KR102295097B1 - 선형성이 개선된 로고스키 코일 및 계기용 변류기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 로고스키 코일은 유연한 재질을 갖는 띠 형태의 지지부재에 길이 방향을 따라 보빈 요소들이 단속적으로 구비되고, 이 보빈 요소들의 외측면을 따라 권선 코일이 감긴다. 특히, 각 보빈 요소에 감기는 권선 코일의 턴 수 비율은 동일하지 않고 서로 다르게 구성된다. 이러한 구조로 인하여, 넓은 전류 측정 범위에서 전류 측정 선형성을 향상시킬 수 있으며, 권선 작업 공정의 단순화 및 원가 절감을 도모할 수 있다.

Description

선형성이 개선된 로고스키 코일 및 계기용 변류기{ Rogowski Coil and Power Current Transformer with Improved Linearity }

본 발명은 로고스키 코일에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코어로 인해 나타나는 비선형적 성질을 억제하고 선형성을 개선할 수 있는 로고스키 코일과, 이를 이용하여 선형성을 개선할 수 있는 계기용 변류기(Power Current Transformer)에 관한 것이다.

로고스키 코일은 대전류 측정을 위하여 폭넓게 적용되고 있다.

도 1을 참조하자면, 로고스키 코일(20)은 공심 부재(21)에 코일(22)을 권선하여 구성되며, 권선된 코일(22)은 공심 부재(21)의 내부를 통해 돌아와 한 쌍의 단자(23-1, 23-2)를 이룬다.

전류 측정 대상 도선(11)에 전류가 흐르면, 상호 인덕턴스에 의해 유도된 전압이 출력되는데, 이 전압을 증폭기와 적분기를 통해 처리하여 전류를 측정할 수 있다. 따라서 로고스키 코일은 소형화와 경량화가 가능하고 포화 현상이 없으므로 전류 측정 범위가 상당히 넓다.

로고스키 코일의 전류측정 원리를 살펴보자면, 어떤 폐회로 내에 전류가 흐르는 도체가 위치해 있을 때, 암페어의 주회 법칙을 이용하여 폐루프를 따라 자기장을 선적분하면 도체에 흐르는 전류와 같다.

이때 암페어의 법칙에 따라, 선적분 경로가 체적을 갖지 않아야 출력 전압이 일정하지만, 실제 로고스키 코일은 체적을 갖고 있으며, 로고스키 코일의 형상 및 위치에 따라 오차가 발생한다.

로고스키 코일의 전류 측정 오차를 최소화하기 위한 방법으로는, 코일의 전체 단면적을 일정하게 유지하는 것, 단위 길이당 코일을 일정하게 권선하는 것, 코일의 형상을 원형이 되도록 하는 것 등을 고려할 수 있다.

그러나, 단위 길이당 일정하게 권선하는 것이 어렵고, 코일의 형상을 닫힌 원형으로 권선 하기도 쉽지 않으며, 로고스키 코일이 작을 때는 더욱 힘들다. 또한 제품화를 위하여 닫힌 원형 코일을 적용하기 어려운 구조도 있다.

도 2는 로고스키 코일을 이용한 계기용 변류기(32)의 예로서, 전류 측정 대상 도선(11)이 지나갈 수 있도록 홀이 형성된 코어(31)가 구비되며, 로고스키 코일(20)은 홀의 주위에 배치된다.

이와 같이 계기용 변류기(Power CT, 32)와 일체형으로 로고스키 코일(20)이 적용되는 경우에는 자성체인 코어(31)의 비선형성으로 인하여 전류 측정에 오차를 수반하게 되는 문제가 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 단속적으로 형성되는 보빈 요소와 차별화된 권선 비율을 이용하여 선형성을 개선할 수 있는 로고스키 코일을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 로고스키 코일을 이용하여 선형성을 개선할 수 있는 계기용 변류기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 선형성이 개선된 로고스키 코일은, 유연한 재질을 갖는 띠 형태의 지지부재; 및 상기 지지부재의 길이 방향을 따라 단속적으로 복수 개가 구비되는 보빈 요소를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 각 보빈 요소는 내부가 비어있고, 외측면을 따라 권선 코일이 감기는 통 형상으로 구성될 수 있다.

상기 각 보빈 요소에 감기는 권선 코일의 턴 수는 모두 동일한 것이 아니라 서로 다르도록 구성될 수 있다.

구체적인 실시예로서, 상기 보빈 요소의 개수는 6개로 구성될 수 있다.

이때 상기 지지부재의 가운데에 배치된 2개의 보빈 요소(제1 보빈요소 쌍), 상기 제1 보빈요소 쌍을 이루는 각 보빈 요소와 인접한 2개의 보빈 요소(제2 보빈요소 쌍), 및 상기 지지부재의 양측 말단에 배치된 2개의 보빈 요소(제3 보빈요소 쌍)는 각각 서로 다른 권선 코일의 턴 수를 갖도록 구성될 수 있다.

