키 코일의 출력단 양단 전압)이 작아서 외부 노이즈(noise)에 영향을 크게 받으며 따라서 저 전류 영영에서 측정 신뢰도가 보장되지 못하는 문제점이 있다.Among these advantages, Rogowski's biggest advantage is that it is not self-saturating and can measure large currents from small currents of several amps (A) to hundreds of kiloamps (kA). However, in the low current range below the number (A), since the core is nonmagnetic, the secondary output voltage value (i.e., voltage across the output end of the Rogowski coil) is small and is greatly influenced by external noise. There is a problem that the measurement reliability is not guaranteed.
일반적으로 로고스키 코일의 측정 정밀도는 온도변화, 조립 공차, 다른 상 전류와의 교차, 측정 대상인 1차 도체가 매우 가까이에서 직각으로 교차하게 배치되는 것 등에 의해서 영향을 받는데, 이러한 영향 요인들을 고려하여 잘 제작된 로고스키 코일은 0.5% 이하의 비오차(오차 백분율)를 갖는다.In general, the Rogowski coil's measurement accuracy is affected by temperature changes, assembly tolerances, intersections with other phase currents, and the primary conductors being measured at right angles and very close to each other. A well-made Rogowski coil has an error (percent error) of less than 0.5%.
종래에 전력 분야에서 보호, 계측 및 전력요금 부과용으로 사용되어오던 비접촉식 전류센서는 대부분 철심을 사용한 변류기(Current Transformer, 약하여 CT로 통칭됨)였다. 이러한 변류기의 장점은 정격전류 이하 범위에서 우수한 응답특성과 정밀도를 보이며 1차 측 측정 대상 전류와 2차 측 비례 출력 전류가 동상이라는 것이다. 반면 단점은 사고 전류 등이 흘러서 정격전류보다 매우 큰 전류가 흐를 때철심의 자기포화 특성으로 인해서 포화되어 사고전류를 측정할 수 없어서 보호용과 계측용을 별도로 설치하여야 하는 것과 크고 무거운 점 등이다. 변류기는 이러한 문제가 있음에도 불구하고 대체할 수 있는 로고스키 코일의 기술이 부족하고 연관된 기기와의 호환문제로 인해서 아직도 많이 사용되고 있다.Conventional non-contact current sensors, which have been used for protection, measurement, and charging in the electric power field, are mostly current transformers (weakly referred to as CTs) using iron cores. The advantage of this current transformer is that it shows excellent response characteristics and precision in the range below the rated current, and the primary side measured current and the secondary side proportional output current are in phase. On the other hand, the disadvantages are that when a current larger than the rated current flows due to an accident current, it is saturated due to the magnetic saturation characteristics of the iron core, so that the accident current cannot be measured. Current transformers are still widely used due to the lack of replaceable Rogowski coil technology and compatibility with associated equipment.
