KR101429134B1

KR101429134B1 - 전자기유도현상과 홀효과를 응용한 고압기기 전류측정장치

Info

Publication number: KR101429134B1
Application number: KR1020130038022A
Authority: KR
Inventors: 김성만
Original assignee: 김성만
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2014-08-11

Abstract

본 발명은 고압 수배전선로상에 설치된 고압기기(차단기,개폐기) 혹은 고압선에서 통전 전류를 측정하는 것으로, 통전봉에서 전자기유도현상으로 발생한 자계를 홀효과를 응용하여 전류를 측정하는 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 홀효과의 전계와 자계에 대한 방향성 응용과 자기장 차단판을 사용하여 측상 간섭 배제 및 주변 자기장 영향을 최소화하여 정밀한 전류를 측정하는 비접촉 전류측정장치로 측정장치와 통전봉의 분리 설치가 가능하므로 충분한 절연간격 및 부분방전 이격 거리 확보가 가능하여 고압기기의 안전성을 확보하고, 홀소자 특성곡선의 정확성으로 전류측정의 정밀성 및 경제성을 확보하고, 지지애자의 비대화를 방지하여 경제성을 확보함으로써 고압기기의 안전하고 효율적인 운용을 기대할 수 있다.

Description

전자기유도현상과 홀효과를 응용한 고압기기 전류측정장치{Current measuring device of high voltage instrument using electromagnetic induction and hall effect}

본 발명은 통전봉(선)에서 전자기유도현상으로 발생한 자계를 홀효과를 응용하여 홀소자와 통전봉(부스바)을 분리하여 통전전류를 측정할 수 있도록 한 비접촉식 전류측정장치에 관한 것이다.

고압 수배전선로상에 설치된 고압기기들이 소형 경량화 되고, 안정성, 정밀성, 경제성 구비가 요구되고 있는 실정으로, 이를 확보하기 위해서는 절연성이 양호한 고압기기와, 기기의 통전전류를 정밀하게 측정할 수 있는 장치의 기술이 요구되고 있다.

도 1은 종래 기중절연 고압기기의 상과 대지간의 절연 및 전류측정장치를 도시하고 있다.

종래 일반적인 기중절연 고압기기의 전류 측정은, 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이 고압기기 프레임(10) 위에 설치된 에폭시지지애자(절연지지대)(11) 내부에 통전선(동봉)(12)을 U자 형태로 삽입한 후, U자 선로 중심부에 성층철심에 권선을 감은 변류기(13)를 구성하는 방식과, 도 1c에 도시한 바와 같이 파우더형 에폭시 지지애자(21) 상부에 통전봉(22)이 관통하는 별도의 에폭시로 절연한 변류기(23)를 구성하여 행하는 방식이 이용되고 있다.

이러한 기존 방식은 고압 통전선과 변류기의 절연 거리 및 에폭시 소재의 미세 클릭으로 인한 부분방전에 취약한 단점을 가지고 있으며, 장시간 사용시 에폭시 소재의 부분방전 파괴로 접지 사고를 유발할 수 있다.

변류기를 내장한 에폭시 지지애자(11)는 절연거리 및 부분방전 안전거리 확보를 위하여 그 부피가 비대해지며, 지지애자(11)와 변류기(13)의 에폭시 함침 및 열처리 과정에서 성층철심(코아)의 재질 변성으로 변류기(13)의 전류특성곡선이 변할 수 있다. 또한 지지애자(11)의 비대를 감안하여 제조할 경우, U자형 통전봉(12)과 변류기(13) 사이의 거리제한으로 부분방전에 취약할 수 있다.

별도의 에폭시로 함침한 변류기를 에폭시 지지애자(21) 상부에 통전봉(22)이 관통하는 곳에 설치한 경우, 통전봉(22)과 변류기(23), 지지애자(21) 상부와 변류기(23)의 부분방전에 취약할 수 있다. 또한 변류기(23)를 에폭시 함침 후 열처리 과정에서 코어의 재질 변성으로 변류기(23)의 전류특성곡선이 변할 수 있다. 변류기 전류특성곡선의 변형으로 인한 전류 오차를 제어기(Controller)에서 보완한다 하더라도 각각의 변류기 오차는 정밀성에서 오류를 범할 수 있다. 부분방전 파괴는 소음과 접지사고를 유발할 수 있고, 접지사고는 고압기기에 치명적인 손상을 가할 수 있어 안정성이 유지된 신뢰성을 유지하기 어렵다는 문제점이 있다.

