1. 서 론

현대 산업과 전력 시스템에서 전압과 전류를 정밀하게 측정하는 기술은 매우 중요하다. 특히, 전력망, 전기차, 신재생 에너지, 의료기기, 반도체 공정 장비 등 다양한 분야에서는 높은 전압을 다루면서도 미세한 전류 변화를 정확하게 측정해야 하는 요구가 증가하고 있다. 전통적인 전압·전류 측정 방식은 저전압 환경에서는 비교적 안정적이지만, 고전압 환경에서는 절연 문제, 신호 왜곡, 노이즈 간섭 등의 여러 가지 기술적 한계가 존재한다. 특히, 수십 kV 이상의 전압을 측정하거나 μA 단위의 작은 전류 변화를 감지해야 하는 경우, 기존의 측정 기술만으로는 충분한 신뢰성과 정밀도를 보장하기 어렵다. 따라서 고전압 환경에서도 높은 정밀도를 유지하면서 안정적으로 측정할 수 있는 전압센서와 전류센서의 개발이 필수적이다.

현대 사회에서는 전력 시스템의 고도화, 전기차 및 신재생 에너지의 확산, 산업 자동화 및 의료기기의 정밀화로 인해 고전압 환경에서의 신뢰성 높은 전압·전류 측정이 필수적이다. 스마트 그리드 및 초고압 송·배전 계통에서는 실시간 전력 품질 관리가 요구되며, 전기차와 배터리 관리 시스템에서는 고전압 배터리의 효율적인 충·방전 제어를 위해 고정밀 측정 기술이 필요하다. 또한, 도체·디스플레이 제조 공정, 고전압 플라스마 및 레이저 가공 장비, 의료 영상 기기(MRI, X-ray) 등에서도 정밀한 전압·전류 모니터링이 필수적이며, 기존 측정 기술의 절연 한계, 노이즈 간섭 문제를 해결할 새로운 센서 기술이 요구된다. 따라서 고절연, 저잡음, 고속 응답성을 갖춘 차세대 전압·전류 센서 개발이 필수적이며, 이를 통해 에너지 효율성 향상, 전력 시스템의 안전성 증대, 산업 자동화 및 첨단 기술의 발전이 가능해질 것이다^[1-2].

고전압 전력기기의 제어기는 통신 기술의 발전과 함께 기존 아날로그 방식에서 디지털 기반의 IED(Intelligent Electronic Device)로 진화하고 있다. 이에 따라 전력공급 시스템에서 기본적인 전압 및 전류 계측을 담당하는 핵심 부품도 변화가 요구된다. 기존에는 CT(Current Transformer)와 PT(Potential Transformer)가 주로 사용되었으나, 다음과 같은 한계가 존재한다. 첫째는 철심 포화에 따른 비선형 특성으로 CT 및 PT는 강자성체 철심을 사용하므로, 철심이 포화될 경우 전압-전류 특성이 비선형적으로 변한다. 이에 따라 낮은 전류 또는 높은 전류 영역에서 정밀한 계측이 어렵고, 제어기의 오동작을 유발할 수 있다. 둘째로는 높은 정격부담으로 인한 사고 위험으로 CT와 PT의 전형적인 정격부담은 15 VA 이상으로, 2차 회로 개폐 시 사고로 이어질 가능성이 존재한다. 이러한 특성은 정밀한 디지털 계측이 요구되는 IED 환경과 맞지 않는다. 셋째로 제품의 낮은 가용성으로 정격전압과 전류에 따라 별도의 제품을 개발해야 하므로, 예를 들어 25.8 kV급 고전압용만 해도 수십 종에 달한다. 이에 따라 시스템 설계의 유연성이 떨어지고, 유지나 관리 측면에서도 비효율적이다. 넷째로는 대형화 및 중량 문제로 CT 및 PT는 크기와 무게가 크기 때문에 전력기기의 소형화 및 경량화에 적합하지 않다. 이와 같은 한계로 인해, 고정밀·고신뢰성 계측이 가능하고 시스템 통합에 유리한 전자식 전압 및 전류 센서의 개발이 필요하다.

