KR0177874B1 - 광전류센서를 이용한 비정현성 고주파 대전류 측정장치 - Google Patents

광전류센서를 이용한 비정현성 고주파 대전류 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력계통에 침입하는 뇌서지와 같은 임펄스성 대전류를 측정하기 위한 장치로서, 자기광학효과를 이용하여 비접촉식으로 소형, 경량의 센서에 의해 원격으로 측정가능하도록 하였으며, 전력계통에 침입하는 뇌서지 등을 검출하여 통계처리함으로 계통보호에 유용하고, 특히, 기존의 광진폭변조방식과는 달리 두 개의 광신호를 검출하는 방법을 채택하여 신호처리시에 광대역필터가 필요없으므로 신호 처리부의 주파수 특성이 기존의 수시 kHz에 비해 약 1000배 가까운 수십 MHz가 되어 측정하고자하는 전류의 재현성이 매우 뛰어나다. 또한, 변조신호의 크기와 온도안정을 위하여 파라데이상수가 크고 온도특성이 우수한 희토류 첨가 YIG결정을 사용하였고, 광학바이어스를 위하여 편광자에 사용하는 파장에 맞는 1/2파장판을 부착할 수 있도록 하였다.
본 발명의 출력신호를 고속 데이터수집장치 등에 입력하여 데이터를 수집함으로써 연속하여 발생하는 서지 혹은 임펄스를 측정할 수 있다. 또한, 정확한 크기 조절로 표준 측정장치로도 사용 가능하며 매우 고가인(약 20-40만원)인 모듈형광원(LED)과 수광소자(PIN-PD)를 1/10 정도의 저가인 일반 통신용 광소자로 대체함에 의해서 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

Description

광전류센서를 이용한 비정현성 고주파 대전류 측정장치
제1도는 본 발명의 전체구성도.
제2도는 본 발명의 광전류센서부의 구성도.
제3도는 본 발명중 신호검출을 위한 광/전변환부와 신호처리부의 블록도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 광전류센서부 2 : FC 광아답터
3 : 도체 4 : 멀티모드 광파이버
5 : 광/전변환 및 신호처리부 6 : 전/광변환부(광원부)
7 : 편광자 8 : 1/2 파장판
9 : YIG결정(페러데이 소자) 10 : 검광자
11 : selfoc 렌즈 12 : 광전류센서 함체
13 : FC형 광커넥터 14 : 수광소자
15 : 광/전변환부 16 : 피드백(Feedback)저항
17 : 비교기 18 : 감산기
21 : 주증폭기 20 : 제산기
본 발명은 광전류센서를 이용한 비정현성 고주파 대전류 측정장치에 관한 것으로, 검광자에서 출사되는 편광면이 서로 수직성분인 두 신호를 검출하여 필터를 사용하지 않고 두신호를 서로 더하고 빼어 나누어줌에 위해 변조신호를 검출하여 도체에 흐르는 비정현성 고주파 대전류를 측정할 수 있는 광전류센서를 이용한 비정현성 고주파 대전류 측정장치에 관한 것이다.
전력회사의 전력계통에서 뇌서지(Surge)나 개폐서지(Surge)가 전력기기에 침입함으로써 고장이나 정장 도는 전력기기에 치명적인 영향을 미치게 된다. 종래에 있어서, 이러한 비정현성 고주파 대전류를 측정할 수 있는 전류센서는 코일형 또는 마그네틱 코아평 등이 있어왔으나,그 측정장치 자체가 주파수특성에 영향을 받는 문제점을 가지고 있었다.
