KR102383843B1 - 센싱용 광 케이블을 이용한 전류 센싱 시스템 - Google Patents
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Abstract
센싱용 광 케이블을 이용한 전류 센싱 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 관통공을 포함하여 상기 관통공의 양 끝단으로 각각 하나 이상의 광섬유와 연결되며, 실리카로 구현되어 상기 연결공의 일 끝단에 연결된 광섬유로부터 출력되는 광신호를 다른 끝단에 연결된 광섬유로 전달하는 광 케이블용 지그를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 관통공을 포함하여 상기 관통공의 양 끝단으로 각각 하나 이상의 광섬유와 연결되며, 실리카로 구현되어 상기 연결공의 일 끝단에 연결된 광섬유로부터 출력되는 광신호를 다른 끝단에 연결된 광섬유로 전달하는 광 케이블용 지그를 제공한다.
Description
본 발명은 넓은 범위의 전류를 측정할 수 있는 센싱용 광 케이블을 이용한 전류 센싱 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
전세계적으로, 산업의 고도 성장에 따른 전력수요가 증가되고 있는 추세이다. 이러한 전력수요에 대응하고자, 전력 설비의 초고압화 및 대용량화 작업이 진행중에 있으며, 동시에, 안정적인 전력 공급과 효율적인 전력 사용을 위한 기술이 개발되고 있다.
전력 설비에는 계측, 제어 및 보호 기술의 고도화 작업을 위한 센서 기술이 적용된다. 통상적으로, 전류 센서는 전자식 센서 및 광센서로 분류할 수 있는데, 전자식 센서 기술은 다음과 같은 문제가 있다. 전력 설비에 전자식 센서를 적용할 경우, 고전압이나 대전력 환경에서의 각종 임펄스성 전압이 발생할 수 있으며, 전류 및 기상 현상에 기인한 뇌 서지(Lightning Surge) 등은 정전 유도나 전자 유도를 발생시켜 각종 계측 및 제어장치에 영향을 미친다.
한편, 광센서 기술은 광이 지니는 광대역, 저손실, 방폭성, 고절연성, 무유도성, 소형, 경량성, 보수의 용이성 및 광 응용 기술과의 정합성 등의 장점을 고루 갖추고 있으며, 무엇보다, 전력 설비에 적용하기에 적합한 기술로 평가된다.
보다 구체적으로 설명하면, 광센서는 광섬유를 이용한 전류 센서로서, 광섬유를 전선에 감은 후, 광섬유로 광원을 발진시켜, 코어를 통과하는 광의 자기광(磁氣光, Magneto-optic) 특성을 이용하여 전선에 흐르는 전류 세기를 측정하는 광소자이다. 광섬유 코어 내에서는 흐르는 전류로부터 유도된 자기장으로 인한 미세한 굴절률의 변화가 발생하는데, 이러한 현상을 패러데이 효과(Faraday Effect)라 한다. 패러데이 효과는 다음과 같은 식으로 설명할 수 있다.
β=υ·B·l
β: 편광 회전각[radian]
υ: 물질의 베르데(Verdet) 상수[radian/(m·T)]
B: 진행 방향의 자기장 세기(Magnetic Flux Density)[T]
l: 경로 길이[m]
여기서, 물질의 베르데 상수(υ)는 광섬유 코어의 소재 구성에 따라 달라질 수 있으며, 경로 길이(l)는 측정 대상물체인 전선을 둘러싸고 있는 광섬유의 길이를 의미한다. 편광 회전각(β)은 전선 주위에 생성된 진행 방향의 자기장 세기(B)에 비례하며, 광센서는 광섬유 코어를 통과하는 광의 편광 회전각(β)을 전기적 신호로 검출하여, 이에 대응하는 전류의 세기(I)를 산출한다.
일반적으로, 물질의 베르데 상수(υ) 및 경로 길이(l)는 상수로 작용하며, 광센서의 편광 회전각(β)은 0~90°의 범위로 한정된다. 이에 따라, 진행 방향의 자기장 세기(B)도 편광 회전각(β)의 범위 내에서만 측정된다. 결과적으로, 이는, 광센서가 센싱할 수 있는 전류의 세기(I)의 범위가 한정적임을 의미한다. 따라서, 보다 넓은 범위의 전류의 세기(I)를 측정하기 위해서는, 패러데이 효과에 따라, 단위 자기장의 세기에 따른 편광 회전각(β)이 서로 다른 여러 센서들이 요구된다.
