KR100283248B1 - 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 고전압 도체의 전압측정 장치에 있어서, 보조전극, 간섭계(Interferometer) 및 광파이버(Optical Fiber)를 이용하여 고전압 도체의 전압을 광학적으로 측정하고, 광파이버 네트워크를 이용하여 고전압 도체의 전압변화를 중앙에서 집중 감시하는 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치는, 고전압 도체에 광을 입사시키는 광 발생수단; 상기 도체의 전압에 상응하여, 상기 입사 광을 간섭 출력하는 검출수단; 상기 간섭된 광신호를 전기신호로 변환하는 광전 변환수단; 및 상기 변환된 전기신호에 근거하여, 상기 도체의 전압을 산출하는 산출수단을 포함하여 구성되어, 고전압 도체의 전압을 광학적으로 용이하게 측정할 수 있음은, 물론, 광파이버 네트워크를 이용하여 고전압 도체의 전압변화를 중앙에서 집중 감시할 수 있으며, 또한, 초소형의 측정 간섭계 사용으로 설치 및 취급의 편리성을 크게 향상시킬 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다
Description
본 발명은 광학적 고전압 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보조전극, 간섭계(Interferometer) 및 광파이버(Optical Fiber)를 이용하여 고전압 도체의 전압을 광학적으로 용이하게 측정함은 물론, 광파이버 네트워크를 이용하여 고전압 도체의 전압변화를 중앙에서 집중 감시할 수 있도록 하는 광학적 고전압 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 가스절연 송전선과 같은 고전압 도체의 전압을 측정하기 위하여 정전압계, 계기용 변성기 및 포켈스(Pockels)소자 등을 이용하는 데, 우선 상기 정전압계 등을 이용하여 고전압 도체의 전압을 측정하는 장치의 장단점을 설명하면, 다음과 같다.
상기 정전압계를 이용하는 고전압 도체의 전압측정 장치는, 정전력을 역학적으로 측정하는 방식을 채용하고 있으며, 기 설정된 변위와 정전의 특성 곡선을 표현하는 방식에 따라 여러 종류로 구분되는 데, 정전력이 전압의 제곱에 비례하는 원칙을 이용하여 고전압 도체의 절대치 전압을 구할 수 있다. 그러나, 상기 정전압계를 이용하는 고전압 도체의 전압측정 장치는, 회로정수의 경년변화에 따른 영향을 크게 받기 때문에, 상기 회로정수의 경년변화에 대하여 수시로 보상해야 주어야만 하며, 또한 수백 KV 이상의 고전압 측정을 위해서는 고도의 기술이 요구되기 때문에 전압측정 장치의 제조비용이 크게 상승하는 문제점이 있다.
또한, 계기용 변성기를 이용하는 고전압 도체의 전압측정 장치는, 유도 변압기의 특성을 이용하는 방식을 채용하고 있으며, 1차측 고압권은 측정하고자 하는 선로에, 그리고 2차측 저압권은 전압계에 연결 사용한다. 또한 상기 유선 변압기의 권선비, 코어(Core)종류 및 절연등급에 따라 다양한 종류로 구분 사용되며, 전압 측정의 정밀도 및 내구성이 우수하다. 그러나 사용 주파수 대역이 제한되어 있으며, 또한 서어지(Surge) 유입시 고전압 측정회로 소자가 쉽게 파괴되는 문제점과, 수백 KV 이상의 고전압을 측정하기 위해서는 장치가 대형화되어야 하는 문제점이 있다.
한편, 포켈스(Pockels)소자를 이용하는 고전압 도체의 전압측정 장치는, 어떤 결정(結晶)에 전계를 인가하면, 굴절율이 변화되는 포켈스 효과(Pockels Effect), 즉, 전계강도에 비례하여 굴절율이 변화되는 현상을 이용하고 있으며, 내구성 및 물리적 안정성이 우수하고, 전자장의 간섭을 받지 않아 정확한 전압 측정이 가능하여, 현재 일반적인 광전압 측정장치로 많이 사용되고 있다. 그러나 포켈스 효과를 가진 결정(結晶) 즉, 포켈스 소자의 비선형 온도 특성 때문에 정밀도를 향상시키기 위해서는 별도의 온도보상 장치가 반드시 추가되어야만 하며, 상기 포켈스 소자의 방향성과 전계 전압의 비선형 관계 때문에 고도의 기술이 요구되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 창작된 것으로서, 보조전극, 간섭계(Interferometer) 및 광파이버(Optical Fiber)를 이용하여 고전압 도체의 전압측정 장치를 간소화하는 한편, 광파이버 네트워크를 이용하여 고전압 도체의 전압변화를 집중 감시할 수 있는 광학적 고전압 측정장치를 제공하는 데, 그 목적이 있는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치의 전체 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치의 일부 상세도이고,
도 3은 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치의 또다른 일부 상세도이고.
