KR102179467B1 - apparatus for measuring current using light - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광을 이용한 전류 측정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 전류와 함께 부분방전 발생여부도 검출할 수 있도록 된 광을 이용한 전류 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a current measuring device using light, and more particularly, to a current measuring device using light capable of detecting whether a partial discharge has occurred together with current.
최근 산업의 고도성장과 더불어 전력수요가 급격히 증가하면서 전력 설비가 초 고압화 및 대용량화가 되고 있고, 이에 따른 전력의 안정적인 공급 및 효율적인 이용을 위한 관리가 매우 중요해지고 있다.With the recent rapid growth of the industry, power demand has rapidly increased, and power facilities have become ultra-high-voltage and large-capacity, and management for stable supply and efficient use of power has become very important.
따라서, 송전 및 배전 계통 또는 전력공급장치에서 공급되는 전력에 대한 고장위치를 자동적으로 검출하기 위하여 전류 검출센서가 널리 이용되고 있다.Accordingly, a current detection sensor is widely used to automatically detect a fault location for power supplied from a power transmission and distribution system or a power supply device.
종래의 전류 검출센서는 코일을 이용하여 유기된 전력에 의해 전류를 측정하는 방식이 이용되었으나, 고전압이나 대전력 환경하에서는 각종 임펄스성 전압, 전류 그리고 자연계의 기상 현상에 기인한 뇌서지 등이 직접 전류 공급경로를 통해서 또는 간접적인 정전유도나 전자 유도에 의해서 영향을 주기 때문에 최근에는 절연성이 양호하며 전자유도에 의한 노이즈를 받지 않는 특징을 갖는 광을 이용한 광자계센서를 이용한 방식이 이용되고 있다.Conventional current detection sensors use a method of measuring current by induced power using a coil, but under high voltage or high power environments, various impulsive voltages, currents, and lightning surges caused by natural weather phenomena are directly current. Since it is affected through the supply path or by indirect electrostatic induction or electromagnetic induction, recently, a method using a photomagnetic field sensor using light, which has a characteristic of good insulation and not receiving noise due to electromagnetic induction, has been used.
이러한 광자계센서가 국내 공개 특허 제1992-0003062호에 개시되어 있다.Such a photomagnetic sensor is disclosed in Korean Patent Publication No. 1992-0003062.
그런데, 상기 광자계센서는 전류만을 측정할 수 있어 송전 및 배전 계통 또는 전력공급장치에서 절연물 열화에 의한 부분방전의 발생여부는 검출할 수 없는 단점이 있다.However, since the photomagnetic sensor can only measure current, there is a disadvantage in that it cannot detect whether a partial discharge occurs due to deterioration of an insulating material in a power transmission and distribution system or a power supply device.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광을 이용하여 전류 및 부분방전 발생여부를 모두 측정할 수 있도록 지원하는 광을 이용한 전류 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a current measuring device using light that has been devised to improve the above problems, and supports measuring both current and partial discharge occurrences using light.