KR20070112634A - 전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치 - Google Patents

전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전류변성기(current transformer, CT)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 일치하는 넓은 값의 비오차를 갖는 전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치에 관한 것이다. 이를 위해, 도 2의 기준 전류변성기와 피측정 전류변성기의 1차측에 동일한 전류가 흐르도록 직렬로 연결하고, 두 전류변성기의 2차측 단자를 전류변성기 비오차 비교기에 연결한다. 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기를 사용하며, 고정된 권선수를 갖는 2차측; 및 여러 가지의 1차측의 권선수로 구성되는 여러 값의 비오차가 제공된다. 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기는 - 20 % ∼ + 20 % 범위에서 권선비에 의한 이론적인 비오차의 계산값과 측정값이 정확히 일치하도록 제작한 것으로서, 이를 이용하여 전류변성기 비오차 비교기에서 측정된 비오차 값의 정확도를 평가할 수 있다.
넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기, 권선비, 비오차(명목, 계산), 전류변성기 비오차 비교기, 정확도, 보정

Description

전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치{A ratio error evaluation device of a current transformer ratio error comparator }
도 1은 전류변성기의 등가회로도이다.
도 2는 전류변성기 비오차 비교기의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기의 내부결선도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
CS : 전류발생원,
10 : 기준 전류변성기,
20 : 피측정 전류변성기,
30 : 전류계,
40 : 부담,
50 : 전류변성기 비오차 비교기
본 발명은 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 정확히 일치하는 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기(current transformer, CT)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류변성기 비오차 비교기에서 측정된 넓은 범위의 비오차의 정확도를 평가할 수 있는 측정기술에 관한 것이다.
일반적으로 전류변성기를 생산하는 산업체나 교정시험기관에서는 전류변성기의 특성을 평가 또는 교정 시험하기 위하여 전류변성기 비오차 비교기(오차 비교기)를 사용하여 피측정 전류변성기의 비오차(ratio error)를 측정한다. 전류변성기는 오차의 등급에 따라 0.1 급, 0.2 급, 0.5 급, 1급 및 3급의 총 5개 등급으로 나누고 있으며, 상기의 등급에 따라 허용되는 오차는 각각 ± 0.1 %, ± 0.2 %, ± 0.5 %, ± 1 % 및 ± 3 % 이하이다.
전류변성기 비오차 비교기는 앞서 언급한 ± 3 % 범위까지 오차를 정확하게 측정할 수 있어야 하며, 상용의 경우 대부분 최대 ± 20 % 까지 비오차를 측정할 수 있다. 한편 전류변성기 비오차 비교기는 작은 범위의 오차를 갖는 피측정 전류변성기의 오차는 비교적 정확하게 측정할 수 있는데 반해, 큰 범위의 오차를 갖는 피측정 전류변성기를 측정할 때 오차 측정 눈금이 약간 틀어져 있다면 정확한 측정이 어려워 보정을 해야 한다. 이를 위해서 전류변성기 비오차 비교기에서 측정된 작은 범위(± 0.2 % 이내)의 오차 측정값이 넓은 범위까지도 선형성을 그대로 유지하고 있는가를 평가하는 것은 아주 중요하고, 이는 곧 비오차 비교기 교정의 중요한 핵심기술이다.
국내 산업체 등에서 사용되고 있는 전류변성기 비오차 비교기의 구성도를 도 2에 나타내었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기준 전류변성기(10)와 피측정 전류변 성기(20)의 1차측에 동일한 전류을 직렬로 공급하고, 두 전류변성기(10, 20)의 2차측 단자들을 전류변성기 비오차 비교기(50)를 이용하여 비교한다.
그러나, 위에서 언급한 산업체 등에서 활용되고 있는 전류변성기 비오차 비교기는 크기가 크고, 무거워서 운반하기가 힘들 뿐만 아니라, 제품의 품질관리 및 교정시험용으로 빈번히 사용되기 때문에 이 장치를 교정시험기관으로 운반하여 성능을 평가 또는 교정받기는 거의 불가능하다.
