KR101665145B1 - 복합 전자 측정 장치 - Google Patents

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피트르 제이. 칼
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에이비비 슈바이쯔 아게
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Abstract

전기 전도체의 전류 및/또는 전압을 측정하기 위한 복합 측정 장치에 있어서, 상기 장치는 지지 몸체, 지지 몸체 내에 수용된 전류 센서, 그리고 지지 몸체 내에 일부 또는 전부가 위치한 전압 센서를 포함한다. 차폐물이 전류 센서 둘레에 배치된다. 전류 센서 및 전압 센서는 상호 간에, 외부 전기장 방해 요소에 대해 전류 센서 및 전압 센서를 차폐시키는 차폐물로 배열된다.

Description

복합 전자 측정 장치{A Combined Electrical Measurement Device}
본 발명은 전기 전도체의 전류 및/또는 전압을 측정하기 위한 복합 측정 장치에 관한 것이다.
전자 애플리케이션 분야에서는, 전기 전도체의 전류 및/또는 전압을 측정하는 측정 장치의 사용이 잘 알려져 있다. 이러한 장치의 전형적인 예는 예를 들면, 전류 또는 전압 변압기(tranformer)와 같은 소위 계기용 변압기(instrument transformer)에 의해 대표된다.
여러 기술적 분야의 많은 애플리케이션에 대한 통례에 의하면, 이러한 측정 장치는 매우 효율적이고 기능적인 방식으로 그리고 가능한 경제적으로 경쟁력 있고, 신뢰성이 있으며, 간단한 구조적 솔루션에 따라, 이들의 기본 작업을 수행할 것이 요구된다. 이러한 장치에 의해 실질적인 애플리케이션에 적용될 일부 중요한 필요조건은 예를 들면, 양호한 전기장 분포, 적합한 안정성, 적절한 정확도 레벨을 가지는 출력 신호(특히, 측정 장치로부터의 출력 신호가 저전력 레벨을 가지는 경우에 그리고 이에 따라 임의 유형의 방해 요소에 민감한 경우)의 존재이다.
이를 위하여, 현재 서로 다른 특성 및 구조를 가지는 측정 장치를 제공하는 많은 솔루션(해결책)이 시장에서 사용될 수 있다. 전압 측정 장치의 예는 용량성 또는 저항성 분압기이다. 전류 측정 장치의 예는, 소위 로고스키(Rogowski) 코일이며, 이는 여러 다른 레이아웃에 따라 제조될 수 있다. 하나의 통상적으로 사용되는 유형의 로고스키 코일은 비-자성 물질로 제조된 강성 토로이달 코어(rigid toroidal core) 주위에 감긴 단일 막으로 구성된 와이어를 가지는 것이다. 로고스키 코일에 대한 다른 솔루션에서는, 예를 들면 권선(winding)과 같은 유연한(연성) 코어가 사용되며, 권선은 동축 케이블에 감긴다. 또 다른 솔루션으로는, 폐쇄형 또는 개방형 원을 형성하는 선형 코일로 구성된 체인을 사용하는 것을 예상할 수 있다. 이 경우에, 고체 물질로 제조된 지지 구조(support structure)를 가질 필요가 있으며, 이는 코일을 지지하고 이들을 정확한 위치에 고정한다.
또한 현재, 전압 측정을 위해 한 종류의 로고스키 코일 또는 저항형이나 용량형 분압기를 가지는 복합 전자 계기용 변압기가 제안되었다.
종래의 솔루션이 비교적 만족스런 결과를 제공하더라도, 여전히 추가적인 개선이 필요하고 추가 개선에 대한 여지가 남아있다.
따라서, 본 발명의 목적은 측정 장치를 제공하는 것이며, 구체적으로, 종래 기술에 따른 장치를 개선하는, 전기 전도체의 전류 및/또는 전압을 측정하는 복합 측정 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 다음과 같은 구성을 포함하는 전기 전도체의 전류 및/또는 전압을 측정하기 위한 복합 측정 장치에 의해 달성될 수 있다.
- 지지 몸체;
- 상기 지지 몸체 내에 수용된 전류 센서;
- 상기 지지 몸체 내에 일부 또는 전부가 배치된 전압 센서;
- 상기 전류 센서 주의에 배치된 차폐물(shielding).
