KR102102923B1

KR102102923B1 - 전류 측정 장치, 상기 전류 측정 장치를 이용한 차단기 차단 성능 데이터 산출 방법

Info

Publication number: KR102102923B1
Application number: KR1020180145835A
Authority: KR
Inventors: 이우영; 전장은; 박상훈; 송기동; 오연호; 장현재
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-04-21

Abstract

공심 코어를 형성하는 절연체 구조물, 및 절연체 구조물에 권취되어 형성되는 로고스키 코일을 포함하며, 절연체 구조물은 공심 코어 내측을 관통하는 도체에 대해 대칭 형상을 가지고, 각 턴을 형성하는 로고스키 코일의 미리 설정된 내측 코일 영역과 미리 설정된 외측 코일 영역은 도체로부터 방사 방향으로 동일한 각도상에 위치하고, 외측 코일 영역은 내측 코일 영역에 대응하는 절연체 구조물의 내측 영역과 외측 코일 영역에 대응하는 외측 영역 사이에 위치하는 연결 영역을 가로질러 인접한 턴을 형성하는 로고스키 코일의 내측 코일 영역과 연결되며, 권취 완료된 코일은 연결 영역을 통해 로고스키 코일의 권취 방향을 거슬러 이동되어 로고스키 코일의 시작 단부와 끝단부가 인접하도록 위치된다.

Description

전류 측정 장치, 상기 전류 측정 장치를 이용한 차단기 차단 성능 데이터 산출 방법 {CURRENT MEASURING APPARATUS, METHOD FOR PRODUCING INTERRUPTING PERFORMANCE DATA OF A CIRCUIT BREAKER USING THE CURRENT MEASURING APPARATUS}

본 발명은 전류 차단기 시험 장비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 차단기의 차단 성능 분석을 위해 차단 시점의 전류 영점에서 전류 신호를 측정하는 전류 측정 장치와 이로부터 차단 성능과 관계되는 주요 인자들을 산출하기 위한 데이터 처리 방법에 관한 것이다.

최근 초고압 차단기의 개발이 활발하게 시도되고 있다. 하지만, 개발된 차단기의 차단 성능 분석에는 많은 어려움이 있다. 일반적으로 대전력 시험을 통해 성능 확인을 실시하고 있으나, 이를 통해서도 설계의 여유 정도를 파악하기가 용이하지는 않다.

이러한 이유로 세계적으로 차단기의 차단 성능을 정확하게 분석하기 노력이 계속적으로 진행되고 있다. 차단 현상의 전산 해석과 함께 차단 시점에서의 전류와 전압 현상을 계측하고 이로부터 차단 성능을 확인하는 방법을 대표적인 예로 들 수 있다.

초고압 차단기와 같이 대전류가 통전되는 환경에서 전류 영점 부근의 소전류를 측정하는 것은 쉽지 않은 일인데, 이를 위해 션트나 로고스키(Rogowski) 코일에 의한 전류검출 방식이 많이 사용되고 있다.

최근에는 로고스키(Rogowski) 코일 방식이 보다 많이 사용되고 있는 추세이나, 로고스키(Rogowski) 코일 방식을 사용하는 경우에도 다양한 주변 영향과 잡음 발생 등으로 인해 정확한 전류 측정을 위한 센서의 구현이 어려운 실정이다.

KR

1020160003254

A

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 차단기 전류 차단 시점의 미소 전류를 보다 정확히 측정할 수 있는 전류 측정 장치의 제공을 목적으로 한다.

또한, 제안된 전류 측정 장치에서 측정된 전류 신호로부터 차단기의 차단 성능 분석에 필요한 주요 인자들을 산출하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전류 측정 장치는, 공심 코어를 형성하는 절연체 구조물, 및 절연체 구조물에 권취되어 형성되는 로고스키 코일을 포함한다.

절연체 구조물은 공심 코어 내측을 관통하는 도체에 대해 대칭 형상을 가지고, 각 턴을 형성하는 로고스키 코일의 미리 설정된 내측 코일 영역과 미리 설정된 외측 코일 영역은 도체로부터 방사 방향으로 동일한 각도상에 위치하고, 외측 코일 영역은 내측 코일 영역에 대응하는 절연체 구조물의 내측 영역과 외측 코일 영역에 대응하는 외측 영역 사이에 위치하는 연결 영역을 가로질러 인접한 턴을 형성하는 로고스키 코일의 내측 코일 영역과 연결되며, 권취 완료된 코일은 연결 영역을 통해 로고스키 코일의 권취 방향을 거슬러 이동되어 로고스키 코일의 시작 단부와 끝단부가 인접하도록 위치된다.

