2.1 Fluxgate 방식 전류센서의 구조

분석 대상인 Fluxgate 방식 전류센서의 구조는 그림 1과 같이 도체, 절연체, 센싱부, 신호처리 회로로 구성된다. 도체는 수천 암페어의 전류가 흐르는 통로가 되며 본 논문의 전류센서는 3000 [A]의 DC 전류를 측정 가능하다. 절연체는 MV급 전압과 절연을 형성한다. 차폐 구조, 코어, 코일로 구성된 센싱부는 도체에 흐르는 전류에 따라 아날로그 출력을 발생시키고 신호처리 회로를 통해 전류 계측을 수행한다. 본 논문에서는 전류센서의 자기적 내성을 확보하기 위한 차폐 재질 및 차폐 구조 분석에 대한 것으로 외부 자장에 가장 민감하게 작용하는 센싱부에서의 외부자계에 대한 자기적 영향성을 분석하고자 한다.

센싱부의 구조는 그림 2와 같이 높은 투자율의 연자성 코어 3개와 연자성 코어에 각각 감겨있는 여자권선(W1, W2), 검출권선(WS), 제로 플럭스를 형성하기 위한 2차측 권선(W2nd)으로 구성된다^[10-13]. 더불어 MVDC 변환소 내의 고전압, 대전류 환경에서 정밀한 전류 계측을 위하여 코어와 코일부에 자기적 영향을 받지 않기 위하여 차폐 구조가 필수적으로 적용된다. 또한 서론에서 서술한바와 같이 센서부의 차폐를 통하여 전류센서는 규정된 자기장 내성 시험을 만족하여야 한다. 센서부의 세부 구조를 그림 3에 나타내었다.

그림 1. Fluxgate 방식 전류센서 구성

Fig. 1. Configuration of fluxgate type current sensor

그림 2. 센서부 개념도

Fig. 2. Concept diagram of sensor section

그림 3. 센서부 세부 구조

Fig. 3. Detail structure of sensor section

2.2 자기장 내성 시험 방법

KS C 9610-4-8, 9 표준에서는 주거 및 상업지역, 산업 설비와 발전소, 중전압 및 고전압 변전소에 대한 자기장 내성 시험 방법을 규정하고 있다. 시험의 목적은 상기 적용되는 장비의 성능이 자기장의 영향을 받을 때 그 내성에 대한 일반적이고 재현 가능한 기준을 확립한다. 이 표준은 권장 시험 레벌, 시험장비, 시험배치, 시험절차에 대하여 정의하고 있다. KS C 9610-4-8 시험 레벨은 표 1과 같이 5단계 레벨과 미정 레벨 X단계로 구분되며 연속성과 단시간 지속시간 자기장 시험으로 분류된다. KS C 9610-4-9 시험 레벨도 유사한 형태이며 표 2에 나타내었다. MVDC급 전류센서는 가혹한 산업환경의 고전압 버스바에 적용되므로 레벨 5에 해당된다.

외부 자기장을 인가하기 위한 유도코일은 1[m]×1[m], 1[m]×1.26[m]의 표준코일과 레벨에 따른 전류값을 규정하고 있다. 별도로 규정하지 않은 유도코일은 중심에서의 자기장 세기를 기준으로 한다. 표 3, 4와 같이 자기장을 만들기 위한 표준코일에 대한 전류값을 규정하고 있다. 인가되는 전류파형은 KS C 9610-4-8 표준은 50 [Hz] ~ 60 [Hz]의 정현파가 인가되며 KS C 9610-4-9 표준은 전반시간 8 [μs] ± 20%, 지속시간 20 [μs] ± 20%의 임펄스 파형이 +극성 20회, -극성 20회 인가된다. 각각의 전류값은 첨두치를 나타낸다.

그림 4. 중심배치법 시험 구성

Fig. 4. Test Configuration of central placement method

시험 자기장은 유도코일의 전류로 만들어지며 피시험기에 자기장 인가는 중심배치법을 적용한다. 그림 4에 중심배치법에 따른 시험 구성을 나타내었다. 본 논문에서는 1 [m] × 1 [m] 유도코일로 자기장을 형성하여 표준에서 규정된 x, y, z축 자기장을 인가하고 차폐 구조 및 차폐 소재에 따른 전류센서 내부의 자계강도 분포를 분석하고자 한다.