상기 제1 보빈요소 쌍, 상기 제2 보빈요소 쌍, 상기 제3 보빈요소 쌍에 감긴 권선 코일의 턴 수 비율은 1.0 : 2.3 : 0.8로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 선형성이 개선된 계기용 변류기는, 상기 선형성이 개선된 로고스키 코일, 및 전류 측정 대상 도선이 지나갈 수 있도록 홀이 형성된 코어가 구비된 계기용 변류기를 포함하여 구성되며, 상기 로고스키 코일은 상기 코어의 홀 주위에 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 로고스키 코일은 넓은 전류 측정 범위에서 전류 측정 선형성을 향상시킬 수 있다.

또한, 유연한 재질의 지지부재를 통해 원하는 모양으로 설치가 가능하다.

이에 따라, 종래의 닫힌 모양의 원형 로고스키 코일과 비교하여 권선 작업 공정의 단순화 및 원가 절감을 도모할 수 있으며, 다양한 형상의 로고스키 코일에 적용하여 제품화가 가능해진다.

도 1은 로고스키 코일을 설명하기 위한 예,
도 2는 로고스키 코일을 이용하는 계기용 변류기의 예,
도 3과 도 4는 은 본 발명에 따른 선형성이 개선된 로고스키 코일의 실시예,
도 5는 본 발명에 따른 선형성이 개선된 계기용 변류기의 일 실시예,
도 6은 계기용 변류기의 선형성에 대한 실험 결과의 예이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나. 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3을 참조하자면, 본 발명에 따른 로고스키 코일(50)은 일정 길이를 갖는 띠의 형태로 이루어진 지지부재(51)와, 지지부재(51)의 길이 방향을 따라 단속적으로 복수 개가 구비되는 보빈 요소(52-1~52-6)를 포함하여 이루어진다.

지지부재(51)는 로고스키 코일(50)이 여러 모양을 형성하여 적용될 수 있도록 유연한 특성을 갖는 재질의 소재로 구성된다. 이에 따라, 도 3b에 도시된 예와 같이 전류가 흐르는 측정 대상 도선의 주위를 원형으로 감싸는 등 다양한 상황에 적응적으로 사용할 수 있다.

각 보빈 요소(52-1~52-6)는 내부가 비어있고, 외측면을 따라 권선 코일이 감기는 통 형상으로 구성된다. 보빈 요소의 개수, 크기, 길이, 형상 등은 다양하게 구성될 수 있다. 도 3에는 사각통의 형상으로 이루어진 6개의 보빈 요소(52-1~52-6)가 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4에 도시된 예와 같이, 권선 코일(57)은 각 보빈 요소(52-1~52-6)의 외측면을 따라 일정 턴(Turn) 수만큼 감기며, 가장 끝의 보빈 요소까지 감긴 권선 코일은 각 보빈 요소(52-1~52-6)의 내부 공간을 통해 돌아온다.

즉, 도 1에 도시된 종래의 일반적인 로고스키 코일과 같이 전체적으로 균일하게 권선 코일이 감기는 것이 아니라 보빈 요소가 있는 곳에서만 권선 코일이 감긴 뭉치가 존재하게 된다.

각 보빈 요소(52-1~52-6)에 감기는 권선 코일의 턴(Turn) 수는 차별화될 수 있다. 즉, 모든 보빈 요소(52-1~52-6)에 감긴 권선 코일의 턴 수를 동일하게 하지 않고, 서로 다르게 구성할 수 있다.

도 3과 도 4에 도시된 예를 참조하여 이와 관련된 구체적인 예를 설명하자면, 보빈 요소(52-1~52-6)의 개수가 6개일 때, 지지부재(51)의 가운데에 배치된 2개의 보빈 요소(52-3, 52-4, 제1 보빈요소 쌍), 제1 보빈요소 쌍을 이루는 각 보빈 요소와 인접한 2개의 보빈 요소(52-2, 52-5, 제2 보빈요소 쌍), 및 지지부재(51)의 양측 말단에 배치된 2개의 보빈 요소(52-1, 52-6, 제3 보빈요소 쌍)에 감기는 권선 코일의 턴 수는 각각 서로 다르게 구성될 수 있다.

이때 제1 보빈요소 쌍에 속하는 두 보빈 요소(52-3, 52-4), 제2 보빈요소 쌍에 속하는 두 보빈 요소(52-2, 52-5), 제3 보빈요소 쌍에 속하는 두 보빈 요소(52-1, 52-6)에 감기는 턴 수 비율은 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

예를 들어, 제1 보빈요소 쌍, 제2 보빈요소 쌍, 제3 보빈요소 쌍에 감긴 권선 코일의 턴 수 비율은 1.0 : 2.3 : 0.8이 되도록 구성될 수 있다. 그러나, 서로 다른 턴 수를 갖도록 할 보빈 요소들의 묶음, 각 보빈 요소 묶음 사이의 턴 수 비율 등은 다양하게 구성될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.