이와 같은 구성에 의하면, 측정 대상 전류가 발생시키는 자속과 절연체 구조물의 슬롯에 따라 감겨진 턴(turn)면이 직교하기 때문에, 전류 차단 시점의 미소 전류를 보다 정확히 측정할 수 있게 된다.

이때, 연결 영역상에서 서로 인접한 로고스키 코일을 연결하는 댐핑 저항을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차단기에서 발생하는 전류신호로부터 의도하지 않은 코일의 부유 커패시턴스 영향을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 연결 영역은 내측 영역 전체와 외측 영역 사이에 형성된 홈을 포함할 수 있으며, 권취 완료된 코일은 홈을 통해 끝단부까지 연장되며, 연결 영역을 가로지르는 연결 코일 영역의 중간 부분 아래에 위치할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 측정대상 전류신호와 관계없는 자속의 영향을 더욱 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 시작 단부와 끝단부 사이에는 로고스키 코일과 연결되는 신호 전송선의 특성 임피던스와 동일한 임피던스가 연결될 수 있다.

또한, 외부로부터의 전자기파를 차단하기 위해 로고스키 코일이 수납되는 외함을 더 포함하며, 외함은 로고스키 코일에 의해 발생하는 와류를 차단하는 방향으로 슬롯이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전류 측정 장치를 이용하여 차단기의 차단 성능을 분석하는 방법은, 차단기 양단의 전압을 측정하는 단계, 전류 측정 장치를 이용하여 획득한 전류 기울기값으로부터 차단기에서의 아크 전류의 크기를 산출하는 단계, 및 전압과 아크 전류의 영점이 일치하는 경우 아크 전류를 전압으로 나눈 아크 컨덕턴스를 산출하는 단계를 포함한다. 이와 같은 구성에 의하면, 차단기 차단 시점의 전압 신호와 함께 차단시점 직전의 아크 컨덕턴스와 차단시점 직후의 post arc 전류를 연산하여 차단기의 차단 성능을 효과적으로 분석할 수 있게 된다.

이때, 차단기에 대응하는 부유 커패시턴스값을 입력받는 단계, 및 전압과 아크 전류의 영점이 일치하지 않는 경우 부유 커패시턴스값을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차단기 구조 및 결선 상태에 따라 주어지는 부유 커패시턴스에 의한 차단기 극간 아크 전류의 영향을 고려하여 차단기의 차단 성능을 분석할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 측정 대상 전류가 발생시키는 자속과 절연체 구조물의 슬롯에 따라 감겨진 턴(turn)면이 직교하기 때문에, 전류 차단 시점의 미소 전류를 보다 정확히 측정할 수 있게 된다.

또한, 전류센서 코일에서 발생하는 의도하지 않은 부유 커패시턴스 영향을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 차단기의 극간에 나타나는 부유 커패시턴스 영향을 감소시킴으로써 전류영점 부근에서의 측정 정확성을 높일 수 있게 된다.

또한, 차단기 차단 시점의 전압 신호와 함께 차단시점 직전의 아크 컨덕턴스와 차단시점 직후의 post arc 전류를 연산하여 차단기의 차단 성능을 효과적으로 분석할 수 있게 된다.

또한, 차단기 구조 및 결선 상태에 따라 주어지는 부유 커패시턴스에 의한 차단기 극간 아크 전류의 영향을 고려하여 차단기의 차단 성능을 분석할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 측정 장치의 단면도.
도 5 및 도 6은 동일한 전류에 대한 전류 측정 장치의 응답 특성을 비교한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 전류 측정 장치의 사용 상태를 개략적으로 도시한 회로도.
도 8은 도 7의 전류 측정 장치를 이용해 차단기의 차단 성능을 분석하기 위한 방법을 개략적으로 도시한 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 측정 장치의 단면도이다. 도 1 및 도 2는 절단면이 코일면과 일치하는 경우(턴(turn 면을 이루는 코일과 역방향 루프(loop)의 단면이 존재하는 경우)의 도면이고, 도 3 및 도 4는 절단면이 코일면과 일치하지 않는 경우(사선부 결선과 역방향 루프의 단면만 존재하는 경우)의 도면이다.