따라서, 이러한 단점을 보완하기 위하여 전자식 전압/전류 센서를 개발하여 고전압 전력기기 임베디드화로 다음과 같은 장점을 추구할 수 있다.

첫째 철심이 없으므로 포화가 일어나지 않고, 전압-전류 특성이 선형성을 가지며 정밀한 계측이 가능하다. 둘째 정격이 1 A 보다 적어 2차로의 개폐시에 문제를 발생하지 않고, 작은 전력이 필요한 IED에 적합하다. 셋째로는 적은 수의 타입으로 25.8 ㎸급까지 넓은 범위의 제품을 구현할 수 있다. 넷째로 크기와 무게가 작아 경량화 및 전력소비 절감에도 기여할 수 있다. 따라서, IED와 쉽게 매칭할 수 있고, 정밀도가 높은 친환경적인 전압/전류 센서의 전자기적인 특성을 해석하고자 한다^[3-6].

고전압 고정밀 전압·전류 센서를 개발하기 위해서는 여러 가지 중요한 기술적 요소를 고려해야 한다. 첫째, 정확도와 분해능이 중요하다. 센서는 매우 작은 전압 및 전류 변화를 감지해야 하므로, 고정밀 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 저잡음 연산 증폭기를 사용하는 것이 필수적이다.

둘째, 고전압 절연 및 안전성을 확보해야 한다. 고전압 환경에서는 측정 시스템과 사용자 보호를 위해 충분한 절연 설계가 필요하다. 이를 위해 갈바닉 절연(Galvanic Isolation) 기술을 적용하며, 옵토커플러(Optocoupler), 절연 증폭기(Isolated Amplifier), 변압기 기반 절연(Transformer Isolation) 등의 방법이 사용된다. 또한, 과전압 및 서지로부터 보호하기 위해 TVS(Transient Voltage Suppression) 다이오드, 바리스터 등의 보호 회로를 포함해야 한다.

셋째, 노이즈(Noise) 및 EMI/EMC 대응이 필요하다. 고전압 환경에서는 외부 전자기 간섭(EMI)이 심할 수 있으며, 이는 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 이를 해결하기 위해 차동 측정 방식을 적용하고, 신호선의 차폐 처리 및 저잡음 필터링 기법을 활용하여 외부 간섭을 최소화해야 한다. 또한, PCB 설계 시 접지 및 신호 경로 최적화를 통해 EMI 및 EMC(전자기 적합성) 문제를 해결할 수 있다.

넷째, 온도 안정성 및 보상이 필요하다. 센서는 다양한 환경에서 안정적으로 동작해야 하므로, 온도 변화에 따라 성능이 저하되지 않도록 저온 드리프트가 낮은 부품을 사용해야 한다. 그리고 온도 보정 회로를 적용하여 장기적인 신뢰성을 확보해야 한다.

다섯째, 대역폭 및 응답 속도도 고려해야 한다. 고속으로 변하는 전압과 전류를 실시간으로 측정해야 하는 경우, 높은 샘플링 속도를 가지는 ADC를 선택하고, 신호처리 회로에서 불필요한 지연을 최소화하는 설계를 적용해야 한다.

결론적으로, 고전압 고정밀 전압·전류 센서를 개발하기 위해서는 높은 정확도, 신뢰성 있는 절연 기술, 노이즈 억제, 온도 안정성, 빠른 응답 속도, 정밀한 캘리브레이션, 소형화 및 통신 기능 등 다양한 요소를 종합적으로 고려해야 한다. 이러한 요소들이 충족될 때, 산업 및 전력 응용 분야에서 신뢰성 높은 고정밀 센서를 구현할 수 있다^[7-11].