여기서 상기 전류 센서 및 전압 센서는 상호 간에 상기 전류 센서 또는 상기 전압 센서의 적어도 일부를 외부 전기 장애 요소에 대해 차폐시키는(shield) 차폐물로서 배치된다.
이러한 목적은 또한, 첨부된 청구항에 정의된 것과 같은 복합 측정 장치를 포함하는 전기 스위치기어 및 전기 회로에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 추가 특성 및 효과는,첨부된 도면의 비-제한적인 예로 도시된, 본 발명에 따른 복합 측정 장치의 바람직한(그러나 한정적인 것은 아님) 실시예에 대한 설명으로부터 분명히 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 측정 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 로고스키 코일의 가능한 구성 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 장치에 사용된 용량성 분압기와 결합된 차폐형 로고스키 코일의 가능한 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 전개도이다.
도 5는 본 발명에 따른 측정장치에 사용된 차폐형 로고스키 코일을 개략적으로 나타내는 부분 단면도이다.
도 6은 도 3의 용량성 분압기와 결합된 차폐형 로고스키 코일을 개략적으로나타내는 부분 단면도이다.
도 7은 추가적인 자기 차폐가 제공된 도 5의 차폐형 로고스크 코일을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 전압 측정 장치에서 사용가능한 임피던스 분압기의 구조를 나타내는 기본 회로를 포괄적으로 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 복합 측정 장치의 택일적 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 11은 다른 측면으로부터 바라본 도 1의 복합 측정 장치를 나타내는 사시도이다.
도 1은 참조 번호(100)에 의해 광범위하게 지시된, 본 발명에 따른 복합 측정 장치의 가능한 실시에를 나타낸다. 도시된 실시예에서, 장치(100)는 전류 및 전압이 측정되어야 하는 전도체(도시되지 않음)를 통과하도록 하는 관통 개구부(102)를 가지는 지지 몸체(101)를 포함한다. 예를 들어, 지지 몸체(101)는 하나의 단일 절연 물질로 완전히 제조될 수 있으며, 또는 서로 다른 절연 물질로 채워진 하우징을 포함하는 일부 절연 물질로 제조된 하우징 또는 셀(shell)을 가질 수 있다. 예를 들어, 통상적으로 이용가능한 열경화성 또는 열가소성 물질이 이용될 수 있다.
측정 장치(100)는 추가로, 지지 몸체(101) 내에 수용된 전류 센서(5), 지지 몸체(101) 자체에 일부 또는 전부가 배치된 전압 센서 및 전류 센서(5) 둘레에 위치하며 접지 전위에 연결된 차폐물(11)을 포함한다.
효과적으로, 전류 센서(5) 및 전압 센서는, 전류 센서(5) 및 전압 센서의 일부 이상의 부분을 외부 전기장 장애 요소에 대해 실딩(차폐)한다.
바람직하게, 차폐물(11)은 전도체 또는 반도체 테이프(예, NT117, 04ESR22AA, 또는 SEM131800)로 구성된 하나 이상의 막을 포함하며, 이는 전류 센서(5) 둘레에 감긴다.
효과적으로, 본 발명에 따른 측정 장치에서, 전압 센서는 전류 센서(5) 내에 일부 이상의 부분이 위치할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 장치(100)에 사용된 전류 센서(5)는 로고스키 코일 주위에 감긴 반도체 테이프(11)로 이루어진 하나 이상의 막을 포함하는 로고스키 코일(5)을 포함한다.
택일적으로, 전류 센서(5)는 저전압 전류 변압기 또는 전도성 전류 변압기를 포함할 수 있으며, 전압 센서가 저항성 분압기 또는 저항성 및 용량성 분압기의 조합을 이용하여 구현될 수 있다.
전형적인 가용 로고스키 코일 구성요소가 도 1 및 도 5에 도시되며, 여기서 권선(10)이 리턴 와이어(2)(코일의 평균 반지름의 위치에 배치됨)에 연결된다.
또한, 전류 센서(5)로 이루어진 추가 권선 막(layer)을 이용하는 것도 가능하다. 홀수의 권선 막을 사용하는 경우에, 리턴 와이어(2)로의 연결이 필요하다. 작수의 권선 막을 사용하는 경우에(반대 방향으로 감긴 제 1 레이어 마다), 리턴 와이어(2)를 사용할 필요가 없다.
