KR0177874B1 - Nonsinusoidal High Frequency Large Current Measuring Device Using Photocurrent Sensor - Google Patents
Nonsinusoidal High Frequency Large Current Measuring Device Using Photocurrent Sensor Download PDFInfo
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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.The present invention is a device for measuring an impulsive large current, such as a brain surge invading the power system, by using a magneto optical effect to be remotely measured by a small, lightweight sensor in a non-contact way, the brain invading the power system It is useful for system protection by detecting and statistically processing surges. Especially, unlike the conventional optical amplitude modulation method, it adopts the method of detecting two optical signals. This is tens of MHz, which is about 1000 times that of the existing kHz, and has excellent reproducibility of the current to be measured. In addition, a rare earth-added YIG crystal with a large Paraday constant and excellent temperature characteristics was used for the size and temperature stability of the modulated signal, and a half-wave plate suitable for the wavelength used for the polarizer was attached for the optical bias. .
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.By inputting the output signal of the present invention to a high speed data collection device or the like to collect data, surges or impulses generated continuously can be measured. In addition, it can be used as a standard measuring device due to precise size adjustment, and it is a general-purpose communication center that has a high cost (approximately 20-400,000 won) of modular light source (LED) and light receiving element (PIN-PD) which is about 1/10 The economic effect can be obtained by replacing it with a ruler.
Description
제1도는 본 발명의 전체구성도.1 is an overall configuration diagram of the present invention.
제2도는 본 발명의 광전류센서부의 구성도.2 is a configuration diagram of the photocurrent sensor unit of the present invention.
제3도는 본 발명중 신호검출을 위한 광/전변환부와 신호처리부의 블록도.3 is a block diagram of an optical / electric conversion unit and a signal processing unit for signal detection according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 광전류센서부 2 : FC 광아답터1: photocurrent sensor unit 2: FC optical adapter
3 : 도체 4 : 멀티모드 광파이버3: conductor 4: multi-mode optical fiber
5 : 광/전변환 및 신호처리부 6 : 전/광변환부(광원부)5: light / electric conversion and signal processing unit 6: light / electric conversion unit (light source)
7 : 편광자 8 : 1/2 파장판7: polarizer 8: 1/2 wave plate
9 : YIG결정(페러데이 소자) 10 : 검광자9: YIG crystal (Faraday element) 10: analyzer
11 : selfoc 렌즈 12 : 광전류센서 함체11: selfoc lens 12: photocurrent sensor housing
13 : FC형 광커넥터 14 : 수광소자13 FC type optical connector 14 light receiving element
15 : 광/전변환부 16 : 피드백(Feedback)저항15: photoelectric conversion unit 16: feedback resistance
17 : 비교기 18 : 감산기17: comparator 18: subtractor
21 : 주증폭기 20 : 제산기21: main amplifier 20: antacid
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.The present invention relates to a non-sinusoidal high frequency high current measuring device using a photocurrent sensor, and detects two signals whose vertical polarization planes are emitted from the analyzer and modulates them by adding and subtracting the two signals without using a filter. The present invention relates to a non-sinusoidal high frequency large current measuring device using a photocurrent sensor capable of detecting a signal and measuring the non-sinusoidal high current flowing in a conductor.
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.In a power system of a power company, surges or surges invade power devices, which have a fatal effect on faults or faulty power devices. In the related art, a current sensor capable of measuring such a non-sinusoidal high frequency large current has been provided with a coil type or a magnetic core, but the measuring device itself has a problem of being affected by frequency characteristics.
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.Recently, a problem with the above-described measuring device of the coil type or magnetic core can be solved. Conventional photocurrent sensors, however, detect the amount of current by detecting only one signal whose amplitude is modulated by one analyzer by the magnetic field, and dividing it into direct current and alternating current signals. At this time, the signal processor should separate the direct current (DC) component and the alternating current (AC) component of the signal. The basic formula of the signal processing unit of the photocurrent sensor that detects only one outgoing light is that when the direct current component of the light incident on the analyzer is called P O and the signal value modulated by the magnetic field is m (modulation depet), The light P emitted through the ruler In order to ensure that the magnitude of the output signal always has a constant value even if the amount of direct current component changes due to external factors, the final output signal S is In order to achieve this, a filter for separating the DC component P O and the AC component mP O is required. If the signal to be measured is cursed, the design of the filter is simple. However, if the signal to be measured is a non-sinusoidal signal having many high frequency components, a filter having a very wide bandwidth is required. Such a filter of several tens of kHz is difficult to design because it is difficult to design, and also has a disadvantage of slowing down the processing speed by using the filter.
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.The present invention was created to solve the above disadvantages, and simultaneously detects two signals whose polarization planes emitted from the analyzer are perpendicular to each other and detects only the modulation signal m without using a filter to detect non-sinusoidal high frequency high current flowing through the conductor. An object of the present invention is to provide a non-sinusoidal high frequency measuring apparatus using a photocurrent sensor capable of measuring.
이하, 첨부 도면으 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the configuration and effect of the present invention.
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.1 is an overall configuration diagram of the present invention, the present invention is a photocurrent sensor unit (1) for detecting the amount of light applied to the conductor (3), photoelectric conversion and signal processing unit (5) and the basic light for current measurement It consists of an all-optical conversion unit 6 for generating light of a direct current component, and the FC optical adapter 2 formed in the photocurrent sensor unit 1 is an optical / electric conversion and signal processing unit 5 and an all-optical conversion. It is connected with the part 6 by the multimode optical fiber 4, respectively. When the magnetic field formed as described above and formed by the current flowing in the conductor 3 is applied in the same direction as the light transmission direction of the photocurrent sensor 1, the current flowing through the conductor is measured by detecting the amount of light that changes in proportion to the intensity of the magnetic field. can do.