본 논문에서는 고전압 전력기기인 전자식 전압센서 및 전류센서를 개발하고 전자장 수치해석을 수행하였다. 전압센서는 차폐구조를 설치하여 외부로부터 전자기 간섭을 차단하고, 내부 신호의 외부 누설을 방지하며 전계의 국부적 집중을 방지하여 정밀도를 향상시키고자 한다. 전류센서는 강자성체를 제거한 로고스키 코일을 이용하여 전압-전류 특성을 개선하여 정밀도 향상을 도모한다. 그리고 전자장 수치해석을 통해 전계 분포를 최적화하고, 절연 성능을 강화하며, 온도 및 손실을 평가하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전자기 간섭을 최소화함으로써 센서의 측정 정확도를 높일 수 있다. 전압센서의 전계해석을 통하여 차폐구조물의 이격거리와 길이에 따른 전계특성을 파악할 수 있었으며, 전류센서의 자계해석으로 2차 코일의 유기기전력 특성을 파악할 수 있었다. 고전압 전력기기의 설계 및 운용에서 전자장 수치해석은 필수적인 요소로 고려되어야 한다.

2. 전자식 전압센서

전압분배법칙은 고전압을 측정하는 가장 기본적인 방법으로 그 원리는 그림 1와 같다. 본 연구에서는 고정밀 저항 제조 기술과 주변 환경으로부터 영향을 받지 않는 차폐 기술을 적용하여 전자식 전압센서를 개발하였다. 강자성체 코어를 제거하여 자기포화 특성을 없애고 전압센서의 선형성을 갖도록 하였다.

그림 1. 전압분배법칙을 이용한 전자식 전압센서의 측정원리 및 실제

Fig. 1. Measurement principle using voltage division law and actual structure of electronic voltage sensor

시험 대상 전자식 전압 센서는 독립적인 전원 공급 및 외부 제어 시스템과의 연계 없이 자체적으로 동작하며, 설치 및 운영이 용이한 독립형(stand-alone type) 장치이다. 표 1에는 해석 대상의 전자식 전압센서의 구체적인 사양을 나타내었다.

기존의 PT는 2차 측에 계측기, 보호계전기 등의 부하(burden)와 철손 및 동손으로 인해 전력소모가 발생한다. 전자식 전압센서는 전압을 직접 비례적으로 낮추는 아날로그식 PT와 비교하여 저전력 소모의 디지털 회로로 구성된다. 전자식 전압센서는 에폭시 절연, 고정밀 저항 및 접지 차폐구조를 이용하여 고전압 고정밀 측정을 하고자 하였다. 전자식 전압센서의 전계분포 해석을 위하여 표 2의 제원을 갖는 전압센서를 채택하여 정전계 2차원 유한요소해석을 수행하였다. 그림 2은 차폐구조를 갖는 전자식 전압센서의 해석모델 및 등전위 분포를 보이고 있다. 해석결과에서 색상과 등전위선은 전위의 크기를 나타내고, 붉은색에 가까울수록 전위가 높고, 파란색에 가까울수록 전위가 낮다. 그리고 중앙 상단 부분이 고전압 입력 지점이며, 전위가 약 13 kV 이상에서 시작되고, 하단과 주변으로 갈수록 점차 감소하여 수 V까지 떨어진다. 그림 3에서는 전압센서의 전계분포와 차폐구조 부분의 전계강도를 보이고 있다. 전계는 등전위선의 간격이 좁을수록 세기가 크므로 결과에서 전계가 강한 영역은 색이 급격히 변하고 등전위선이 밀집된 센서 내부 접점 부위(특히 가운데 좌우 양 끝점 부근)이다. 이 부위는 전계 집중이 일어나는 곳으로, 절연설계나 차폐 설계에서 가장 중요하게 고려해야 할 부분이다.