본 발명의 일 실시예는, 복수 개의 광섬유를 포함하는 센싱용 광 케이블을 이용하여, 더 넓은 범위의 전류를 측정할 수 있는 전류 센싱 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 복수 개의 파장을 갖는 광을 센싱용 광 케이블 내 각 광섬유로 입사시켜, 각 광섬유로 입사된 광의 자기광 특성을 모니터링할 수 있는 전류 센싱 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 하나 이상의 관통공을 포함하여 상기 관통공의 양 끝단으로 각각 하나 이상의 광섬유와 연결되며, 실리카로 구현되어 상기 연결공의 일 끝단에 연결된 광섬유로부터 출력되는 광신호를 다른 끝단에 연결된 광섬유로 전달하는 광 케이블용 지그를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 관통공은 상기 광섬유와 동일한 직경을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 하나 이상의 관통공을 포함하여 상기 관통공의 양 끝단으로 각각 하나 이상의 광섬유 코어와 연결되며, 실리카로 구현되어 상기 연결공의 일 끝단에 연결된 광섬유코어로부터 출력되는 광신호를 다른 끝단에 연결된 광섬유로 전달하는 광 케이블용 지그를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 관통공은 상기 광섬유 코어와 동일한 직경을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 하나 이상의 관통공을 포함하여 상기 관통공의 양 끝단으로 각각 하나 이상의 광섬유와 연결되며, 실리카로 구현되어 상기 연결공의 일 끝단에 연결된 광섬유로부터 출력되는 광신호를 다른 끝단에 연결된 광섬유로 전달하는 지그 및 내부에 상기 지그의 관통공 개수와 동일한 개수의 센싱용 광섬유를 포함하여, 상기 센싱용 광섬유로 상기 지그에 전달되는 광신호를 수신하는 광 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센싱용 광 케이블을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 케이블은 오일이 내부에 채워지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 오일은 기 설정된 굴절률을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 케이블은 플렉서블(Flexible)한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 하나 이상의 관통공을 포함하여 상기 관통공의 양 끝단으로 각각 하나 이상의 광섬유 코어와 연결되며, 실리카로 구현되어 상기 연결공의 일 끝단에 연결된 광섬유 코어로부터 출력되는 광신호를 다른 끝단에 연결된 광섬유 코어로 전달하는 지그 및 내부에 상기 지그의 관통공 개수와 동일한 개수의 센싱용 광섬유를 포함하여, 상기 센싱용 광섬유의 코어로 상기 지그에 전달되는 광신호를 수신하는 광 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센싱용 광 케이블을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 케이블은 오일이 내부에 채워지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 오일은 기 설정된 굴절률을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 케이블은 플렉서블(Flexible)한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 발진시켜, 반사되어 되돌아오는 입사광의 선형 편광 회전 각도로 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 전류 센싱 시스템에 있어서, 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 발진시키는 광원과 상기 입사광을 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔으로 변환시키고, 상기 반사되어 되돌아오는 입사광의 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔을 서로 직교하는 제1 및 제2 선형 편광빔으로 변환시키는 편광빔 처리부와 상기 편광빔 처리부로부터 입사된 상기 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 다중분할하는 제1 다중분할기와 상기 제1 다중분할기에 의해 분할된 광을 입사받아 전달하는 복수 개의 광섬유와 내부에 상기 복수 개의 광섬유와 동일한 개수의 센싱용 광섬유를 포함하여, 상기 복수 개의 광섬유와 연결되어 상기 복수 개의 광섬유로부터 전달되는 광을 입사받아 상기 전선에 흐르는 전류에 의한 패러데이 효과에 따라 입사된 광의 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 위상 지연시키는 광섬유 센싱용 광 케이블과 상기 입사광을 반사시키는 반사체와 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 다중분할하는 제2 다중분할기와 복수 개로 구성되며, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 각각 입사시켜, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 회전 각도를 전기적 신호로 검출하는 광 검출기 및 상기 전기적 신호를 기 설정된 처리에 따라 전류의 세기로 출력하는 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광원은 상기 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 동시에 발진시키거나, 스위핑(Sweeping)하여 발진시키는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 서로 다른 소재로 구성된 복수 개의 광섬유를 포함하는 센싱용 광 케이블을 이용하여 베르데 상수(υ)를 변화시킴으로써, 패러데이 효과에 따라 더 넒은 범위의 전류를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 파장을 갖는 광을 센싱용 광 케이블로 입사시켜, 각 코어로 입사된 광의 자기광 특성을 순차적으로 모니터링하거나, 동시에 모니터링함으로써, 전류 측정 대상 물체의 고장 원인을 파악할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 센싱 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱용 광 케이블의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 케이블용 지그의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 케이블용 지그의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 케이블용 지그의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 케이블용 지그의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱용 광 케이블의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 케이블용 지그의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 케이블용 지그의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 케이블용 지그의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 케이블용 지그의 측면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 센싱 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱용 광 케이블의 구조를 도시한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 센싱용 광케이블을 포함하는 전류 센싱 시스템(100)은 광원(115), 커플러(120), 편광빔 처리부(130), 제1 파장분할기(140), 센싱용 광케이블(200), 반사체(150), 제2 파장분할기(160), 광 검출기(170), 산출부(180) 및 모니터링부(190)를 포함한다.