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.2 is a detailed configuration diagram of the photocurrent sensor unit 1 of the present invention, the photocurrent sensor unit 1 makes the light randomly coming from the all-optical conversion unit 6 into a linearly polarized beam, and the polarized beam It is used by attaching 1/2 wave plate 8 that rotates by 45 ° and using Rare Earth-added YIG crystal 9 with excellent Faraday constant and excellent temperature characteristics in order to increase the modulation degree. An analyzer 10 for amplitude modulation was attached.
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.In addition, an FC optical adapter comprising an FC optical connector 13 connected to a multi-mode optical fiber 4 and a 0.25 pitch selfoc lens 11 for forming a parallel beam inside the FC optical adapter 2 to connect a large amount of light. It consists of (2), The outside is comprised so that it may be protected by the photocurrent sensor enclosure 12. As shown in FIG. In the above, the FC optical connector 13 of the FC optical adapter 2 on the polarizer 7 is connected by the front / photo conversion unit 6 and the multi-mode optical fiber 4, and on the side of the analyzer 10. The FC type optical connector 13 of the two FC optical adapters 2 is connected by the optical / electric conversion and signal processing section 5 and the multimode optical fiber 4. Since the characteristic curve when the polarization direction of the polarizer 7 and the analyzer 10 is 45 ° in the photocurrent sensor unit 1 is the best linearity, 1 to rotate the polarization plane 45 ° to the polarizer 7. The wavelength wave plate 8 was used, and the multi-mode optical fiber 4 having a large numerical aperture NA was used, and the front / light conversion unit 6 and the light / electric front were considered in consideration of the economics of the entire system. As a light source and a light receiving source used in the conversion and signal processing unit 5, a communication element having a low cost of about 1/10 of the conventional connector module type was used.
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.FIG. 3 is a block diagram of the light / electric conversion unit and the signal processing unit according to the present invention, and the two light receiving elements 14 receiving two optical signals having mutually perpendicular components emitted from the analyzer 10 of the photocurrent sensor unit 1 are illustrated in FIG. And an optical / electric conversion unit 15 for converting an optical signal into an electrical signal by an amplifier, and a feedback resistor 16 for adjusting two optical signals emitted from the analyzer to be equal when the magnetic field is zero. A comparator 17 and a subtractor 18 which detects only an alternating current component by subtracting two signals of the comparator 17 from each other, and an adder 19 which detects only a direct current component, and obtained by the adder 19 The divider 20 detects only the modulated signal using the signal obtained as the denominator and the signal obtained by the subtractor 18 as a molecule, and the main amplifier which adjusts and outputs the modulated signal obtained as described above according to the magnitude of the current to be measured ( 21). In the signal amplification of the optical / electric conversion and signal processing unit 5, the OP amplifier generally shows the best frequency characteristic when the amplification degree is 1, and the frequency characteristic rapidly decreases when the amplification degree is increased. Therefore, the greater the light intensity of the light source and the larger the modulated signal by the magnetic field, the more affects not only the frequency characteristic but also the S / N. In addition, the dividing element of the divider 20 has the best frequency characteristic when the denominator (direct current component) is 10V, so that the DC voltage of the denominator is 10V immediately before the input signal is input to the divider 20. Adjust
이렇게하여 얻어진 출력전압을 주증폭기(21)에서 측정하고자 하는 전류의 크기를 예상하여 적당한 크기로 조절한다.The output voltage thus obtained is adjusted to an appropriate size in anticipation of the magnitude of the current to be measured by the main amplifier 21.
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.According to the present invention configured as described above, the polarization planes emitted from the analyzer 10 of the photocurrent sensor unit 1 simultaneously detect two signals whose vertical components are perpendicular to each other, without using a filter. ), Only the modulated signal m is detected. That is, when two output lights are P 1 and P 2 , Therefore, the final signal can detect the modulated signal in the same manner as the existing signal processing method by adding, subtracting, and dividing the two signals as described above.
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.The working effect of the present invention is that the light of the DC component generated in the front / light conversion unit 6 becomes a parallel beam by the selfoc lens 11, and is rotated 45 ° by the half-wave plate 8 of the polarizer 7. When a magnetic field formed by a current flowing in the conductor 3 in the same direction as the light transmission direction of the polarized light is applied, the amount of light changes in proportion to the intensity of the magnetic field, and the varying amount of light is perpendicular to each other by the analyzer 10. It is separated into two components and is transmitted to the light receiving element 14 of the optical / electric conversion and signal processing unit 5 through the multimode optical fiber 4 connected to the FC type optical connector 13 through the selfe lens 11, respectively. Amplified by the amplifier, compared by the amplifier and feedback resistor 16 of the comparator 17, added to each other in the adder 19, subtracted from each other in the subtractor 18, and then the signal of the adder 19 is taken as the denominator. Using the signal of the subtractor 18 as a molecule, it is divided by the divider 20 to generate the modulated signal m. Note is amplified by the amplifier 21. By inputting the amplified output modulation signal as described above to a high-speed data collection device or the like and collecting the data, the surge or impulse generated continuously can be measured.
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.The present invention having the above-described configuration and function allows the impulse storage such as the brain surge to invade the power system to be measured remotely by a non-contact, small, lightweight sensor using electrical induction of light, and during signal processing. Since no wideband filter is required, the frequency characteristics of the signal processing unit are several tens of MHz, which is about 1000 times higher than that of the conventional method, and thus the reproducibility of the current to be measured is excellent, and the module type is very expensive (about 20-400,000 won). The economical effect can be obtained by replacing the light source (LED) and the light-receiving element (PIN-PD) with a general communication optical element of about 1/10 of the cost.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20071009 Year of fee payment: 10 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |