KR100996138B1 - 광파이버 전류센서를 이용하는 3상 일괄형 ｇｉｓ 스페이서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광파이버를 사용한 전류센서가 GIS의 절연물인 스페이서 내부에 내장된 형태로 설치되기 위한 방식에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따라 광파이버 전류 센서를 이용하는 3상 일괄형 GIS 스페이서는, 3상의 각 상에 대한 측정을 위하여 배치되는 3개의 전류센서 쉴드 링들을 포함하고, 각 전류센서 쉴드 링은 내경측의 비자성체와 외경측의 자성체가 결합된 링을 포함하며, 상기 각 전류센서 쉴드 링 내부에 광파이버 전류센서를 삽입할 수 있다.

광파이버 전류센서, 전류 센서 쉴드 링, 외함 쉴드 링, 접지 링

Description

광파이버 전류센서를 이용하는 3상 일괄형 ＧＩＳ 스페이서{3-phase Batch GIS Spacer using Optical Fiber Current Sensor}

본 발명은 3상 일괄 GIS(Gas Insulated Switchgear: 가스 절연 개폐장치)용 스페이서 내에 광 전류센서를 설치하는 방법에 관한 것으로서, 특히, GIS의 소형, 경량화, 콤팩트(compact)화를 가능하게 하며, 전기절연 및 측정시 상간 간섭문제가 완벽하게 해결되고, 고정밀도의 측정이 가능하도록 한 전류센서용 광파이버의 설치 방법에 관한 것이다.

공기절연변전소 또는 가스절연변전소에는 전류의 크기를 감지하기 위해 필요한 요소에 전류센서가 곳곳에 설치되어 있고, 전류센서로서 현재 대부분 철심형 CT(core type current transformer)가 사용되고 있다.

도 1은 인입부에 설치된 철심형 CT를 보여주기 위한 일반적인 3상 일괄 GIS용 차단기 단면도이다. 도 2는 도 1의 철심형 CT와 스페이서 부분의 확대도이다. 이와 같이, 일반적으로 현재 3상 일괄 GIS용 차단기에 설치 운영되고 있는 CT는, 전기적 절연을 위한 구조의 부피가 크며, 측정의 정확도가 떨어지고, 철심의 자속 포화에 기인하여 사고 전류를 측정하기 어려운 면이 있다. 또한, 전력 품질을 평가 하는데 있어서, 주파수 응답 특성으로 인하여 측정 결과의 신뢰성이 낮은 단점을 지니고 있고 이로 인하여 큰 오차를 발생시킬 수 있는 문제점이 있다.

이외에도 GIS의 전류측정방식으로 사용되는 기존의 변류기(CT) 보다 많은 장점을 가지고 있는 광센서 전류 측정방식은 여러 가지 형태로 전력기기에 적용될 수 있다. 이외에도, 스페이서 내부 설치형으로 광전류 센서를 사용하고자 하는 노력이 이루어지고 있으나, 이때 센서로 사용되는 광파이버의 신호전송특성 때문에 설치형태에 제한성이 많아 지금까지는 스페이서 내부 설치형으로 전혀 사용되고 있지 못하고 있다.

따라서, 단상용 스페이서의 경우는 GIS 외함부에 전류센서를 설치하는 방식이 가능하여 스페이서 내부설치로 발생되는 문제를 고려하지 않아도 되지만, 3상 일괄형 스페이서의 경우 상마다 별도의 전류센서가 필요하기 때문에 스페이서 내부에 광센서를 설치해야 하는 경우 그에 따른 문제점들에 대한 고려가 필요하다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, GIS에서 기존의 철심형 CT를 대신하여 광전류 센서를 3상 일괄형 GIS 스페이서에 내장시키는 방법을 제공하는 데 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은, 단상용 스페이서의 경우는 GIS 외함부에 설치하는 방식이 가능하기 때문에 굳이 스페이서 내부에 설치하지 않아도 되고, 외부간섭으로 발생되는 문제를 고려하지 않아도 되지만, 3상 일괄형 스페이서의 경우는 상간 간섭이 발생하게 되므로, 이와 같은 상간 간섭을 차폐하여 각 상마다 흐르는 전류를 정확하게 측정할 수 있도록 3상 일괄형 GIS 스페이서 내에 광파이버를 사용한 전류 센서를 내장시키는 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 광파이버 전류 센서를 이용하는 3상 일괄형 GIS 스페이서는, 3상의 각 상에 대한 측정을 위하여 배치되는 3개의 전류센서 쉴드 링들을 포함하고, 각 전류센서 쉴드 링은 내경측의 비자성체와 외경측의 자성체가 결합된 링을 포함하며, 상기 각 전류센서 쉴드 링 내부에 광파이버 전류센서를 삽입할 수 있다.

