로고스키 코일 전류 센서, 기존 기술 대체 전망

스마트 미터와 스마트 그리드 애플리케이션, 최적의 솔루션을 찾다

(출처: Sagiam / stock.adobe.com; AI로 생성)

현대 전력망의 미래는 대부분의 대규모 산업 및 기업 시스템과 유사하다. 서비스 배치를 개선하고, 문제를 바로잡고, 효율성을 높이기 위해 전자적 최적화 시스템을 활용하는 고도로 디지털화된 형태로 진화하고 있다. 가정에 설치된 스마트 전력 계량기는 전력망 현대화의 한 요소일 뿐이지만, 이 상황에서 핵심적인 부분을 차지한다.

2023년 말 기준, 전 세계 스마트 전기 미터 시장 점유율은 43%에 달했다.^[1] 2033년까지 전 세계 스마트 미터 수가 34억 개로 증가할 것이라는 예측도 있다.^[2] 스마트 미터는 전기, 수도, 가스용으로 사용되며, 그중 압도적 다수가 스마트 전기 미터이다. 이러한 성장의 주요 원인은 스마트 미터가 데이터 기반 의사 결정을 가능하게 하고, 시간과 비용이 많이 드는 수동 운영자 개입을 줄이며, 태양광, 풍력 및 다양한 에너지 저장 방식과 같은 현대적 이종 그리드 기술의 복잡성을 고려함으로써 유틸리티 서비스 제공업체에 혜택을 제공하기 때문이다.

이러한 스마트 미터 시스템의 핵심 요소는 전류 센서의 높은 정확도이다. 기존 기계식 시스템과 전류 변압기는 현대적인 전류 감지 요구 사항을 충족시키지 못한다. 반면 로고스키 코일 전류 센서는 스마트 미터와 스마트 그리드 애플리케이션에 이상적이다. 이 글에서는 미터 및 그리드 전류 감지의 세 가지 주요 방법을 논의하고, 로고스키 코일 전류 센서가 현대적인 스마트 미터와 스마트 그리드 애플리케이션에 있어 최적의 솔루션인 이유를 밝힌다.

미터의 전류 측정 방식

가정용 전기 미터 시스템은 전기기계식 또는 전자식 계측 장치로 구성되며, 이 장치들은 순간적인 전압과 전류를 지속적으로 측정하여 시간 경과에 따른 총 에너지 사용량(일반적으로 킬로와트시(kWh) 단위)을 산출한다. 대부분의 주거용 애플리케이션에서 이러한 미터는 서비스 전선과 고객의 배전 시스템 사이에 직렬로 설치된다. 고부하 애플리케이션(일반적으로 200A 이상의 전류 부하)에서는 전류 변압기를 통해 미터를 서비스 전선이 아닌 다른 위치에 설치할 수 있다.

역사적으로 전기기계식 kWh 계량기는 가장 일반적인 유형의 전기 계량기이다. 이러한 계량기는 비자성 디스크의 전기 전도성을 이용하여 계량기가 전달하는 전력에 비례하는 속도로 디스크를 회전시키는 전자기 유도 기술을 사용한다. 이 시스템에는 전압 코일과 전류 코일이 별도로 전력을 소비하지만, 이는 계량기에 의해 기록되지 않는다. 전압 코일과 전류 코일은 전압 및 전류 신호에 비례하는 자기 플럭스를 유도하여, 전력계 디스크와 함께 2상 선형 유도 모터를 형성한다. 영구 자석은 와전류 브레이크로 사용되며, 디스크 속도에 비례하는 힘을 가해 계량기를 통과하는 전력량에 대응하도록 디스크 회전을 보정할 수 있게 한다.

전류변압기 계량기를 사용하면 기존 시스템이 모두 유지된다. 다만 서비스 도체는 전류변압기를 통과하는데, 이 변압기는 서비스 선로와 결합하여 주 서비스 선로를 통과하는 전류에 비례하는 더 작은 전류를 추출한다. 이를 통해 전류변압기가 제공하는 정확한 비례 차이를 보정하도록 교정된 전기기계식 kWh 계량기로 더 작고 비례하는 전류를 전송할 수 있다. 

이 전류 변압기는 강자성 코어를 사용하여 제작된다. 이는 넓은 전류 범위에서 매우 정확한 전류 신호를 추출하려는 시도에 몇 가지 문제를 야기한다. 주로 강자성 코어 기반 변압기는 코어 포화로 인한 비선형 효과를 경험하는데, 이는 변압기와 부하(2차 권선에 연결된 부하)의 물리적 특성에 의해 결정되는 특정 전류 수준 범위 내에서 작동하도록 설계되었음을 의미한다.