권선(10)이 이러한 권선(10)에 대한 지지대를 구성하는 비-자성 물질로 제조된 강성 코어(3)에 감긴다. 명료하게, 로고스키 코일(5)의 다른 택일적 실시예가 마찬가지로 적용될 수 있다. 예를 들면, 일렬로 연결된 수 개의 선형 코일로 구성된 피스-와이즈(piece-wise) 선형 구조물, 연성 코어, 에어-코어 등을 이용하는 것 가능하다.
권선(10)의 상부에, 차폐물(11)로부터 권선(10)을 분리하는 절연막이 존재할 수 있으나, 절연 와이어를 사용하거나 일면(one-side) 절연형 차폐 막을 사용할 수도 있다.
용량성 분압기는 여러 서로 다른 방식으로, 구현될 수 있다. 도 8은 일차 일피던스(Z1), 이차 임피던스(Z2), 커패시턴스(Cc)로 표현된 이차 커패시터 및/또는 케이블을 포함하는 이러한 분압기에 대한 회로를 개략적으로 나타낸다.
저항성 분압기가 전압 센서로 사용되는 경우에, 일차(R1) 및 이차(R2) 저항부의 임피던스가 중요한 역할을 한다. 그러나, 이러한 디바이더의 성능에 영향을 미치는 일부 스트레이 커패시턴스(C1, C2)(이는 이러한 분압기의 성능에 영향을 미침)가 존재할 수 있다. 저항성 및 용량성 분압기 모두의 가능한 조합은 더 나은 성능을 나타내기 위해, 이 둘의 장점을 이용하는 분압기를 생성한다. 이러한 경우에, 일차 임피던스가 커패시턴스(C1)로 구성되고, 이차 임피던스는 저항기(R2)로 구성될 수 있다.
도 3 및 4는 본 발명에 따라, 장치(100)에 사용된 용량성 분압기에 대한 가용한 바람직한 구조를 나타낸다. 도시된 실시예에서, 용량성 분압기는 전기 전도성 링(이는 로고스키 코일(5), 즉 코어(3) 내에 위치함)으로 형성된 일차 전극(6)과, 용량성 전극(7)(이는 예를 들면, 로고스키 코일(5)의 코어(3) 내 및 일차 전극(6) 주위에 위치한 전기 전도성 링에 의해 구성됨)을 포함한다.
효과적으로, 용량성 전극(7)은, 차폐형 로고스키 코일의 폭(X)(즉, 로고스키 코일 둘레에 배치된 차폐물(11)의 폭(X))보다 작은 폭(Y)를 가진다. 도 4 및 도 6에 도시된 것과 같이, 이러한 폭(X 및 Y)은, 각각 차폐형 전류 센서의 전면/후면에 실질적으로 수직인 기준 축(20)을 따라 측정된, 그 둘레에 위치한 어셈블리 로고스키 코일-차폐물(11)의 그리고 용량성 전극(7)의 측면 확장부이다.
이러한 방식으로, 차폐물(11)은 전기장 방해 요소로부터 매우 효과적이고 유용한 방식으로, 전류 센서뿐 아니라 전압 센서, 특히 하나 이상의 용량성 전극(7)을 차폐시킨다.
일차 전극(6)은 전기적으로 직간접적으로, 적합한 수단을 통해, 전류 및 전압이 측정되어야 하는 전도체에 연결되는데 특정된다. 설명된 실시예에서, 연결 수단은 스크류(9)를 이용하여, 일차 전극(6) 상에 고정된 접촉 스프링(8)으로 표현된다. 이러한 방식으로, 일차 전극(6)이 스레드 인서트를 통해 연결된다. 스레드 인서트에는 콘택트 스프링(8)이 일차 전도체로부터 일차 전극(6)으로 전압 신호를 안전히 전달하도록 연결된다.
선택적으로, 애플리케이션에 따라, 연결 수단이 다르게 구현될 수 있다. 예를 들어, 일차 전극(6)이 측정될 전도체에 직접 연결되는 경우에, 간단한 전기 와이어가 사용될 수 있다.
