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교류 전자파를 측정하는 전류센서와 이를 이용한 과부하 전력 차단기 기술

전수책임자
김현탁
참여자
김빛나, 김선애, 김현탁, 노태문, 오진혁, 전황수, 정순규, 조성우, 조진철, 테티아나
기술이전수
2
이전연도
2020
협약과제
18HB1900, 휴대 단말용 급격한 전하방전 저전압 스위칭 소자 원천기술 개발, 김현탁
19HB1900, 휴대 단말용 급격한 전하방전 저전압 스위칭 소자 원천기술 개발, 김현탁
20HB1100, 휴대 단말용 급격한 전하방전 저전압 스위칭 소자 원천기술 개발, 노태문
기존의 과전류 방지용 電磁 개폐기 혹은 과부하 전력 차단기 (Electric switchgear or Overload Relay)는 電磁 접촉기 (Magnetic contactor: MC 혹은 전자석 릴레이)라는 전자석과 열동형 과부하 계전기 (thermal overload relay)의 결합으로 구성된다. 전자석은 금속에 도선을 감아서 만든 코일형 솔레노이드 같이 렌쯔의 법칙에 의해 전자석이 되는 것으로 구조가 매우 간단하다. 전자석은 코일에 전류가 흐르면 전자석이 되고 전류가 끊어지면 자석이 되지 않는다. 전자 접촉기는 코일에 전류를 흘려서 전자석으로 만든 후 그 자석의 힘으로 전력기기에 공급하는 전력을 스위치로 연결(On)하고 전류를 끊어서 그 스위치를 단락(Off)시킨다. 열동형 과부하 계전기(Thermal overload relay)는 전자 접촉기에서 오는 전력기기 공급용 전력 (Operation power) 라인에 니크롬선과 바이메탈을 직렬연결하고 니크롬선은 바이메탈을 감아서 니크롬선의 열을 바이메탈에 전달되도록 한다. 과전류가 흘러서 니크롬선의 열로 바이메탈이 휘어지면 그 휨 현상으로 기계적 릴레이 접점을 단락시켜서 공급전력용 전력선을 차단한다 (전기적으로 Off, 즉 전력선의 단락을 의미 함). 그런데 릴레이 접점이 on-off 될 때 전력선의 접점 사이에서 스파이크 불꽃(아크)이 튄다. 열동형 과부하 계전기를 어느 정도 장시간 사용하면 그 불꽃이 기계식 접점을 오동작시켜서 전력선에 연결된 전력기기를 파손시키는 경우가 있다. 그리고 바이메탈은 휨 온도 범위가 넓어서 빠른 전력의 차단이 어렵고 경년(經年)변화에 의해 특성이 변하는 단점도 있다. 기계식 접점을 이용하는 회로차단기는 정격전류보다 8~10배의 전류가 흐를 때 전류를 차단하므로 실제는 합선된 전력기기를 태우고 난 후 차단된다. 누전 차단기도 같은 원리로서 사후 차단된다. 따라서 보다 정밀한 전류의 관리와 빠른 차단이 요구되어 왔다. 사실은 기계식 접점과 바이메탈의 문제점을 해결하기 위하여 써미스터 센서를 이용하여 도선을 지키는 전자회로가 대안으로 나와 있다. 이것은 좋은 개선이지만 회로가 복잡하다는 단점이 있다. 따라서 보다 더 개선된 전자 개폐기의 발명이 요구되어 왔다.

ETRI 전류센서는 교류 전력도선에 흐르는 부하 전력도선에서 발생되는 전자파를 전력도선과 분리되며(비접촉) 나란한 센서도선으로 구성되고 그 센서도선이 전자파를 측정하여 1/60의 펄스를 적분하여 전류의 크기를 결정한다. 그 전류센서 모듈은 측정된 작은 신호를 키우는 증폭기와 증폭된 신호를 AD 컨버터로 변환하고 데이터를 분석하고 임계전류값에서 제어기기를 제어하는 펄스 신호를 내고 중계기로 측정값을 전달 통신하는 기능을 갖는 MCU 보드로 구성되어 있다.
기존의 교류 전류센서는 강자성 페라이트 코어를 이용하여 크기가 크고 강한 자기장에 대해 포화 현상이 있어서 큰 전류의 감지가 어렵고 빠른 것을 요하는 전력차단기에 적합하지 않다. 따라서 ETRI의 전류센서는 보다 작고 감지속도가 빠르고 고 자기장에 포화가 없는 시장에서 필요한 기술이기 때문에 본 세서 및 전력 차단 기술을 상용화 시키려고 한다
- 전자파를 이용하므로 속도가 매우 빨라서 차단기에 적용 가능
- 전류가 크지면 전자파의 세기가 증가하므로 상대적으로 센서 도선을 매우 작게 할 수 있음 (소형화 가능). 예, 연구실에서 1.2 mm도 측정하였음
- 전류가 흐르지 않을 때 (전류 제로) 상온 노이즈가 있음, 전력도선에 전류가 흐르면 점점 사라짐
- 센서 기술에서 전부 제거하여 신호가 깨끗함
- 전력도선과 센서도선의 커플링이 좋을 때 작은 전류도 잡아냄 (특수 기술 필요)
- PCB 기판에 패턴이 그려져 있어서 무게감이 없음
- 개발된 전류센서에 대한 원리
- 연산증폭기 이용 신호 증폭기술
- 전류센서 교정기술
- 전자파 노이즈 제거 알고리즘 기술
- MCU 구동 프로그램
- MCU 이용 릴레이 제어 기술
- MCU-MCU 통신 프로그램

특허 “교류 전자파를 측정하는 전류센서와 이를 이용한 차단기 (국내등록: 1981640, 출원된 미국 특허)” 의 청구항 전부
전류센서는 모니터링 시스템, 과부하 전력 차단기, 지락 및 누전 차단기, 회로차단기, MIT 아크 차단기, 전기자동차 전류 감시용, 기타 교류전류 감시 분야에 사용가능 하다.

기존의 고자기장에 포화가 있는 강자성 페라이트 코어형 전류센서를 일부 대체할 수 있고, 이 센서가 전력 차단기에 적용될 때 100년 기술인 바이메탈을 대체하여 전력도선 감시용 차단기 분야의 큰 시장에 국부창출의 기대효과가 있다.