또한 도 1d에 도시한 바와 같이 에폭시 지지애자(31) 상단부 EI 코어에 코일을 권선한 변류기(33)에서 통전봉(32)에 전류가 유입될 때 주변에 발생하는 자계를 이용한 구성 방식이 이용되고 있으나, 측상 간 간섭, 통전봉(32)에서 인출된 배선 구성방식으로 인한 간섭 및, 주변 변압기등의 자기장 영향 및 온도 변화에 따른 권선 코일 저항값의 변동으로 정확한 전류 측정이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 고압기기의 안전성을 보완하기 위하여 홀소자(홀ic)와 통전봉을 분리 설치하여 충분한 절연 간격 및 부분방전 이격 거리를 확보하고, 통전봉에 전류가 인가될 때 전자기유도현상으로 발생한 자계를 응용하여 홀ic로 구성된 전류측정장치를 구성하여 전류특성곡선의 정밀성 및 경제성을 확보함과 동시에, 지지애자의 비대화를 방지하여 경제성을 확보할 수 있도록 한, 전자기유도현상과 홀효과를 응용한 고압기기 전류측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 갖는 본 발명은, 통전봉을 지지하는 절연지지애자내에 충분한 절연 간격을 유지하여 독립된 기중절연 공간을 만들고, 홀ic로 구성된 장치를 부착하거나 혹은 절연지지애자 에폭시 성형시 열에 영향을 받지 않는 홀ic로 구성된 장치를 일체형으로 성형한 후 통전봉에 전류 인가시, 통전전류에 의한 자기장이 비자성체인 지지애자를 투과하여 전자기유도현상을 발생시켜 통전전류와 비례한 자계를 방출하면, 방출된 자계를 홀효과가 적용된 홀ic를 사용하여 통전전류를 측정하도록 한다.

기타 본 발명의 다른 목적들은 이하에서 상술하는 발명의 상세한 설명에 의해 구체적으로 드러날 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 프레임 상부에 설치되어 절연을 형성하는 절연지지애자; 상기 절연지지애자 상부에 삽입된 통전봉; 상기 통전봉 하단에 절연으로 구성되어 전류를 측정하는 홀ic; 간접 유도기전력의 감소와 주변 변압기 등의 자기장을 차폐하는 외부자기장 차폐장치; 상기 통전봉의 고압 전압으로 인한 전기장을 차폐하는 전기장차폐장치와 접지; 및, 전류 성분 이외의 영향을 배제하기 위한 측정기 노이즈 필터를 포함 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 통전봉은 직선 형상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 홀ic는 단수로 구성되고, 절연지지애자 상단에 에폭시절연 방식으로 설치되어 단일 통전선의 통전상태 혹은 통전전류를 유, 무선으로 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전자기유도현상을 응용한 고압기기 전류측정장치에 따르면, 측정장치와 통전선의 분리 설치가 가능하므로 충분한 절연 간격 및 부분방전 이격 거리 확보가 가능하여 고압기기의 안전성을 확보하고, 통전봉의 2차 교번자기장에 직각 구성이 가능하므로 측상간 간섭 없이 전류특성곡선의 정밀성 및 경제성을 확보하고, 지지애자의 비대화를 방지하여 경제성을 확보함으로써 고압기기의 안전하고 효율적인 운용을 기대할 수 있다.

또환 본 발명의 전자기유도현상을 응용한 고압기기 전류측정장치에 따르면, 측상 및 주변자기장 차폐장치와 고전압 노이즈 차폐장치로 정밀성을 배가할 수 있다.