그림 2. 전자식 전압센서의 해석모델과 등포텐셜 분포

Fig. 2. Analysis model with index and distributions of equi-potential line for electronic voltage sensor

그림 3. 전자식 전압센서의 전계 분포

Fig. 3. Distributions of electric field intensity for electronic voltage sensor

계측용 센서는 입력에 대하여 2차측의 측정결과가 선형성을 가져야 정밀도 및 측정범위를 넓게 가질 수 있다. 그림 4는 차폐구조를 갖는 전압센서의 구조와 실험장치이다. 그림 5은 전자식 전압센서의 선형성을 확인할 수 있는 입력전압과 출력전압의 선형성 결과이다.

그림 4. 전자식 전압센서의 차폐구조 및 선형성 측정 실험장치

Fig. 4. Shield structure and experimental setup for measuring linear characteristics

그림 5. 전자식 전압센서의 선형 특성

Fig. 5. Linear characteristics of electronic voltage sensors

3. 전자식 전류센서

전력선에 교류전류가 흐를 때 암페어 법칙(Ampere's law)과 패러데이 법칙(Faraday's law)에 의해 발생된 유도전류로부터 전류를 측정하는 전류 센서의 기본원리는 그림 6과 같다. 로고스키 방식의 전류 센서는 도체를 감싸는 형태의 공심(air-core) 코일을 이용하여 전류를 측정하는 방식으로, 자기 유도 원리에 기반한다. 교류가 흐르는 도체 주변에는 시간에 따라 변화하는 자기장이 형성되며, 로고스키 코일은 이 자기장의 변화율에 비례하는 유도전압을 발생시킨다. 이 유도전압은 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 도체 전류의 시간 변화율에 비례하므로, 적분 회로를 이용하여 신호를 처리하면 실제 전류값을 얻을 수 있다. 로고스키 방식 전류 센서는 철심 코어가 없는 구조적 특성상 히스테리시스나 포화 문제에서 자유로우며, 넓은 주파수 대역에서 높은 정확도로 전류를 측정할 수 있다. 또한, 비접촉 방식이므로 기존 전력 시스템에 쉽게 적용할 수 있으며, 고전류 측정에도 적합하여 전력 품질 분석, 보호 계전기, 및 고전압 설비 모니터링 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

그림 6. 전류센서의 원리 및 해석 모델

Fig. 6. Principle of current sensor and analysis model

전자식 전류센서의 자계분포 및 유도전압 특성을 해석하기 위하여 차폐구조를 갖는 전류센서를 모델링하고 그 주위에 유도코일을 설정하여 유도전압을 계산하였다. 표 3에 해석 대상인 전자식 전류센서의 구체적 사양을 나타내었으며, 유한요소법을 이용한 2차원 교류자장 해석을 수행하였다. 그림 7은 전류센서의 등포텐셜선 및 자계 분포를 나타내고 있다. 자계 해석결과 자속의 대부분이 차폐커버 내부로 지나가고 유도코일에 유도전류가 흐르므로 코일이 없는 곳에 자계가 세게 나타난다. 그리고 일반적인 CT의 경우 철심을 사용하므로 자기포화 특성에 의하여 유도전압(EMF) 파형에 그림 8(a)와 같이 고조파로 인한 왜곡이 발생하여 센서의 정확도에 장애가 된다. 그림 8(b)는 로고스키 방식의 1차 회로에 교류전류가 흐를 때 시간에 대한 유도전압을 나타내었다. 표 4는 전류센서의 인증 시험결과로 전류의 크기는 0.3%, 위상은 0.2% 정도의 오차로 높은 정확도를 보이고 있다.

