KR100659564B1 - Optical Current Sensor - Google Patents

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KR100659564B1
KR100659564B1 KR1020040066179A KR20040066179A KR100659564B1 KR 100659564 B1 KR100659564 B1 KR 100659564B1 KR 1020040066179 A KR1020040066179 A KR 1020040066179A KR 20040066179 A KR20040066179 A KR 20040066179A KR 100659564 B1 KR100659564 B1 KR 100659564B1
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이종백
조재경
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일진전기 주식회사
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Abstract

본 발명은 전선의 전류를 광학적 방식으로 측정하는 광 전류센서에 관한 것으로, 서로 다른 자기적 특성을 가지는 강자성 페러데이 회전자와 비 강자성 페러데이 회전자를 동일 센서내에 사용함으로써, 정상적인 상태에서는 강자성 페러데이 회전자에 의한 출력을 사용하고, 단락이나 지락에 의한 사고발생시에는 비 강자성 페러데이 회전자에 의한 출력을 사용하여, 수A 이하의 낮은 전류에서 수100kA 이상까지 포화특성 없이 고정밀도로 측정 할 수 있는 광 전류센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical current sensor that measures the electric current of an electric wire in an optical manner, and by using a ferromagnetic Faraday rotor and a non-ferromagnetic Faraday rotor having different magnetic properties in the same sensor, a ferromagnetic Faraday rotor in a normal state Photocurrent sensor that can measure with high accuracy without saturation characteristics from low current of several A or less to several 100 kA or more by using output by non-ferromagnetic Faraday rotor in case of accident by short circuit or ground fault It is about.

광 전류센서, 강자성 페러데이 회전자, 비 강자성 페러데이 회전자, 자계, 베르데 상수, 포화자계, 측정용, 보호용, 정상상태, 이상상태Photocurrent Sensor, Ferromagnetic Faraday Rotor, Non-Ferromagnetic Faraday Rotor, Magnetic Field, Verde Constant, Saturated Magnetic Field, Measurement, Protection, Steady State, Abnormal State

Description

광 전류센서{Optical Current Sensor} Optical Current Sensor             

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 전류센서의 구성도1 is a block diagram of an optical current sensor according to an embodiment of the present invention

도 2는 비교예 1에 따른 종래의 광 전류센서의 구성도2 is a configuration diagram of a conventional optical current sensor according to Comparative Example 1

※도면 주요부분에 대한 부호의 설명 ※ Explanation of symbols for main parts of drawing

10 : 본 발명 실시예1에 따른 광 전류센서10: photocurrent sensor according to the first embodiment of the present invention

11 : 신호처리회로 12 : 광원11 signal processing circuit 12 light source

13a,13b,13c : 광빔 전송용 광섬유 14 : 센서 헤드부 케이스13a, 13b, 13c: optical fiber for light beam transmission 14: sensor head part case

15a,15b,15c : 셀폭렌즈15a, 15b, 15c: Cell width lens

16a,16b,16c : PBS 17 : 전선16a, 16b, 16c: PBS 17: electric wire

18 : 강자성 페러데이 회전자18: Ferromagnetic Faraday Rotator

19a,19b : 90도 굴절 프리즘 20a, 20b : 광 검출기 19a, 19b: 90 degree refractive prism 20a, 20b: photo detector

21a, 21b, 21c : 셀폭렌즈와 광섬유 고정용 치구 21a, 21b, 21c: jig for cell width lens and optical fiber fixing

22 : 비 강자성 페러데이 회전자 22: Non-Ferromagnetic Faraday Rotator

30 : 비교예1에 따른 종래의 광 전류센서30: conventional photocurrent sensor according to Comparative Example 1

본 발명은 전선의 전류를 광학방식으로 측정하는 광 전류센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 페러데이 회전자 를 이용하여 전선의 전류에 의한 자계를 광 강도로 변환하여 전류를 측정하는 광 전류센서에 관한 것이다.The present invention relates to an optical current sensor for measuring the electric current of the wire by an optical method. More specifically, the present invention relates to an optical current sensor that measures current by converting a magnetic field due to electric current of a wire into a light intensity using a Faraday rotor.

