100 kA 범위의 뇌격 전류 측정용 로고스키 코일에 관한 연구

Abstract

낙뢰로부터 기기를 보호하기 위해서는 피 보호기기의 설치 장소에 내습하는 뇌격 전류의 각종 정보가 필요하고, 뇌격 전류의 크기는 피 보호 대상기기기의 절연 내력 설계에 필요한 임펄스 내전압을 구하는데 사용된다.

뇌격 전류 측정에 사용되는 전류 센서는 정확성, 넓은 측정범위, 이와 더불어 다수의 장소에 적용을 가능하게 하기 위하여 경제성도 요구된다.

이러한 뇌격 전류의 측정에 적합한 로고스키 코일의 특성에 관련된 국내의 연구가 부족한 상황에 있으므로 로고스키 코일의 제작과정에 필요한 각종 기초 자료를 제공하는 것이 본 연구의 목적이다.

본 논문에서는 이러한 요구조건을 충족시키는 제작을 위하여 뇌격 전류의 특성과 100 kA 범위의 뇌격 전류 측정에 적합한 로고스키 코일 특성의 이론적인 배경을 살펴보았다. 이러한 이론적 배경을 바탕으로 MATLAB프로그램을 활용한 모의해석을 통하여 로고스키 코일의 제작에 필요한 설계 요소를 분석하고, 코일구조에 따른 파라미터 값을 도출하였다. 여기에 사용된 낙뢰 파형은 IEEE 1159.1 2009와 IEEE C 62-41.2 2002 규격을 준수하는 낙뢰 파형으로 100 kA의 크기를 갖는 전류 파형을 사용하였다.

모의해석을 통하여 도출한 값을 바탕으로 뇌격 전류의 크기가 최대 100 kA까지 측정 가능한 로고스키 코일을 제작하였으며, RC 소자를 이용한 수동형 적분기를 제작하였다. 제작된 로고스키 코일의 정확도를 측정하기 위하여 임펄스 전류 발생기를 사용하여 8/20 ㎲, 500 A에서 100 kA 범위까지 인가하여 표준 CT와 제작된 로고스키 코일의 특성 실험을 수행하였다.

300턴과 수동형 적분기로 이루어진 1차 시제품 로고스키 코일에 대해서 임펄스전류 500 A 인가 시험을 수행한 결과는 표준 CT는 선명하게 출력파형이 나타났지만 제작된 로고스키 코일의 경우 약 10 mV의 출력 전압 신호에 노이즈가 많이 포함되었다. 30 kA 미만의 임펄스 전류를 인가하였을 경우 파두부분에 한정하여 노이즈가 발생했지만, 30 kA 이상의 임펄스 전류를 인가하였을 때는 파미부분에도 추가적으로 발생하는 것을 확인하였다.

2차 시제품 로고스키 코일 외부 차폐를 통하여 파미부분에 나타나는 외부 노이즈는 해결할 수 있었다. 하지만 파두부분에 발생하는 노이즈는 임피던스 매칭을 통하여 소폭 감소시켰을 뿐 완전하게 해소하지는 못하였다.

따라서 이러한 노이즈를 제거하기 위하여 소프트웨어를 활용한 필터링 방법으로 접근했으며, Labview소프트웨어의 저역필터를 활용하여 이러한 문제를 해결할 수 있었다.

본 논문에서는 임펄스 전류발생기를 이용하여 8/20 ㎲, 100 kA 범위까지 실험을 수행하였으며, 제작된 로고스키 코일은 표준 CT와 비교하였을 때 출력 값 오차가 5 % 범위 이내로 그 정확성을 확인할 수 있었다.

향후 이러한 연구를 기반으로 하여 뇌격 전류측정에 필요한 로고스키 코일의 상용화가 이루어지고, 뇌격 전류의 정확한 측정을 통하여 피 보호기기의 절연설계에 큰 기여를 할 수 있다고 판단된다.