GMR 센서를 이용한 고압 전선 실시간 전류 모니터링

초록

본 논문은 400 V 3상 가공 전선에 대해 비접촉식 Giant Magneto‑Resistance(GMR) 센서를 적용하고, 이를 기존 접촉식 Hall‑effect 센서와 비교한다. Biot‑Savart 기반의 기하학적 모델을 통해 측정된 자기장을 전류로 변환하고, MATLAB 대시보드로 실시간 시각화한다. 실험 결과 GMR 센서는 64.64 %–91.49 %의 상대 정확도를 보였으며, 대부분의 상에서 80 % 이상을 달성하였다.

상세 분석

이 연구는 전력 시스템에서 비접촉식 전류 측정이 요구되는 안전·유지보수 비용 절감 요구에 부응하고자 한다. 기존 Hall‑effect, Rogowski 코일, 전류 변압기(CT) 등은 각각 교류 전류만 측정 가능하거나 포화·노이즈 취약성 등의 한계를 가진다. GMR 센서는 높은 감도와 넓은 대역폭, 전기적 절연을 제공하지만, 자기장 간섭과 센서 배치에 따른 교차 결합(cross‑coupling) 문제가 존재한다. 저자들은 두 개의 2D GMR 센서 헤드를 x‑축과 z‑축에 각각 배치하고, 각 전선의 위치와 센서 간 거리를 파라미터화한 Cx, Cz 계수를 도출하였다. Biot‑Savart 법칙을 적분해 얻은 식 (1)‑(4)는 Bx, Bz를 전류 I와 선형 결합시키며, 4×4 역교차 행렬 Cxz⁻¹을 미리 계산해 실시간으로 전류 벡터를 복원한다. 이 접근법은 센서 배치가 고정된 경우 행렬이 상수이므로 O(Ns) 복잡도로 실시간 처리에 적합함을 보여준다.

MATLAB 기반 대시보드는 사용자가 선형·비선형 부하를 선택해 실시간 파형을 비교할 수 있게 설계되었으며, NI‑DAQ를 통해 아날로그 전압을 디지털화하고, 센서 별 보정 계수를 곱해 B‑field 로 변환한다. 센서 보정은 -100 mA~100 mA 전류를 흐르게 한 솔레노이드 코일을 이용해 민감도(Sns)와 MFDF를 개별 추정함으로써 수행되었다.

실험은 3 m 길이, 4선(3상+N) 구성을 갖는 실내 가공 전선을 사용했으며, Hall‑effect 센서는 32 mV/A 감도를 가진 HO‑25P 타입을 직렬 연결해 직접 전류를 측정하였다. GMR 센서는 AAH002‑02 모델을 사용했으며, 출력 전압을 저전압 연산증폭기로 증폭한 뒤 1 kHz~28 kHz 샘플링 레이트에서 실시간 처리 속도를 검증하였다. 선형 부하(할로겐 램프, 저항 히터, 에어컨)와 비선형 부하(마이크로웨이브, 전자식 CFL, 진공청소기) 모두에서 측정·계산된 전류 파형을 비교했으며, 평균 상대 오차는 8 %~35 % 수준으로 상마다 80 % 이상 정확도를 기록했다. 비선형 부하에서는 고조파 왜곡으로 오차가 다소 증가했지만, 여전히 실용적인 수준으로 평가되었다.

한계점으로는 센서와 전선 사이의 거리(≈0.3 m)와 센서 간 간격이 고정되어 있어 현장 적용 시 배치 최적화가 필요하고, 교차 결합 행렬이 전선 sag, 온도 변화 등에 따라 재보정이 요구될 수 있다. 또한 GMR 센서의 출력이 µT 수준의 미세 자기장에 의존하므로 전자기 간섭(EMI) 및 외부 금속 구조물에 의한 왜곡을 최소화하는 설계가 필요하다. 향후 연구에서는 다중 센서 배열을 이용한 3‑D 자기장 복원, 자동 행렬 보정 알고리즘, 그리고 고전압·고전류(수백 A) 구간에서의 스케일링을 검증할 계획이다.