그림 7. 전류센서의 등전위분포 및 전계분포

Fig. 7. Distributions of equipotential line and electric field intensity for electronic current sensor

그림 8. 전류센서의 유기기전력 파형의 비교

Fig. 8. Comparison of the induced electromotive force waveforms of current sensors

4. 전자식 전압-전류 센서

전자식 전압-전류센서(Electronic Voltage and Current Sensor)는 전류 및 전압을 정밀하게 측정하기 위해 전자기적 원리를 활용하는 센서로, 기존의 변류기(CT) 및 변압기(PT) 방식과 차별화된 측정 기술을 제공한다. 이는 전압을 분압기 원리 또는 전기장 센서를 이용하여 측정하고, 전류는 로고스키 코일의 원리를 통해 비접촉 방식으로 감지한다. 전자식 전압-전류센서의 주요 특징으로는 비접촉 및 절연 특성이 우수하여 감전 위험이 감소하고, 소형·경량화가 가능하여 설치 및 유지보수가 쉽다는 점이 있다. 그리고 넓은 주파수 응답 특성을 가지며 고주파 신호까지 정밀하게 측정할 수 있어 전력 품질 분석에 유리하다. 디지털 신호 변환이 가능하여 스마트 그리드 및 디지털 변전소와 쉽게 연계할 수 있으며, 실시간 데이터 수집 및 원격 모니터링 기능을 지원할 수 있다. 전자식 전압-전류센서의 장점으로는 높은 정밀도와 빠른 응답 속도, 디지털 통신과의 호환성, 절연 특성이 뛰어나 고전압 환경에서도 안전하게 사용 가능하다는 점이 있다. 반면, 단점으로는 기존 CT 및 PT 방식과 비교하여 상대적으로 초기 비용이 높을 수 있으며, 일부 환경에서는 전자기 간섭에 영향을 받을 가능성이 있다. 이러한 특성을 바탕으로 전자식 전압-전류센서는 변전소 및 송배전 시스템에서의 전력 감시, 보호 계전기, 스마트 그리드 기반의 실시간 전력 품질 모니터링, 산업용 전력 계측 시스템 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

고전압 환경에서 전압 및 전류를 측정하는 장치의 설계 및 동작에서 전계의 세기는 중요한 물리적 변수로 작용한다. 전계의 세기는 단위 길이당 전위 차로 정의되며, 이는 전하에 작용하는 힘을 나타낸다. 본 연구에서는 고전압 전압-전류센서에서 전계의 세기가 갖는 의미를 차폐구조물의 이격거리와 길이에 따라서 해석하였다.

전계의 세기는 측정 장치의 절연 성능을 평가하는 중요한 요소로 작용한다. 고전압 환경에서는 강한 전계로 인해 절연 파괴(Dielectric Breakdown)의 위험이 증가하며, 특정 임계 전계를 초과하면 코로나 방전 및 절연 붕괴가 발생할 수 있다. 따라서, 전압·전류 측정 장치의 절연 재료 및 구조 설계 시 전계 분포를 고려하여 절연 성능을 최적화하는 것이 필수적이다.

둘째, 전계의 세기는 전압과 전류 측정의 정확도와 신뢰성 확보에 영향을 미친다. 강한 전계나 전계 분포가 불균일하거나 외부 전자기 간섭이 존재하면 측정 오차가 발생할 가능성이 높아진다. 따라서 고전압 전압·전류 측정 장치의 설계 시 전계 차폐 구조를 적용하고, 신호 전송 과정에서 잡음 저감 기술을 도입한다.

전자식 전압-전류센서의 설계 변수의 변화에 따른 특성을 알아보기 위하여 전자장 수치해석을 수행하였다. 그림 9은 해석 대상의 구조와 경계조건을 나타내었다. 또한 표 5에 전자계 해석에 필요한 전압-전류센서의 구체적 사양을 나타내었다. 설계변수로는 고정밀 저항 주변에 설치한 차폐구조의 위치와 길이로 설정하여 각각 전계해석를 수행하였다. 그림 10은 차폐구조물의 이격거리에 따른 등전위 분포를 보이고 있으며, 각각의 경우 전위의 변화에 따른 최대 전계의 세기를 나타내었다. 차폐구조물의 이격거리가 12 mm일 경우 최대 전계의 세기가 작게 나타나는 것을 볼 수 있다. 그림 11는 차폐구조물의 길이에 따른 등전위분포와 최대 전계의 세기를 나타내었다. 여기에서 차폐구조물의 길이가 30 mm일 경우 45 mm인 경우보다 최대 전계의 세기가 조금 작게 나타나는 것을 볼 수 있었다.