도 1 내지 도 4에서, 전류 측정 장치(100)는 절연체 구조물(110), 로고스키 코일(120), 댐핑 저항(130)을 포함하며, 절연체 구조물(110)은 공심 코어를 형성하고, 공심 코어 내측을 관통하는 도체(미도시)에 대해 대칭 형상을 가진다.

로고스키 코일(120)은 절연체 구조물(110)에 권취되어 형성되며, 각 턴을 형성하는 로고스키 코일(120)의 미리 설정된 내측 코일 영역(122)과 미리 설정된 외측 코일 영역(124)은 도체로부터 방사 방향으로 동일한 각도상에 위치한다.

도 1의 축방향 단면도인 도 2에서, 권치된 로고스키 코일의 내측 코일 영역(122)와 외측 코일 영역(124)가 축 방사 방향으로 동일한 각도상에 위치하는 것을 확인할 수 있다.

외측 코일 영역(124)은 내측 코일 영역(122)에 대응하는 절연체 구조물의 내측 영역(112)과 외측 코일 영역(124)에 대응하는 외측 영역(114) 사이에 위치하는 연결 영역(116)을 가로질러 인접한 턴을 형성하는 로고스키 코일의 내측 코일 영역(112)과 연결된다.

이때, 구조물의 내측 영역(112)와 외측 영역(114)은 도 4에 도시된 바와 같이 로고스키 코일의 내측 코일 영역(122)과 외측 코일 영역(124)가 각각 위치하는 영역이고, 연결 영역(116)은 내측 영역(112)와 외측 영역(114) 사이에 위치하는 영역이다.

권취 완료된 코일은 연결 영역(116)을 통해 로고스키 코일(120)의 권취 방향을 거슬러 이동되어 로고스키 코일의 시작 단부(126)와 끝단부(128)가 인접하도록 위치된다.

도 1 및 도 3에서 코일은 시작 단부(126)로부터 절연체 구조물(110)에 권치되며, 권치 종료 후 끝단부(128)를 연결 영역(116)을 통해 권취 방향을 거슬러 이동시키는 예를 확인할 수 있다.

댐핑 저항(130)은 연결 영역(116)상에서 서로 인접한 로고스키 코일(120)을 연결한다. 이와 같은 구성에 의하면, 코일 구성에서 발생하는 의도하지 않은 부유 커패시턴스 영향을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 연결 영역(116)은 내측 영역(112) 전체와 외측 영역(114) 사이에 형성된 홈을 포함하고, 권취 완료된 코일은 홈을 통해 끝단부(128)까지 연장되며, 연결 영역을 가로지르는 연결 코일 영역의 중간 부분 아래에 위치한다. 이와 같은 구성에 의하면, 측정대상 전류와 관계없는 자속의 영향을 더욱 감소시킬 수 있게 된다.

도 2 및 도 4에서 연결 영역(116)에 형성된 홈에 로고스키 코일(120)이 위치하며, 그 상측에 댐핑 저항(130)이 위치하는 예가 도시되어 있다.

또한, 시작 단부(126)와 끝단부(128) 사이에는 로고스키 코일과 연결되는 신호 전송선의 특성 임피던스와 동일한 임피던스가 연결될 수 있다. 또한, 외부로부터의 전자기파를 차단하기 위해 로고스키 코일이 수납되는 외함(미도시)을 더 포함하며, 외함은 로고스키 코일에 의해 발생하는 와류를 차단하는 방향으로 슬롯이 형성될 수 있다.

도 5 및 도 6은 동일한 전류에 대한 전류 측정 장치의 응답 특성을 비교한 그래프이다. 도 5는 측정 장치 외함에 슬롯이 없는 경우, 도 6은 측정 장치 외함에 슬롯이 있는 경우의 응답 특성이 각각 도시되어 있다.

다시 설명하자면, 본 발명에 따른 전류 측정 장치는 차단성능 분석을 위한 차단전류 영점부 전류측정 장치로서, 측정 대상 전류가 통전되는 도체를 중심축으로 축대칭 구조를 가지면서 자속의 변화를 감지하는 코일을 감기 위한 적합한 형상을 가진 절연체 구조물과 형성되는 턴(turn) 간에 일정하고 균일한 턴(turn) 면의 형상이 용이하게 이루어지도록 할 수 있게 구성된 절연체 구조물 상의 슬롯(slot) 구조와, 측정 대상 전류가 발생시키는 자속과 절연체 구조물의 슬롯에 따라 감겨진 턴(turn) 면이 직교하도록 구성된 턴(turn)과, 전류 측정장치의 턴(turn) 간 연결을 위한 사선 결선부로 생성되는 불가피한 루프(loop)로 인해 측정의 정확성을 저하시킬 수 있는 요소를 보상시키기 위한 역방향 루프(loop)와, 전류 측정 장치의 외부 전자기적 영향에 의한 잡음을 최소화하면서 이로 인해 수반되게 되는 응답특성상의 시정수 성능저하 방지를 위한 다수의 슬롯이 존재하는 외함을 가진다.