도 1은 종래의 기중절연 고압기기의 상과 대지간의 절연 및 전류측정장치로써,
도 1a는 에폭시 절연지지애자에 대한 변류기 설치 외관도,
도 1b는 도 1a의 내부 설치 상세도.
도 1c는 파우더형 에폭시 절연지지애자에 대한 변류기 설치 상세도.
도 1d는 에폭시 지지애자 상층부에 EI 코아에 코일을 권선한 변류기 설치도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자기유도현상과 홀효과를 이용한 전류측정장치의 이해를 돕기 위한 도면으로써,
도 2a는 에폭시 절연지지애자 및 통전봉 외관도,
도 2b는 전류측정장치 설치도,
도 2c는 도 2b의 A부분(전류측정부)에 대한 상세 구조도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자기유도현상과 홀효과을 이용한 전류측정장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자기유도현상의 원리를 설명하기 위한 삼각도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 홀효과의 원리를 설명하기 위한 이론도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자기유도현상과 홀효과를 이용한 전류측정장치의 이해를 돕기 위한 도면으로써, 도 2a는 외관도, 도 2b는 설치도, 도 2c는 도 2b의 A부분(전류감지부)에 대한 상세 구조도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자기유도현상과 홀효과를 이용한 전류측정장치의 구성도이고, 도 4는 통전전류에 의한 홀ic 표면의 유도기전력 산출도이며, 도 5는 홀ic의 자계에 대한 전위차 산출도이다.

본 발명의 비접촉식 전류측정장치는, 고압기기 통전봉에 교류 전류 인가시 전류와 비례한 교번자기장이 선로 주변에 앙페르 오른나사 법칙에 준하여 형성되며, 도체에 전류를 흘리고 전류와 수직인 방향으로 자계를 가하면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 전류와 자계 양쪽으로 직각인 방향으로 로렌츠의 힘을 받아 기전력이 발생하고, 양 옆의 중앙점에 설치한 전극에서 홀 전압으로 꺼낼 수가 있는 홀ic를 측정장치로 설치하여, 홀 ic의 전위차를 증폭하여 전류로 환산 출력하게 된다.

이러한 본 발명은 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 프레임(100) 상부에 설치된 지지애자(절연 지지대)(111) 상부의 직선형 통전봉(301)에 전류 I1이 통전될 경우 I1의 크기에 비례한 자기장이 앙페르 오른나사 법칙에 의거 통전봉(301) 주변에 형성되고, 그 자기장은 전자기유도현상에 의거 전류측정장치(홀장치)(304)에 주 유도기전력을 발생시키며, 주변 전류측정장치(305)(306)에도 간접 유도기전력을 유기시킨다.

동일한 원리로 통전봉(302)에 전류 I2가 통전될 경우 I2의 크기에 비례한 자기장이 통전봉(302) 주변에 형성되며, 그 자기장은 전류측정장치(305)에 주 유도기전력을 발생시키며, 주변 전류측정장치(304)(306)에도 간접 유도기전력을 유기시킨다.

또한 동일한 원리로 통전봉(303)에 전류 I3가 통전될 경우 I3의 크기에 비례한 자기장이 통전봉(303) 주변에 형성되며, 그 자기장은 전류측정장치(306)에 주 유도기전력을 발생시키며, 주변 전류측정장치(305)(304)에도 간접 유도기전력을 발생시킨다.

상기 삼상 전류 I1, I2, I3가 120°의 위상각을 유지하면서 동시 통전할 경우 전류측정장치(305)는 선행 전류 I1 및 후행 전류 I3의 영향은 서로 상쇄되어 소멸되므로 전류 I2의 영향만 받는다.

주 유도기전력과 간접 유도기전력과의 크기는 아래의 수학식에 의거 그 차이가 크므로 각각의 주 유도기전력을 허용오차 범위내에서 전류 환산값의 근거로 취할 수 있다.

