KR102524718B1

KR102524718B1 - 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정 방법

Info

Publication number: KR102524718B1
Application number: KR1020210071321A
Authority: KR
Inventors: 이계광; 이영준
Original assignee: 이계광
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2023-04-24
Also published as: KR20220163001A

Abstract

본발명은 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정방법에 관한 것으로, 서지전류가 주전류흐름부(200)와 검출전류흐름부(201)로 저항값에 따라서 나누어지고 저전류 변류기(202)를 이용하여 서지전류를 검출하는 것으로,
본발명은 저가의 저전류의 변류기로 고 서지전류 영역까지 간편하고 용이하게 측정할 수 있으므로 사용이 편리하며 경제적인 현저한 효과가 있다.

Description

저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정 방법{High surge current measuring method using low-current transformer}

본 발명은 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서지전류가 주전류흐름부와 검출전류흐름부로 저항값에 따라서 나누어지고 저전류 변류기를 이용하여 고 서지전류를 검출하는 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정방법에 관한 것이다.

변류기는 서지전류를 측정하기 위해서는 100kA와 같은 높은 전류 측정범위를 가지고 있어야 한다. 일례로서 종래기술인 등록특허공보 등록번호 10-0508893호에는 서지전류의 발생을 서지전압으로서 검출하는 검출부와,

서지전압의 검출을 표시하는 표시부와,

상기 검출부에서 서지전압이 검출될 때에 상기 표시부를 동작시키는 구동회로 및 구동부를 구비하고,

상기 구동회로 및 구동부는 어느정도 크기의 서지전압이 검출될 때에 표시부를 동작시킬 것인지의 감도를 조정하는 수단으로서, 값이 다른 복수의 고정저항과, 고정저항절환스위치를 포함하며, 상기 구동회로 및 구동부는 상기 검출부에서 검출된 서지전압을 정류하는 정류회로와,

이 정류회로의 출력에 접속되고, 값이 다른 복수의 고정저항을 스위치로 절환하도록 구성된 감도조정회로와,

이 감도조정회로의 출력에 접속되고, 입력된 전압을 적분하여, 적분된 전압이 소정전압으로 되면 스위칭소자가 동작하는 스위칭회로와,

이 스위칭회로의 상기 스위칭소자가 동작한 때에 상기 표시부를 동작시키는 구동부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서지전류검출표시장치가 공개되어 있다.

또한, 등록특허공보 등록번호 10-1406902호에는 핫 라인과 뉴터럴 라인 사이의 신호 선에 병렬로 연결되어 입력 전압이 내압보다 높은 서지 전압인 경우 도통하는 제1 바리스터와 제2 바리스터가 구비된 서지 전압 감지부;

상기 뉴터럴 라인과 프레임 그라운드 라인 사이의 상기 신호 선에 병렬로 연결되어 서지 전압 감지부의 제1 바리스터 도통시 통과한 과도 전압을 흡수하여 빛에너지로 변환시키는 제1 가스 방전관과 상기 서지 전압 감지부의 제2 바리스터 도통시 통과한 과도 전압을 흡수하여 빛에너지로 변환시키는 제2 가스 방전관이 구비된 가스방전부;

상기 서지 전압 감지부의 제1 바리스터와 제2 바리스터 도통시 출력된 서지 전류로 인해 상기 뉴터럴 라인과 상기 프레임 그라운드 라인 사이에 전위차가 발생된 경우 서지 전류 감지 신호를 출력하는 제1 전류 센서;

상기 제1 전류 센서로부터 서지 전류 감지 신호를 입력받은 경우 서지 발생 카운트 횟수를 1회 증가시켜 서지발생 횟수를 카운트하는 서지발생횟수 카운터를 포함하여 이루어지고,

상기 핫 라인의 인입단자와 상기 제1 바리스터와 제2 바리스터 사이의 핫 라인 일단에 연결되어 상기 바리스터에 열이 발생했을 때 녹아서 알람 신호가 출력되도록 하는 스위치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 서지전류 감시 카운터 기능을 갖는 서지 보호기가 공개되어 있다.

그러나 이와 같은 변류기가 매우 고가이며, 로고스키코일과 같은 수십만원대의 변류기를 사용하기도 한다.

