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ETRI, 과전류 즉시 차단 新전류센서 모듈 개발

- 세계최초 전자파 측정방식 구현, 소형⋅정확차단⋅단순화

-『완전 전자식 차단기』 구현, 스마트 공장·전기차 등 활용

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

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 못하거나 심한 오차, 느린 측정 속도 등 여러 한계가 있었다. <참고 1-1, 2>

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

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

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

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 자기장을 이용하는 경우 최대 20ms(밀리미터초)로 측정된다. 반면, 본 센서로 완전 전자식 차단기를 만들면 최소 4ms 이내로 측정할 수 있어 안전한 전력 차단이 가능하다.

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 차단기』를 만들 수 있게 되었다고 설명했다. 뿐만 아니라 개발된 모듈은 교류 전류를 이용하는 모든 곳에 쓸 수 있다. 특히, 가정, 높은 전류가 필요한 공장이나 기지국, 전기차 등에서 전류 모니터링 시스템, 전력 차단기, 직류-교류 전력 변환기 과전류 보호 등으로 효과적인 활용이 이뤄질 것으로 예측된다.

센서 선의 아이디어는 열을 이용하는 금속-절연체 전이(MIT) 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.

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. <보도자료 본문 끝>

참고1

개발기술 기본개요

[참고 1-1]

(a) CT와 Rogoski coil의 특성 비교

(b) 전력선과 센서선과의 관계

(c) PCB 위에 두꺼운 전력선

[참고 1-2] 왼쪽 그림은 모듈의 뒷면으로 센서 선을 보여줌. 가운데 그림은 모듈의 앞면의 증폭기 부분임. 센서선과 전선 사이에는 참고 1-1에서 언급된 d가 존재함

참고2

과전류 차단 센서 방식별 특징 비교

지표	CT	로고스키 코일	바이메탈	ETRI 김-라인 (비코일)
방식	자기장 이용	자기장 이용	열 이용	전자파 이용
측정 범위	소전류 측정 가능 (대전류 측정 불가)	대전류 측정 가능 (소전류 측정 불가)	대전류 측정 가능	모든 범위 측정 가능 (~800A 확인)
정밀도	소전류에서 정확 (오차 범위 수% 이내)	대전류에서 정확 (오차 범위 수% 이내)	부정확 (오차 범위 500% 이내)	모든 전류 정확 (오차 범위 수% 이내)
합선 측정 가능 속도	측정 불가	원리적으로 가능하나 부피가 커서 상용화 제품 없음	느림 (약 20 m/s + 합선시, 정격 전류 8~15배 오차)	빠름 (컴퓨터 측정 시 원리적으로 최소 4 m/s 가능 확인)
크기	수 cm ~ 약 15cm 부피가 큼	수 cm ~ 20cm (대전류용으로 부피가 큼)	수 cm (기계식 시스템으로 매우 복잡, 부피도 큼)	수 mm ~ 2 cm (PCB 패턴으로 부피 매우 작음)
가격	높은 편 (규격에 따라 다름)	높은 편 (규격에 따라 다름)	높은 편 (규격에 따라 다름)	매우 낮은 가격이며 시스템으로 판매 가능 (ex 센서모듈, 차단기, 모니터링 시스템 등)

※ 완전 전자식 전력 차단기 : 기존 전자식으로 알려진 모터 과전류 차단용 EOCR(전자식)은 CT 전류센서(정격전류의 4배 정도 측정)를 사용함. 따라서 국제인증 규격 (IEC 60947-1 과 –2)에는 순간차단(순시) 기능이 있지만 CT 사용 제품은 센서의 한계로 국제 인증품이 없음. 어느 정도 높은 전력 차단기(Air circuit breaker, 1kA 이상)는 부분 전자식 전력 차단기로서 장한시(과전류가 정격전류의 1.5배 이하 차단), 단한시(정격전류의 7.2배 이하 차단)는 전자식이나 순시(순간 차단) 기능은 자기장 방식으로 전자식과 자기장 방식을 혼합하고 있음. 현재까지 완전 전자식은 없음.

참고3

전류센서 모듈 응용 시장 전망 조사 자료

□ 전류 센서 시장 규모 <단위: 백만 달러>
구분	2020	2021	2022	2023	2024	2025
규격별 전류센서 모듈	1,757	1,944	2,130	2,334	2,557	2,802
분기회로 감지장치 포함 전력(에너지)모니터링시스템	23,635	24,741	25,898	27,110	28,322	29,588
과부하 계전기 (OverloadRelay)	169	176	184	192	200	208
전력 및 누전 차단기	4,614	4,834	5,064	5,295	5,536	5,788
전 세계 시장 규모 (성장률 %)	29,175	31,695 (8.64)	33,276 (4.99)	34,931 (4.97)	36,615 (4.82)	38,386 (4.84) 1$=1132원, 약 43조원

[참고] 전류센서의 응용시장을 글로벌 마켓 보고서에서 인용.