전선(110)은 전류 센싱 시스템(100)이 설치되는 대상으로서, 전기 제품 등에 전원을 공급하기 위한 전원 케이블이나 전력 계통(Power System)의 전력선(線)일 수 있다. 전류 센싱 시스템(100)이 전선(110)에 흐르는 전류의 세기를 측정하기 위해, 전선(110)은 센싱용 광케이블(200)에 의해 둘러싸인 형태로 구성될 수 있다. 전선(110)에 전류가 흐르게 되면, 전선(110) 주위에는 자계(Magnetic Field)가 형성되는데, 이때, 센싱용 광케이블(200)은 자계에 의해 유발되는 패러데이 효과(Faraday Effect)를 이용하여, 전선(110)에 흐르는 전류를 광학적 방식으로 검출한다.
광원(115)은 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 갖는 광을 스위핑(Sweeping)하거나, 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 갖는 광을 결합하여 입사광(λs)을 생성하고, 이를 발진시킨다. 광원(115)은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도면에는 도시되지 않았지만, 광원(115)의 출력단에는 광 아이솔레이터(미도시)가 구비될 수 있다. 광 아이솔레이터(미도시)는 입사광(λs)이 반사체(150)에 의해 반사되어 되돌아올 때, 광원(115)으로 입사되는 것을 차단한다.
커플러(Coupler, 120)는 광의 경로를 분기시킴으로써, 광원(115)으로부터 발진된 입사광(λs)이 편광기(131)로 입사될 수 있도록 한다. 이와 더불어, 커플러(120)는 반사체(150)에 의해 반사되어 되돌아오는 입사광(λs)이 제2 파장분할기(160)로 입사되도록 한다.
보다 구체적으로 설명하면, 커플러(120)는 광원(115)으로부터 발진된 입사광(λs)이 편광기(131)로 입사되도록 함과 동시에, 입사광(λs)이 제2 파장분할기(160)로 입사되지 않도록 광의 경로를 분기시킨다.
광원(115)으로부터 발진된 입사광(λs)은 시스템 내 각 구성을 거쳐 센싱용 광케이블(200)의 종단에 연결된 반사체(150)에 의해 반사되어 되돌아온다. 이때, 커플러(120)는 반사체(150)에 의해 반사된 입사광(λs)을 제2 파장분할기(160)로 전송하고, 입사광(λs)이 광원(115)으로 입사되지 않도록 광의 경로를 분기시킨다.
편광빔 처리부(130)는 광원(115)으로부터 발진된 입사광(λs)을 편광시켜 서로 직교하는 두 개의 선형 편광빔(Linear Polarization Beam)을 출력시키고, 이를 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔(Circular Polarization Beam)으로 변환시킨다.
상술한 바와 같이, 입사광(λs)은 반사체(150)에 의해 반사되어 되돌아오며, 반사된 입사광(λs)(이하, '반사광(λr)'이라 통칭함)은 센싱용 광케이블(200)을 지나 편광빔 처리부(130)를 거쳐, 광 검출기(170)로 이동한다. 이때, 편광빔 처리부(130)는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 다시, 서로 직교하는 두 개의 선형 편광빔으로 변환시키고 이를 광 검출기(170)로 전달함으로써, 광 검출기(170)가 반사광(λr)의 편광 회전각(β)을 전기적 신호로 검출할 수 있도록 한다.
편광빔 처리부(130)는 편광기(131), 제1 스플리터(132), 복굴절 위상 모듈레이터(133), 제2 스플리터(134) 및 λ/4 파장 플레이트(135)를 포함한다.
편광기(Polarizer, 131)는 광원(115)으로부터 발진된 무편광 상태의 입사광(λs)을 단일 편광 상태, 즉, 선형 편광빔으로 변환시켜 출력한다.
제1 스플리터(Splitter, 132)는 편광기(131)로부터 출력된 선형 편광빔을 두 개의 선형 편광빔으로 분리한다. 제1 스플리터(132)에 의해 분리된 두 개의 선형 편광빔은 복굴절 위상 모듈레이터(133)로 입사된다.
