KR20110116282A - 직류변류기의 오차 보상 방법 및 이를 이용한 직류변류기 - Google Patents

직류변류기의 오차 보상 방법 및 이를 이용한 직류변류기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 직류 변류기의 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 구하는 단계와; 상기 직류 변류기의 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 구하는 단계와; 상기 홀소자의 전압을 측정하는 단계와; 상기 측정된 전압을 근거로 상기 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 통해 자속을 구하는 단계와; 상기 구한 자속을 근거로 상기 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 통해 상기 직류 변류기에 흐르는 1차 전류를 구하는 단계를 포함하여 이루어지고, 그 결과 직류변류기의 오차를 현저하게 감소시킬 수 있어 정확도가 매우 높은 직류변류기의 제작이 가능하다.

Description

직류변류기의 오차 보상 방법 및 이를 이용한 직류변류기{A Method for compensating errors of DC current transformer and a DC current using the method}
본 발명은 직류변류기(DC Current Transformer)의 오차를 보상하는 방법 및 이를 이용한 직류변류기에 관한 것으로, 특히 공극코어와 홀센서에서 발생하는 오차를 제거함으로써, 직류변류기의 오차를 보상하는 방법 및 이를 이용한 직류변류기에 관한 것이다.
변류기란 전력 계통에 흐르는 전류를 측정하여 보호 계전기에 입력하기 위한 장치로서, 흐르는 전류를 측정하기 위한 방법으로, 자속의 변화량을 측정하거나 자속을 측정하는 방법이 있다.
전자의 방법을 사용하는 AC 변류기는 주로 철심변류기를 사용해 왔고, 측정의 정확도를 위해 공심변류기, 광변류기, 공극변류기, 철심변류기보상 등을 사용해 왔다. 후자의 방법을 사용하는 AC변류기와 DC변류기(DCCT: DC current transformer)는 홀효과(Hall effect) 소자, 자기저항소자(magnetoresistor) 등의 자기센서를 부착하여 사용해 왔다.
DC 전류는 자속의 변화가 없기 때문에 후자의 방법만 사용가능하다. 또한 자속을 전압신호로 변환해주는 홀효과를 이용한 소자가 DCCT에 널리 사용된다.
홀효과를 이용한 소자는 홀소자(Hall Device)이고, 홀소자를 이용한 변류기는 홀변류기(HCT: Hall Current Transformer)이다. HCT는 빠른 응답특성 때문에 DC 전류 측정 뿐만아니라 AC 전류측정에도 사용가능하다.
HCT는 공극코어, 홀센서, 증폭기 등으로 구성되어 있다. 상기 공극코어는 자속밀도를 높이기 위해 철심을 사용하고, 홀소자에 구동전원을 인가하여 전압신호를 출력하는 센서인 홀센서는 자속밀도를 전압신호로 변환한다. 홀센서의 출력 전압신호인 홀전압이 수백 mV로 매우 낮기 때문에 홀전압을 높이기 위해 증폭기를 사용한다.
그러나 종래의 HCT는 위에서 언급한 공극코어, 홀센서, 증폭기 등으로 구성됨으로써 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공극코어와 홀센서에서 발생하는 오차를 제거함으로써, 직류변류기의 오차를 보상하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 직류 변류기의 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 구하는 단계와; 상기 홀소자의 전압을 측정하는 단계와; 상기 측정된 전압을 근거로 상기 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 통해 자속을 구하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 본 발명은 상기 직류 변류기의 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 구하는 단계와; 상기 구한 자속을 근거로 상기 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 통해 상기 직류 변류기에 흐르는 1차 전류를 구하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 직류 변류기의 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 구하는 단계는, 일정한 자속을 홀소자에 인가하여 상기 홀소자의 전압과 온도(T)와의 특성관계를 구하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 직류 변류기의 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 구하는 단계와; 상기 직류 변류기의 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 구하는 단계와; 상기 홀소자의 전압을 측정하는 단계와; 상기 측정된 전압을 근거로 상기 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 통해 자속을 구하는 단계와; 상기 구한 자속을 근거로 상기 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 통해 상기 직류 변류기에 흐르는 1차 전류를 구하는 단계를 포함하여 이루어진다.
그리고 본 발명에 따른 직류변류기는 위에서 언급한 하나의 방법으로 구현된다.
본 발명은 직류변류기의 오차를 현저하게 감소시킬 수 있어, 코어의 오차를 줄이기 위해 코어 크기를 크게 제작하거나 고가의 코어 재질을 사용 없이 정확도가 매우 높은 직류변류기의 제작이 가능할 뿐 아니라,
또한 본 발명은 정확한 전류크기를 측정할 수 있어, 사고 시 보호용 계전 시스템의 오동작을 막고 신속 정확한 전력 계통을 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 병에 따른 직류변류기의 오차보상방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.
도 2은 직류 변류기를 나타낸 도면이다.
도 3는 도 1의 직류변류기의 홀소자를 확대해서 나타낸 도면이다.
도 4은 InSb, GaAs 홀소자의 전압-온도 특성 곡선이다.
도 5는 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 나타낸 특성그래프이다.
도 6는 일정한 온도하에서 종래 기술과 본 발명에 따라 직류 변류기에 흐르는 전류값을 측정한 표이다.