최근 광전류센서를 이용하여 상기의 코일형 또는 마그네틱 코아평의 측정장치가 가지는 문제점을 해결할 수 있게 되었다. 그러나 기존의 계측용 광전류센서는 대부분 자계에 의해 편광면의 회전량을 하나의 검광자에서 진폭변조된 하나의 신호만을 검출하여 이를 직류와 교류신호로 분리하여 나누어줌으로써 전류량을 검출하는 방식이다. 이 때 신호처리부에서는 신호의 직류(DC)성분과 교류(AC)성분을 분리해야 한다. 하나의 출사광만을 검출하는 광전류센서의 신호처리부의 기본수식은 검광자에 입사되는 광의 직류성분을 PO라 하고 자계에 의해 변조된 신호값을 m(변조도 : modulation depet)이라 할 때, 검광자를 통해 출사되는 광 P는이며, 외부요인 등으로 인한 직류성분의 광량이 변하더라도 출력신호의 크기가 항상 일정한 값을 가지도록 하기 위해서는 최종 출력신호 S는이 되도록 직류성분(PO)과 교류성분(mPO)을 분리하는 필터가 필요하다. 만약, 측정하고자하는 신호가 저주파일 경우는 필터의 설계가 간단하나, 고주파성분을 많이 가지고 있는 비정현성 신호일 경우에는 매우 넓은 대역폭을 가지는 필터가 필요하다. 이러한 수십 kHz 이상의 필터는 설계가 어려워 실용화 하기가 매우 힘들 뿐 아니라 필터를 사용함으로써 처리속도가 늦어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 단점을 해결하고자 창출된 것으로, 검광자에서 출사되는 편광면이 서로 수직성분인 두 신호를 동시에 검출하여 필터를 사용하지 않고 변조 신호m만을 검출하여 도체에 흐르는 비정현성 고주파 대전류를 측정할 수 있는 광전류센서를 이용한 비정현성 고주파 측정장치를 제공함이 그 목적이다.
이하, 첨부 도면으 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 전체구성도로서, 본 발명은 도체(3)에 인가된 광량을 검출하는 광전류센서부(1)와 광/전변환 및 신호처리부(5) 및 전류측정을 위한 기본광이 되는 직류성분의 광을 발생시키는 전/광변환부(6)으로 구성되며, 광전류센서부(1)에 형성된 FC 광아답터(2)가 광/전변환 및 신호처리부(5) 및 전/광변환부(6)와 각각 멀티모드 광파이버(4)에 의해 연결된다. 상기와 같이 구성되어 도체(3)에 흐르는 전류에 의해 형성되는 자계가 광전류센서(1)의 광전송방향과 동일한 방향으로 인가되면 자계의 세기에 비례하여 변하는 광량을 검출함에 의해 도체에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
제2도는 본 발명의 광전류센서부(1)의 세부 구성도로서, 광전류센서부(1)는 전광변환부(6)에서 랜덤하게 들어오는 광을 직선 편광된 빔으로 만들어 주며, 이렇게 편광된 빔을 45°회전시켜 주는 1/2파장판(8)을 부착하여 사용하고, 변조도를 크게 하기 위하여 파라데이상수가 크고 온도특성이 우수한 희토류첨가 YIG결정(9)과 자계의 세기에 비례하여 변하는 광량을 진폭변조 시켜주는 검광자(10)를 부착하였다.
또 큰 광량을 접속하기 위하여 FC 광아답터(2)의 내부에 평행빔을 만들어 주는 0.25 피치의 selfoc 렌즈(11)와 멀티모드 광파이버(4)와 접속되는 FC 광커넥터(13)로 이루어진 FC 광아답터(2)로 구성되며, 그 외부가 광전류센서 함체(12)에 의해 보호되도록 구성된다. 상기에서 편광자(7)쪽의 FC 광아답터(2)의 FC형 광커넥터(13)는 전/광변환부(6)와 멀티모드 광파이버(4)에 의해 연결되며, 검광자(10)쪽의 두 개의 FC 광아답터(2)의 FC형 광커넥터(13)는 광/전변환 및 신호처리부(5)와 멀티모드 광파이버(4)에 의해 연결된다. 상기의 광전류센서부(1)에서 편광자(7)와 검광자(10)의 편광방향이 45°일 때의 특성곡선이 직선성이 가장 좋으므로 편광자(7)에 편광면을 45°회전시키는 1/2파장판(8)을 사용하였고, 광전송로는 개구수(NA)가 큰 멀티모드 광파이버(4)를 사용하였으며, 전체시스템의 경제성을 고려하여 전/광변환부(6)와 광/전변환 및 신호처리부(5)에서 사용되는 광원과 수광원을 기존의 커넥터 모듈형에 비해 1/10 정도의 저가인 통신용 소자를 이용하였다.