복굴절 위상 모듈레이터(Birefringent Phase Modulator, 133)는 편광유지 광섬유(Polarization Maintaining Fiber, PMF, 미도시)로 구성될 수 있으며, 제1 스플리터(132)에 의해 분리된 두 개의 선형 편광빔 사이에 일정한 위상 지연을 발생시킨다. 이때, 위상 지연은 복굴절 특성을 갖는 편광유지 광섬유의 길이에 비례한다. 특히, 복굴절 위상 모듈레이터(133)는 작은 전류 변화에도 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)가 쉽게 편광의 회전 변화를 감지할 수 있도록 편광빔의 위상을 조정하는 역할을 한다.
편광의 회전이 변화한 정도는 광 검출기(170)의 검광자(Analyzer)에 의한 투과광의 세기(P)로 확인할 수 있는데, 투과광의 세기(P)는 일반적으로 편광 회전각(β)에 따른 사인(Sine) 곡선(P=P0×sin(β), P0: 투과광 최대값, β: 편광 회전각)으로 표현할 수 있다. 이때, 편광 회전각(β)에 따른 투과광의 세기(P) 변화는 편광 회전각(β)이 45°일 때 가장 크게 나타난다. 따라서, 복굴절 위상 모듈레이터(133)는 전선(110)에 전류가 흐르지 않을 때, 편광 회전각(β)이 45°에 위치하도록 조절하는 기능을 한다.
한편, 상술한 바와 같이, 입사광(λs)이 반사체(150)에 의해 반사되어 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)로 다시 입사되었을 때, 반사광(λr)은 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 포함하고 있다. λ/4 파장 플레이트(135)에 의해 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔은 두 개의 선형 편광빔으로 변환되며, 이때, 복굴절 위상 모듈레이터(133)는 두 개의 선형 편광빔 사이를 편광유지 광섬유의 길이만큼 위상 지연시켜, 이를 편광기(131)로 전달한다.
제2 스플리터(134)는 복굴절 위상 모듈레이터(133)에 의해 상호 직교하는 편광면을 갖는 두 개의 직선 편광빔을 동시에 λ/4 파장 플레이트(135)로 전달한다.
λ/4 파장 플레이트(135)는 상호 직교하는 편광면을 갖는 두 개의 선형 편광빔을 서로 반대 방향으로 회전하는 원형 편광빔으로 변형시킨다. 여기서, 두 개의 원형 편광빔은 회전하는 궤적의 방향에 따라 각각 좌선회(Left-Handed) 및 우선회(Right-Handed)하는 원형 편광빔으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 입사광(λs)은 회전하는 방향이 서로 다른 두 개의 원형 편광빔을 포함한다.
한편, 전술한 대로, 반사광(λr)은 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 포함하고 있으며, λ/4 파장 플레이트(135)는 이를 두 개의 선형 편광빔으로 변환시켜 복굴절 위상 모듈레이터(133)로 전달한다.
제1 파장분할기(140)는 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 다중화함과 동시에, 반사광(λr)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 역다중화한다.
보다 상세히 설명하면, 제1 파장분할기(140)는 회전하는 방향이 서로 다른 두개의 원형 편광빔을 포함하는 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 다중분할하여 센싱용 광케이블(200)로 출력한다. 제1 파장분할기(140)의 종단에는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(222, 224, 226, 228)가 연결되어 있으며, 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분은 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(222, 224, 226, 228)로 각각 입사된다. 제1 파장분할기(140)는 배열형 도파로 격자(Arrayed Waveguide Grating, AWG)로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제1 파장분할기(140)는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(222, 224, 226, 228)로부터 출력되는 반사광(λr)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 역다중화하여, 이를 λ/4 파장 플레이트(135)로 전송한다.
센싱용 광케이블(200)은 전선(110)에 흐르는 전류에 의해 발생한 진행 방향의 자기장 세기(B) 및 광케이블 내 각 광섬유(242, 244, 246, 248)의 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)에 따라, 서로 다른 방향으로 회전하는 입사광(λs)의 두 개의 원형 편광빔에 위상 지연을 발생시킨다. 센싱용 광케이블(200)의 종단에는 반사체(150)가 연결되어 있는데, 반사체(150)가 입사광(λs)을 반사시킴으로써, 반사광(λr)은 다시 센싱용 광케이블(200)을 통과한다. 이때, 마찬가지로, 센싱용 광케이블(200)은 전선(110)에 흐르는 전류에 의해 발생한 진행 방향의 자기장 세기(B) 및 광케이블 내 각 광섬유(242, 244, 246, 248)의 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)에 따라, 서로 다른 방향으로 회전하는 반사광(λr)의 두 개의 원형 편광빔에 위상 지연을 발생시킨다.