이때, 턴(turn) 간의 연결은 절연체 구조물의 일정부분에서 동일한 형태의 사선형으로 연결되게 하고, 이 사선형 권선부의 중앙부에서 턴(turn) 간의 부유 커패시턴스 영향을 최소화하기 위해 댐핑(damping) 저항을 권선 간에 연결하는 구조를 가진다. 또한, 역방향 루프(loop)가 위치되는 절연체의 요철부위 깊이는 가능한 얕게 하여 사선형 권선 부위와 인접하게 하고, 역방향 루프(loop)와 사선형 권선부 교차위치는 턴(turn) 간 연결의 사선형 권선부의 중앙에 있게 하는 구조를 가진다. 또한, 권선의 인출단에는 사용되는 신호전송선의 특성 임피던스와 동일한 저항을 권선 양 단자 간에 연결하는 구조를 가진다.

도 7은 본 발명에 따른 전류 측정 장치의 사용 상태를 개략적으로 도시한 회로도이고, 도 8은 도 7의 전류 측정 장치를 이용해 차단기의 차단 성능을 분석하기 위한 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

도 8에서, 먼저, 분압기(voltage divider)로부터 차단기 차단 시점의 전압 신호(Um)를, 로고스키 코일로부터 전류 기울기(dim/dt)를 입력받고(S110), 분석을 위한 차단기의 조건(L, C)을 입력받는다(S120).

이어서, 전류 기울기값(dim/dt)을 이용하여 차단기측 입력 전류값(im)을 산출하고(S130), 입력된 전압값(Um)과 전류 기울기값(dim/dt)을 이용하여 차단기에만 인가되는 전압값(Ua)을 산출하며(S140), 차단기 인가 전압값(Ua)과 입력된 커패시터값(C)을 이용하여 커패시터로 인가되는 전류값(ic)과 차단기로 인가되는 전류값(ia)을 산출한다(S150, S160).

이어서, 차단기 인가 전압값(Ua)의 영점 근처에 입력 전류값(im)의 영점을 설정하고(S170), 차단기 인가 전압값(Ua)과 입력 전류값(im)의 영점이 일치하는지를 판단하며(S180), 일치하지 않는 경우 차단기로만 인가되는 전류(ia)의 영점을 조정하기 위해 커패시턴스값(C)을 변경하여 다시 입력 전류값(im)을 산출하고(S190), 일치하는 경우에는 차단기에서의 전압값과 전류값을 이용하여 차단기에서의 아크 컨덕턴스(G)를 산출한다(S200).

즉, 차단 시점인 전류 영점 부근에서의 전류 신호를 측정하여, 통상적인 방법에 의해 측정되는 차단 시점의 전압 신호와 함께 차단 시점 직전의 아크 컨덕턴스와 차단시점 직후의 post arc 전류를 연산하는 것이다.

이때, 차단 시점의 전압 신호와 전류 측정 장치로부터 획득한 전류 기울기 신호로 전류의 영점을 연산하고, 이를 기점으로 아크 컨덕턴스와 post arc 전류의 크기를 측정하고, 차단기 구조 및 결선 상태에 따라 주어지는 부유 커패시턴스에 의한 차단기 극간 아크 전류의 영향을 고려한다.

본 발명의 특징을 정리하면 다음과 같다.