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광을 이용한 전류 측정장치는 광을 출사하는 광원과; 상기 광원으로부터 입사된 광을 상호 직교되는 제1광경로와 제2광경로로 편광시켜 분기시키는 제1편광 빔스플릿터와; 상기 제1편광 빔스플릿터에서 제1광경로로 진행되는 광을 입사받을 수 있게 측정대상체 주위에 설치되어 측정대상체에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시키는 자기광학소자와; 상기 자기광학소자의 편광면의 회전변동량을 광의 강도로 변환시키는 검광자와; 상기 검광자에서 출력되는 광을 수신하여 전기적 신호로 출력하는 제1광검출기와; 다수회 권회된 코일형상의 프로부부분을 갖으며 상기 측정대상체 주위에 설치되는 센싱 광섬유와; 상기 제1편광빔스플릿터에서 상기 제2광경로로 진행되는 광을 제1분배채널과 제2분배채널을 통해 분배하는 광분배기와; 상기 제2분배채널을 통해 출력되는 광을 설정된 제1변조주파수로 변조하는 광변조기와; 상기 제1분배채널로부터 상기 센싱광섬유를 거쳐 진행되는 센싱광과 상기 광변조기에서 출력되는 신호를 합파하여 출력하는 광합파기와; 상기 광합파기에서 출력되는 간섭신호를 검출하는 제2광검출기와; 상기 제1광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 측정대상체에 대한 전류를 측정하고, 상기 제2광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 측정대상체에서 부분방전이 발생되는지를 검출하는 산출부;를 구비한다.In order to achieve the above object, an apparatus for measuring current using light according to the present invention includes a light source for emitting light; A first polarization beam splitter for polarizing and branching the light incident from the light source into a first optical path and a second optical path that are orthogonal to each other; A magneto-optical element installed around the object to be measured so as to receive light traveling from the first polarized beam splitter to the first optical path and rotating the polarization plane according to the intensity of a magnetic field corresponding to a current flowing through the object to be measured; An analyzer for converting the amount of rotational variation of the polarization plane of the magneto-optical device into light intensity; A first photodetector for receiving the light output from the analyzer and outputting an electrical signal; A sensing optical fiber having a coil-shaped pro part wound a plurality of times and installed around the measurement object; An optical splitter for distributing light traveling from the first polarization beam splitter to the second optical path through a first distribution channel and a second distribution channel; An optical modulator for modulating the light output through the second distribution channel at a set first modulation frequency; An optical multiplexer that combines and outputs a signal output from the optical modulator and sensing light traveling through the sensing optical fiber from the first distribution channel; A second photodetector for detecting an interference signal output from the optical multiplexer; And a calculation unit that measures a current to the measurement object from a signal output from the first photodetector, and detects whether a partial discharge occurs in the measurement object from the signal output from the second photodetector.
바람직하게는 상기 센싱광섬유가 내장되게 상기 센싱광섬유를 원판형상으로 에워싸게 형성된 캡슐막;을 더 구비한다.Preferably, a capsule film formed to surround the sensing optical fiber in a disk shape such that the sensing optical fiber is embedded; further comprises.
또한, 상기 캡슐막의 가장자리에서 외경이 확장되는 방향으로 호형곡률을 갖게 연장되어 부분방전시 발생되는 초음파를 상기 캡슐막에 집속시키는 집속가이드;를 더 구비하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to further include a focusing guide extending from the edge of the capsule film to have an arc-shaped curvature in a direction in which the outer diameter is expanded to focus ultrasonic waves generated during partial discharge onto the capsule film.