종래의 로고스키 코일은 주로 대전류 측정용이나, 고정밀도를 요구하지 않는 부분에 많이 사용되어 왔다. 이것은 고정밀도를 갖는 로고스키 코일의 제작이 어렵기 때문이기도 하다. 이러한 종래기술에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치의 구성을 보여주는 개략 구성도인 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Conventional Rogowski coils have been mainly used for large current measurement, but for parts that do not require high precision. This is also because it is difficult to manufacture Rogowski coil with high precision. Referring to Figure 1 which is a schematic block diagram showing the configuration of a non-contact current measuring device using a Rogoowski coil according to the prior art as follows.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치는 측정 대상 도체(1)과, 측정 대상 도체(1)의 주위에 직각으로 교차하게 접촉하지 않게 설치되는 로고우스키 코일(2)과, 측정 대상 도체(1)에 흐르는 전류(I)의 양에 비례하게 측정 대상 도체(1)에 흐르는 전류(I) 주위에 형성되는 자속에 의해 유기되는 전압을 출력하는 로고우스키 코일(2)의 출력단(2a)으로 구성된다.As shown in FIG. 1, the non-contact current measuring device using the Rogousuki coil according to the prior art is a logo which is installed so as not to cross at right angles around the
로고우스키 코일(2)의 출력단(2a)에 유기되는 로고우스키 코일(2)의 출력전압(e)은 다음 식 (1)과 같다.The output voltage e of the Rogoowski
식(1)에서 
그러나, 종래기술에 따른 로고우스키 코일(2)은 자유공간에서의 투자율이 매우 작은 값이므로 저 전류 영역에서 출력 전압이 작고 신호대 잡음 비가 낮아서 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다. However, since the
따라서 종래기술에 따른 로고우스키 코일을 단락사고 등의 보호용 전류 센서 즉, 계전 용 센서로 사용하는 것은 적합하나, 저 전류 정격에 대하여 사용요금 부과를 위해 고정밀도로 전류량을 측정해야 하는 전력량 계 용 전류 센서와 같은 계기용 센서로 사용하는 데는 문제가 있었다.Therefore, it is suitable to use Rogousuki coil according to the prior art as a protective current sensor, that is, a relay sensor, such as a short circuit accident, but for a low current rating, the electric current meter current must be measured with high accuracy to impose a usage fee. There was a problem in using it as an instrument sensor such as a sensor.
특히 5 내지 10 암페어(A) 정도의 전류에 대해서 노이즈와 구별할 수 있는 출력전압을 출력하기 위해서는 로고우스키 코일의 권수를 대폭 증가시켜야 하지만 현재의 기술로 제작상 곤란하고 그러한 특수한 로고우스키 코일의 제작단가가 대폭 상승하는 문제가 있다.In particular, in order to output an output voltage that can be distinguished from noise, for a current of about 5 to 10 amperes (A), the number of turns of the Rogoski coil must be increased greatly. There is a problem that the production cost of the company significantly increases.
따라서, 본 발명의 목적은 정격 전류 보다 매우 큰 전류에 대해서도 포화되지 않고 선형적인 응답특성을 갖는 로고우스키 코일의 장점을 그대로 유지하면서, 저 전류 영역에서의 정밀도를 개선시켜 저 전류로부터 사고전류까지 광대역의 전류 측정이 가능하며 저 전류에서 높은 정밀도를 가져 전력요금 부과용 센서와 같은 계기용 센서로 사용할 수 있는 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, the object of the present invention is to improve the accuracy in the low current range from low current to fault current, while maintaining the advantages of Rogowski coils that have a linear response characteristic without being saturated even with a current much larger than the rated current. It is to provide a non-contact current measuring device using Rogousuki coil that can measure wide current and has high precision at low current and can be used as an instrument sensor such as a power charging sensor.
상기 본 발명의 목적은, 비접촉식 전류 측정 장치에 있어서,The object of the present invention, in the non-contact current measuring device,
전류 측정 대상의 주위에 접촉되지 않게 설치되어, 상기 전류 측정 대상에 흐르는 전류에 비례하는 전압신호를 출력하는 로고우스키 코일; 및Rogousuki coil is installed so as not to contact around the current measurement target, and outputs a voltage signal proportional to the current flowing through the current measurement target; And
상기 로고우스키 코일이 출력하는 전압신호를 증폭시킬 수 있도록, 상기 로고우스키 코일의 내부를 다중으로 관통하도록 상기 로고우스키 코일의 주위에 다중 권선되는 상기 전류 측정 대상 자체 또는 전류 측정 대상에 접속되는 전기적 도체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 비접촉식 전류 측정 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.In order to amplify the voltage signal outputted by the Rogowski coil, the current measurement object itself or the current measurement object that is multi-wound around the Rogosky coil so as to penetrate the inside of the Rogosky coil multiplely. It can be achieved by providing a non-contact current measuring device according to the invention, characterized in that it comprises an electrical conductor.