2.3 전류센서 내부 자계강도 해석 방법

그림 3의 센서부 구조를 기반으로 1 [m] × 1 [m] 표준코일을 통하여 외부 자기장을 인가하며, 자기장의 인가는 KS C 9610-4-8, 9에서 규정하고 있으나 센서 내부로 침투하는 자기장의 강도는 전류의 첨두치에서 가장 강하게 나타나므로 전류의 첨두치 기준으로 114.95 [A], 1 111 [A]의 DC 전류를 외부 자기장으로 인가된 상태에서 센서 내부의 자계강도를 분석하였다. 또한 Fluxgate 방식 전류센서는 1차측 도체에 흐르는 전류와 2차측 권선에 흐르는 전류는 항상 제로 플럭스 상태를 유지하도록 동작 한다. 따라서 실제 계측을 위하여 2차측 권선(W2nd) 내부에 위치한 여자권선(W1, W2)과 검출권선(WS)은 1차측에 흐르는 전류에 영향을 받지 않으므로 1차측 도체에 흐르는 전류의 영향은 고려하지 않았다. 전류가 흐르는 도선 주위의 자계강도는 식 (1)과 같이 비오-사바르의 법칙으로 주어지며 본 논문에서는 3차원 유한요소해석을 통하여 자계강도를 계산하였다.

여기서 H : 자계강도 [A/m]

l : 도선의 길이 [m]

R : 도선까지 거리 [m]

그림 5. 차폐 구조

Fig. 5. Structure of magnetic shielding

그림 6. 재질의 비투자율

Fig. 6. Relative permeability of material

센서부는 그림 5와 같이 Toroidal 형상이므로 x축과 y축의 자계강도 계산 결과는 동일하게 나타난다. 따라서 x축과 z축의 자계강도에 대하여 분석하였다. 차폐 구조 및 재질은 Close 구조와 Open 구조에 대하여 자계강도를 비교하였으며 내부의 Open된 정도에 따라 5단계로 구분하여 분석하였다. 차폐 소재는 Steel, Si-Steel, Permalloy 3가지 소재에 대하여 자기장 차폐 특성을 비교하였다. Steel, Si-Steel, Permalloy는 각각 다양한 특성을 갖는 소재가 있으며 그 중 Steel은 S45C, Si-Steel은 Posco사의 35PN230, Permalloy는 VAC사의 ULTRAVAC 80 재질을 적용하였다. 각 재질의 포화자속밀도는 S45C 2.0 [Tesla], 35PN230 1.8 [Tesla], ULTRAVAC 80 0.6 [Tesla] 근처이며 그림 6에 각 재질의 비투자율을 나타내었다.

2.4 자계강도 및 자속밀도 해석 결과 분석

차폐 구조의 외경/내경은 208/147 [mm]이며 두께는 1.5 [mm], 폭은 30.5 [mm]로 센서부의 중심 기준으로 75 [mm]~ 102.5 [mm] 사이가 센서부의 내부에 해당한다. 이 공간에 외부 자기장으로부터 자기장이 침투되어 자계강도가 나타난다면 전류를 계측하기 위한 권선에 영향을 줄 수 있으므로 센서부 내부의 자계강도는 자계 차폐를 통하여 최소화 되어야 한다. 또한 85 [mm]~90 [mm] 사이에는 Permalloy 소재의 코어가 위치하고 있다.

그림 7은 3차원 유한요소해석을 통한 Close 차폐 구조의 자계 분포 해석 결과이다. Permalloy 소재를 적용한 경우의 자계강도 분포도 이며 센서부 내부는 거의 자계강도가 나타나지 않음을 볼 수 있다. 그림 8은 Close 차폐 구조의 재질에 따른 자계강도 해석 결과이다. 소재의 투자율이 높을수록 차폐 성능은 향상됨을 볼 수 있으며 투자율이 가장 높은 Permalloy 소재에서 자기장은 완벽하게 차폐됨을 볼 수 있다. 또한 x, y축과 비교하여 z축은 차폐 구조가 수직으로 외부 자기장을 막고 있기 때문에 자기장으로 부터의 영향도가 상대적으로 적음을 확인할 수 있다.