제3도는 본 발명중 광/전변환부와 신호처리부의 블록도이며, 광전류센서부(1)의 검광자(10)에서 출사되는 서로 수직성분을 가진 두 광신호를 받는 두 개의 수광소자(14)와 앰프에 의해 광신호를 전기적 신호로 변환하는 광/전변환부(15)와, 검광자에서 출사되는 두 광신호를 자계가 0일 경우 그 값을 같도록 조절해 주는 피드백 저항(16)을 가진 비교기(17)와, 상기 비교기(17)의 두 신호를 서로 빼주므로써 교류 성분만을 검출하는 감산기(18) 및 더해주므로써 직류성분만을 검출하는 가산기(19)와, 상기 가산기(19)에 의해 얻어진 신호를 분모로 하고 감산기(18)에서 얻어진 신호를 분자로하여 변조신호만을 검출하는 제산기(20) 및 상기와 같이하여 얻어진 변조신호를 측정하고자 하는 전류의 크기에 맞게 조절하여 출력하는 주증폭기(21)로 구성된다. 광/전변환 및 신호처리부(5)의 신호증폭시 일반적으로, OP 앰프는 증폭도가 1 인 경우 가장 좋은 주파수 특성을 보이며, 증폭도가 커지면 주파수특성이 급격히 저하한다. 따라서, 광원의광강도가 클수록, 또한 자계에 의한 변조신호가 클수록 주파수특성 뿐 만 아니라 S/N에도 영향을 미친다. 또, 제산기(20)의 나누기 소자의 특성은 분모(직류성분)가 10V 일 때 가장 좋은 주파수특성을 보이므로 입력신호를 제산기(20)에 입력하기 직전에 분모의 직류전압이 10V가 되도록 조절한다.
이렇게하여 얻어진 출력전압을 주증폭기(21)에서 측정하고자 하는 전류의 크기를 예상하여 적당한 크기로 조절한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 광전류센서부(1)의 검광자(10)에서 출사되는 편광면이 서로 수직성분인 두 신호를 동시에 검출하여 필터를 사용하지 않고 광/전변환 및 신호처리부(5)에서 변조신호 m 만을 검출하는 방법을 사용하였다. 즉, 두 개의 출력광을 P1, P2라 할 때,이므로, 최종신호는 위와 같은 두 개의 신호를 서로 더하고, 뺀 다음 아래의 식과 같이 나누어 주면 기존의 신호처리방식과 동일하게 변조신호를 검출할 수 있다.
본 발명의 작용효과는 전/광변환부(6)에서 발생한 직류성분의 광이 selfoc 렌즈(11)에 의해 평행빔으로 되어 편광자(7)의 1/2파장판(8)에 의해 45°회전·편광된광의 광전송방향과 동일한 방향으로 도체(3)에 흐르는 전류에 의해 형성되는 자계가 인가되면 자계의 세기에 비례하여 광량이 변하게 되고, 이 변하는 광량이 검광자(10)에 의해 서로 수직인 두 성분으로 분리되어 각각 selfe 렌즈(11)를 통해 FC형 광커넥터(13)와 연결된 멀티모드 광파이버(4)를 통해 광/전변환 및 신호처리부(5)의 수광소자(14)에 전달되고, 앰프에 의해 증폭되어 비교기(17)의 앰프 및 피드백 저항(16)에 의해 비교되어 가산기(19)에서 서로 더해지고, 감산기(18)에서 서로 빼어진 후, 가산기(19)의 신호를 분모로 하고 감산기(18)의 신호를 분자로하여 제산기(20)에서 나누어져 변조신호 m을 생성하여 주증폭기(21)에서 증폭된다. 상기와 같이 증폭 출력된 변조신호를 고속 데이터 수집장치 등에 입력하여 그 데이터를 수집함으로써 연속하여 발생하는 서지 혹은 임펄스를 측정할 수 있다.