이러한 이유에서 산업체의 전류변성기 비오차 비교기를 평가하기 위해서는 이동이 용이한 현장용 기준기를 개발하여 이를 산업체로 운반하여 현장에서 현장의 측정조건에 맞도록 전류변성기 비오차 비교기를 평가하는 방법이 절실히 요구되고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은 무게가 가벼운 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 일치하는 넓은 범위의 오차를 갖는 전류변성기를 산업체로 운송하여 쉽게 현장에서 비교기를 평가할 수 있는 전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치를 제공하는 것이다. 또한 0 ~ ± 20 % 까지 넓은 범위에 대한 전류변성기 비오차 비교기의 비오차를 정확하게 평가하기 위함이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 기준 전류변성기(10)와 피측정 전류변성기(20)의 1차측에 동일한 전류가 인가되도록 연결되고, 상기 기준 전류변성기(10)의 2차측 전류 및 피측정 전류변성기(20)의 2차측 전류를 전류변성기 비오차 비교 기(50)를 이용하여 비교하는 측정장치에 있어서,
기준 전류변성기(10)는 비오차 비교기의 기준값을 제공해 주는 것이며,
피측정 전류변성기(20)는 명목 비오차가 계산된 비오차와 정확히 일치하는 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기이고,
2차측의 권선수는 일정하고, 그리고
1차측의 권선수는 권선수 가변수단에 의해 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 2차측의 권선수는 2,000회이고,
그리고 피측정 전류변성기(20)의 1차측 전류는 25 A, 2차측 전류는 5 A로서 정격변환비(N)가 5일 수 있다.
뿐만 아니라 피측정 전류변성기(20)는 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 정확히 일치하는 0 ~ ± 20 % 범위의 비오차를 갖고, 비오차 가변수단은 상기 1차측 권선이 320회, 340회, 360회, 380회, 388회, 392회, 396회, 398회, 399회, 400회, 401회, 402회, 404회, 408회, 412회, 420회, 440회, 460회, 480회중 적어도 하나가 되도록 직렬로 권선되는 것이 적합할 수 있다.
아울러, 2차측의 권선수는 2,000회이고, 그리고
피측정 전류변성기(20)의 1차측 전류는 50 A, 2차측 전류는 5 A로서 정격변환비(N)가 10인 것이 더욱 바람직하다.
그리고, 피측정 전류변성기(20)는 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 정확히 일치하는 0 ∼ ± 20 % 범위의 비오차를 갖는 것을 특징으로 하는 전류 변성기로서,
상기 2차측의 권선수는 2,000회이고, 그리고
비오차 가변수단은, 상기 1차측 권선이 160회, 170회, 180회, 190회, 194회, 196회, 198회, 199회, 200회, 201회, 202회, 204회, 206회, 210회, 220회, 230외, 240회중 적어도 하나가 되도록 직렬로 권선되는 것이 가장 바람직하다.
그리고, 2차측의 권선수는 400회이고, 그리고
피측정 전류변성기(20)의 1차측 전류는 20 A, 2차측 전류는 5 A로서 정격변환비(N)가 4인 것이 가장 바람직하다.
아울러, 피측정 전류변성기(20)는 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 일치하는 0 ∼ ± 20 % 범위의 비오차를 갖고,
2차측의 권선수는 400회이고, 그리고
비오차 가변수단은, 상기 1차측 권선이 80회, 85회, 90회, 95회, 97회, 98회, 99회, 100회, 101회, 102회, 103회, 105회, 110회, 115회, 120회중 적어도 하나가 되도록 직렬로 권선되는 것이 좋을 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 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 정확히 일치하는 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기 및 이를 이용한 정확도 평가장치의 동작원리와 구성에 관하여 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
우선, 본 발명에 따른 전류변성기의 비오차에 관한 이론적인 배경을 이하에서 설명하도록 한다.