도 4는 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치에 적용된 파브리 페로(Fabry-Perot)간섭 원리를 도식화한 것이다,
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 레이저 다이오드(LD)2 : 광 아이솔레이터(Optical Isolator)
3 : 광파이버 커플러4 : 참조 간섭계
5 : 측정 간섭계6 : 절연 볼트(Bolt)
7 : 신호처리부8 : 포토 디텍터(PD)
9 : 고전압 도체10 : 고체 절연물
11 : 보조 전극
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치는, 고전압 도체에 광을 입사시키는 광 발생수단; 상기 도체의 전압에 상응하여, 상기 입사 광을 간섭 출력하는 검출수단; 상기 간섭된 광신호를 전기신호로 변환하는 광전 변환수단; 및 상기 변환된 전기신호에 근거하여, 상기 도체의 전압을 산출하는 산출수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 것이다.
상기와 같이 구성되는, 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치는, 보조전극, 간섭계(Interferometer) 및 광파이버(Optical Fiber)를 이용하여 고전압 도체의 전압을 광학적으로 용이하게 측정하고, 광파이버 네트워크를 이용하여 고전압 도체의 전압변화를 중앙에서 집중 감시할 수 있게 되는 것이다.
이하, 본 발명에 따른 광학적 고전압 측정장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따른 광학적 고전압 측정장치에 대한 구성도를 도시한 것으로, 단 파장의 레이저빔(Laser Beam)을 발광하는 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)(1); 입사되는 레이저빔을 광 절연하여 전송하는 광 절연체(Optical Isolator)(2); 전송되는 레이저빔 및 간섭 광신호를 분기 출력하는 광파이버 커플러(Optical Fiber Coupler)(3); 전송되는 레이저빔을 외부영향이 배제된 상태에서 공진기 내부의 광 경로 차(差)를 이용하여 일정 세기(Intensity)의 기준 간섭 광신호로 변조 출력하는 참조 간섭계(4); 전송되는 레이저빔을 공진기 내부의 광 경로 차 및 고전압 도체의 전압에 따라 가변 세기의 간섭 광신호로 변조 출력하는 측정 간섭계(5); 측정 간섭계를 내장 및 절연하여 고전압 도체(9)에 인접시키는 절연 볼트(6); 간섭 광신호를 전기신호로 변환/출력하는 포토 디텍터(PD: Photo Detector) (8); 광전변환된 전기신호로부터 고전압 도체의 전압을 측정 및 산출하고, 레이저 다이오드 구동전류를 출력하는 신호처리부(7); 고전압 도체를 절연하는 고체 절연물(10); 고체 절연물을 감싸고 있는 보조전극(11)을 포함하여 구성된다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치의 일부 상세도를 도시한 것으로서, 광파이버(Optical Fiber)에 연결 접속된 측정 간섭계(5)가 절연 볼트(6)에 의해 절연된 상태에서 고전압 도체(9)에 인접 위치되어 있으며, 상기 절연 볼트(6)는, 보조전극(11)과 고체 절연물(10)을 관통하여 상기 측정 간섭계(5)를 고전압 도체(9)에 인접시키고 있음을 도시하고 있다.
또한, 도 3은 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치의 또다른 일부 상세도 즉, 도 1에서 도시한 신호처리부(7)에 대한 상세도를 도시한 것으로서, 전술한 바 있는 포토 디텍터(8)에 의해 광전변환된 전기신호를 프로그램적으로 가변 증폭하여 일정 레벨로 출력하는 증폭기(PGI Amp.: Programmable Gain Instrumentation Amp.)(71); 상기 일정레벨로 증폭된 전기신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기(72); 상기 변환된 디지털 신호를 임시 저장하는 버퍼(Buffer)(73); 상기 버퍼(73)로부터 출력되는 디지털 신호에 근거하여, 고전압 도체의 전압을 측정 및 산출함과 아울러, 상기 레이저 다이오드(1)를 구동 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 마이컴(Micom)(74); 상기 마이컴의 제어신호에 따라 레이저 다이오드 구동전류를 상기 레이저 다이오드(1)로 인가하는 드라이버(Driver)(75)를 도시하고 있다.