로고스키 코일은 전류가 흐르는 도체를 둘러싸는 토로이드형 전도성 와이어 코일이다. 주변 도체를 통과하는 전류는 로고스키 코일에 전압을 유도한다. 유도된 전압은 도체의 전류와 전류의 교류 주파수 모두에 따라 달라진다. 간단한 방정식 V = k*(dI/dt)를 사용하면, 여기서 k는 코일의 물리적 특성(권선 길이, 권수, 루프 크기 등)에서 도출된 상수이다. 이를 통해 코일의 전압이 시간에 따라 변화하는 전류에 의존함을 알 수 있다. 코일의 유도 전압을 선형적이고 주파수 독립적인 출력 전압으로 변환하는 간단한 전자 장치를 사용하면, 출력 전압을 교정된 스케일링 계수와 함께 사용하여 1차 도체가 운반하는 전류를 도출할 수 있다.  

철심 강자성 전류변압기, 홀 효과 및 플럭스게이트 전류 프로브와 달리 로고스키 코일 전류 센서는 외부 전자기 간섭에 대한 내성이 매우 높으며, 고전류 측정 시 포화 현상이 발생하지 않고, 경량 및 소형이며, 극히 넓은 동적 감지 범위로 설계될 수 있다. 또한 이 전류 센서는 1차 도체를 전류가 통과하는 동안 위험한 전압 수준이 발생하지 않도록 미단락 상태로 유지할 수 있다(무부하 작동). 이는 로고스키 코일이 암페어당 밀리볼트(mV/A)를 발생하도록 설계될 수 있기 때문이며, 이는 코일에서 1볼트(V)를 발생시키려면 1,000A가 필요함을 의미한다. 이 코일 설계의 소형화와 유연성은 다양한 통합 방법과 설계를 가능하게 하여 설치를 용이하게 한다.

현대 전력 계량기에 고도로 정밀하고 소형이며 유연한 전류 센서가 필요함에 따라, 로고스키 코일 전류 센서는 스마트 미터의 미래를 위한 이상적인 기술이다. 특히 Yageo Pulse RC 시리즈 로고스키 코일 전류 센서는 업계 표준을 뛰어넘도록 설계되어 스마트 미터 및 스마트 그리드 애플리케이션의 까다로운 요구 사항을 완벽히 충족시킨다. (그림 1).

그림 1: Pulse Electronics의 로고스키(Rogowski) RC01/03/05 코일 전류 센서는 현대 에너지 관리 시스템의 요구 사항을 충족하며, 50Hz에서 100mV/kA부터 600mV/kA까지의 감도 수준으로 세 가지 크기로 제공된다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)

맺음말

스마트 그리드 및 스마트 미터 산업이 발전함에 따라, 기존 시스템이 더 이상 이러한 요구를 충족시키지 못하는 상황에서 정확하고 적응 가능한 전류 감지 기술의 필요성이 분명해졌다. 그러나 로고스키 코일 전류 센서는 유연성, 정밀도 및 내구성을 제공하는 솔루션을 제시한다. 이러한 센서는 광범위한 전류를 처리할 수 있으며 전자기 간섭에 대한 저항성을 제공하여, 통합 용이성과 결합될 때 차세대 에너지 관리 시스템에 적합한 선택지가 될 것이다.

출처

[1]https://iot-analytics.com/smart-meter-adoption/
[2]https://transformainsights.com/news/global-smart-meters-2033

장-자크 들릴(Jean-Jacques DeLisle)은 로체스터 공과대학(RIT)에서 전기공학 학사학위 및 석사학위를 취득했다. RIT 재학 시에 RF/마이크로파 연구에 매진했으며, 대학 잡지에 글을 쓰고, 즉흥 코미디 동아리 창단 멤버로 활동했다. 학위를 마치기 전에 Synaptics에 IC 레이아웃 및 자동화 테스트 설계 엔지니어로 채용되었다. 동축 안테나 및 무선 센서 기술 개발 및 분석으로 6년의 연구 활동 후에 RIT를 졸업하면서 다수의 기술 논문을 제출하고 미국 특허를 출원했다. 커리어를 쌓기 위해서 아내와 함께 뉴욕시로 옮겨서 Microwaves & RF 잡지의 테크니컬 엔지니어링 에디터로 근무했다. 이 잡지사에서 근무하면서 RF 엔지니어링과 테크니컬 라이팅에 대한 자신의 역량과 열의를 어떻게 융합할지 배웠다. 이 경험을 바탕으로 기술적으로 유능한 테크니컬 라이터와 객관적인 산업 전문가의 필요성을 절감하고 RFEMX라고 하는 자신의 회사를 차렸다. 이러한 목표에 따라서 진보를 거듭하면서 회사 규모와 비전을 확대하고 Information Exchange Services(IXS)를 시작했다.