그림 9. 전계 해석을 위한 전자식 전압-전류센서의 형상 및 경계조건

Fig. 9. Geometry and boundary conditions of electronic voltage-current sensors for electric field analysis

그림 10. 차폐구조물 이격거리에 따른 전자식 전압-전류 센서의 등전위 분포 및 최대 전계의 세기 [a) 4, b) 8 및 c) 12 mm]

Fig. 10. Equipotential distributions and maximum field intensity of electronic voltage-current sensors according to shield separation distance [a) 4, b) 8 and c) 12 mm]

그림 11. 차폐구조물 길에 따른 전자식 전압-전류 센서의 등전위 분포 및 최대 전계의 세기 [a) 15, b) 30 및 c) 45 mm]

Fig. 11. Equipotential distributions and maximum field intensity of electronic voltage-current sensors according to shield length [a) 15, b) 30 and c) 45 mm]

5. 결 론

본 연구에서는 고전압 환경에서 정밀한 전압 및 전류 측정을 가능하게 하는 전자식 전압·전류 센서를 개발하고, 그 구조적 특성과 전자기적 성능을 수치해석 및 실험을 통해 검토하였다. 전자식 전압센서는 고정밀 저항과 절연 차폐구조를 기반으로 설계되었으며, 전위 분포 및 전계 해석을 통해 센서 내 특정 접점 부위에서 전계 집중이 발생함을 확인하였다. 이러한 해석 결과는 절연설계 시 전계 집중을 효과적으로 제어할 수 있는 설계 방향을 제시하며, 센서의 신뢰성과 안전성 확보에 기여할 수 있다. 또한, 출력전압이 입력전압에 대해 선형적으로 반응하는 특성이 실험적으로 입증되어 높은 측정 정밀도와 선형성을 확보하였다. 전자식 전류센서는 로고스키 코일 구조를 적용하여 코어가 없는 방식으로 설계되었고, 이를 통해 기존 CT의 자기포화 및 히스테리시스 문제를 해결하였다. 유도전압 해석 결과, 고조파 왜곡이 없는 전압 파형이 관찰되었으며, 이는 넓은 주파수 대역에서 정확한 전류 측정이 가능함을 보여준다. 이러한 결과는 대전류 및 고주파 전류 감시가 요구되는 전력 품질 분석 및 보호 계전 시스템에 매우 적합한 기술이다.

또한 전자식 전압-전류센서의 성능을 향상시키기 위한 설계 인자를 분석한 결과, 차폐구조물의 이격거리와 길이가 전계 세기에 직접적인 영향을 미침을 확인하였다. 이격거리가 12 mm일 때 최대 전계 세기가 가장 작게 나타났으며, 차폐구조의 길이를 30 mm로 설정했을 때 전계 집중이 더 효과적으로 완화되었다. 이는 전압-전류센서 설계 시 절연 성능을 극대화하기 위한 구조 최적화의 방향성을 제시한다.

본 연구에서 제안한 전자식 전압·전류센서는 고전압 환경에서도 높은 측정 정밀도와 절연 안정성을 확보할 수 있는 기술적 기반을 제공하며, 기존 PT 및 CT 방식 대비 에너지 효율성과 설치 편의성, 디지털 시스템과의 연계성 측면에서도 우수한 장점을 갖는다. 향후 스마트 그리드, 디지털 변전소, 고전압 설비 모니터링 등 다양한 전력 시스템 분야에서의 활용 가능성이 크며, 실시간 전력 품질 감시 및 보호 계전 시스템의 고도화를 위한 핵심기술로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.