최근 산업의 고도성장과 더불어 전력수요가 급격히 증가하면서 전력 설비의 초 고압화 및 대용량화가 요구되고 전력의 안정적인 공급 및 효율적인 이용이 요구되고 있다. 특히 전력 생산설비인 발전계통으로부터 배전계통이나 수용가에 이르기까지 계측, 제어, 보호기술의 고도화를 이루기 위해서 기존 전자식 센서 기술을 적용하기에는 한계가 있다. 그 이유는 고전압이나 대전력 환경하에서는 각종 임펄스성 전압, 전류 그리고 자연계의 기상 현상에 기인한 뇌서지등이 직접경로를 통해서나 간접적인 정전유도나 전자 유도에 의해서 각종 발변전소의 계측, 제어장치에 영향을 주기 때문이다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술로서 최근 각광을 받는 것이 광센서 기술이다. 광센서 기술은 광이 지니는 특징 즉 광대역, 저손실, 방폭성, 고절연성, 무유도성, 세심, 경량성, 보수의 용이성, 광응용 기술과의 정합성등 전력기기에 적용하기에 적합한 기술로 평가되어왔다. In recent years, with the rapid growth of the industry, the demand for electric power has increased rapidly, requiring high voltage and high capacity of electric power facilities, and stable supply and efficient use of electric power. In particular, there is a limit to applying the existing electronic sensor technology to achieve the advancement of measurement, control, and protection technology from power generation system, which is a power production facility, to distribution system or consumer. The reason is that under high voltage and high power environment, various impulsive voltages, currents and thunder surges caused by natural meteorological phenomena affect the measurement and control devices of various substations through direct path or indirect electrostatic induction or electromagnetic induction. Because it gives. As a technology to solve such a problem, the optical sensor technology has recently been in the spotlight. Optical sensor technology has been evaluated as a suitable technology for power equipment such as light, broadband, low loss, explosion-proof, high insulation, non-inductive, meticulous, lightweight, easy to repair and match with optical application technology. .

광 전류 센서는 전류가 흐르는 전선의 자계를 검출하는 방식에 따라 자기변형 피복코팅 광 섬유 방식과 페러데이 회전자 방식으로 나누어 지며, 페러데이 회전자 방식에는 광섬유 자체를 페러데이 회전자로 사용하는 방식과 가넷 또는 납유 리 등을 페러데이 회전자로 사용하는 방식이 있다. 자기변형 피복코팅 방식은 자계중의 자기변형 피복코팅 광섬유를 전파하는 광신호의 위상변화를 검출하여 측정하는 방식으로서, 높은 정도를 갖는다는 장점을 가지고 있으나, 외부 스트레스에 약하고, 신호처리회로의 구성이 복잡하며 고가라는 단점이 있다. 광섬유 페러데이 회전자 방식 또한 위상 검출형과 광 강도 검출형의 두 가지가 있으며, 정밀도 및 외부 환경의 영향에 대해 우수한 특성을 가지지만, 모두 클램프 구조를 가지므로 설치가 용이하지 않으며, 정교한 신호처리 과정이 필요하다는 단점이 있다. 본 발명과 관련된 페러데이 회전자 방식은 구조가 간단하고 소형, 경량이며 설치 및 신호처리과정이 간단하다는 장점이 있다. 그러나 페러데이 회전자로 강자성체를 사용할 경우, 재료자체의 감도가 우수한 반면 포화특성을 가지므로, 포화자계 이상의 자계를 발생시키는 전류는 측정이 불가능 하다는 단점이 있다. 반면 상자성체, 반자성체등의 비 강자성 페러데이 회전자를 사용할 경우는, 재료자체의 포화 특성이 없는 반면에 낮은 감도를 가지므로, 전선의 전류의 크기가 작아서 발생되는 자계가 미약할 경우에는 비 강자성 페러데이 회전자의 광로장이 충분히 크지 않으면 측정이 용이하지 않다는 문제점이 있다.The optical current sensor is divided into the magnetostrictive coated optical fiber method and the Faraday rotor method according to the method of detecting the magnetic field of the electric wire through which the electric current flows.The Faraday rotor method uses the optical fiber itself as the Faraday rotor and the garnet or There is a method of using lead oil as a Faraday rotator. The magnetostrictive coating coating method is a method of detecting and measuring the phase change of an optical signal propagating through the magnetostrictive coating coating optical fiber in the magnetic field, and has a high degree, but it is weak to external stress and constitutes a signal processing circuit. This is complicated and expensive. There are two types of optical fiber Faraday rotor type, phase detection type and light intensity detection type, and they have excellent characteristics against precision and influence of external environment, but they are all easy to install because they have clamp structure. Sophisticated signal processing process There is a disadvantage that this is necessary. Faraday rotor method related to the present invention has the advantages of simple structure, small size, light weight, and simple installation and signal processing. However, when a ferromagnetic material is used as a Faraday rotator, the sensitivity of the material itself is excellent while the saturation characteristics of the ferromagnetic material make it impossible to measure currents that generate magnetic fields above the saturation magnetic field. On the other hand, non-ferromagnetic Faraday rotors, such as paramagnetic and diamagnetic materials, do not have saturation characteristics of the material itself but have low sensitivity. Therefore, if the magnetic field generated by the small current is small, the ferromagnetic Faraday rotor If the optical path length of the former is not large enough, there is a problem that the measurement is not easy.

