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KR100966450B1 - 비접촉식 전류 측정 장치 - Google Patents

비접촉식 전류 측정 장치 Download PDF

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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; 및
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.
비접촉식 전류 측정 장치, 로고우스키 코일

Description

비접촉식 전류 측정 장치{NON-CONTACT TYPE CURRENT MEASURING APPARATUS}
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
로고우스키 코일(2)의 출력단(2a)에 유기되는 로고우스키 코일(2)의 출력전압(e)은 다음 식 (1)과 같다.
Figure 112008025750247-pat00001
식(1)에서
Figure 112008025750247-pat00002
는 자유공간(진공)에서 투자율이고, N 은 미터당 권선 밀도 (권수/미터), A는 1회 권선의 단면적이자 로고우스키 코일(2)의 코어 단면적(m2)이고, dI/dt는 전류의 미분 값이다.
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.
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.
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.
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.
상기 본 발명의 목적은, 비접촉식 전류 측정 장치에 있어서,
전류 측정 대상의 주위에 접촉되지 않게 설치되어, 상기 전류 측정 대상에 흐르는 전류에 비례하는 전압신호를 출력하는 로고우스키 코일; 및
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Figure 112008025750247-pat00003
식(1)에서 n은 1차 측 도체(1)의 권수,
Figure 112008025750247-pat00004
는 자유공간(진공)에서 투자율이고, N 은 미터당 권선 밀도 (권수/미터), A는 1회 권선의 단면적이자 로고우스키 코일(2)의 코어 단면적(m2)이고, dI/dt는 전류의 미분 값이다.
따라서 식 (2)와 같이 로고우스키 코일(2)의 출력전압(e)은 1차 측 도체(1)의 권수에 비례함을 알 수 있다.
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.
주조물 절연 피복된 로고우스키 코일(2a)의 제조방법을 간단히 설명하면 다음과 같다.
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.
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.
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.
도 1은 종래기술에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치의 구성을 보여주는 개략 구성도이고,
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,
도 3은 본 발명에 따른 로고우스키 코일을 이용한 비접촉식 전류 측정 장치의 구성을 보여주는 개략 구성도로서 로고우스키 코일과 출력단이 노출된 상태로 도시한 개략 구성도이다.
*도면의 주요부에 대한 부호의 설명
1: 1차측 도체 2: 로고우스키 코일
2a: 출력단 2': 주조물 절연 피복된 로고우스키 코일
2a': 주조물 절연 피복된 출력단

Claims (3)

  1. 비접촉식 전류 측정 장치에 있어서,
    전류 측정 대상 자체 또는 전류 측정 대상에 접속된 전기적 도체의 주위에 접촉되지 않게 설치되어, 상기 전류 측정 대상에 흐르는 전류에 비례하는 전압신호를 출력하는 로고우스키 코일; 및
    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 접속된 전기적 도체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 전류 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로고우스키 코일은 외부의 노이즈(noise)에 대한 차폐를 위해서 전기적 절연재 내에 주조하여 내장되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 전류 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 로고우스키 코일의 출력전압의 증폭 비는 전류 측정 대상 자체 또는 전류 측정 대상에 접속된 상기 전류 측정 대상의 전기적 도체의 다중 권선 수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 전류 측정 장치.
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