도 4에서 전류I 의 전자기유도에 의한 홀ic 회로 내에 유발되는 유도기전력의 크기는 자속의 시간에 대한 변화율에 비례하며, 홀ic를 직각 관통하는 자속(자기선속)이 시간 Δ ｔ 동안에 Δ Φ 만큼 변했을 때 생성되는 홀ic 표면의 유도기전력 E는 패러데이 법칙에 의거하여 아래 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

( 단위 : V )

상기 수학식 1에서 변동변수인 자속 Φ 는 암페어 법칙에 의거 다음 수학식 2로 산출된다.

[수학식 2]

(B는 자기장, A는 홀정수, θ는 홀ic 설치위치각)

상기 수학식 2에서 홀ic 홀정수 A는 고정변수이며, 변동변수인 자기장 B는 앙페르 법칙에 의거 다음 수학식 3으로 산출된다.

[수학식 3]

(I는 통전전류, k는 상수, r은 거리)

그러므로 유도기전력 E는 통전전류 I, 홀ic 설치위치각 cos θ에 비례하며, 통전봉과 홀ic 거리 r에 반비례함을 알 수 있다.

도 4에서 전류 I가 통전할 경우, 직각 거리 h인 홀ic "가"에 유기되는 주 유도기전력 E는 다음 수학식 4와 같이 된다.

[수학식 4]

(I는 통전전류, k는 상수, h는 직각거리, 120은 60Hz 전파정류 T=1/f*2)

또한 자기장에 대한 홀ic 설치위치각 θ, 거리 r 인 홀ic "나"에 유기되는 간접 유도기전력 e는 다음 수학식 5와 같이 된다.

[수학식 5]

(I는 통전전류, k는 상수, r은 거리, θ는 설치위치각)

상기에서 h와 r은 그 차이가 크며, 또한 그에 따른 cos θ의 값이 작으므로 상기 수학식 4 및 수학식 5에서 간접 유도기전력 e값이 주 유도기전력 E값보다 상대적으로 작아 간접 유도기전력의 영향은 미약함을 알 수 있다.

도 5에서 도체에 전류를 흘리고 전류와 수직방향으로 자계를 가하면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 전류와 자계 양쪽으로 직각인 방향으로 로렌츠의 힘을 받아 하진 캐리어는 편향되어 도체편에서는 전류와 자계의 양쪽으로 직각인 방향으로 기전력이 생기고, 양 옆의 중앙점에 설치한 전극에서 홀 전압을 유출할 수 있는 홀ic에, 홀ic을 관통하는 ic전류에 직각 교번자기장이 가해질 경우 전위차가 발생하며 이 홀전압을 유출하여 수학식 6에 의거 통전전류를 측정할 수 있다.

[수학식 6]

(V는 홀전압)

상기식에서 Kh는 고정변수 홀정수, B는 통전전류에 대한 유도기전력, i는 고정변수 홀ic전류, ψ 는 자계 B에 대한 고정변수 홀ic 설치각, t는 고정변수 홀ic 도편두께로 홀전압은 통전전류에 비례함을 알 수 있다.

도 4에서 전류 I가 통전할 경우, 직각 거리 h인 홀ic "가"에서 유출되는 주 홀전압은, 수학식 4와 수학식 6에 의거하여 다음 수학식 7

[수학식 7]

(V는 홀전압)

로, Kh , k, h , i, t는 고정변수이므로 통전전류 I에 의거 유출할 수 있다. 또한 도 4에서 전류 I가 통전할 경우, 자기장에 대한 홀ic 설치위치각 θ, 거리 r인 홀ic "나"에 간접유기되어 발생하는 간접홀전압은, 수학식 5와 수학식 6에 의거하여 다음 수학식 8

[수학식 8]

(v는 간접홀전압)

로, 설치위치각 θ, 거리 r, 설치각 ψ의 관계로 간접홀전압 v는 주 홀전압 V값보다 상대적으로 상당히 작아 간접 유도기전력의 영향은 미약함을 알 수 있다. 따라서 V값의 허용오차 내에서 v값이 산출되므로 간접 유도기전력의 영향은 무시해도 된다.