상기와 같은 구성 및 작용을 하는 본 발명은 전력계통에 침입하는 뇌서지와 같은 임펄스성 저류를 광의 전기적 무유도성을 이용한 비접촉식으로 소형, 경량의 센서에 의해 원격으로 측정가능하도록 하고, 신호처리시에 광대역필터가 필요없으므로 신호처리부의 주파수특성이 기존방법의 수십 kHz에 비해 약 1000배에 가까운 수십 MHz가 되어 측정하고자 하는 전류의 재현성이 매우 뛰어나며, 도 매우 고가(약20-40만원)인 모듈형 광원(LED)과 수광소자(PIN-PD)를 1/10 정도의 저가인 일반적인 통신용 광소자로 대체함으로써 매우 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

Claims (2)

  1. 광진폭변조방식을 이용하는 대전류 측정장치에 있어서, 편광면을 45°회전시키는 1/2파장판(8)을 부착한 편광자(7)와, 변조도를 크게하기 위하여 파라데이 상수(Verdet 상수)가 크고 온도 특성이 우수한 희토류 첨가 YIG 결정(9)을 부착한 검광자(10) 및 큰 광량을 접속하기 위하여 FC 광아답터(2)의 내부에 평행빔을 만들어 주는 selfoc 렌즈(11)와 멀티모드 광파이버(4)와 접속되는 FC형 광커넥터(13)로 구성된 FC 광아답터(2)로 이루어진 주파수 특성의 향상을 위한 두 개의 편광빔을 검출하여 측정하는 광전류센서부(1)와 : 전류측적을 위한 기본광이 되는 직류성분의 광을 발생시키는 전/광변환부(6)와 : 광전류센서부(1)의 검광자(10)에서 출사되는 서로 수직성분을 가진 두 신호를 각각 두 개의 수광소자(14)에서 받아 앰프(15)에 의해 증폭하여 전기적 신호로 변환하는 광/전변환부(15)와, 내부에 두 개의 피드백저항(16) 및 앰프를 가진 비교기(17)와, 상기 비교기(17)에서 나온 두 성분의 신호를 더하는 가산기(19) 및 비교기(17)에서 나온 두 성분의 신호를 서로 빼는 감산기와 상기 가산기의 의 신호를 분모, 감산기(18)의 신호 분자로하여 나누어 변조신호를 만드는 제산기(20) 및 상기와 같이하여 얻어진 출력전압을 측정하고자하는 전류의 크기를 예상하여 적당한 크기로 조절하여 출력하는 주증폭기(21)로 이루어지되, 검광자를 통하여 출사된 광을 전기적신호로 변환시켜 비정현성 고주파 신호를 검출할 수 있는 광/전변환 및 신호처리부(5)로 구성됨을 특징으로 하는 광전류센서를 이용한 비정현성 고주파 대전류 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 광전류센서부(1)는 그 외부가 광전류센서 함체(12)에 의해 보호되고, 편광자(7)쪽의 FC 광아답터(2)의 FC형 광커넥터(13)는 전/광변환부(6)와 멀티모드 광파이버(4)에 의해 연결되며, 검광자(10)쪽의 두 개의 FC 광아답터(2)의 FC형 광커넥터(13)는 광/전변환 및 신호처리부(5)와 멀티모드 광파이버(4)에 의해 연결되어 구성됨을 특징으로 하는 광전류센서를 이용한 비정현성 고주파 대전류 측정장치.
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