이하, 상기와 같이 구성 및 도시된 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
우선, 마이컴(74)은, 레이저 다이오드(1)를 구동시키기 위하여 제어신호를 드라이버(75)로 출력하고, 상기 드라이버(75)는 제어신호에 따라 레이저 다이오드의 구동 전류를 상기 레이저 다이오드(1)로 인가한다. 상기 레이저 다이오드(1)는 인가된 구동 전류에 의해 단 파장의 레이저빔을 광 절연체(Optical Isolator)(2)로 발광, 입사시키고, 상기 광 절연체(2)는 입사되는 레이저빔을 광파이버 커플러(Optical Fiber Coupler)(3)로 전송하며, 상기 광파이버 커플러(3)는 전송된 상기 레이저빔을 분기하여, 측정 간섭계(5) 및 참조 간섭계(4)로 각각 출력하는 데, 상기 측정 간섭계(5) 및 참조 간섭계(4)는, 파브리 페로(Fabry-Perot) 간섭원리를 이용하는 것으로서, 상기 파브리 페로(Fabry-Perot) 간섭원리에 대하여 도 4를 참조로 설명하면 다음과 같다.
도 4는 광파이버(Optical Fiber)와, 약 10%의 반사율을 갖는 복수의 유전체 거울로 구성되는 공진기를 도시한 것으로, 상기 광파이버 커플러(3)를 통하여 분기 출력되는 단 파장의 레이저빔이 유전체 거울 1에 입사되면, 상기 유전체 거울 1은, 약 10%의 레이저빔을 반사시키고, 나머지 90%의 레이저빔을 유전체 거울 2로 투과시키는 한편, 상기 유전체 거울 2는, 상기 투과된 90%의 레이저빔 중 약 10%의 레이저빔을 다시 상기 유전체 거울 1로 재 반사시키고, 나머지 90%의 레이저빔을 투과시킴으로써, 상기 유전체 거울 1과 2 사이를 왕복 반사하는 레이저빔이 존재하게 된다. 따라서, 광파이버 커플러(3)로 다시 되돌아오는 레이저빔은, 상기 유전체 거울 1에서 반사된 레이저빔(①)과 상기 공진기 내부를 왕복 반사하여 위상차가 발생된 레이저빔(②)이 중첩된 형태(①+②)를 갖게 된다.
한편, 상기 광파이버 커플러(3)로 되돌아오는 레이저빔의 광 파워(Power) 즉, 레이저빔의 세기는 유전체 거울의 반사율과 왕복 반사로 인한 위상차에 의해 가변되는 것으로, 상기 레이저빔 세기에 대한 산출식은 식 (1)과 같다.
r = 2R (1 + cosφ) / (1 + R2- 2R cosφ) -------------- 식 (1)
r : 되돌아오는 레이저빔의 세기 (reflected optical power)
R : 유전체 거울의 반사율 (reflectance)
φ : 왕복 반사로 인한 위상차 (round trip phase difference)
또한, 상기 왕복 반사로 인한 위상차(φ)는, 레이저빔의 파장, 광파이버의 굴절율 및 공진기의 길이에 의해 가변되는 것으로, 상기 위상차(φ)에 대한 산출식은 식(2)와 같다.
φ = 4πn L / λ ------------------------------------- 식 (2)
φ : 왕복 반사로 인한 위상차 (round tip phase difference)
n : 광파이버의 굴절율 (reflective index)
λ : 레이저빔의 파장 (wavelength)
L : 공진기의 길이 (cavity length)
따라서, 상기 광파이버의 굴절율(n), 레이저빔의 파장(λ) 및 공진기의 길이(L) 변화에 따라 상기 왕복 반사로 인한 위상차(φ)가 가변되고, 이에 따라 레이저빔의 세기(r)가 가변되는 데, 상기 측정 간섭계(5)의 경우, 상기 광파이버의 굴절율(n)은, 주변 온도변화와 같은 외부요인에 의해 가변되며, 상기 공진기의 길이(L)는 도 2에 도시한 바와 같이 측정 간섭계(5)에 인접된 고전압 도체(9)와 보조전극(11)간에 발생되는 정전력에 의해 미세 가변되는 것으로, 상기 참조 간섭계(4) 즉, 고전압 도체의 전압에 영향을 받지 않도록 안정된 곳에 설치된 참조 간섭계(4)의 경우, 주변 온도에 따라 광파이버의 굴절율(n)만이 가변되므로, 상기 측정간섭계(5)로부터 회신 전송되는 레이저빔의 세기(r)와는 상이하게 된다.