보다 구체적으로 설명하면, 위상 지연은 전선(110)에 흐르는 전류에 의해 발생한 자기장의 진행 방향에 영향을 받으며, 자기장의 진행 방향에 의해 좌선회하는 원형 편광빔과 우선회하는 원형 편광빔 중 하나의 원형 편광빔에만 위상 지연이 발생하게 된다. 이에 따라, 좌선회 원형 편광빔과 우선회 원형 편광빔 사이에 위상차가 발생하며, 결과적으로, 두 개의 원형 편광빔의 벡터 합인 선형 편광빔이 회전하게 된다.
여기서, 광케이블 내 각 광섬유(242, 244, 246, 248)의 코어가 서로 다른 성분으로 구성됨에 따라 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)가 각각 달라지게 된다. 이로 인해, 광케이블 내 각 광섬유(242, 244, 246, 248)에서 발생하는 패러데이 효과에 의해 선형 편광빔의 회전 각도는 각각의 코어(코어의 성분)마다 달라지게 된다. 이에 따라, 전류 센싱 시스템(100)이 측정할 수 있는 전류의 세기(I)의 범위와 민감도가 향상된다. 이에 대해서는 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 센싱용 광케이블(200)은 광 케이블용 지그(210), 광 케이블(230), 오일(235) 및 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)를 포함한다.
광 케이블용 지그(210)는 광 케이블(230)의 양 끝단에 배치되어, 광 케이블(230) 내 오일(235)이 새는 것을 방지하는 동시에, 싱글코어 광섬유(222, 224, 226, 228)와 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248) 상호 간을 광손실 없이 연결한다.
광 케이블용 지그(210)는 광 케이블(230)의 피복 내 오일이(235) 채워지는 케이블의 면적과 동일한 면적으로 구현된다. 이와 같은, 광 케이블 용 지그(210a, 210b)가 광 케이블(230)의 양 끝단에 배치됨으로써, 광 케이블(230) 내 오일(235)이 외부로 새는 것을 방지한다.
광 케이블용 지그(210)는 싱글코어 광섬유(222, 224, 226, 228)의 개수와 동일한 개수의 관통공(212, 214, 216, 218)을 포함한다. 관통공(212, 214, 216, 218)의 양 끝단으로는 각각, 싱글코어 광섬유(222, 224, 226, 228)와 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)가 연결된다. 광 케이블용 지그(210)는 광섬유의 광전달 특성을 변화시키지 않는 범위 내에서 광섬유의 코어 및 클래딩의 소재와 동일하거나 유사한 실리카로 구현되어, 양 광섬유와의 연결이 용이하며, 일단에 연결된 어느 하나의 광섬유로부터 전달되는 신호(입사광 또는 반사광)를 다른 일단에 연결된 광섬유로 누출없이 전달한다. 광 케이블용 지그(210)가 존재하지 않을 경우, 싱글코어 광섬유 각각이 센싱용 광섬유 각각에 직접 연결되어야 한다. 그러나 광 케이블(230)이 전선(110)의 주변에 배치되며, 배치 과정에서 광 케이블(230) 내 센싱용 광섬유의 위치는 고정되지 못하고 (케이블 내에서) 이동할 수 있다. 광 케이블용 지그(210)가 존재하지 않는다면, 센싱용 광섬유가 고정되어 있지 못하기 때문에 센싱용 광섬유와 싱글코어 광섬유의 결합이 용이치 못한 불편이 있으며, 결합 후에도 케이블 내에서 이동이 발생할 수 있어 싱글코어 광섬유의 파손 우려도 일부 존재하게 된다. 이러한 문제를 해소하고자, 광 케이블용 지그(210) 일 끝단으로 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)가 연결된다. 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)가 광 케이블(230) 내에서 유동한다 하더라도, 신호를 유입받거나 유출할 광섬유의 끝단은 광 케이블용 지그(210)에 의해 고정되기 때문에 결합이 용이치 못한 불편도, 결합 후 광섬유(특히 싱글 코어 광섬유)가 이동하는 문제도 모두 해소할 수 있다.
광 케이블용 지그(210)는 도 3 내지 6에 도시된 것과 같이 다양하게 구현될 수 있다.
도 3 내지 6은 본 발명의 제1 내지 4 실시예에 따른 광 케이블용 지그의 측면도이다.
도 3을 참조하면, 광 케이블용 지그(210)에는 싱글코어 광섬유가 광섬유 상태로 2개 만이 연결될 수 있다. 전술한 대로, 광 케이블용 지그(210)는 싱글코어 광섬유의 개수와 같이, 2개의 관통공(212, 214)를 포함한다. 관통공(212, 214)은 연결되는 싱글코어 광섬유의 직경과 동일한 직경을 가지며, 특히, 싱글코어 광섬유와 마찬가지로 코어(320)와 클래딩(310)을 각각 포함하여 싱글코어 광섬유의 그것들과 각각 연결될 수 있다. 경우에 따라, 싱글코어 광섬유는 광섬유의 코팅 일부를 제거한 상태(Bare Fiber)로 연결될 수 있다.
각 관통공(212, 214)의 코어(320) 간 간격(d)은 광섬유의 통상적인 직경(125㎛ 내외)를 고려하여, 광섬유와 지그의 연결이 용이하도록 광섬유의 직경의 2배(250㎛) 이상의 간격을 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 광 케이블용 지그(210)에는 싱글코어 광섬유가 광섬유 상태로 4개가 연결될 수 있으며, 이에 따라 광 케이블용 지그(210)는 4개의 관통공(212, 214, 216, 218)을 포함한다. 마찬가지로, 각 관통공(212, 214, 216, 218)의 코어(320) 간 간격(d)은 광섬유의 직경의 2배(250㎛) 이상의 간격을 가질 수 있다.
반면, 도 5를 참조하면, 광 케이블용 지그(210)에는 싱글코어 광섬유가 클래딩이 제거된 코어만이 연결될 수 있다. 광 케이블용 지그(210)는 싱글코어 광섬유의 개수와 같이, 2개의 관통공(212, 214)를 포함하며, 관통공(212, 214)의 직경은 연결되는 싱글코어 광섬유 코어의 직경과 동일한 직경을 갖는다. 이에 따라, 관통공(212, 214)은 싱글코어 광섬유 코어에 대응되는 코어(510) 만을 구비하여, 싱글코어 광섬유 코어와 연결되어 신호를 전달한다.
각 관통공(212, 214)의 코어(510) 간 간격(d)은 광섬유 전체가 연결되는 것이 아니라, 광섬유 내 코어만이 지그로 연결되기에, 제1 또는 제2 실시예에서의 간격보다 작아질 수 있다.
도 6을 참조하면, 광 케이블용 지그(210)에는 싱글코어 광섬유의 클래딩이 제거된 코어만이 4개가 연결될 수 있으며, 이에 따라 광 케이블용 지그(210)는 4개의 관통공(212, 214, 216, 218)을 포함한다. 마찬가지로, 각 관통공(212, 214, 216, 218)의 코어(320) 간 간격(d)은 광섬유의 직경의 2배(250㎛)보다 작은 간격을 가질 수 있다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(222, 224, 226, 228)는 회전하는 방향이 서로 다른 두 개의 원형 편광빔을 포함하는 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분이 광 케이블용 지그(210)를 거쳐 각 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)로 입사된다. 예를 들어, 파장(λ1)은 제1 센싱용 광섬유(242)로 입사되며, 파장(λ2, λ3, λ4)는 각각 제2 내지 제4 센싱용 광섬유(244, 246, 248)로 입사된다. 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분은 각 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)로 전달되며 다중 전송(다중화)된다.
오일(235)은 광 케이블(230) 내에 주입되어, 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)들의 유동성을 완화하고, 외부의 충격이나 광섬유 간 충격을 완충하며, 광 케이블(230)의 가요성(可撓性)을 향상시킨다.
센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)들은 광 케이블(230) 내에 배치되는데, 광 케이블(230) 내에 단독으로 배치되어 있다면, 각 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)들은 광 케이블(230)의 움직임에 따라 광 케이블(230) 내에서 상당한 이동량을 갖게 된다. 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)들의 이동량이 상승할수록, 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248) 상호 간의 충돌로 인해 파손 가능성이 존재한다. 오일(235)은 광 케이블(230) 내에 주입되어, 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)들의 유동성을 낮춘다. 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)들의 유동성이 낮아짐에 따라, 상호 간의 충돌우려도 낮아져 파손의 가능성도 낮아진다. 또한, 오일(235)은 케이블 내에 채워짐에 따라, 케이블이 외력을 받거나 케이블의 접힘, 굽어짐 또는 휘어짐 등으로 인해 각 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)에 작용할 외력도 함께 완충할 수 있다. 나아가, 광 케이블(230)은 가요성을 갖는 성질로 구현되는데, 내부에 오일(235)과 같은 성분이 채워짐에 따라, 가요성이 향상되는 효과를 가질 수 있다.