도 5는 본 발명에 따른 계기용 변류기(100)의 일 실시예를 보인 것으로서, 계기용 변류기(Power CT, 32)는 전류 측정 대상인 도선(11)이 지나갈 수 있도록 홀이 형성된 코어(31)를 구비하고 있으며, 코어(31)에 형성된 홀의 주위에 본 발명에 따른 로고스키 코일(50)이 구비된다.

도 5에는 6개의 보빈 요소가 구비된 로고스키 코일이 구비된 예가 도시되어 있는데, 이와 같이 계기용 변류기(32)와 일체형으로 로고스키 코일이 적용되는 경우에는 자성체인 코어(31)의 비선형적 특성에 의하여 전류 측정에 오차가 나타날 수 있다. 그러나, 각 로고스키 코일의 각 보빈 요소에 감기는 권선 코일의 턴 수 비율을 다르게 하면 이러한 비선형성을 억제하여 선형성을 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 로고스키 코일에 구비되는 제1 보빈요소 쌍(61), 제2 보빈요소 쌍(62), 제3 보빈요소 쌍(63)에 감긴 권선 코일의 턴 수 비율이 1.0 : 2.3 : 0.8이 되도록 차별화하여 구성될 수 있다.

도 6은 제1 보빈요소 쌍(61), 제2 보빈요소 쌍(62), 제3 보빈요소 쌍(63)에 감긴 권선 코일의 턴 수 비율을 1.0 : 2.3 : 0.8이 되도록 구성하여 선형성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.

측정 대상 도선에 흐르는 전류가 0~10,000[Arms]의 크기로 변화될 때, 본 발명에 따른 로고스키 코일(50)을 사용한 계기용 변류기와, 종래의 로고스키 코일을 사용한 계기용 변류기에 대한 선형성을 비교하였다.

여기서, 종축에 나타난 선형성(Linearity)의 값은 측정 대상 도선에 흐르는 전류를 로고스키 코일을 통해 전압으로 측정한 결과가 정상값으로부터 벗어난 정도를 의미한다.

전류의 크기를 증가시켜가면서 선형성을 조사한 결과 종래 로고스키 코일을 사용했을 때에 비하여, 각 보빈 요소에 감긴 권선 코일의 턴 수 비율을 달리하였을 때, 선형성이 개선됨을 보여 준다. 특히, 전류의 크기가 커짐에 따라 선형성 개선 효과가 두드러지게 나타났다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

11: 측정 대상 도선 20, 50: 로고스키 코일
21: 공심 부재 22: 코일
31: 코어 32: 계기용 변류기
51: 지지 부재 52-1~52-6: 보빈 요소

Claims (5)

1. 유연한 재질을 갖는 띠 형태의 지지부재; 및
   상기 지지부재의 길이 방향을 따라 단속적으로 복수 개가 구비되는 보빈 요소를 포함하고,
   상기 각 보빈 요소는 내부가 비어있고, 외측면을 따라 권선 코일이 감기는 통 형상으로 구성되는 선형성이 개선된 로고스키 코일.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 각 보빈 요소에 감기는 권선 코일의 턴 수는 서로 다르게 구성되는 것을 특징으로 하는 선형성이 개선된 로고스키 코일.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 보빈 요소의 개수는 6개이고, 상기 지지부재의 가운데에 배치된 2개의 보빈 요소(제1 보빈요소 쌍), 상기 제1 보빈요소 쌍을 이루는 각 보빈 요소와 인접한 2개의 보빈 요소(제2 보빈요소 쌍), 및 상기 지지부재의 양측 말단에 배치된 2개의 보빈 요소(제3 보빈요소 쌍)는 각각 서로 다른 권선 코일의 턴 수를 갖는 것을 특징으로 하는 선형성이 개선된 로고스키 코일.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제1 보빈요소 쌍, 상기 제2 보빈요소 쌍, 상기 제3 보빈요소 쌍에 감긴 권선 코일의 턴 수 비율은 1.0 : 2.3 :0.8인 것을 특징으로 하는 선형성이 개선된 로고스키 코일.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 기재된 선형성이 개선된 로고스키 코일; 및
   전류 측정 대상 도선이 지나갈 수 있도록 홀이 형성된 코어가 구비된 계기용 변류기를 포함하고,
   상기 로고스키 코일은 상기 코어의 홀 주위에 배치되는 선형성이 개선된 계기용 변류기.

Images