전자 전류 변환기의 성능 구조 및 테스트

1 성능상의 장점

최근 전자형 전류변환기(Electronic Current Transformers, ECTs)는 주요 산업 동향으로 부각되고 있다. 국가 표준에 따르면 이를 두 가지 유형으로 분류할 수 있는데, 즉, 활성 광전류변환기(Active Optical Current Transformers, AOCTs, 활성 하이브리드형)와 광전류변환기(Optical Current Transformers, OCTs, 비활성 광학형)이다. 활성 하이브리드형 ECT는 저전력 전자기 변환기와 로고스키 코일을 핵심 감지 요소로 사용한다(도 1 참조).

로고스키 코일은 포화 없이 넓은 동적 범위를 가짐으로써 전류 전송 효율성을 높이는 데 있어 기존 센서보다 우수한 성능을 보인다. 그러나 외부 자기장이나 온도/습도 변화에 대한 저항성이 낮으며, 수작업 또는 다층 감기에 따른 오류 위험이 있다. 전자기 ECT들 중에서는 저전력 모델이 특히 두드러진다: 성숙한 기술, 안정적인 성능, 높은 감도, 대량 생산 가능성, 그리고 넓은 전력 시스템 적용.

2 구조 및 작동 원리
2.1 LPCT: 구조 및 작동

LPCT(저전력 전자기 ECT)는 GB/T 20840.8-2007에서 정의된 ECT 구현체로서, 대표적인 전자기 변환기로서 매년 성능과 기술적 성숙도가 향상되며, 광범위한 응용 가능성을 보여주고 있다.

LPCT는 이차 부하가 낮고 측정 요구사항이 완화된 전력 시스템에 유익하다. 고관성 재료(예: 철 기반 나노결정 합금)를 사용하여 작은 코어로 정확한 측정을 달성한다.

샘플링 저항 \(R_s\), 전자기 변환기, 신호 전송 단위로 구성된 LPCT는 다음과 같이 작동한다: 일차 버스 전류가 이차 전류로 변환되고, 샘플링 저항이 이를 일차 전류와 비례하는 전압 신호로 변환한다. 이 신호는 이중 차폐 트위스트 선 전송 단위를 통해 지능형 전자 장치(Intelligent Electronic Device, IED)로 보내져, 전송 과정에서 외부 전자기 간섭을 차단한다.

2.2 로고스키 코일의 구조 및 작동 원리

로고스키 코일은 뛰어난 선형성, 넓은 주파수 대역, 철심 없음, 낮은 비용, 경량, 설치 및 유지보수 용이성 등의 장점을 가지고 있어 다른 교류 전류 측정 방법보다 우수하다. 특히, 그들은 자화와 포화를 피하여 넓고 정확한 측정을 보장한다.

일반적으로, 연선이 비자성 스켈레톤 주위에 밀접하게 감겨 코일을 형성한다(도 2 참조). 앙페르의 법칙에 따르면, 폐쇄된 경로를 따라 자기장 강도 H의 적분은 포함된 전류와 같다. 그러나 실제에서는 정밀하고 균일한 감김(일관된 단면적을 위해)이 어렵기 때문에 안정성이 제한된다.

이를 해결하기 위해, 시스템 요구사항에 맞게 코일을 최적화한다. 예를 들어, 컴퓨터/IT 도구를 사용하여 PCB 기반 설계로 균일한 선 배치와 디지털 단면 처리를 수행한다. 두 개의 코일을 역시리즈로 감으면 전자기 간섭을 줄이고, 종방향 자기장을 상쇄하여 전압 출력과 정확성을 향상시킬 수 있다.

개선된 PCB 로고스키 코일은 전통적인 결함(예: 불충분한 간섭 저항, 부정확한 측정)을 극복하며, 간단한 구조, 과학적인 설계, 정밀한 제조로 인해 전력 시스템의 발전에 이상적이다.

3 샘플링 저항 및 로고스키 코일 내부 저항의 온도 계수 테스트
3.1 LPCT 샘플링 저항 온도 계수 테스트

실제로, 재질 특성 및 공정의 불일치로 인해 저항 값의 편차가 발생하여 측정 정확도에 영향을 미친다. 또한, 저항은 온도에 따라 변화하여 전류 변환기의 비율 오류에 크게 영향을 미친다.

결론: PCB 로고스키 코일과 LPCT 샘플링 저항 값은 온도에 따라 변동되므로, 전력 시스템에 안전 위험을 초래할 수 있다. 따라서, PCB 로고스키 코일의 온도 영향을 과학적으로 테스트하고, 샘플링 저항을 선별하여 변환기가 설계 및 운영 안정성 요구사항을 충족하도록 한다.

3.2 로고스키 코일 저항 드리프트 및 비율 오류 테스트

운영자는 다양한 온도 환경을 시뮬레이션하고, PCB 로고스키 코일을 다양한 온도에서 작동시켜 데이터 변화를 기록하고, 온도 영향을 분석하며, 설계를 최적화하여 효율성을 향상시킨다.

이 테스트는 PCB 로고스키 코일의 성능과 전력 시스템에 대한 적합성을 평가한다. 일정 온도 카메라와 LCR 테스터를 사용하여: 코일을 카메라에 배치한 후, LCR/전자 전류 테스트 시스템을 사용하여 저항 드리프트와 비율 오류를 측정하고, 제어된 온도 조건(-50 °C, 250 °C, 450 °C 등)에서 유효한 데이터를 확보한다.

테스트 후 분석: PCB 내부 저항은 온도에 민감하지만, 각도 및 비율 오류에는 온도가 거의 영향을 미치지 않아 전력 시스템 보호를 보장한다.

4 결론

전류 변환기는 전력 시스템의 보호 및 측정에 필수적이다. 그 성능은 시스템의 안정성과 사용자의 전력 공급에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 중국 전력 산업의 건전한 성장을 지원하기 위해 10 kV 전자형 전류 변환기 연구를 강화해야 한다.