그림 7. 자계 분포 해석 결과 (Close 차폐 구조)

Fig. 7. Analysis results of magnetic field distribution (Close shielding structure)

그림 8. 재질에 따른 자계강도 해석 결과 (Close 차폐 구조)

Fig. 8. Analysis results of magnetic field strength by materials (Close shielding structure)

그림 9는 Open 차폐 구조의 자계강도 분포도 이며 그림 10은 Open 차폐 구조의 재질에 따른 자계강도 해석 결과이다. Close 차폐 구조와 유사하게 소재의 투자율이 높을수록 차폐 성능은 향상됨을 볼 수 있으나 Permalloy 소재의 적용에도 불구하고 열린 부분에서 자기장에 노출됨을 볼 수 있다. 특히 z축에서의 외부 자기장에 대한 차폐 효과가 크게 떨어지는 것을 볼 수 있다. 따라서 가능한 한 차폐 구조는 외부환경과 완전하게 밀폐하는 구조를 적용하는 것이 자기장 차폐에 효과적인 것을 볼 수 있다.

표 5는 Close 차폐 구조의 재질에 따른 센서부 내부의 자속밀도 분포이다. Permalloy 소재에서 차폐 구조의 최대 자속밀도는 0.2266 [Tesla]로 차폐 구조의 두께 1.5 [mm]는 충분한 것으로 판단된다. 내부 코어의 자속밀도 분포로 보아 Steel이나 Si-Steel에서는 외부 자기장의 영향으로 자속밀도가 나타나며 Permalloy 소재에서는 외부 자기장의 차폐가 원활히 이루어져 내부 코어의 자속밀도는 거의 나타나지 않는다. 또한 z축의 외부 자기장에 대한 영향보다는 x, y축 에서의 외부 자기장에 영향을 많이 받음을 볼 수 있다.

그림 9. 자계 분포 해석 결과 (Open 차폐 구조)

Fig. 9. Analysis results of magnetic field distribution (Open shielding structure)

그림 10. 재질에 따른 자계강도 해석 결과 (Open 차폐 구조)

Fig. 10. Analysis results of magnetic field strength by materials (Open shielding structure)

표 5 재질에 따른 자속밀도 분포 (Close 차폐 구조)

Table 5 Magnetic flux density distribution by material (Close shielding structure)

표 6은 Open 차폐 구조의 재질에 따른 센서부 내부의 자속밀도 분포이다. 내측이 열려있는 차폐 구조로 인해 Close 구조 보다는 외부 자기장에 영향을 받아 전체적인 자속밀도 분포는 Close 구조 보다 높게 나타난다.

표 6 재질에 따른 자속밀도 분포 (Open 차폐 구조)

Table 6 Magnetic flux density distribution by material (Open shielding structure)

그림 11은 차폐 구조의 open된 정도에 따른 자계강도 해석 결과이다. 차폐 구조의 내측 부분 구조를 open된 정도에 따라 5단계로 구분하였으며 외부 자기장은 1 111 [A] DC 전류를 인가하였다. 자계강도 계산 위치는 전류 계측에 영향을 줄 수 있는 여자권선(W1, W2), 검출권선(WS), 2차측 권선(W2nd)이 배치되는 반경방향 73[mm], 92[mm] 두 위치에서의 평균값으로 계산하였다. 차폐 구조 내부의 자계강도 계산 결과 소재의 영향에 따라 차폐 특성은 크게 좌우되며 완전 밀폐하는 Close 구조에서 자기장 차폐는 가장 우수한 특성을 나타낸다. 또한 Toroidal 형태의 전류센서에서 x, y축 자기장에 대한 차폐는 외부 차폐 구조로 충분한 차폐가 이루어지고 있으므로 내부 구조의 형상에 따른 영향도는 크지 않음을 볼 수 있다. 하지만 z축의 경우 투자율이 낮은 소재일수록 내부의 밀폐가 이루어지지 않으면 외부 자기장의 침투가 급격하게 발생한다.

그림 11. 차폐 구조에 따른 자계강도 해석 결과 (1 111 [A])

Fig. 11. Analysis results of magnetic field strength by shielding structure (1 111 [A])