SPD에 흐르는 과도 서지 전류는 일반적으로 고가의 변류기(CT) 또는 로고스키코일을 사용하여 측정한다. 왜냐하면 과도서지 전류를 측정하기 위해서는 높은 전류 검출범위와 고주파수 특성을 가지고 있어야 하기 때문이다. 이와 같은 고가의 변류기는 수천달러 상당으로 비싸다. 종래의 측정방법으로는 변류기에 전류를 통과시키면 2차측에 자속쇄교수의 시간변화량에 비례하는 전압이 유기된다.

이를 도식화하면 다음과 같다.

이와 같이 구성되면 높은 서지전류에서 자기포화가 되지 않는 고가의 변류기를 사용해야 하는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본발명은 저가의 저전류의 변류기로 고 서지전류 영역까지 간편하고 용이하게 측정할 수 있으므로 사용이 편리하며 경제적인 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정방법을 제공하고자 하는 것이다.

본발명은 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정방법에 관한 것으로, 서지전류가 주전류흐름부(200)와 검출전류흐름부(201)로 저항값에 따라서 나누어지고 저전류 변류기(202)를 이용하여 서지전류를 검출하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본발명은 저가의 저전류의 변류기로 고 서지전류 영역까지 간편하고 용이하게 측정할 수 있으므로 사용이 편리하며 경제적인 현저한 효과가 있다.

도 1은 본발명의 저전류 변류기를 사용하여 고 서지전류를 측정회로도
도 2는 종래의 고 서지전류를 측정회로도
도 3a 토로이달 코어형상, 도 3b는 전류검출기의 외형
도 4는 PE도체를 통해 흐를 수 있는 최대 서지전류에 대한 회로 예시도
도 5a는 서지전류 검출센서, 도 5b는 SPD와 조합된 서지전류 검출센서의 사진
도 6은 SCDS의 PCB 외형도

또한, 상기 검출전류흐름부(201)는 주전류흐름부의 도선보다 얇은 선 또는 초저저항을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 검출전류흐름부(201)에서 검출되는 서지전류를 저전류 변류기(202)를 통하면 서지전류에 비례하는 전압이 발생되고, 이를 신호조건회로(203)를 통하여 마이크로컨트롤러(204)에서 서지전류를 검출하고 분류된 비율을 계산하여 곱하고 이를 표시부(205)또는 통신부(206)으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본발명의 저전류 변류기를 사용하여 고 서지전류를 측정회로도, 도 2는 종래의 고 서지전류 측정회로도이다.

본발명은 예를 들면 1kA의 측정범위를 가지고 있는 저전류 변류기를 사용하여 100kA와 같은 고전류를 측정할 수 있는 방법에 관한 것이다.

본발명은 전류를 측정하기 위한 도선에 직접 변류기를 통과하지 않고 전류가 분배될 수 있도록 보다 얇은 선 또는 초저저항을 사용하여 전류를 분배하는 방식이다. 예를 들어 1kA 까지 측정할 수 있는 변류기를 사용하여 99:1로 분배가 되면 100kA까지 측정이 가능해진다. 주전류흐름부(200)에서 99kA가 흐르며, 검출전류흐름부(201)로 분류가 된다. 이는 주전류 흐름부보다 얇은 선을 사용하거나 초저저항을 사용할 수도 있다. 이후 변류기(202)는 전류에 비례하는 자속쇄교수가 나타나며, 겨로가적으로 2차측에 자속쇄교수의 시간변화량에 비례하는 전압이 유기된다. 이후 신호조건회로(203)에서는 마이크로컨트롤러가 처리할 수 있도록 적분기 또는 감쇄기 등을 통하여 마이크로컨트롤러(204)에 전달하여 마이크로컨트롤러(204)에서는 이에 해당되는 1 kA의 전류를 측정하고 100배로 계산한다. 표시부(205)를 통하여 계산값을 표시한다. 표시부는 LCD 또는 음성 또는 모니터등이 될수 있다. 또한 계산된 전류값은 통신부(206)를 통하여 근거리 또는 원거리로 통신될 수 있으며, 유선 또는 무선일수도 있다.

본발명에서 저 서지전류는 1kA 이하, 고 서지전류는 100kA 이상을 편의상 의미한다.

본발명의 토로이달 코일형 전류검출기의 설계 및 구성은 다음과 같다.

일반적으로 큰 서지전류를 측정하기 위해서 대전류에도 포화가 되지 않는 로고스키코일을 사용하거나 주파수 특성이 우수한 고주파용 변류기 (current transformer)를 사용한다. 하지만, 이러한 전류검출기는 모두 가격이 비싸기 때문에 시장경쟁력이 미약하다. 이와 같은 비용 문제를 해결하기 위해 가격이 저렴한 일반적인 철분말 재질로 만들어진 Core Electronics 사의 토로이달 코어(toroidal core, 부품명: C27-B11) 3개를 사용하는 전류센서를 설계하였다. 토로이달 코어에 1.2mm 직경의 권선을 11회 감은 토로이달 전류센서는 도 3과 같고, 코어의 재질과 크기는 표 2.2와 같다.

Part No.	내경 (mm)	외경 (mm)	높이 (mm)	소재	주파수 범위
C27-B11	14.48	26.92	11.1x3	Iron powder and small other mixtures	500 kHz

표 1 토로이달 코어 치수 및 재료 특성토로이달 코어에 감긴 전류검출코일에 유도된 서지전류의 미분신호를 원래의 서지전류파형으로 복원시키고 서지전류의 진폭을 음펄스의 지속폭으로 변환하기 위한 신호처리회로를 도면 4와 같이 설계하였다.

서지전류의 검출을 위한 신호처리회로에 대해 설명하면 다음과 같다.

토로이달 코어를 관통하는 PE도체의 분기도선에 흐르는 서지전류

에 의해 검출코일에 유기되는

은 자속쇄교수(magnetic flux)의 시간 변화량에 비례하며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

식 (1)에서

은 토로이달 코어에 감긴 검출코일의 감긴 수이고,

는 코어의 단면적,

는 자속밀도이며, 검출신호는 1차 측의 서지전류의 미분파형으로 나타난다.

과

로 구성되는 수동성 적분기를 사용하여 미분신호를 검출하고자 하는 서지전류로 복원시킨다. 복원된 전압

가

과

가 대단히 큰 경우 즉, ωL+1/ω

<<

조건에서 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다. 여기에서 ωL은 토로이달 코일의 자체리액턴스이며, 정확도를 높이기 위해서는 코일의 자체인덕턴스 L이 저항

에 비하여 대단히 작고 시정수

가 충분히 커야 한다.

(2)

그리고

는

의 전압에 비례하며, 지속폭

로 변환하기 위한 지연시간은

과

그리고

로 결정된다. 자심인 토로이달 코어는 자기포화 문제로 일반적으로 높은 서지전류를 측정하는데 사용하지 않지만, 자기포화를 방지하기 위한 방법으로 SPD의 PE단자와 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 PE단자는 굵은 선(AWG9)에 직접 연결되고, 가는 선(AWG24)은 토로이달 코어를 관통하여 연결되는 분류회로를 설계하였다. 즉, PE단자에 연결된 굵은 선으로 많은 전류가 흐르고, 토로이달 코어를 관통하는 가는 선은 작은 전류가 흘러 자기포화를 방지할 수 있다.

8/20

s 유도뢰 전류의 파형은 고주파 성분을 포함하고 있으며, 이 8/20

s 임펄스전류의 등가주파수는 약 25kHz이다. 따라서 분류회로를 구성한 도선의 전기저항은 표피효과(skin effect)를 고려하여 산출하여야 한다.

표피효과를 고려한 길이

[m]이고 반경이

[mm]인 전선의 전기저항은 다음의 식 (3)과 같이 산출한다.

(3)

여기서 ρ[

]는 전선의 저항률, d[

]는 침투깊이(skin depth)는 식 (4)와 같이 산출한다.

(4)

여기서

[Hz]는 주파수,

[H/m]는 투자율로 4

이고,

[

/m]는 도전율로 연동선의 경우 이며, 표준 연동선의 침투깊이

이다.

AWG9와 AWG24의 특성은 표 2 와 같이 구분되며, AWG24의 저항은 AWG9에 비해 약 31배정도 크다. 이를 계산하면 AWG24 전선에는 입사전류의 약 1/32의 전류가 키로히호프의 전류법칙(Kirchhoffs current law)에 의해 분배된다. 따라서 대전류 서지의 발생 시 전류의 대부분은 굵은 선으로 흘러 토로이달 코어의 자기포화를 방지할 수 있다. 사용된 분류회로에 8/20

s 임펄스전류를 입사시켜 측정한 전류 분배율은 표 2와 같다.

AWG	단면적 ()	저항 (Ω/m)	길이 (mm)	계산된 전류분배율 (%)	측정된 전류분배율 (%)
9	6.63	0.0053	30	96.85	96.77
24	0.205	0.0842	60	3.15	3.23

표 2 AWG9 및 AWG24의 저항에 따른 전류분배율계산된 전류분배율과 측정된 전류분배율은 1%이내의 차이로 거의 같으며, 결과적으로 토로이달 코어에 의해 측정될 수 있는 최대 전류의 약 32배의 입사전류가 분배되어 처리될 수 있다.

국제 표준 IEC61643-11에서 각 상도체와 중성선에 흐를 수 있는 최대 서지전류는 ClassⅠ에서는

25kA이고, ClassⅡ에서는

20kA로 규정되어 있다. PE도체에 흐르는 총 서지전류로부터 나누어지는 I 와 i 전류는 표 3과 같으며, 단상과 삼상에 따른 전류분배 예시는 표 3, 도 5와 같다.

종류	전력선 수	최대 서지전류 (유도뢰) 8/20s 20kA	최대 서지전류 (직격뢰) 10/350s 25kA
단상	2(line, neutral): i3	Total 40	Total 50
	I	38.75	48.44
	i	1.25	1.56
삼상	4 (R, S, T, neutral): i5	Total 80	Total 100
	I	77.5	96.88
	i	2.5	3.12

표 3 8/20

s와 10/350

s 임펄스전류에 대한 분류전류의 측정결과8/20

s 임펄스전류에 의한 토로이달 코어의 자기포화의 임계값은 약 3.3kA이다. 따라서 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 최대 100kA의 서지전류까지 측정할 수 있다. 토로이달 코일의 출력전압은 입사되는 임펄스전류의 미분에 상응하므로 이 출력전압신호를 임펄스전류에 비례하는 파형으로의 변환을 위해

과

가 연결된 수동성 적분기를 접속하고 커패시터

의 단자 양단에 전압이 출력되도록 설계하였다. 출력되는 전류에 비례하는 전압이 높을 수 있으므로 100Ω의 저항을 토로이달 코일의 출력에 직렬로 연결하여 전압을 낮추어 회로가 파손되지 않도록 설계하였다.

브릿지다이오드(

)는 RECTRON semiconductor사의 R3000을 사용해 정극성과 부극성의 서지전류을 모두 검출할 수 있도록 하고, 입사되는 큰 서지전류를 고려하여 최대 반복피크역전압(maximum repetitive peak reverse voltage)이 충분히 높은 부품으로 선정하였다. 입사전류파형에 상응하는

과

적분기의

단자에 나타나는 출력전압

는 브릿지다이오드를 경유하여 커패시터에 충전된다. 커패시터

의 충전전압은 커패시터

의 피크값까지 상승한다. 즉 커패시터

의 단자전압의 피크값

은 입사전류의 피크값에 상응하는 신호이다. 서지의 피크전압은

을 통하여 충전되고

와

를 통하여 방전된다. 이외에 다른 방전경로는 없다.

신호처리회로의 출력은 지속폭이 서지전류의 진폭에 비례하는 음의 펄스로 변환되어 출력된다.

은 커패시터

의 과전압으로부터 트랜지스터

(2N2222: NPN transistor)을 보호하는 역할을 한다.

의 콜렉터(collector)는 정상상태에서 3V로 logic High이며,

의 전압이

의 개시(threshold) 전압(일반적으로 0.7V)보다 높은 상태에서는 logic Low로 된다.

는 pull up 저항이며,

는 노이즈 및 채터링 (chattering)을 감소시키기 위해 사용된다.

는

의 피크값이다.

의 콜렉터에 대한 출력은 다음과 같은 식 (5)로 표현할 수 있다.

(2.7)

식 (5)에서

는 마이크로콘트롤러에 입력되는 음펄스 로직 Low 상태의 지속폭(서지 감지시간)이며,

는 1MΩ,

은 200kΩ,

은 22nF,

는

에 충전된 서지전압의 피크값,

는

의 베이스(base)와 이미터(emitter)간의 컷오프(cut-off) 전압으로 약 0.3V이다. 서지전류의 진폭에 따른 신호처리회로의

과

, 그리고 지속시간

는 실험을 통하여 표 4와 같이 측정되었으며, 이의 도식적 결과를 그림 5에 나타내었다.

서지전류 (kA)	T (ms)	(V)	(V)
0.5	3.6	4	1
1	9.0	7	4
2	12.0	12	8
3	12.9	13	10
4	14.3	18	15
5	16.5	30	27
6	17.2	36	33
7	17.9	42	39
10	19.2	60	57
20	21.9	120	117
30	23.4	180	177
40	24.5	240	237
50	25.3	300	297
60	26.0	360	357
70	26.5	420	417
80	27.0	480	477
90	27.5	540	537
100	27.9	600	597

표 4 서지전류의 크기에 대한

,

및 T의 측정결과V _{3,peak}

장착용 기구의 설계 및 제작에 대해 설명하면 다음과 같다.

MOV의 수명 예측을 위한 서지전류 검출센서의 크기는 50.0 x 106.0 x 68.4mm의 비교적 작은 크기이다. 외형의 재질은 난연성 플라스틱을 사용하였고, 접지로 연결되는 PE단자와 SPD로 연결되는 PE단자를 가지고 있다. 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 인체의 감전사고를 방지하기 위해 방수/방진 등급이 IP20을 충족하도록 단자대 덮개를 설치하였다. IP20은 도체에 사람의 손가락이 닿을 수 없음을 의미한다. 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 상면에는 LCD와 기능키(Function key)가 있다. 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기를 고정하기 위한 구조는 널리 사용되는 회로차단기 등의 전기기구에서 사용되는 것과 같은 국제표준 EN 60715 딘레일(DIN rail)에 장착될 수 있는 구조를 가진다. 그림 7에서 (a)는 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 외형 사진이고, SPD와 함께 설치된 사진을 (b)에 나타내었다.

서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 내부에는 토로이달형 전류센서와 신호처리회로를 포함하는 PCB로 구성되어 있으며, 내부 PCB 형상을 도 7에 나타내었다.

200 : 주전류흐름부
201 : 검출전류흐름부
202 : 저전류 변류기
203 : 신호조건회로부
204 : 마이크로컨트롤러부
205 : 표시부
206 : 통신부

Claims

저전류 변류기를 사용하여 고전류를 측정할 수 있는 방법으로서, 서지전류가 주전류흐름부(200)와 검출전류흐름부(201)로 저항값에 따라서 나누어지고 저전류 변류기(202)를 이용하여 서지전류를 검출하는 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정방법에 있어서,
상기 서지전류를 측정하기 위한 도선에 직접 변류기를 통과하지 않고 전류가 분배될 수 있도록 주전류 흐름부보다 얇은 도선 또는 초저저항을 사용하여 전류를 분배하며, 이후 변류기(202)는 전류에 비례하는 자속쇄교수가 나타나며, 2차측에 자속쇄교수의 시간변화량에 비례하는 전압이 유기되고, 이후 신호조건회로(203)에서는 마이크로컨트롤러가 처리할 수 있도록 적분기 또는 감쇄기를 통하여 마이크로컨트롤러(204)에 전달하여 마이크로컨트롤러(204)에서는 이에 해당되는 전류를 측정하고 계산하며, 표시부(205)를 통하여 계산값을 표시하되, 상기 표시부는 LCD 또는 음성 또는 모니터이며, 또한 계산된 전류값은 통신부(206)를 통하여 통신되며, 저 서지전류는 1kA 이하, 고 서지전류는 100kA 이상인 것을 특징으로 하는 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정방법
제1항에 있어서, 상기 저전류 변류기는 철분말 재질로 만들어진 토로이달 코일형 전류검출기인 것을 특징으로 하는 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정방법