KR20060016629A - 정밀저항부담을 이용한 전압변성기 비교측정 시스템의선형성 평가장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압변성기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피측정 전압변성기의 2차측에 걸리는 정밀저항부담을 이용하여 전압변성기 비교 측정장치에서 측정된 비오차와 위상각 오차의 선형성을 평가할 수 있는 시스템에 관한 것이다. 이를 위해, 기준 전압변성기(40)와 피측정 전압변성기(50)의 1차측에 동일한 고전압을 병렬로 공급하고, 상기 피측정 전압변성기(50)의 2차측에 표준저항부담(Z_b)(65)을 병렬로 연결한 뒤 이들의 값을 변화시킴으로서 상기 두 전압변성기(40, 50)의 2차측 전압들을 전압 변성기 비교 측정장치(60)를 이용하여 비교함으로서 측정된 비오차와 위상각 오차의 실험값과 비오차와 위상각 오차의 부담효과에 대해 계산된 이론값을 비교하여 그들의 선형성을 평가할 수 있는 방법이다.

전압변성기, 비교측정장치, 위상각 오차, 비오차, 선형성, 1차측, 2차측, 권선수

Description

정밀저항부담을 이용한 전압변성기 비교측정 시스템의 선형성 평가장치{A linearity evaluation equipment of voltage transformer comparison measurement system using precise resistor burden}

도 1은 임피던스(Z_b)(35)인 부담(Z_b)이 전압변성기에 연결될 때의 등가회로도이다.

도 2는 국내 산업체에서 보유하고 있는 전압 변성기 비교 측정 시스템 구성도이다.

도 3은 국내 4개 회사(A사, B사, C사, D사)에서 보유하고 있는 전압변성기 비교 측정장치(60)를 이용하여 표준저항으로 구성된 부담값(65)을 변화시켜 가면서 측정한 피측정 전압변성기(50)의 비오차에 대한 결과 그래프이다.

도 4는 도 3중 x = 0.01 Ω^-1 부분의 확대 그래프이다.

도 5는 국내 4개 회사(A사, B사, C사, D사)에서 보유하고 있는 전압변성기 비교 측정장치(60)를 이용하여 표준저항으로 구성된 부담(65)을 변화시키면서 측정한 피측정 전압변성기(50)의 위상각 오차에 대한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

10 : 교류전원장치,

20 : 1차측,

30 : 2차측,

32 : 전압변성기의 누설 출력 임피던스,

35 : 부담의 임피던스,

40 : 기준 전압변성기,

50 : 피측정 전압변성기,

60 : 전압변성기 비교 측정장치,

65 : 표준저항부담.

본 발명은 전압변성기(voltage transformer, VT)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피측정 전압변성기의 2차측에 걸리는 정밀부담(precise burden)을 이용하여 전압변성기 비교 측정장치에서 측정된 비오차와 위상각 오차의 선형성을 평가할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 전압변성기를 생산하는 산업체나 교정시험기관에서는 전압변성기의 특성을 평가 또는 교정 시험하기 위하여 전압변성기 비교 측정장치(오차 측정장치)를 사용하여 피측정 전압변성기의 비오차(ratio error)와 위상각 오차(phase angle error)를 측정한다. 피측정 전압변성기는 오차의 등급에 따라 0.1 급, 0.2 급, 0.5 급, 1급 및 3급의 총 5개 등급으로 나누고 있으며, 상기의 등급에 따라 허 용되는 오차는 각각 약 ±0.1 %, ±0.2 %, ±0.5 %, ±1 % 및 ±3 % 정도이다.

전압변성기 비교 측정장치는 앞서 언급한 ±3% 범위까지 오차를 정확하게 측정할 수 있어야 한다. 한편 전압변성기 비교 측정장치는 작은 범위의 오차를 갖는 피측정 전압변성기의 오차는 비교적 정확하게 측정할 수 있는데 반해, 큰 범위의 오차를 갖는 피측정 전압변성기를 측정할 때 오차 측정 눈금이 약간 틀어져 있다면 정확한 측정이 어려워 보정을 요한다. 이를 위해서 전압변성기 비교 측정장치에서 측정된 작은 범위(±0.2% 이내)의 오차 측정값이 넓은 범위까지도 선형성을 그대로 유지하고 있는가를 평가하는 것은 아주 중요하고, 이는 곧 측정장치 교정의 중요한 핵심기술이다.