로고우스키 코일을 다중으로 관통하도록, 전류 측정 대상 자체 또는 전류 측정 대상에 접속되는 전기적 도체(1차 측 도체)를 다중 권선되게 구성함으로써, 로고우스키 코일이 출력하는 전압신호를 증폭시킬 수 있어서, 저 전류에서 높은 정밀도를 가져 전력요금 부과용 센서와 같은 계기용 센서로 사용할 수 있는 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치를 얻을 수 있는 효과가 있다.By multiplying the current measurement object itself or the electrical conductor (primary side conductor) connected to the current measurement object so as to penetrate the Rogoowski coil multiplely, it is possible to amplify the voltage signal outputted by the Rogosky coil. In addition, it is effective to obtain a non-contact current measuring device using Rogousuki coil, which has high precision at low current and can be used as an instrument sensor such as a power charging sensor.
본 발명에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치는 자성체 철심이 없으므로 정격 전류 보다 매우 큰 전류에 대해서도 포화되지 않고 선형적인 응답특성을 갖는 로고우스키 코일의 장점을 그대로 유지할 수 있어 저 전류로부터 대 전류의 사고전류까지 광 대역으로 전류를 측정할 수 있는 효과가 있다.The non-contact current measuring device using the Rogowski coil according to the present invention has no magnetic iron core, so it is possible to maintain the advantages of the Rogowski coil having a linear response without being saturated even with a current much larger than the rated current. There is an effect that can measure the current in a wide band up to the fault current of a large current.
상기 본 발명의 목적과 이를 달성하는 본 발명의 구성 및 그의 작용효과는 첨부한 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 이하의 설명에 의해서 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention and the constitution and effects of the present invention to achieve the same will be more clearly understood by the following description of the preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치의 구성을 보여주는 개략 구성도로서 로고우스키 코일과 출력단이 노출된 상태로 도시한 개략 구성도인 도 3을 참조하여 설명한다.First, a schematic configuration diagram showing the configuration of a non-contact current measuring apparatus using a Rogo whiskey coil according to the present invention will be described with reference to FIG. 3, which is a schematic configuration diagram showing the Rogo whiskey coil and an output terminal exposed.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비접촉식 전류 측정 장치는 전류 측정 대상 자체 또는 전류 측정 대상에 접속된 전기적 도체로 되는 1차 측 도체(1)와, 로고우스키 코일(2)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 3, the non-contact current measuring device according to the present invention includes a
로고우스키 코일(2)은 전류 측정 대상 자체 또는 전류 측정 대상에 접속된 전기적 도체로 된 1차 측 도체(1)의 주위에 접촉되지 않게 설치되어, 1차 측 도체(1)에 흐르는 전류에 비례하는 전압신호를 출력한다.The Rogousuki
로고우스키 코일(2)이 출력하는 전압신호를 증폭시킬 수 있도록, 1차 측 도체(1)는 로고우스키 코일(2)을 다중으로 관통하도록 로고우스키 코일(2)의 주위에 다중 권선된다.In order to be able to amplify the voltage signal outputted by the Rogowski
로고우스키 코일(2)의 출력전압(e)의 증폭 비는 1차 측 도체(1)의 전기적 도체의 다중 권선 수에 따라 결정된다. 이를 수식으로 다시 표현하면 다음 식 (2)와 같다.The amplification ratio of the output voltage e of the Rogowski
식(1)에서 n은 1차 측 도체(1)의 권수, 
따라서 식 (2)와 같이 로고우스키 코일(2)의 출력전압(e)은 1차 측 도체(1)의 권수에 비례함을 알 수 있다.Therefore, as shown in Equation (2), it can be seen that the output voltage e of the Rogowski