상기와 같이, 고전압 도체(9)의 전압에 따라 가변되는 레이저빔의 세기(r)를 갖는 측정 간섭계(5)의 레이저빔과, 고전압 도체(9)의 전압과 무관하게 안정된 레이저빔의 세기(r)를 갖는 참조 간섭계(4)의 레이저빔이 광파이버 커플러(3)로 다시 회신 전송되는 데, 상기 측정 간섭계(5)와 참조 간섭계(4)의 레이저빔 회신 전송 시점이 서로 다르게 설계되어 있어, 상기 광파이버 커플러(3)는, 측정 간섭계(5) 과 참조 간섭계(4)로부터 각각 회신 전송되는 레이저빔을 서로 다른 시점에 각각 분기하여, 포토 디텍터(8) 및 광 아이솔레이터(2)로 각각 출력하게 되는 한편, 상기 광 아이솔레이터(2)는, 레이저 다이오드(1)를 보호하기 위하여 상기 분기 출력된 레이저빔을 산란시켜 차단하는 한편, 상기 포토 디텍터(8)는 레이저빔을 전기신호로 광전변환하여 신호처리부(7)의 증폭기(71)로 출력한다. 상기 증폭기(71)는, 광전변환된 전기신호를 프로그램적으로 가변 증폭하여 일정 레벨이상의 전기신호로 증폭하여 A/D변환기(72)로 출력하고, 상기 A/D변환기(72)는 상기 증폭된 전기신호를 샘플링하여 디지털 신호를 변환, 버퍼(Buffer)(73)로 출력하며, 상기 버퍼(73)는 변환된 디지털 신호를 임시 저장한 후 마이컴(74)으로 출력하고, 상기 마이컴(74)은 입력되는 디지털 신호의 크기에 근거하여, 고전압 도체(1)의 전압 또는 전압변화를 측정 및 산출한다.
즉, 고전압 도체(9)의 전압에 따라 가변되는 측정 간섭계(5)의 레이저빔 세기에 대응되는 전기신호의 레벨 값과, 상기 고전압 도체(9)의 전압에 따른 영향이 배제된 곳에 설치된 참조 간섭계(4)의 레이저빔 세기에 대응되는 전기신호의 레벨 값을 상호 비교하고, 그 레벨 차에 따라 상기 고전압 도체(9)의 전압 또는 전압변화를 용이하게 측정 및 산출하는 것이다.
상기와 같이 구성되고 이루어지는 본 발명에 따른 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치는 보조전극, 간섭계(Interferometer) 및 광파이버(Optical Fiber) 를 이용하여, 고전압 도체의 전압을 광학적으로 용이하게 측정할 수 있음은, 물론, 광파이버 네트워크를 이용하여 고전압 도체의 전압변화를 중앙에서 집중 감시할 수 있으며, 또한, 초소형의 측정 간섭계 사용으로 설치 및 취급의 편리성을 크게 향상시킬 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.
Claims (4)
- 고전압 도체에 광을 입사시키는 광 발생수단;상기 도체의 전압에 상응하여, 상기 입사 광을 간섭 출력하는 검출수단;상기 간섭된 광신호를 전기신호로 변환하는 광전 변환수단; 및상기 변환된 전기신호에 근거하여, 상기 도체의 전압을 산출하는 산출수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치.
- 제 1항에 있어서,외부 영향이 배제된 순수 간섭 광신호를 발생시키는 기준신호 발생수단을 더 포함하여 구성되되, 상기 순수 간섭 광신호는, 상기 검출수단으로부터 출력되는 간섭 광신호와 비교되어, 상기 도체의 전압 산출을 위한 기준신호로 사용됨을 특징으로 하는 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치.
- 제 1항에 있어서,상기 검출수단은, 상기 고전압 도체에 인접 삽입되는 절연 볼트(Bolt)안에 배치되는 측정 간섭계인 것을 특징으로 하는 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치.
- 단 파장의 광을 발광시키는 레이저 다이오드;상기 전송되는 광을 분기 출력하는 광파이버 커플러;상기 분기 출력된 광을 고전압 도체의 전압에 따라 가변 세기의 간섭 광신호로 출력하는 측정 간섭계;상기 분기 출력된 광을 일정 세기의 간섭 광신호로 출력하는 참조 간섭계;상기 간섭 광신호를 전기신호로 변환하는 포토 디텍터; 및상기 광전변환된 전기신호로부터 고전압 도체의 전압을 산출하는 마이컴을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광파이버를 이용한 광학적 고전압 측정장치.
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