국내 산업체에서 보유하고 있는 전압 변성기 비교 측정 시스템 구성도를 도 2에 나타내었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기준 전압변성기(40)와 피측정 전압변성기(50)의 1차측에 동일한 전압을 병렬로 공급하고, 두 전압변성기(40, 50)의 2차측 전압들을 전압 변성기 비교 측정장치(60)를 이용하여 비교한다. 여기서 전압변성기 비교 측정장치(60)는 비오차와 위상각 오차를 측정하는데, 두 전압변성기(40, 50)의 2차측 전압들을 비교하여 비오차와 위상각 오차 다이얼로 평형을 맞추어 피측정 전압변성기(50)의 비오차와 위상각 오차를 측정한다. 국내 회사에서 활용하고 있는 전압변성기 비교 측정장치(60)는 모두 외국회사의 제품으로 미국의 놉(Knopp)사, 스위스의 테텍스(Tettex)사, 일본의 소켄(Soken)사 등이고 측정원리와 방법은 서로 유사하다.

그러나, 위에서 언급한 산업체 등에서 활용되고 있는 전압변성기 비교 측정 시스템은 크기가 크고, 무거워서 운반하기가 힘들 뿐만 아니라, 제품의 품질관리 및 교정시험용으로 빈번히 사용되기 때문에 이 장치를 교정시험기관으로 운반하여 성능을 평가(교정)받기는 거의 불가능하다.

이러한 이유에서 산업체의 전압변성기 비교 측정시스템의 평가를 위해서는 이동이 용이한 현장용 표준기를 개발하여 이를 사업체에 가져가서 현장에서 직접 전압변성기 측정장치를 평가하는 방법이 절실히 요구된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은 작고 무게가 가벼운 정밀저항부담을 산업체로 운송하여 쉽게 현장에서 측정장치를 평가할 수 있는 전압변성기 비교측정장치의 선형성 측정장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 기준 전압변성기(40)와 피측정 전압변성기(50)의 1차측에 동일한 고전압을 병렬로 공급하고, 상기 피측정 전압변성기(50)의 2차측에 표준저항부담(Z_b)(65)를 병렬로 연결한 뒤 이를 변화시킴으로서 상기 두 전압변성기(40, 50)의 2차측 전압들을 전압 변성기 비교 측정장치(60)를 이용하여 비교함으로써 측정된 비오차와 위상각 오차의 실험값과 비오차와 위상각 오차의 부담효과에 대해 계산된 이론값을 비교하여, 그들의 선형성을 평가하는 장치에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 표준저항부담(Z_b)(65)은 100Ω 내지 1㏁ 범위내에서 가변될 수 있으 며, 보다 바람직하게는 100 Ω, 1 ㏀, 10 ㏀, 100 ㏀, 1 ㏁ 중에서 선택된 적어도 하나로 가변되는 것이 적합하다.

그리고, 고정된 권선수를 갖는 2차측의 전압은 30 V ~ 120 V 일 수 있다.

또한, 전압변성기는 서로 다른 정격변환비를 갖는 전압변성기에 적용 가능할 수 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하 본 발명에 따른 전압변성기 및 정밀저항부담을 이용한 선형성 측정장치의 동작원리와 구성에 관하여 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

우선, 본 발명에 따른 전압변성기의 비오차와 위상각 오차의 부담효과에 관한 이론적인 배경을 이하에서 설명하도록 한다.

전압변성기는 철심에 1차 코일과 2차 코일을 감은 변압기의 일종이다. 내부오차가 전혀 없을때 2차측 저전압(Vs)에 대한 1차측 고전압(Vp)의 비는 2차측 권선수(n2)에 대한 1차측 권선수(n1)의 비와 같다. 그러나 실제는 전압변성기가 오차(δ)를 가지고 있기 때문에 [수학식 1]과 같이 쓸 수 있다.

여기서 N은 전압변성기의 정격변환비 혹은 권선비이다. 실제 전압변성기는 철심에 자기 포화 현상과, 1차측(20)과 2차측(30)에서 누설 임피던스가 발생하여 전압강하가 일어나기 때문에 비오차(ratio error, RE)와 위상각 오차(phase angle error, Γ)를 가지고 있다.

도 1은 임피던스(Z_b)(35)인 부담(Z_b)이 전압변성기에 연결될 때의 등가회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전압변성기의 2차측(30)에 부담(Z_b)이 연결되어 있을 때와 없을 때의 비보정 인자(ratio correction factor, RCF)와 위상각 오차(Γ)의 관계는 아래 [수학식 2]와 [수학식 3]과 같이 주어진다.

[수학식 2], [수학식 3]의 각 인자들은 아래와 같다.

RCF₀ : 부담(Z_b)이 없을 때의 비보정 인자,

RCF_b : 부담(Z_b)이 있을 때의 비보정 인자,

Γ₀: 부담(Z_b)이 없을 때 1차측에 대한 2차측 전압벡터의 위상각의 차이,

Γ_b: 부담(Z_b)이 있을 때 1차측에 대한 2차측 전압벡터의 위상각의 차이,

Z₀ = R_o + jX₀ : 전압변성기의 누설 출력 임피던스,

Z_b = R_b + jX_b : 부담의 임피던스.

그리고, 전압변성기의 권선비에 의한 비오차는 [수학식 4]와 같이 정의된다.

그리고, 비보정인자(RCF)와 비오차(RE)와의 관계는 [수학식 5]와 같다.

[수학식 5]를 이용하여 [수학식 2]를 비오차에 관한 식으로 바꾸면 [수학식 6]과 같다.

[수학식 6]에서 RE_b 와 RE₀ 는 각각 부담이 있을 때와 없을 때의 비오차이다.

부담(Z_b = R_b + jX_b )은 저항의 직류-교류 차이가 거의 없는, 즉 (X_b/R_b)<10^-6 인 영국 틴슬리(Tinsley)사의 표준저항을 사용하였다. 따라서 [수학식 6], [수학식 3]은 각각 [수학식 7]과 [수학식 8]과 같이 간단히 쓸 수 있다.

RE₀, R₀, Γ₀ 및 X₀ 가 상수이므로, [수학식 7]의 부담이 있을 때의 비오차(RE_b)와 [수학식 8]의 부담이 있을 때의 위상각 오차(Γ_b)는 부담의 저항값에 반비례한다(~ 1/R_b ). 즉 RE_b 와 Γ_b 가 1/R_b 에 비례하는 일차함수이다. 따라서 R_b의 값을 변화시켜 가면서 얻은 RE_b 와 Γ_b 를 1/R_b 의 함수로 프라팅하여 국내 회사에서 보유하고 있는 전압변성기 비교 측정장치의 비오차와 위상각 오차의 선형성을 평가할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같은, 국내 회사에서 보유하고 있는 전압변성기 비교 측정장치(60)의 비오차와 위상각 오차 눈금의 선형성을 피측정 전압변성기(50)의 2차측에 연결하는 표준저항부담(Z_b)(65)을 변화하여 평가하였다. 여기서 비오차와 위상각 오차의 선형성은 각각 [수학식 7]과 [수학식 8]을 이용하여 평가하였다. 사용한 표준저항부담은 영국 틴슬리사의 제품으로서 정격이 각각 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ, 1 MΩ이고, 정격용량은 모두 10W 이다. 여기서 사용한 피측정 전압변성기(50)는 YEW사의 모델 2262를 사용하였고, 1차측 전압이 6,600 V 이고, 2차측 전압은 110V 로서, 2차측 전압을 30 V 로 유지하면서 측정하였다. 30 V 에서 측정한 이유는 100 Ω표준저항의 정격용량이 10 W 이기 때문에 30V 이상의 전압을 가할 수가 없고, 100 Ω이상의 다른 표준저항에서도 동일한 전압에서 측정해야 되기 때문에 30V 로 통일하여 측정을 하였다.

국내 4개 회사에서 보유하고 있는 전압변성기 비교 측정장치(60)를 이용하여 표준저항으로 구성된 부담값(65)을 변화시켜 가면서 측정한 피측정 전압변성기(50)의 비오차에 대한 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3의 수평축(X축)은 표준저항부담을 나타내고, 수직축(Y축)은 측정된 비오차를 나타내며, a)는 A사의 측정결과이고, b)는 B사의 측정결과이고, c)는 C사의 측정결과이고, d)는 D사의 측정결과이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 표준저항부담 100 Ω~ 1 MΩ 범위에서 측정된 비오차의 범 위는 -1.57 % ~ +0.16 % 이고, 도 3의 실선들은 [수학식 7]을 이용하여 최소제곱법으로 분석한 결과이다. 부담저항이 1 MΩ~ 1 kΩ(x = 0.000 001 Ω^-1 ~ 0.001 Ω^-1)까지는 선형성이 잘 유지되다가 100 Ω 즉 x = 0.01 Ω^-1에서 선형성이 약간 벗어나 있다는 것을 알 수 있다.