한편, 본 발명에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치의 구성을 보여주는 개략 구성도로서 로고우스키 코일과 출력단을 전기적 절연물로 주조하여 내장시킨 상태를 보여주는 개략 구성도인 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 로고우스키 코일은 외부의 노이즈(noise)에 대한 차폐를 위해서 전기적 절연재 내에 주조하여 내장되게 구성할 수 있다. 즉, 도 2에 있어서, 부호 1은 1차 측 도체이고, 부호 2a는 주조물 절연 피복된 로고우스키 코일이며, 부호 2a'는 주조물 절연 피복된 출력단이다. 여기서, 절연 주조물의 재료는 바람직하게 에폭시(epoxy)를 사용할 수 있다. On the other hand, as a schematic configuration showing the configuration of a non-contact current measuring device using a Rogo whiskey coil according to the present invention shown in Figure 2 which is a schematic configuration showing the state in which the Rogo whiskey coil and the output stage is cast by the electrical insulation. As described above, the Rogo whiskey coil may be configured to be cast and embedded in an electrical insulating material for shielding against external noise. That is, in Fig. 2,
주조물 절연 피복된 로고우스키 코일(2a)의 제조방법을 간단히 설명하면 다음과 같다.The manufacturing method of the cast insulation coated Rogouki
먼저, 도 3에 도시된 바와 같은 절연재 코어 주위에 로고우스키 코일을 다수 권회하고 그 출력 단의 양단에 도체 핀(pin)을 접속하여 도 3에 도시된 바와 같은 구성의 로고우스키 코일을 만든다.First, a large number of Rogowski coils are wound around the core of the insulator as shown in FIG. 3, and conductor pins are connected to both ends of the output end to form a Rogowski coil having the configuration as shown in FIG. 3. .
다음, 도 2에 도시된 것과 같은 외형에 대응되는 금형 틀 내에 도 3에 도시된 것과 같이 위에서 만든 로고우스키 코일을 내장하고 용융된 에폭시를 금형 틀에 채워 경화시킴으로써 도 2에 도시된 바와 같은 주조물 절연 피복된 로고우스키 코일(2a)을 얻는다.Next, a casting as shown in FIG. 2 by embedding the Rogousuki coil made above as shown in FIG. 3 in a mold mold corresponding to the outline as shown in FIG. 2 and filling molten epoxy in the mold mold to cure. An insulated coated Rogoski
본 발명에 따른 비접촉식 전류 측정 장치는 실험상 1암페어 또는 0.5암페어 정도의 미소한 전류에 대해서도 1%미만의 비 오차를 가지는 정밀도를 보이는 것을확인 할 수 있었다.The non-contact current measuring device according to the present invention was experimentally confirmed that the precision with a specific error of less than 1% even for a minute current of about 1 ampere or 0.5 ampere.
도 1은 종래기술에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치의 구성을 보여주는 개략 구성도이고,1 is a schematic block diagram showing the configuration of a non-contact current measuring device using a Rogoowski coil according to the prior art,
도 2는 본 발명에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치의 구성을 보여주는 개략 구성도로서 로고우스키 코일과 출력단을 전기적 절연물로 주조하여 내장시킨 상태를 보여주는 개략 구성도이며,Figure 2 is a schematic configuration diagram showing the configuration of a non-contact current measuring device using a Rogo whiskey coil according to the present invention is a schematic configuration showing a state in which the Rogo whiskey coil and the output stage is cast by the electrical insulation, embedded.
도 3은 본 발명에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치의 구성을 보여주는 개략 구성도로서 로고우스키 코일과 출력단이 노출된 상태로 도시한 개략 구성도이다.3 is a schematic block diagram showing the configuration of a non-contact current measuring device using a Rogo whiskey coil according to the present invention is a schematic block diagram showing the Rogo whiskey coil and the output terminal exposed.
*도면의 주요부에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1: 1차측 도체 2: 로고우스키 코일1: Primary conductor 2: Rogousuki coil
2a: 출력단 2': 주조물 절연 피복된 로고우스키 코일2a: output stage 2 ': casting insulated coated Rogousuki coil
2a': 주조물 절연 피복된 출력단2a ': casting insulation coated output
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