각 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)는 서로 다른 물질로 구성되어 서로 다른 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)를 갖는 코어를 포함한다. 각 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)의 코어는 이산화저마늄(GeO2)으로 구현될 수도 있으며, 터븀(Terbium)을 포함할 수도 있다. 터븀의 함량이 증가할수록, 센싱용 광섬유의 센싱 감도는 향상되나 전류의 센싱범위는 감소하게 된다. 예를 들어, 각 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)의 코어는 다음과 같은 성분으로 구현될 수 있다. 제1 센싱용 광섬유(242)의 코어는 5wt%의 이산화저마늄(GeO2)을 포함하는 규조토 유리(Germanosilicate Glass, 5wt% GeO2)로 구현될 수 있으며, 제2 센싱용 광섬유(244)의 코어는 25wt%의 산화터븀(Ⅲ)(Tb2O3)을 포함하는 터븀 도핑 유리(Terbium Doped Silicate Glass)로 구현될 수 있다. 그리고 제3 센싱용 광섬유(246)의 코어는 56wt%의 산화터븀(Ⅲ)(Tb2O3)을 포함하는 터븀 도핑 유리(Terbium Doped Silicate Glass)로 구현될 수 있으며, 제4 센싱용 광섬유(248)의 코어는 65wt%의 산화터븀(Ⅲ)(Tb2O3)을 포함하는 터븀 도핑 유리(Terbium Doped Silicate Glass) 재질로 구성될 수 있다. 이에 따라, 전술한 예에 따르면, 센싱의 감도는 터븀 함량이 높은 제4 센싱용 광섬유(248)가 높을 수 있으나, 센싱의 범위는 제4 센싱용 광섬유(248)가 60 내지 1,000A, 제3 센싱용 광섬유(246)가 1,000 내지 4,000A, 제2 센싱용 광섬유(244)가 4,000 내지 10,000A, 제1 센싱용 광섬유(242)가 10,000 내지 100,000A일 수 있다. 각 센싱용 광섬유는 서로 다른 구성을 갖는 코어를 포함함으로써, 광범위한 센싱 범위와 함께 민감한 센싱 감도를 모두 만족시킬 수 있다. 이와 함께, 각 센싱용 광섬유의 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)도 달라진다. 각 센싱용 광섬유가 서로 다른 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4) 특성을 가짐으로써, 패러데이 효과에 의해 각 각 센싱용 광섬유로 입사된 입사광(λs)의 편광 회전각(β)의 범위가 달라진다.
다시, 도 1 및 도 2를 참조하면, 센싱용 광케이블(200), 보다 구체적으로는 광 케이블(200)의 일 끝단에 연결된 광 케이블용 지그(210b)의 종단에는 반사체(150)가 연결된다. 반사체(150)는 센싱용 광케이블(200)의 각 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)로부터 출사된 입사광(λs)을 반사시킴으로써, 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분이 센싱용 광케이블(200) 및 제1 파장분할기(140)에 의해 편광빔 처리부(130)로 입사될 수 있도록 한다.
반사체(150)에 의해 반사된 입사광(λs) 즉, 반사광(λr)은 전선(110)에 흐르는 자기장(B)에 의해 위상이 지연된 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 포함하고 있으며, 이때, 센싱용 광케이블(200) 내 복수 개의 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)가 서로 다른 성분으로 구성됨에 따라, 패러데이 효과에 의해 두 개의 원형 편광빔의 위상 지연은 각각의 센싱용 광섬유(242, 244, 246, 248)마다 달라지게 된다.
제2 파장분할기(160)는 반사체(150)에 의해 반사되어 커플러(120)로부터 전송된 반사광(λr)을 수신하여 반사광(λr)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 다중분할하고, 이를 복수 개의 광 검출기(170)로 전송한다. 제2 파장분할기(160)는 배열형 도파로 격자(Arrayed Waveguide Grating, AWG)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
복수 개의 광 검출기(170)는 각 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 별로 반사광(λr)의 편광 회전각(β)을 전기적 신호로 변환시켜 검출한다.
산출부(180)는 광 검출기(170)로부터 전송된 전기적 신호를 기 설정된 신호처리에 따라 처리함으로써, 각 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 별로 반사광(λr)의 편광 회전각(β)에 대응하는 전류의 세기(I)를 출력한다.
예를 들어, 서로 다른 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)를 갖는 센싱용 광케이블(200)로 기 설정된 값을 갖는 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 포함하는 입사광(λs)이 입사될 경우, 입사광(λs)은 반사체(150)에 의해 반사되어 센싱용 광케이블(200)로 되돌아간다. 이때, 패러데이 효과에 입각하여, 반사광(λr)의 편광 회전각(β)은 전류에 의해 전선(110)에 흐르는 자기장의 세기(B), 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4) 및 센싱용 광케이블(200)의 길이(l)에 의해 변화된다. 여기서, 산출부(180)는 기 설정된 신호처리에 따라 변화된 편광 회전각(β)의 전기적 신호를 전류의 세기(I)로 산출하며, 이에 따라, 센싱용 광케이블을 포함하는 전류 센싱 시스템(100)은 최소 60A부터 최대 100,000A에 이르는 전류의 세기(I)를 센싱할 수 있다.