상기 전류센서 쉴드 링들의 밖으로 배치된 외함 쉴드 링을 더 포함하고, 전기적으로 연결되도록 서로 인접 배치되고 동일 반경을 가지는 상기 전류센서 쉴드 링들이 상기 외함 쉴드 링과 만나도록 각 전류센서 쉴드 링의 반경이 결정될 수 있다.

상기 외함 쉴드 링과 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 접지링을 더 포함할 수 있다.

상기 외함 쉴드 링의 내부에는 광신호 전송을 위한 편광유지 광파이버가 삽입될 수 있다.

상기 전류센서 쉴드 링과 상기 외함 쉴드 링이 만나는 부분의 상기 전류센서 쉴드 링 내부에서 상기 광파이버 전류센서와 상기 편광유지 광파이버가 접속될 수 있다.

상기 광파이버 전류센서와 접속된 상기 편광유지 광파이버가, 외부의 측정 회로와의 연결을 위하여 상기 외함 쉴드 링과 전기적으로 연결되는 접지링의 내부를 통해 외부로 인출될 수 있다.

본 발명에 따라 광파이버 전류 센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서에 따르면, 기존의 삼중점 전계 완화용으로 사용되던 외함 쉴드 링을 편광 유지 광파이버 삽입으로 광신호 전송 통로로 활용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 광파이버 전류 센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서에 따르면, 외함 쉴드 링은 스페이서의 열 팽창 특성 및 스페이서 제작 시 에폭시 경화 과정에서의 열적, 기계적 특성으로부터 광파이버를 보호하는 역할과 함께 외부 스트레스에 의한 광센서의 신호전송 특성변화를 최소화 시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 광파이버 전류 센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서에 따르면, 전류센서 쉴드 링의 내측을 비자성체, 그 외측을 자성체로 구성함으로써, 상간 간섭을 차폐함과 동시에 각 상에서 발생하는 자기장에 의한 특성만으로 정확하게 전류의 특성변화를 측정하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따라 광파이버 전류 센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서에 따르면, 전류센서 쉴드 링은 스페이서의 열 팽창특성 및 스페이서 제작 시 에폭시 경화과정에서의 열적, 기계적 특성으로부터 광파이버 전류센서를 보호하는 역할과 함께 외부 스트레스에 대한 광파이버 센서를 보호하는 역할을 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 광파이버 전류 센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서에 따르면, 전류센서 쉴드 링들이 외함 쉴드 링의 안쪽에 포함되도록 하고, 인접한 전류센서 쉴드 링들이 외함 쉴드 링의 반경까지 오도록 그 크기를 결정함으로써, 전류센서 쉴드 링의 삽입에 의한 전계 강도 증가를 최소화 할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따라 광파이버 전류 센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서에 따르면, 위와 같은 구성을 통하여 전기 절연 및 상간 간섭 문제가 완벽하게 해결되고, 고 정밀도의 측정이 가능하며 소형 경량화를 실현시킬 수 있는 진일보된 기술적 진보가 실현 될 수 있다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광파이버 전류센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서의 전류 센서 쉴드 링 및 외함 쉴드 링의 배치를 보여주는 전체 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3상 일괄형 GIS 스페이서는, 에폭시와 같은 절연체 내부에 전류센서 쉴드 링(1), 외함 쉴드 링(2), 및 접지 링(3)을 포함한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광파이버 전류센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서의 전류 센서 쉴드 링(1) 및 외함 쉴드 링(2)의 배치 부분의 횡 단면도이다. 도 5에는 이 부분에 대한 실제 제작된 모습을 나타낸다.

