ETRI, 과전류 즉시 차단 新전류센서 모듈 개발

- 세계최초 전자파 측정방식 구현, 소형⋅정확차단⋅단순화
-『완전 전자식 차단기』 구현, 스마트 공장·전기차 등 활용

 

< ▲ 개발된 신전류센서 모듈 개요 >

 국내 연구진이 전자파를 측정하는 새로운 개념의 전류 센서 모듈을 이용해 전자식 과전류 차단기를 개발하는 데 성공했다. 스마트 공장1)을 구현하는 데 꼭 필요한 본 센서는 관련 기업에 기술이전하고 상용화 추진 중이다.

   1) 설계 및 개발, 제조 및 유통 등 생산과정에 디지털 자동화 솔루션이 결합된 ICT를 적용한 지능형 공장

 한국전자통신연구원(ETRI)는 23일, 세계 최초로 전자파를 측정하는 비코일 방식의 전류 센서 모듈을 개발했다고 밝혔다. 대용량 전기를 다루는 곳에서 과전류 차단에 효과적일 전망이다. <참고 1>  

 전류 센서 모듈은 전자식 과전류 차단기에서 전력도선에 흐르는 전류를 측정하는 장치다. 지금까지 전류를 검출하는 방법으로는 주로 열이나 자기장을 이용했다. 그러나 기존 방식들은 특정 범위에 있는 전류를 측정하지 못하거나2) 심한 오차3), 느린 측정 속도4) 등 여러 한계가 있었다. <참고 1-1, 2> 

   2) 전류센서 CT(Current Transformer)는 대전류 측정이, 로고스키 코일은 작은 전류 측정이 안됨. CT는 모터 과전류 제어용 전자식에 사용(EOCR). Eaton 회사의 제품중 Air circuit breaker에서 Rogoski coil 이용

   3) 바이메탈은 500% 오차(+- 250%)

   4) 열을 이용하는 바이메탈의 만곡(휨) 시간이 오래 걸림

 특히, 전력소비가 많은 대규모 공장의 경우, 합선5)이 일어났을 때 이를 빨리 감지해 전력을 차단해야 한다. 센서가 뒤늦게 감지해 전류가 전달되면 장비가 고장 나거나 화재로 이어져 재산상 피해와 인명사고로 이어진다. 

   5) 合線, interruption of circuit. 단락이나 Short와 같은 의미로 전기가 저항 없이 연결되어 전류가 무척 커진 상태.

 연구진은 기존 방식과 달리‘전자파’를 이용했다. 회로에 전선과 센서선6)을 나란히 배치해 이로부터 유도되는 전력 주위에 발생하는 전자파를 측정하는 방식이다. <참고 1> 

   6) 센서 선: ‘김-라인’ (국내 특허 등록번호: 1981640)

 개발된 센서 모듈은 크고 작은 범위의 전류 측정이 가능하지만, 연구진은 최대 800암페어(A)7)까지 높은 전류를 흘렸을 때도 유도 전류를 측정할 수 있음을 실험으로 확인했다.

   7) 대형 냉장고 801리터 : 35.9kWh/월, 220V 0.226A 소모 가정시 800A는 (0.226A/1대) 는 약 3,540대 소모량에 해당함

 전자파로 측정하는 비접촉 방식이기에 전력 손실도 적고 크기도 수 밀리미터(㎜)로 매우 작게 만들 수 있다. 관련 제작비용도 적어 대량 생산에도 유리하다.

 특히, 열보다 전자파를 활용하기에 측정 속도도 5배 빠르다. 기존에 합선시 강한 자기장8)을 이용하는 경우 최대 20ms(밀리미터초)로 측정된다. 반면, 본 센서로 완전 전자식 차단기를 만들면 최소 4ms9) 이내로 측정할 수 있어 안전한 전력 차단이 가능하다. 

   8) 둘을 뜻하는 Bi와 금속을 뜻하는 Metal의 합성어. 열팽창 계수가 다른 두 종류의 얇은 금속을 용접해 만든 센서

   9) 60Hz의 4분의 1파장

 연구진은 해당 전류 센서를 토대로 ▲센서 주위 잡음제거 ▲전류값 전송 사물인터넷(IoT) 통신 ▲전력 차단 등을 프로그램으로 처리하도록 지능화한 모듈 ▲모터 제어용 과전류 차단 릴레이(Overload Relay)도 만들었다. 사용자가 원하는 기능을 담아 자유롭게 시스템 개발도 가능하다. 

 연구진은 본 성과가 꿈의 차단기인 『완전 전자식 전력 차단기10)』를 만들 수 있게 되었다고 설명했다. 뿐만 아니라 개발된 모듈은 교류 전류를 이용하는 모든 곳11)에 쓸 수 있다. 특히, 가정12), 높은 전류가 필요한 공장이나 기지국, 전기차 등에서 전류 모니터링 시스템13), 전력 차단기, 직류-교류 전력 변환기 과전류 보호14) 등으로 효과적인 활용이 이뤄질 것으로 예측된다.

   10) Full Electronic Power Breaker : 순간 차단 기능이 탁월함.

   11) 교류 전류 이용 : 가정, 공장 내 기계, 건물 빌딩 내 사무실, 도로, 전기차 등

   12) 가정은 휴즈(순시)에서 바이메탈 차단기에서 2017년 순시되는 전력차단기로 법규 개정됨

   13) 공장에서 기계들에 공급 되는 전류를 측정하여 중앙에 전송하는 것

   14) 전기 자동차는 전원은 DC 배터리를 쓰지만 구동 모터는 AC를 사용하므로 DC-AC 컨버터가 필요하고, 약 100KHz 주파수를 사용함. 따라서 자동차용 AC 모터 제어용 콘트롤러에 AC 전류 센서가 필요함

 센서 선15)의 아이디어는 열을 이용하는 금속-절연체 전이(MIT16)) 소자로 전력을 차단하는 방법을 연구하는 과정에서 도출되었다. 연구진은 20년 넘는 MIT 현상규명과 소재부품 및 반도체 관련 연구로 쌓은 경험과 노하우로 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다. 

   15)  센서 선: ‘김-라인’ (국내 특허 등록번호: 1981640)

   16) Metal-Insulator Transition. 김현탁 박사가 2006년 실험으로 증명, 2009년 소자화하여 상용화함.

 ETRI 김현탁 연구전문위원은“본 기술로 제4차 산업혁명 스마트 공장 핵심 기반 기술을 만드는 모범 사례가 될 것으로 기대한다”고 말했다.

 글로벌 시장 조사 전문기관에 따르면 산업용 글로벌 전류 센서 모듈 및 응용 시스템 시장은 연평균 5.65% 성장을 기록하며 2025년에는 전 세계 시장 규모가 43조원에 달할 것으로 예측했다. <참고 3>

 본 기술은 과학기술정보통신부“휴대 단말용 급격한 전하방전 저전압 스위칭 소자 원천기술 개발”과제로 수행되었다. 연구진의 기술은 동아전기공업주식회사에 이전되었다.

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