- 전류 측정장치 내부의 턴(Turn) 간 연결로 생성되는 의도치 않은 루프(loop)로 측정의 정확성을 저하시킬 수 있는 요소를 보상시키기 위한 역방향 루프(loop)

- 외부의 전자기적 영향에 의한 잡음을 최소화하면서 이로 인해 수반되게 되는 응답특성 상의 시정수 성능저하 방지를 위한 다수의 슬롯을 가지는 외함

- 턴(Turn) 간의 연결은 절연체 구조물의 일정부분에서 동일한 형태의 사선형으로 연결되며, 턴(Turn) 간의 부유 커패시턴스 영향을 최소화하기 위해 사선형 권선부의 중앙부에서 권선 간에 댐핑(damping) 저항을 연결

- 권선의 인출단에는 사용되는 신호전송선의 특성 임피던스와 동일한 저항을 인출 단자간에 연결

- 차단시점인 전류 영점 부근에서 전류신호 측정시, 차단시점 직전의 아크 컨덕턴스와 차단 시점 직후의 전류(PAC: post-arc current)를 연산하여 차단 성능 분석을 할 수 있는 데이터 처리 방법

- 차단시점의 전압 신호 및 전류측정 장치로부터 획득한 전류 기울기 신호를 통한 전류 영점 연산 방법과 이를 기점으로 아크 컨덕턴스와 PAC의 크기를 측정하는 방법

- 차단기 구조 및 결선상태에 따라 주어지는 부유 커패시턴스에 의한 차단기 극간 아크 전류의 영향을 고려하는 전류영점 연산방법

이와 같은 특징들에 의해, 본 발명은 대전류 통전 환경하에서 전류 영점부근에서 소전류의 측정이 가능하고, 측정된 전류 신호로부터 차단기 차단 성능 분석에 필요한 주요 인자들의 연산이 가능하며, 차단 성능 분석에 필요한 주요 인자를 통한 차단기의 차단 성능 예측이 가능하게 된다.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.

100: 전류 측정 장치
110: 절연체 구조물
112: 내측 영역
114: 외측 영역
116: 연결 영역
120: 로고스키 코일
122: 내측 코일 영역
124: 외측 코일 영역
126: 시작 단부
128: 끝단부
130: 댐핑 저항

Claims

공심 코어를 형성하는 절연체 구조물; 및
상기 절연체 구조물에 권취되어 형성되는 로고스키 코일을 포함하는 전류 측정 장치로서,
상기 절연체 구조물은 상기 공심 코어 내측을 관통하는 도체에 대해 대칭 형상을 가지고,
각 턴을 형성하는 로고스키 코일의 미리 설정된 내측 코일 영역과 미리 설정된 외측 코일 영역은 상기 도체로부터 방사 방향으로 동일한 각도상에 위치하고,
상기 외측 코일 영역은 상기 내측 코일 영역에 대응하는 상기 절연체 구조물의 내측 영역과 상기 외측 코일 영역에 대응하는 외측 영역 사이에 위치하는 연결 영역을 가로질러 인접한 턴을 형성하는 상기 로고스키 코일의 내측 코일 영역과 연결되며,
상기 권취 완료된 코일은 상기 연결 영역을 통해 상기 로고스키 코일의 권취 방향을 거슬러 이동되어 상기 로고스키 코일의 시작 단부와 끝단부가 인접하도록 위치된 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 연결 영역상에서 서로 인접한 로고스키 코일을 연결하는 댐핑 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 연결 영역은 상기 내측 영역 전체와 상기 외측 영역 사이에 형성된 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 권취 완료된 코일은 상기 홈을 통해 상기 끝단부까지 연장되며, 상기 연결 영역을 가로지르는 연결 코일 영역의 중간 부분 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 시작 단부와 상기 끝단부 사이에는 상기 로고스키 코일과 연결되는 신호 전송선의 특성 임피던스와 동일한 임피던스가 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
외부로부터의 전자기파를 차단하기 위해 상기 로고스키 코일이 수납되는 외함을 더 포함하며,
상기 외함은 상기 로고스키 코일에 의해 발생하는 와류를 차단하는 방향으로 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
청구항 1의 전류 측정 장치를 이용하여 차단기의 차단 성능을 분석하는 방법으로서,
차단기 양단의 전압을 입력받는 단계;
상기 전류 측정 장치를 이용하여 획득한 전류 기울기값으로부터 상기 차단기에서의 아크 전류의 크기를 산출하는 단계; 및
상기 전압과 상기 아크 전류의 영점이 일치하는 경우 상기 아크 전류를 상기 전압으로 나눈 아크 컨덕턴스를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차단기 차단 성능 분석 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 차단기에 대응하는 부유 커패시턴스값을 입력받는 단계; 및
상기 전압과 상기 아크 전류의 영점이 일치하지 않는 경우 상기 부유 커패시턴스값을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차단기 차단 성능 분석 방법.