도 4와 같이, 3상의 각 상에 대한 측정을 위하여 광파이버 전류센서가 들어 있는 전류센서 쉴드 링(1)을 하부의 도체 접속부를 중심으로 각 상의 링이 서로 인접하게 배치시키되, 도 6과 같이 전류센서 쉴드 링(1)의 내경 쪽은 비자성체로 이루어지고, 그 외경 쪽은 자성체로 이루어진다. 전류센서 쉴드 링(1) 내부에는 패러데이(Faraday) 효과를 가지는 광파이버 전류 센서를 링 전체에 삽입하여 채운다. 외함 쉴드 링(2)의 내부에는 편광유지 광파이버(PM fiber, polarization maintaining fiber)를 링 전체에 삽입하여 채운다.

위와 같이 광파이버 전류 센서가 전류센서 쉴드 링(1) 내부에 삽입됨으로써, 기계적으로는 스페이서의 에폭시 몰딩부와 단절시킬 수 있고, 전기적으로는 전류센서 쉴드 링(1) 내경 측을 이루는 비자성체로 자계의 차폐 및 누설을 방지하고, 전류센서 쉴드 링(1) 외경 측을 이루는 자성체로 상간 간섭이 발생되지 않도록 하여 상간 독립성을 유지시켜줄 수 있다. 이에 따라 각 상에서 발생하는 자기장에 의한 특성만으로 광파이버 전류 센서를 통하여 정확하게 전류의 특성변화를 측정할 수 있다. 또한, 전류센서 쉴드 링(1)은 스페이서의 열 팽창특성 및 스페이서 제작 시 에폭시 경화과정에서의 열적, 기계적 특성으로부터 광파이버 전류센서를 보호하는 역할과 함께 외부 스트레스에 대한 광파이버 전류센서를 보호하는 역할을 할 수 있다.

전류센서 쉴드 링(1)에 삽입되는 광파이버 전류센서는, 광파이버의 자기광학 효과(magneto-optic effect) 또는 패러데이(Faraday) 효과, 즉, 주위 도체에 전류가 흐르면 자기장이 형성되고, 이 자기장에 광파이버와 같은 패러데이 소자를 놓고, 이 소자에 편광된 빛을 통과시키면 자기장의 세기에 비례해서 편광된 빛이 회전하는 현상을 이용하는 것으로, 간섭된 자기장에 의해 회전한 빛은 상 고유의 값을 얻을 수 없으므로, 위와 같은 방법으로 상간 간섭을 차폐하여 정확한 전류 측정이 가능하도록 하였다.

또한, 삼중점 전계 완화용으로 사용되던 외함 쉴드 링(2)에 편광 유지 광파이버를 삽입함으로써 데이터 전달 통로로 활용할 수 있다. 이때에도, 외함 쉴드 링(2)은 스페이서의 열 팽창 특성 및 스페이서 제작 시 에폭시 경화 과정에서의 열적, 기계적 특성으로부터 편광 유지 광파이버를 보호하는 역할과 함께 외부 스트레스에 의한 광파이버 전류센서의 신호전송 특성변화를 최소화 시킬 수 있게 된다.

한편, 3개의 전류센서 쉴드 링(1)은 각각 외함 쉴드 링(2)의 외곽 위치에서 만날 수 있도록 그 반경을 결정하는 것이 바람직하다. 즉, 전기적으로 연결되도록 서로 인접 배치되고 동일 반경을 가지는 전류센서 쉴드 링들(1)이 외함 쉴드 링(2)과 만나도록 각 전류센서 쉴드 링(1)의 크기, 즉, 반경이 결정되고, 이에 따라 전류센서 쉴드 링(1)의 삽입에 의한 전계 강도 증가를 최소화 할 수 있다.