전류변성기는 투자율이 큰 토로이달 형태의 철심에 1차 코일과 2차 코일을 감은 변압기의 일종으로서, 도 1은 전류변성기의 등가회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, Z0는 전류변성기의 출력 임피던스이다. 도 1에서 CS는 전류발생원이다. 내부오차가 전혀 없을 때 2차측 전류(Is)에 대한 1차측 전류(Ip)의 비는 1차측 권선수(n1)에 대한 2차측 권선수(n2)의 비와 같고, 이는 [수학식 1]로 쓸 수 있다.
Figure 112006035568962-PAT00001
그러나 [수학식 1]은 오차가 전혀없는 이상적인 전류변성기에 해당하고, 실제는 전류변성기가 오차(δ)를 가지고 있기 때문에 [수학식 2]와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112006035568962-PAT00002
또는
Figure 112006035568962-PAT00003
그리고, 실제 전류변성기는 철심에 자기 포화 현상과, 1차측과 2차측에서 누설 임피던스가 발생하기 때문에 비오차(RE)를 가지고 있다.
전류변성기의 비오차(RE)는 [수학식 4]와 같이 정의된다.
Figure 112006035568962-PAT00004
여기서 N은 전류변성기의 정격변환비 혹은 권선비이고, [수학식 3]을 이용하여 [수학식 4]를 다시 쓰면, [수학식 5]와 같다.
Figure 112006035568962-PAT00005
(%)
상기 [수학식 5]에서, 우변의 첫번째 항은 권선비에 의한 비오차(εt)이고, 두번째 항은 자체 비오차(εs)로서 각각 아래와 같다.
Figure 112006035568962-PAT00006
(%)
Figure 112006035568962-PAT00007
(%)
본 발명에 따른 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 일치하는 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기는 권선비에 의한 비오차가 0인 정격 변환비를 갖는 단자와, 이 단자의 변환비에서 2차측의 권선수를 고정시키고 1차측의 권선수를 달리하여 의도적으로 넓은 범위의 권선비에 의한 비오차를 갖도록 제작한 것이다. 이 전류변성기는 약 - 20 % ∼ + 20 % 범위에서 이론적인 권선비에 의한 비오차의 계산값과 측정값이 정확히 일치하도록 제작한 것이다.
[도 3]은 본 발명에 따른 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기의 내부결선도이다. [도 3]에 도시된 바와 같이, 권선비에 의한 비오차가 영(0)인 단자의 경우는 [수학식 6]에 의해 정격 변환비는 N = 5 로서 1차측의 권선수 400회에 대하여 2차측의 권선수는 2,000회에 해당된다. 다른 단자의 경우는 2차측의 권선수는 2,000회로 고정시키고, 1차측의 권선수를 각각 320회, 340회, 360회, 380회, 388회, 392회, 396회, 398회, 399회, 400회, 401회, 402회, 404회, 408회, 412회, 420회, 440회, 460회, 480회가 되도록 권선하였다. 이들 단자들의 권선비에 의한 비오차는 [수학식 6]을 이용하여 계산하면 각각 -20.000 %, -15.000 %, -10.000 %, -5.000 %, -3.000 %, -2.000 %, -1.000 %, -0.5000 %, -0.2500 %, 0.000 %, +0.2500 %, +0.5000 %, +1.000 %, +2.000 %, +3.000 %, +5.000 %, +10.000 %, +15.000 %, +20.000 %가 된다. 이 계산된 권선비에 따른 명목 비오차를 [표 1]의 첫 번째 열과 [도 3]의 왼쪽에 나타내었으며, 권선비에 따른 이론적인 계산 비오차를 4 번째 열에 나타내었다.
한편 본 발명에 따른 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 정확히 일 치하는 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기의 비오차를 전류변성기 비오차 비교기로 측정한 값을 [표 1]의 5 번째 열에 나타내었다. 본 발명에 따른 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기에서 측정된 비오차는 [수학식 5]와 같이 두 가지 요인으로 나타낼 수 있다. 즉 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기의 비오차 측정값은 권선비에 의한 비오차와 자체 비오차의 합이다.
자체 비오차는 앞서 설명한 자기 포화현상과, 1차측과 2차측의 누설 임피던스에 의해 생기는 내부오차로서, -0.028 % 로 측정되었다. 이러한 내부오차는 권선비에 의한 비오차가 전혀 없는 전류변성기가 자체적으로 가지고 있는 비오차로서, 1차측 권선수에 대한 2차측 권선수의 비가 400 / 2,000 인 권선비에서 측정된 오차에 해당한다. 이는 [수학식 7]에서
Figure 112006035568962-PAT00008
에 해당되므로, 여기서 δ를 계산하면 δ=0.0014이다. 다른 단자에서도 자체 비오차를 δ=0.0014와 [수학식 7]을 이용하여 계산할 수 있으며, 이를 [표 1]의 6번째 열에 나타내었다. 따라서 권선비에 의한 비오차(측정값)는 [수학식 5]에 의해 [넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기의 비오차 측정값-(자체 비오차)] 이므로, 이를 계산하여 [표 1]의 7번째 열에 나타내었다.
결론적으로 전류변성기 비오차 비교기가 정확하다면, 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기의 각 단자의 권선비에 의한 비오차의 측정값은 이론값과 동일해야 한다. 이 두 값의 차이, 즉 [권선비에 의한 비오차(이론값)-권선비에 의한 비오차 (측정값)]가 전류변성기 비오차 비교기에 대한 보정값을 의미하는 것이며, 이를 [표 1]의 마지막 열에 나타내었다.
Figure 112006035568962-PAT00009
(단위: %)
a : [수학식 6]에 의해 계산된 권선비에 대한 비오차
b : δ=0.0014와 [수학식 7]을 이용하여 계산된 자체 비오차
c : 권선비에 의한 비오차(측정값)으로서, [수학식 5]에 의해
[넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기의 비오차 측정값 - 자체 비오차]
d : 전류변성기 비오차 비교기의 보정값으로서 [표 1]에서 (a-c)
[표 1]에서 보는 바와 같이 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 정확히 일치하며, 명목 비오차가 증가함에 따라 전류변성기 비오차 비교기의 보정값이 증가하고 있다. 특히 명목 비오차가 (-) 부호로 증가하면서 보정값이 크게 증가하며, 명목 비오차 -10 % 이상에서는 비오차의 표준값(계산값)에 대한 보정값의 백분율이 약 11 % 이상을 보이고 있다. 따라서 명목 비오차 영(0)을 제외한 모든 범위에서 전류변성기 비오차 비교기에 의한 측정값을 [표 1]의 보정값 만큼 보정해 주어야 정확한 값을 얻을 수 있다. 이론적인 권선비에 의한 비오차 계산값과 정확히 일치하고, 넓은 범위의 비오차를 갖도록 제작한 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기를 이용하여 - 20 % ~ + 20 % 까지의 전류변성기 비오차 비교기의 비오차의 선형성을 평가할 수 있는 기술을 최초로 개발했다. 이는 각 권선비에 의한 비오차의 이론값과 측정값을 비교 분석하여 전류변성기 비오차 비교기의 비오차의 선형성을 평가할 수 있는 교정기술이다. 이 두 값의 차이 즉 [권선비에 의한 비오차(이론값)-권선비에 의한 비오차(측정값)]가 전류변성기 비오차 비교기의 보정값이다.
[표 1]의 2차 권선수를 2,000회로 유지하고, 1차 권선수 399회 및 401회를 제외하고 그 나머지를 절반으로 권선(즉 160회∼240회)하더라도 명목 권선비 ± 0.25 %를 제외한 모든 값의 비오차를 얻을 수 있는데, 이 경우 1차측 및 2차측의 정격전류는 각각 50 A 및 5 A이다.
또 [표 1]에서 명목 비오차 ± 0.25 %, ± 0.5 %의 단자를 제외하고, 1차권선수를 [표 1]의 1/4(즉 80회∼120회)로 권선하면 모든 값의 비오차를 얻을 수 있는데, 이 경우 1차측 및 2차측의 정격전류는 각각 20 A 및 5 A이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 명목 비오차가 이론적으로 계산된 비오차와 정확히 일치하는 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기 및 이를 이용한 선형성 측정방법에 의하면, 이 방법을 적용하여 전류변성기 비오차 비교기의 비오차 선형성을 평가한 업체의 경우, 명목 비오차가 증가함에 따라 전류변성기의 비오차 측정장치의 보정값이 증가하고 있다. 특히 명목 비오차가 (-) 부호로 증가하면서 보정값이 크게 증가하여, 명목 비오차 -10 % 이상에서는 비오차의 표준값(계산값)에 대한 보정값의 백분율이 약 11 % 이상으로 크게 벗어나고 있다. 이와 같이 비오차가 표준값으로부터 크게 벗어남을 확인할 수 있는 기술이 본 발명의 가장 큰 효과이며, 또한 본 발명은 명목 비오차가 이론적으로 계산된 오차와 정확히 일치하므로 실제 활용할 때 별도로 표준값(계산값)을 준비할 필요가 없는 간편성과 편리함이 있다.
일반적으로 전류변성기 비오차 비교기는 크고, 무거워서 운반이 쉽지 않으며, 생산제품의 품질관리 또는 교정시험용으로 빈번히 사용되기 때문에 이 장치를 외부의 교정시험기관에 보내서 교정을 받기는 여러 가지로 애로 사항이 많다. 그러나 본 발명의 일실시예에 따른 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기 방식에 의한 전류변성기 비오차 비교기의 평가방법은 이동이 용이한 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기를 산업체로 이동하여 현장에서 전류변성기 비오차 비교기의 선형성을 평가할 수 있는 장점이 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 수정이 나 변형을 포함할 것이다.

Claims (4)

  1. 기준 전류변성기(10)와 피측정 전류변성기(20)의 1차측에 동일한 전류가 인가되도록 연결되고, 상기 기준 전류변성기(10)의 2차측 전류 및 피측정 전류변성기(20)의 2차측 전류를 전류변성기 비오차 비교기(50)를 이용하여 비교하는 측정장치에 있어서,
    상기 피측정 전류변성기(20)측에 명목 비오차가 계산된 비오차와 정확히 일치하는 넓은 범위의 비오차를 갖는 전류변성기를 연결하고,
    2차측의 권선수는 일정하고, 그리고
    1차측의 권선수는 비오차 가변수단에 의해 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차측의 권선수는 2,000회이고, 그리고
    상기 피측정 전류변성기(20)의 1차측 전류는 25 A, 2차측 전류는 5 A로서 정격변환비(N)가 5이고, 그리고
    상기 비오차 가변수단은 상기 1차측 권선이 320회, 340회, 360회, 380회, 388회, 392회, 396회, 398회, 399회, 400회, 401회, 402회, 404회, 408회, 412회, *420회, 440회, 460회, 480회중 적어도 하나가 되도록 직렬로 권선되는 것을 특징으로 하는 전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차측의 권선수는 2,000회이고, 그리고
    상기 피측정 전류변성기(20)의 1차측 전류는 50 A, 2차측 전류는 5 A로서 정격변환비(N)가 10이고, 그리고
    상기 비오차 가변수단은, 상기 1차측 권선이 160회, 170회, 180회, 190회, 194회, 196회, 198회, 199회, 200회, 201회, 202회, 204회, 206회, 210회, 220회, 230외, 240회중 적어도 하나가 되도록 직렬로 권선되는 것을 특징으로 하는 전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차측의 권선수는 400회이고, 그리고
    상기 피측정 전류변성기(20)의 1차측 전류는 20 A, 2차측 전류는 5 A로서 정격변환비(N)가 4이고, 그리고
    상기 비오차 가변수단은, 상기 1차측 권선이 80회, 85회, 90회, 95회, 97회, 98회, 99회, 100회, 101회, 102회, 103회, 105회, 110회, 115회, 120회중 적어도 하나가 되도록 직렬로 권선되는 것을 특징으로 하는 전류변성기 비오차 비교기의 비오차 정확도 평가장치.
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