상기 수학식들의 원리를 토대로 도 3에서 삼상 전류 I1, I2, I3가 120°의 위상각을 유지하면서 동시 통전할 경우, 자계에 직각 설치위치각(θ), 자계에 직각설치각(ψ)으로 설치한 전류측정장치(304)(305)(306)에 유도되는 유도기전력은 I1에 홀ic로 구성된 전류측정장치(304), I2에 홀ic로 구성된 전류측정장치(305) 및, I3에 홀ic로 구성된 전류측정장치(306)가 대응하여 형성되며, 전류측정장치(304)의 값을 증폭기(317)로 증폭하고, 그 값을 연산기(318)로 전류로 환산하여 I1의 전류를 측정할 수 있으며, 이와 동일한 방법으로 각 상의 전류를 측정할 수 있다.

통전봉(301)(302)(303)의 고압 전압으로 인한 전기장을 PCB 패턴 접지로 차단한 전기장차폐장치(307)를 구성하고, 간접 유도기전력의 감소와 주변 변압기 등의 자기장을 외부자기장 차폐장치(310)(311)로 차폐하여 정밀도를 높여 정밀한 전류를 측정할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.

이때 상기 전류측정장치(304)(305)(306)와 전기장차폐장치(307) 및, 자기장차폐장치(310)(311)는 일체형으로 제조될 수 있으며, 설치 방법에 따라 홀ic만으로 전류측정장치를 제조할 수 있다.

또한 단일 통전선의 통전상태 혹은 통전전류를 측정하고자 할 경우, 절연봉 상부에 상기 기술로 에폭시 함침된 홀ic 전류측정장치를 설치하여 유선 혹은 무선방식으로 통전전류를 검측할 수 있으며, 홀ic에 전기장차폐장치 및 자기장차폐장치를 조합 혹은 단독으로 2b에 도시한 바와 같이 기중에 설치하거나, 홀ic를 에폭시에 전기장차폐장치, 자기장차폐장치를 조합 혹은 단독 함침하여 제조할 수 있다.

도 2c에 있어서 미설명부호 전기장차폐장치(307)는 PCB 패턴을 실드선(접지선)(316)으로 처리하여 고압으로부터 유기되는 전계를 소멸하는 것을 도시하고 있으며, 홀(112)은 홀ic(308)를 PCB(113)에 장착한 후 절연지지애자(111)에 고정시키는데 사용되는 절연지지볼트(114)가 삽입되는 삽입홀을 도시하고 있고, 홀ic 전류 i를 생성하기 위하여 도선(113)(114)에 일정 전압을 인가하여 도선(115)에서 상기한 바에 의거하여 통전전류에 비례한 홀전압을 유출하는 것을 도시하고 있다

본 발명은 상세한 설명에서 홀ic로 구성된 전류측정장치를 사용하는 기술을 특정 실시예로 설명하였으나 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서는 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다. 또한 고압기기뿐 만아니라 저압기기에도 본 발명의 기술이 적용될 수 있다.

100 : 프레임 111 : 절연지지애자
301, 302, 303 : 통전중앙점 304, 305, 306 : 전류측정장치
307 : 고압 전계차폐장치 313, 314 : 홀ic전류 공급선
315 : 홀전압 검출선 316 : 접지선
θ : 설치위치각 ψ : 설치각

Claims

프레임(100) 상부에 설치되어 절연된 독립공간을 형성하는 절연지지애자(111);
상기 절연지지애자(111) 상부에 설치된 직선형상의 통전봉(부스바)(301);
상기 통전봉(301)에 구성되어 전류를 측정하는 홀ic(308); 상기 홀ic(308)는 단수로 구성되고, 절연지지애자(111) 상단에 에폭시 절연으로 설치되어 단일 통전선의 통전상태 또는 통전전류를 유선 또는 무선으로 측정하고;
상기 통전봉(301)의 고압 전압으로 인한 전기장을 PCB 패턴 실드선(316)으로 로 접지 처리하는 전기장차폐장치(307); 및
측상 간 간접 유도기전력의 억제와 주변 변압기의 자기장을 차폐하는 외부자기장 차폐장치(310)(311)로 구성된 것을 특징으로 하는 전자기유도현상과 홀효과를 응용한 고압기기 전류측정장치.
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