본 발명에 따른 광을 이용한 전류 측정장치에 의하면, 측정대상체에 흐르는 전류 뿐만아니라 부분 방전 발생여부도 함께 측정할 수 있는 장점을 제공한다.According to the current measuring apparatus using light according to the present invention, it is possible to measure not only the current flowing through the object to be measured but also whether partial discharge has occurred.
도 1은 본 발명에 따른 광을 이용한 전류 측정장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 센싱광섬유를 분해하여 도시한 분해 사시도이다.1 is a view showing a current measuring device using light according to the present invention,
2 is an exploded perspective view illustrating the sensing optical fiber of FIG. 1 by exploding.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광을 이용한 전류 측정장치를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, a current measuring device using light according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 광을 이용한 전류 측정장치를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing a current measuring device using light according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광을 이용한 전류 측정장치(10)는 광원(11), 제1편광 빔스플릿터(13), 하프 플레이트(15), 자기광학소자(17), 검광자(19), 제1광검출기(21), 광분배기(110), 센싱 광섬유(120), 광변조기(150), 광합파기(160), 제2광검출기(22) 및 산출부(40)를 구비한다.Referring to FIG. 1, a
광원(11)은 광을 출사하며 발광다이오드 또는 레이저 다이오드가 적용될 수 있다. 광원(11)에서 출사되는 광을 제1편광빔스플릿터(13)로 집속하기 위한 집속렌즈 또는 광섬유가 광원(11)과 편광 빔스플릿터 사이에 마련될 수 있다.The
제1편광 빔스플릿터(PBS; Polarizing Beam Splitter)(13)는 광원(11)으로부터 입사된 광을 상호 직교되는 제1광경로(13a)와 제2광경로(13b)로 편광시켜 분기시킨다. 제1편광 빔스플릿터(13)는 광원(11)으로부터 입사된 광을 편광시키기 위한 편광자로서 적용된 것이다.The first polarizing beam splitter (PBS) 13 polarizes and diverges the light incident from the
제1편광 빔스플릿터(13)는 광원(11)으로부터 입사된 광 중 일부를 직선편광시켜 입사방향과 직교되는 90°방향으로 반사시켜 제1광경로(13a)로 출사시키고, 나머지 광은 직선편광시켜 입사방향과 나란한 방향을 따라 투과시켜 제2광경로(13b)로 출사시킨다.The first polarized
도시된 예에서는 제1편광 빔스플릿터(PBS; Polarizing Beam Splitter)(13)에서 입사방향에 대해 직교하는 방향인 제1광경로(13a)로 출력되는 광을 전류 검출용으로 이용하도록 설치되어 있고, 도시된 예와 다르게 입사방향과 나라한 방향을 따라 투과된 광을 전류검출용으로 이용할 수 있음은 물론이다.In the illustrated example, it is installed to use the light output from the first polarizing beam splitter (PBS) 13 to the first
하프 플레이트(15)는 제1편광빔스플릿터(13)에서 반사되어 제1광경로(13a)로 진행하는 광을 45°회전시킨다.The
자기광학소자(17)는 제1편광 빔스플릿터(13)에서 반사되어 하프플레이트(15)를 거쳐 진행되는 광을 입사받을 수 있게 설치되어 있다. 자기광학소자(17)는 측정대상체로 적용된 전선(50) 주위에 설치되어 전선(50)에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시킨다.The magneto-
자기광학소자(17)는 패러데이 효과를 가진 소재로 된 것을 적용하면 되고, 이러한 소재에 대해서는 (BixGdyRzY3-x-y-z)(Fe5-wGaw)O12, 또는 그 밖의 소재가 국내 공개특허 제1992-0020233호, 국내 공개특허 제1996-0035055호 등 다양하게 개시되어 있고 상세한 설명은 생략한다.The magneto-
검광자(19)는 자기광학소자(17)의 편광면의 회전변동량을 광의 강도로 변환시켜 출력한다. 검광자(19)는 편광빔스플릿터를 적용하였고, 제1편광빔스플릿터(13)에 대해 투과 편광방향을 90°다르게 설치한다. 검광자(19)는 자기광학소자(17)를 거쳐 진행되는 광에 대해 일부는 입사방향과 직교하는 방향으로 반사하고, 나머지 일부는 입사방향과 나란한 방향으로 투과한다.The