도 4와 같이, 전류센서 쉴드 링(1) 내부의 광파이버 전류센서와 외함 쉴드 링(2) 내부의 편광유지 광파이버는 전류센서 쉴드 링(1)과 외함 쉴드 링(2)가 만나는 부분의 내부에서 접속되는 데, 접속지점은 전류센서 쉴드 링(1)을 벗어나지 않는다. 즉, 전류센서 쉴드 링(1)과 외함 쉴드 링(2)이 만나는 부분의 전류센서 쉴드 링(1) 내부에서 광파이버 전류센서와 편광유지 광파이버가 접속되어 연결된다.

각 상마다 기본적으로 접지 링(3)이 1개 또는 2개나 그 이상으로 구성될 수 있고, 외함 쉴드 링(2)은 접지 링(3)과 연결된다. 각 상의 전류센서 쉴드 링(1)의 외경에 있는 자성체 부분은 외함 쉴드 링(2)와 전기적으로 연결(접촉)시켜 접지와 연결되도록 한다. 측정 시 접지 링(3)은 외부 접지와 연결되고, 외함 쉴드 링(2) 내부의 편광유지 광파이버는 접지 링(3) 내부를 통해 외부로 인출되어 외부의 측정 회로로 연결될 수 있다.

위와 같은 본 발명에 따른 3상 일괄형 GIS 스페이서의 구성을 통하여 전기 절연 및 상간 간섭 문제가 완벽하게 해결되고, 고 정밀도의 측정이 가능하며 소형 경량화를 실현시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 인입부에 설치된 철심형 CT를 보여주기 위한 일반적인 3상 일괄 GIS용 차단기 단면도이다.

도 2는 도 1의 철심형 CT와 스페이서 부분의 확대도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광파이버 전류센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서의 전류센서 쉴드 링 및 외함 쉴드 링의 배치를 보여주는 전체 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광파이버 전류센서가 내장된 3상 일괄형 GIS 스페이서의 전류센서 쉴드 링 및 외함 쉴드 링의 배치 부분의 횡 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3상 일괄형 GIS 스페이서의 전류 센서 쉴드 링 및 외함 쉴드 링을 배치할 부분에 대한 실제 제작된 모습을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전류센서 쉴드 링의 단면도이다.

Claims (6)

1. 광파이버 전류 센서를 이용하는 3상 일괄형 GIS 스페이서에 있어서,

   3상의 각 상에 대한 전류 측정을 위하여 배치되는 3개의 전류센서 쉴드 링들을 포함하고,

   각 전류센서 쉴드 링은 내경측의 비자성체와 외경측의 자성체가 결합된 링을 포함하며, 상기 각 전류센서 쉴드 링 내부에 광파이버 전류센서를 삽입한 것을 특징으로 하는 GIS 스페이서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전류센서 쉴드 링들의 밖으로 배치된 외함 쉴드 링을 더 포함하고,

   전기적으로 연결되도록 서로 인접 배치되고 동일 반경을 가지는 상기 전류센서 쉴드 링들이 상기 외함 쉴드 링과 만나도록 각 전류센서 쉴드 링의 반경이 결정된 것을 특징으로 하는 GIS 스페이서.
3. 제2항에 있어서, 상기 외함 쉴드 링과 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 접지링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GIS 스페이서.
4. 제2항에 있어서, 상기 외함 쉴드 링은,

   내부에 광신호 전송용으로 사용되는 편광유지 광파이버가 삽입된 것을 특징으 로 하는 GIS 스페이서.
5. 제4항에 있어서, 상기 전류센서 쉴드 링과 상기 외함 쉴드 링이 만나는 부분의 상기 전류센서 쉴드 링 내부에서 상기 광파이버 전류센서와 상기 편광유지 광파이버가 접속되는 것을 특징으로 하는 GIS 스페이서.
6. 제5항에 있어서, 상기 광파이버 전류센서와 접속된 상기 편광유지 광파이버가, 외부의 측정 회로와의 연결을 위하여 상기 외함 쉴드 링과 전기적으로 연결되는 접지링의 내부를 통해 외부로 인출되는 것을 특징으로 하는 GIS 스페이서.

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