나아가, 전류 센싱 시스템(100)은 모니터링부(190)를 더 포함할 수 있다. 모니터링부(190)는 산출부(180)로부터 출력된 각 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 별 반사광(λr)의 편광 회전각(β)에 대응하는 전류의 세기(I)를 분석함으로써, 전선(110) 내 사고 원인을 파악할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전류 센싱 시스템
110: 전선
115: 광원
120: 커플러
130: 편광빔 처리부
131: 편광기
132: 제1 스플리터
133: 복굴절 위상 모듈레이터
134: 제2 스플리터
135: λ/4 파장 플레이트
140: 제1 파장분할기
150: 반사체
160: 제2 파장분할기
170: 광 검출기
180: 산출부
190: 모니터링부
200: 센싱용 광케이블
210: 광 케이블용 지그
212, 214, 216, 218: 관통공
222, 224, 226, 228: 싱글코어 광섬유
230: 광케이블
235: 오일
242, 244, 246, 248: 센싱용 광섬유
110: 전선
115: 광원
120: 커플러
130: 편광빔 처리부
131: 편광기
132: 제1 스플리터
133: 복굴절 위상 모듈레이터
134: 제2 스플리터
135: λ/4 파장 플레이트
140: 제1 파장분할기
150: 반사체
160: 제2 파장분할기
170: 광 검출기
180: 산출부
190: 모니터링부
200: 센싱용 광케이블
210: 광 케이블용 지그
212, 214, 216, 218: 관통공
222, 224, 226, 228: 싱글코어 광섬유
230: 광케이블
235: 오일
242, 244, 246, 248: 센싱용 광섬유
Claims (14)
- 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 발진시켜, 반사되어 되돌아오는 입사광의 선형 편광 회전 각도로 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 전류 센싱 시스템에 있어서,
복수 개의 파장을 갖는 입사광을 발진시키는 광원;
상기 입사광을 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔으로 변환시키고, 상기 반사되어 되돌아오는 입사광의 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔을 서로 직교하는 제1 및 제2 선형 편광빔으로 변환시키는 편광빔 처리부;
상기 편광빔 처리부로부터 입사된 상기 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 다중분할하는 제1 다중분할기;
상기 제1 다중분할기에 의해 분할된 광을 입사받아 전달하는 복수 개의 광섬유;
내부에 상기 복수 개의 광섬유와 동일한 개수의 센싱용 광섬유를 포함하여, 상기 복수 개의 광섬유와 연결되어 상기 복수 개의 광섬유로부터 전달되는 광을 입사받아 상기 전선에 흐르는 전류에 의한 패러데이 효과에 따라 입사된 광의 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 위상 지연시키는 광섬유 센싱용 광 케이블;
상기 입사광을 반사시키는 반사체;
상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 다중분할하는 제2 다중분할기;
복수 개로 구성되며, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 각각 입사시켜, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 회전 각도를 전기적 신호로 검출하는 광 검출기; 및
상기 전기적 신호를 기 설정된 처리에 따라 전류의 세기로 출력하는 산출부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 광원은,
상기 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 동시에 발진시키거나, 스위핑(Sweeping)하여 발진시키는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 광섬유 센싱용 광 케이블은,
하나 이상의 관통공을 포함하여 상기 관통공의 양 끝단으로 각각 하나 이상의 광섬유와 연결되며, 실리카로 구현되어 상기 관통공의 일 끝단에 연결된 광섬유로부터 출력되는 광신호를 다른 끝단에 연결된 광섬유로 전달하는 지그; 및
내부에 상기 지그의 관통공 개수와 동일한 개수의 센싱용 광섬유를 포함하여, 상기 센싱용 광섬유로 상기 지그에 전달되는 광신호를 수신하는 광 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 광 케이블은,
오일이 내부에 채워지는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 오일은,
기 설정된 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 광섬유 센싱용 광 케이블은,
하나 이상의 관통공을 포함하여 상기 관통공의 양 끝단으로 각각 하나 이상의 광섬유 코어와 연결되며, 실리카로 구현되어 상기 관통공의 일 끝단에 연결된 광섬유 코어로부터 출력되는 광신호를 다른 끝단에 연결된 광섬유 코어로 전달하는 지그; 및
내부에 상기 지그의 관통공 개수와 동일한 개수의 센싱용 광섬유를 포함하여, 상기 센싱용 광섬유의 코어로 상기 지그에 전달되는 광신호를 수신하는 광 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 광 케이블은,
플렉서블(Flexible)한 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템.
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