바람직하게, 일차 전극(6)은 보통, 몸체(101) 내부 또는 외부의 전기장의 적절한 분포를 생성하기 위해, 측면(도 6 참조)에 라운딩(rounding)으로 구성된다. 구체적으로, 일차 전극(6)은 전기장 세기를 줄이기 위해 1mm보다 큰 반지름 R을 가지도록 둥글게 형성된 측면(side)을 가진다.
따라서, 용량성 분압기의 일차 커패시턴스(C1)가 일차 전극(6)과 용량성 전극(7) 사이에 형성된다. 이차 커패시턴스(C2)는 용량성 전극(7)과 접지 평면에 위치한 전류 센서(5)의 차폐물(11) 사이에 형성된다.
바람직한 커패시턴스(C2)의 값이 바람직한 비율의 분압기를 형성하는데 충분하지 않은 경우에, 하나 이상의 고정형 커패시터(Cc)가 이차 커패시턴스(C2)에 병렬로 부가될 수 있다. 추가 고정형 커패시터가, 주조된(casting) 후에 몸체(101) 내의 공극(103, 도 11 참조)으로 배치될 수 있다. 또는 이들은 몸체(101) 자체에 직접 주조될 수 있다. 택일적으로, 이들은 몸체(101) 외부에 위치할 수 있다.
추가적인 커패시턴스(Cc)가 마찬가지로 다른 수단에 의해 형성될 수 있다.
용량형 분압기의 적절한 동작을 위해, 용량형 전극(7)이 커패시턴스(C2)를 생성하기 위해 차폐물(11)로부터 분리 또는 절연되어야 한다.
위에 설명한 것과 같이, 택일적 실시예에서, 전압 센서는 저항형 분압기를 포함할 수 있다. 이 경우에, 저항형 분압기는 로고스키 코일(5) 내에 적어도 일부가 배치된 복수의 저항기(13)를 포함한다. 구체적으로, 저항기(13)는 차폐물(11) 자체 하부에 가능한 많이 감춰지게 차폐물(11) 하부에 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 이들의 측면 확장은 차폐형 로고스키 코일(5)의 측면 확장부(폭 X) 내에 포함된다.
마지막으로, 필요한 경우에, 측정 장치(100)는 자기 방해 요소를 차폐시키기 위한 자성 물질로 제조된 추가 차폐물(12)을 포함한다. 도 7에 도시된 것과 같이, 추가 차폐물(12)은 측정될 전류 운반 전도체에 의해 생성된 바람직한 자기장을 유지하기 위해 로고스키 코일(5)의 외부 경계선에만 위치한 차폐물(11) 둘레에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 차폐물(12)은 로고스키 코일의 측면에도 배치될 수 있으나, 코일의 내부 경계선을 방향으로 완전한 것은 아니다.
도 10에 개략적으로 도시된 선택적 실시예에서, 일차 전도체(60)가 직접 주조된다. 즉, 이는 몸체(101)의 일부이며, 개구부(102)가 존재하지 않는다. 이러한 경우에, 일차 전도체(60)는 일차 전극(6)을 기능적으로 대체하고, 장치의 잔여 부분은 이전에 설명된 것과 동일하다. 따라서, 일차 커패시턴스(C1)가 일차 전도체(60)와 용량성 전극(7) 사이에 형성되고, 일차 전도체(60)는 또한 전류 및/또는 전압이 측정되어야 하는 전기 전도체를 형성한다.
구멍(61)이 연결 스프링과 같은 적절한 수단을 통한 외부 전도체로의 전기적 연결을 위해 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 복합 측정 장치(100)는, 중간 전압 스위치보드, 전류 브레이커 등과 같은 스위치기어에 사용되기에 특히 적합하다. 마찬가지로, 전류 및/또는 전압이 측정되어야 할 전도체를 포함하는 전기 회로에 사용되기에 적합하다. 이에 따라가, 본 발명의 추가적인 목적은 이전에 설명한 내용 및 청구항에서와 같이, 전기 스위치기어 및 복합 측정 장치(100)를 포함하는 전기 회로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합 측정 장치(100)에 의해 공지의 솔루션을 개선하고 더 나은 효과를 제공하고자 하는 목표가 달성된다. 실제로, 위에 설명된 것과 같이, 장치(100)는 다양한 구성요소(특히 차폐형 전류 센서 내에 위치한 전압 센서)에 대한 설명된 레이아웃 및 상호 배치에 의한 것이며, 추가적인 차폐물 없이도, 전기장 방해 요소로부터 전압 센서의 적어도 일부 및 전류 센서(5)를 모두 동시에 차폐시키는 고유한 차폐물(11)을 가지도록 한다. 나아가, 장치(100)는 간단한 디자인을 가지며, 저렴하고 쉬운 제조 및 조립을 가능하게 하는 전체 구조를 특징으로 한다.