도 7는 일정한 전류하에서 종래 기술과 본 발명에 따라 직류 변류기에 흐르는 전류값을 측정한 표이다.
이하에서는 본 발명에 따른 직류변류기의 오차 보상 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직류변류기의 오차 보상 방법의 바람직한 실시예는, 일정한 자속을 홀소자(22)에 인가하여 상기 홀소자(22)의 홀전압과 온도와의 특성관계를 구하는 단계(S1)와; 공극코어(21)의 전류와 자속과의 특성관계를 구하는 단계(S2)와; 직류변류기(20)의 홀소자(22)의 홀전압(
Figure pat00001
)을 측정하는 단계(S3)와; 온도에 따라 변화하는 계수(홀전압을 자속으로 환산하는 값)를 정확히 계산하여 공극코어(21)에 걸리는 자속을 구하는 단계(S4)와; 상기 구해진 자속을 공극코어(21)의 전류와 자속 사이의 특성 곡선에 적용하여 공극코어(21)의 비선형 오차를 개선하여 1차 전류를 구하는 단계(S5)를 포함하여 이루어진다.
도 2는 직류 변류기를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 직류변류기의 홀소자를 확대해서 나타낸 도면이다. 여기서, l mag 는 자기코어의 길이이고, I 1은 1차 전류이고, l air 은 공극의 길이이고, I C 은 홀소자에 인가한 전류이고, A는 자기코어의 단면적이고, V H 는 홀전압이고,
Figure pat00002
는 자속이고, H는 자계이다.
그리고 d는 홀소자의 두께이고, w는 홀소자의 폭이고, l은 홀소자의 길이이고, v는 전자의 속도이고, B는 자속밀도이고, F e 는 전기력이고, F m 은 자기력이다.
먼저 홀소자(22)의 전압과 온도와의 특성관계를 구하기 위해서 일정한 자속을 홀소자(22)에 인가하여 상기 홀소자(22)의 홀전압(
Figure pat00003
)과 온도(T)와의 특성관계를 구한다(S1).
또한 공극코어(21)의 전류(I)와 자속(
Figure pat00004
)과의 특성관계를 구한다(S2).
본 발명은 직류변류기(20)가 가지는 홀소자(22)의 온도(T)에 따른 오차와 공극 코어(21)에서 발생하는 오차를 보상하기 위해 먼저, 홀소자(22)에 발생하는 홀전압(
Figure pat00005
)을 측정한다(S3).
상기 측정된 전압(
Figure pat00006
)을 근거로 상기 공극코어(21)에 걸리는 자속(
Figure pat00007
)을 [식 1]을 참조하여 구한다(S4).
Figure pat00008
-----------[식 1]
이때, 홀전압(
Figure pat00009
)과 자속(
Figure pat00010
)은 온도(T)가 일정할 경우 상수 배 관계를 가진다. 하지만 온도(T)에 따라 홀전압(
Figure pat00011
)과 자속(
Figure pat00012
) 사이의 관계 값인 k(T)값은 변한다.
따라서, 현재 온도에서의 정확한 k(T)값을 구하기 위해 도 4를 참조한다.
도 4는 InSb, GaAs 홀소자(22)의 전압-온도 특성 곡선으로 일정한 자속(
Figure pat00013
)을 일정한 값으로 인가하고, 온도를 변화 시키면서 변화하는 홀전압(
Figure pat00014
)을 측정하여 온도와 홀전압과의 관계를 곡선으로 나타낸 것이다.
따라서, 현재 온도에서 정확한 k(T)값은 상기 측정된 홀전압(
Figure pat00015
)을 인가한 일정한 자속밀도(B)로 나누어서 구한다.
이때, 상기 홀소자(22)의 전압-온도 특성 곡선에 관한 데이터는 홀소자(22) 구매 시 주어지기도 하고, 없는 경우 실험을 통해 구할 수 있다.
실험을 통해서 구하는 방법은 일정한 자속을 홀소자(22)에 인가하여 상기 홀소자(22)의 홀전압과 온도와의 특성관계를 구하는 것이다.
위와 같은 방법으로 현재 온도에서의 구한 정확한 k(T)를 [식 1]에 적용하여 오차가 개선된 자속(
Figure pat00016
)을 구한다.
다음으로, [식 1]을 통해 구한 자속(
Figure pat00017
)을 이용하여 직류 변류기에 흐르는 전류(
Figure pat00018
)를 구한다(S5).
이를 위해, 공극코어의 전류와 자속 사이에 도 5와 같은 특성 그래프를 사용하여 정확한 전류를 구한다.
도 5는 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 나타낸 특성그래프이다.
여기서, 점선(51)는 전류와 자속의 비선형 특성을 고려하지 않은 이상적인(ideal) 관계를 나타낸 그래프이고, 실선(52)은 전류와 자속의 비선형 특성을 고려한 특성그래프이고, I error 는 측정한 전류의 오차이고,
Figure pat00019
meas 는 측정한 자속이다.
자속과 전류 사이의 이상적인 관계를 나타낸 점선(51)는 [식 2]와 같이 직선의 관계식으로 나타낸다. 이렇게 표현된 자속과 전류 사이에는 공극 코어의 비선형 특성에 의한 오차를 포함하고 있다. 오차는 [식 3]과 같이 나타내어진다.
본 발명에서는 도 5에서 나타낸 실선과 같이 공극 코어의 자속과 전류의 비선형 특성을 데이터화 하여 오차가 개선된 자속을 데이터에 적용하여 공극 코어의 비선형 특성으로 발생하는 오차가 개선된 1차 전류를 구한다.
Figure pat00020
-----------[식 2]
Figure pat00021
-----------[식 3]
위와 같은 방법으로 구현된 직류 변류기의 오차 보상 방법의 효과를 살펴보기 위하여 종래의 방법과 본 발명에 따라 측정한 데이터를 도 6~ 도 7에 나타내었다.
도 6은 일정한 온도하에서 종래 기술과 본 발명에 따라 직류 변류기에 흐르는 전류값을 측정한 표이다.
도 7은 일정한 전류하에서 종래 기술과 본 발명에 따라 직류 변류기에 흐르는 전류값을 측정한 표이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 온도가 일정하고 직류 변류기에 흐르는 참 전류(
Figure pat00022
)의 값을 다양하게 가변시킨 경우, 본 발명의 실시예에 따른 보상방법으로 구해진 전류(
Figure pat00023
)의 크기는 가변하는 참 전류(
Figure pat00024
)의 크기와 동일함을 알 수 있다. 반면에 기존의 방법으로 측정한 전류는 참 전류(
Figure pat00025
)와 오차가 있음을 알 수 있다.
또한 도 7에 나타난 바와 같이, 직류 변류기에 흐르는 참 전류(
Figure pat00026
)의 값이 일정하고 온도를 가변시키는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 보상방법으로 구해진 전류(
Figure pat00027
)의 크기는 주위 온도에 상관없이 참 전류(
Figure pat00028
)의 크기와 동일함을 알 수 있다. 반면에 기존의 방법으로 측정한 전류는 참 전류()와 오차가 있음을 알 수 있다.
20 : 직류변류기
21 : 공극코어
22 : 홀소자