제1광검출기(21)는 검광자(19)에서 반사되어 출력되는 광을 수신하여 전기적 신호로 산출부(40)에 출력한다.The
광분배기(110)는 제1편광빔스플릿터(13)에서 제2광경로(13b)로 진행되는 광을 제1분배채널(110a)과 제2분배채널(110b)을 통해 분배하여 출력한다.The
센싱 광섬유(120)는 일단이 제1분배채널(110a)과 접속되어 있고, 다수회 권회된 코일형상의 프로브부분(120a)을 갖으며 측정대상체인 전선(50) 주위에 설치되어 있다.The sensing
센싱광섬유(120)의 프로브부분(120a)의 권회수는 적절하게 적용하면 되고, 일예로서, 3 내지 6회 권회되게 형성한 것을 적용하며 상세 구조를 도 2를 함께 참조하여 설명한다. The number of turns of the
센싱광섬유(120)는 굴곡에 의한 광손실이 상대적으로 적은 광섬유를 적용한다. 일 예로서, 센싱광섬유(120)의 코어는 SiO2, Ge, Al, P 중 어느 하나가 함유된 것을 적용하고, 클래드는 SiO2에 F 또는 B를 함유한 골(trench) 구조의 굽힘 손실 강화 광섬유를 권회하여 형성된 것을 적용한다.As the sensing
센싱광섬유(120)는 광섬유를 다수회 권회시킨 코일형상으로 형성하되 코일 형태를 유지할 수 있게 캡슐막(130)으로 피막처리된 것을 적용하는 것이 바람직하다. 여기서 캡슐막(130)은 센싱광섬유(120)의 프로브부분(120a)이 내장되게 센싱광섬유(120)를 원판형상으로 에워싸게 형성된 부분이다.The sensing
캡슐막(130)은 부분 방전시 발생되는 초음파에 의해 센싱광섬유(120)의 미세 변형을 지원할 수 있는 소재로 형성된다. 일 예로서, 캡슐막(130)은 플라스틱, 아크릴, 유리, 금속 재질 중 어느 하나의 소재로 형성된다.The
캡슐막(130)은 동일한 크기로 형성된 상판(130a)과 하판(130b)을 적용하여 상판(130a)과 하판(130b) 사이에 코일형태로 권회된 센싱광섬유(120)를 배치한 후 상판(130a)과 하판(130b)을 상호 접합처리한 구조로 형성될 수 있다.The
캡슐막(130)의 두께는 부분방전시 발생되는 초음파에 코일형태로 권회된 센싱 광섬유(120)가 반응하여 변형될 수 있도록 적용되는 재질에 따라 적절하게 적용하되 0.1mm 내지 1cm 범위내로 적용하는 것이 바람직하다.The thickness of the
집속가이드(140)는 캡슐막(130)의 가장자리에서 외경이 확장되는 방향으로 호형곡률을 갖게 연장되어 부분방전시 발생되는 초음파를 캡슐막(130)에 집속시켜 측정감도를 향상시킨다. 집속가이드(140)는 캡슐막(130)과 동일 소재로 반구 형태, 또는 포물형상으로 형성되면 된다.The focusing
참조부호 135는 캡슐막(130)을 전선(50)에 부착하는 것을 지원할 수 있도록 캡슐막의 배면에 호형홈을 갖게 형성된 접착 가이드체이며, 표면에 접착제가 도포되어 있다.
캡슐막(130)은 도시된 예와 다른 구조의 홀더를 이용하여 설치대상체에 장착할 수 있음은 물론이다.It goes without saying that the
광변조기(150)는 광분배기(110)의 제2분배채널(110b)과 접속된 중계 광섬유를 통해 출력되는 광을 설정된 제1변조주파수로 변조하여 출력한다. 광변조기(150)는 저주파수 대역의 노이즈를 피하고, 위상보상 처리를 생략할 수 있도록 10MHz 내지 300MHz 범위내의 변조주파수로 변조하도록 구축될 수 있다.The
광합파기(160)는 제1분배채널(110a)로부터 센싱광섬유(120)를 거쳐 진행되는 센싱광과 광변조기(150)에서 출력되는 신호를 합파하여 출력한다. The
제2광검출기(22)는 광합파기(160)에서 출력되는 간섭신호를 검출하여 산출부(40)에 출력한다.The
산출부(40)는 제1광검출기(21)에서 출력되는 신호로부터 측정대상체로 적용된 전선(50)이 심선(51)을 통해 흐르는 전류를 측정하고, 제2광검출기(22)에서 출력되는 신호로부터 전선(50) 또는 그 주변에서 부분방전이 발생되는 지를 검출한다.The
산출부(40)는 자기광학소자(17)의 전선(50)의 심선(51)을 통해 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면의 회전변화에 대응되는 광변화율과 그에 대응되는 전류값이 기록된 룩업테이블을 이용하여 제1광검출기(21)에서 출력되는 신호로부터 전선(50)에 흐리는 전류를 산출한다.The
또한, 산출부(40)는 제2광검출부(22)에서 수신된 신호로부터 전선(50) 또는 전선(50) 주위에서 부분 방전 발생 여부를 측정하고, 측정결과를 출력부(미도시)에 출력한다. 즉, 산출부(40)는 전선(50) 또는 전선(50) 주위의 전력공급계통에서 부분 방전시 발생되는 20KHz 내지 300KHz 대역의 초음파에 의해 센싱광섬유(120)를 경유하는 광의 지연에 대응되게 광합파기(160)에서 간섭신호가 발생되고, 발생된 간섭신호에 대응되게 제2광검출기(22)로부터 제공되는 신호로부터 부분방전 발생 여부를 판단하도록 구축되어 있다.In addition, the
한편, 산출부(40)에서 산출된 정보를 출력하는 출력부는 측정결과를 표시하는 표시부 또는 원격지 서버로 전송하는 통신부가 적용될 수 있다.Meanwhile, the output unit for outputting the information calculated by the
이상에서 설명된 광을 이용한 전류 측정장치에 의하면, 측정대상체에 흐르는 전류 뿐만아니라 부분 방전 발생여부도 함께 측정할 수 있는 장점을 제공한다.According to the current measuring apparatus using light as described above, it is possible to measure not only the current flowing through the object to be measured but also whether partial discharge has occurred.