따라서 전류 측정 장치(100)는 쉽게 변경 및 변형할 수 있으며, 이들 모두는 청구항 및 위에 설명에 정의된 진보성 개념의 범위 내에 존재한다. 예를 들어, 일차 전극(6) 및 용량성 전극(7)은 애플리케이션에 따라 다르게 형성될 수 있다. 모든 세부사항은 추가로, 기술적으로 동등한 구성요소로 대체될 수 있다. 실제로, 사용된 물질은 치수와 마찬가지로, 특정한 용도로 호환되고 의도한 결과를 성취하도록 하는 한 본 발명의 상태 및 필요조건에 따라 임의로 정해질 수 있다.

Claims (15)

  1. 전기 전도체의 전류 및/또는 전압을 측정하기 위한 복합 측정 장치에 있어서, 상기 복합 측정 장치(100)는,
    지지 몸체(101)와,
    상기 지지 몸체(101) 내에 수용된 전류 센서(5)와,
    상기 지지 몸체(101)내에 적어도 부분적으로 위치되는 전압 센서와,
    상기 전류 센서(5)에 배치된 차폐물(shielding, 11) - 상기 차폐물(11)이 상기 전류 센서(5)와 상기 전압 센서의 적어도 일부를 외부 전기 장애 요소에 대해 적어도 부분적으로 차폐하도록, 상기 전류 센서(5)와 상기 전압 센서가 상호 배열됨 - 을 포함하고,
    상기 복합 측정 장치(100)는,
    차폐물(11)의 폭보다 작은 폭을 가진 용량성 전극(7)을 더 포함하되,
    상기 전압 센서는, 상기 용량성 전극(7)과 상기 차폐물(11)을 포함하는 이차 커패시턴스(C2)를 포함하는 용량성 분압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 차폐물(11)은 상기 전류 센서(5)에 감긴 전도체 또는 반도체 테이프로 이루어진 하나 이상의 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전압 센서는 상기 전류 센서(5) 내에 적어도 부분적으로 위치된 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 센서(5)는 둘레에 전도체 또는 반도체 테이프로 이루어진 하나 이상의 막이 감긴 로고스키 코일(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량성 분압기는 로고스키 코일 내에 위치하며 전기 전도체에 전기적으로 연결될 수 있는 일차 전극(6)을 포함하는 일차 커패시턴스(C1)를 가지는 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 일차 커패시턴스(C1)는 상기 일차 전극(6) 둘레의 로고스키 코일 내에 위치하는 용량성 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량성 분압기는, 로고스키 코일 내에 위치되고, 상기 지지 몸체(101)상에 직접 주조되는 일차 전기 전도체에 의해, 그리고 상기 일차 전기 전도체 둘레의 로고스키 코일 내에 위치하는 용량성 전극에 의해 형성되는 일차 커패시턴스(C1)를 가지는 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량성 분압기는 상기 이차 커패시턴스(C2)에 병렬로 연결된 하나 이상의 고정형 커패시터(Cc)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 센서는 복수의 저항기를 포함하는 저항성 분압기를 포함하고, 상기 복수의 저항기 중 일부가 차폐물(11) 하의 로고스키 코일 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    자기적 장애 요소를 차폐시키는 추가 차폐물(12)을 더 포함하되, 상기 추가 차폐물(12)은 로고스키 코일의 외부 경계선에 있는 차폐물(11)에 위치하는 것을 특징으로 하는 복합 측정 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 복합 측정 장치(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 스위치기어.
  12. 전류 및 전압 중 하나 이상이 측정되어야 할 전도체를 포함하는 전기 회로에 있어서, 상기 전기 회로는,
    제 11 항에 따른 복합 측정 장치(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 회로.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
KR1020107028673A 2008-06-19 2009-06-12 복합 전자 측정 장치 KR101665145B1 (ko)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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