Claims (6)

  1. 직류 변류기의 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 구하는 단계와;
    상기 홀소자의 전압을 측정하는 단계와;
    상기 측정된 전압을 근거로 상기 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 통해 자속을 구하는 단계를 포함하여 이루어지는 직류변류기의 오차 보상 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 직류 변류기의 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 구하는 단계와;
    상기 구한 자속을 근거로 상기 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 통해 상기 직류 변류기에 흐르는 1차 전류를 구하는 단계를 포함하여 이루어지는 직류변류기의 오차 보상 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자속을 구하는 단계는, 하기의 식을 이용하여 자속을 구하는 것을 특징으로 하는 직류변류기의 오차 보상 방법.
    Figure pat00030
    , 여기서, k(T)는 온도에 따른 상수값이다.
  4. 제 3항에 있어서,
    직류 변류기의 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 구하는 단계는,
    일정한 자속을 홀소자에 인가하여 상기 홀소자의 전압과 온도(T)와의 특성관계를 구하는 것을 특징으로 하는 직류변류기의 오차 보상 방법.
  5. 직류 변류기의 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 구하는 단계와;
    상기 직류 변류기의 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 구하는 단계와;
    상기 홀소자의 전압을 측정하는 단계와;
    상기 측정된 전압을 근거로 상기 홀소자의 전압과 온도와의 특성관계를 통해 자속을 구하는 단계와;
    상기 구한 자속을 근거로 상기 공극코어의 전류와 자속과의 특성관계를 통해 상기 직류 변류기에 흐르는 1차 전류를 구하는 단계를 포함하여 이루어지는 직류변류기의 오차 보상 방법.
  6. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 방법으로 구현된 직류변류기.


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