이를 명확하게 보기 위하여 도 3의 x = 0.01 Ω^-1 부분을 확대하여 도 4에 나타내었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 부담저항이 100 Ω(비오차가 대략 -1.5% 에 해당)에서 A사, B사, C사, D사의 경우 각각 비오차의 값이 선형성으로부터 각각 +0.023 %, -0.01 %, -0.013 %, +0.015 % 정도 벗어나 있음을 알 수 있다. 따라서 비오차가 약 -1.5 %에서 각각 상기의 벗어난 크기의 반대방향(도 4에서 화살표 방향)으로 보정해야 할 필요성이 생긴다.

도 5는 국내 4개 회사에서 보유하고 있는 전압변성기 비교 측정장치(60)를 이용하여 표준저항으로 구성된 부담(65)을 변화시키면서 측정한 피측정 전압변성기(50)의 위상각 오차를 나타낸 것이다. 도 5의 실선들은 [수학식 8]을 이용하여 피팅한 결과를 보여주는데 부담저항이 1 MΩ ~ 1 kΩ(x = 0.000 001 Ω^-1 ~ 0.001 Ω^-1)까지는 선형성이 잘 유지되다가 부담저항 100 Ω (x = 0.01 Ω^-1) 에서 선형성이 약간 벗어나 있다는 것을 알 수 있다. 부담저항 100 Ω(위상각 오차가 약 -0.5 % 근처에 해당)에서 A사, B사, C사, D사의 경우 위상각 오차의 값이 선형성으로 부터 각각 +0.014 %, +0.017 %, +0.065 %, +0.212 % 정도 벗어나 있다. 따라서 위상각 오차눈금 -0.5 % 에서 각각 상기의 벗어난 크기의 반대방향(도 5에서 화살표 방향)으로 보정해야 할 필요성이 생긴다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 전압변성기 및 정밀저항부담을 이용한 선형성 측정장치에 의하면, 피측정 전압변성기의 2차측에 걸리는 저항값의 직류-교류 차이가 거의 없는 표준저항으로 구성된 부담을 이용하여 전압변성기 비교 측정장치의 비오차와 위상각 오차의 선형성을 평가할 수 있다.

이 방법을 산업체에서 보유하고 있는 전압변성기 비교 측정장치에 적용한 결과 비오차가 약 -1.5% 에서 최대 -0.023% 의 보정이 필요하고, 위상각 오차가 -0.5% 근처에서 최대 -0.212% 정도의 보정이 필요함을 알 수 있었다.

또한, 본원에 따른 정밀저항부담방식을 이용한 전압변성기 비교 측정장치의 오차에 대한 선형성 평가기술은 정밀저항부담이 작고 무게가 가벼워서, 이를 산업체로 운송하여 현장에서 쉽게 측정장치를 평가할 수 있는 장점이 있다. 이 기술은 다양한 정격변환비를 갖는 모든 전압변성기에 공통으로 적용할 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (6)

1. 기준 전압변성기(40)와 피측정 전압변성기(50)의 1차측에 동일한 전압을 병렬로 공급하고, 상기 피측정 전압변성기(50)의 2차측에 표준저항부담(Z_b)(65)를 병렬로 연결한 뒤 이를 변화시킴으로서 상기 두 전압변성기(40, 50)의 2차측 전압을 전압 변성기 비교 측정장치(60)를 이용하여 비교하는 것을 특징으로 하는 정밀저항부담을 이용한 전압변성기 비교측정 시스템의 선형성 평가장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 표준저항부담(Z_b)(65)은 100 Ω 내지 1 ㏁ 범위내에서 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는 정밀저항부담을 이용한 전압변성기 비교측정 시스템의 선형성 평가장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 표준저항부담(Z_b)(65)은 100 Ω, 1 ㏀, 10 ㏀, 100 ㏀, 1 ㏁ 중에서 선택된 적어도 하나로 가변되는 것을 특징으로 하는 정밀저항부담을 이용한 전압변성기 비교측정 시스템의 선형성 평가장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 표준저항부담(Z_b)(65)의 정격용량은 10W인 것을 특징으로 하는 정밀저항부담을 이용한 전압변성기 비교측정 시스템의 선형성 평가장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 고정된 권선수를 갖는 2차측의 전압은 30 V ~ 120 V 인 것을 특징으로 하는 정밀저항부담을 이용한 전압변성기 비교측정 시스템의 선형성 평가장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전압변성기는 서로 다른 정격변환비를 갖는 전압변성기에 적용 가능한 것을 특징으로 하는 정밀저항부담을 이용한 전압변성기 비교측정 시스템의 선형성 평가장치.

Images