11: 광원 13: 제1편광 빔스플릿터
15: 하프 플레이트 17: 자기광학소자
19: 검광자 21: 제1광검출기
22: 제2광검출기 40: 산출부
110: 광분배기
120: 센싱 광섬유 130: 캡슐막
140: 집속가이드 150: 광변조기
160: 광합파기11: light source 13: first polarized beam splitter
15: half plate 17: magneto-optical device
19: analyzer 21: first photodetector
22: second photodetector 40: calculation unit
110: optical splitter
120: sensing optical fiber 130: capsule film
140: focusing guide 150: optical modulator
160: optical multiplexer
Claims (3)
상기 광원으로부터 입사된 광을 상호 직교되는 제1광경로와 제2광경로로 편광시켜 분기시키는 제1편광 빔스플릿터와;
상기 제1편광 빔스플릿터에서 제1광경로로 진행되는 광을 입사받을 수 있게 측정대상체 주위에 설치되어 측정대상체에 흐르는 전류에 대응되는 자계의 강도에 따라 편광면을 회전시키는 자기광학소자와;
상기 자기광학소자의 편광면의 회전변동량을 광의 강도로 변환시키는 검광자와;
상기 검광자에서 출력되는 광을 수신하여 전기적 신호로 출력하는 제1광검출기와;
다수회 권회된 코일형상의 프로부부분을 갖으며 상기 측정대상체 주위에 설치되는 센싱 광섬유와;
상기 제1편광빔스플릿터에서 상기 제2광경로로 진행되는 광을 제1분배채널과 제2분배채널을 통해 분배하는 광분배기와;
상기 제2분배채널을 통해 출력되는 광을 설정된 제1변조주파수로 변조하는 광변조기와;
상기 제1분배채널로부터 상기 센싱광섬유를 거쳐 진행되는 센싱광과 상기 광변조기에서 출력되는 신호를 합파하여 출력하는 광합파기와;
상기 광합파기에서 출력되는 간섭신호를 검출하는 제2광검출기와;
상기 제1광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 측정대상체에 대한 전류를 측정하고, 상기 제2광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 측정대상체에서 부분방전이 발생되는지를 검출하는 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광을 이용한 전류 측정장치.A light source for emitting light;
A first polarization beam splitter for polarizing and branching the light incident from the light source into a first optical path and a second optical path that are orthogonal to each other;
A magneto-optical element installed around the object to be measured so as to receive light traveling from the first polarized beam splitter to the first optical path and rotating the polarization plane according to the intensity of a magnetic field corresponding to a current flowing through the object to be measured;
An analyzer for converting the amount of rotational variation of the polarization plane of the magneto-optical device into light intensity;
A first photodetector for receiving the light output from the analyzer and outputting an electrical signal;
A sensing optical fiber having a coil-shaped pro part wound a plurality of times and installed around the measurement object;
An optical splitter for distributing light traveling from the first polarization beam splitter to the second optical path through a first distribution channel and a second distribution channel;
An optical modulator for modulating the light output through the second distribution channel at a set first modulation frequency;
An optical multiplexer that combines and outputs a signal output from the optical modulator and the sensing light traveling through the sensing optical fiber from the first distribution channel;
A second photodetector for detecting an interference signal output from the optical multiplexer;
And a calculation unit that measures current to the measurement object from a signal output from the first photodetector, and detects whether a partial discharge occurs in the measurement object from a signal output from the second photodetector. Current measuring device using light.
상기 캡슐막의 가장자리에서 외경이 확장되는 방향으로 호형곡률을 갖게 연장되어 부분방전시 발생되는 초음파를 상기 캡슐막에 집속시키는 집속가이드;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광을 이용한 전류 측정장치.
The method of claim 2,
A current measuring device using light, further comprising: a focusing guide extending from the edge of the capsule film to have an arc-shaped curvature in a direction in which the outer diameter is expanded to focus ultrasonic waves generated during partial discharge onto the capsule film.
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