현재 전류센서에 대한 국제 규격들은 정격전류 범위내에서의 비오차를 작게 규정하고 있을 뿐만 아니라 정격의 20배에서 50배까지 큰 전류에 대해서도 포화특성 없이 계측 가능한 것을 요구하고 있다. 이는 사고전류에 의한 이상 전류가 흐를 경우 정확한 사고원인 분석을 위해서 정확한 고장전류의 크기 및 파형을 계측하는 것이 필요하기 때문이다. 종래의 강자성 페러데이 회전자나 상자성체, 반자성체등 의 비 강자성 페러데이 회전자중의 하나만을 사용하는 페러데이 회전자 방식의 광 전류센서를 사용하여서는 저 전류에서 정도를 유지하면서 동시에 포화특성 없이 정격의 50배의 사고전류까지 측정하는 것은 용이하지 않다는 문제점이 있다.Current international standards for current sensors not only specify a small tolerance within the rated current range, but also require that they can be measured without saturation characteristics for currents 20 to 50 times greater than the rated current. This is because it is necessary to accurately measure the magnitude and waveform of the fault current in order to analyze the cause of the fault when the fault current flows due to the fault current. The conventional Faraday rotor type optical current sensor using only one of the non-ferromagnetic Faraday rotors such as ferromagnetic Faraday rotor, paramagnetic or diamagnetic body maintains the accuracy at low current and at the same time 50 times the rated current without saturation characteristics. There is a problem that it is not easy to measure up to.

이에 본 발명은, 종래의 페러데이 회전자 방식 광 센서의 이러한 문제점을 개선하기 위해 고안된 것으로, 감도가 우수한 강자성 페러데이 회전자와 낮은 감도를 가지지만 포화특성이 없는 상자성체, 반자성체등의 비 강자성 페러데이 회전자를 동일센서 헤드부내에 동시에 배치하여 정상동작 상태에서는 강자성 페러데이 회전자를 이용하여 계측용으로 사용하고, 사고에 의한 이상 대전류가 흐를 때는 비강자성 페러데이 회전자를 이용하여 보호용으로 사용함으로써, 넓은 전류 범위에서 고 정밀 측정이 가능하도록 설계한 광 전류 센서를 제공한다. Therefore, the present invention is designed to improve the above problems of the conventional Faraday rotor type optical sensor, a ferromagnetic Faraday rotor with excellent sensitivity and a non-ferromagnetic Faraday rotor such as paramagnetic, diamagnetic material, etc. having low sensitivity but no saturation characteristics Is placed in the same sensor head at the same time, it is used for measurement by using ferromagnetic Faraday rotor in normal operation state, and it is used for protection by using non-ferromagnetic Faraday rotor when abnormal high current flows due to accident. Offers photocurrent sensors designed to enable high precision measurements in

통상, 페러데이 회전자 방식의 광 전류센서에서 페러데이 회전자는 전선의 전류에 의한 자계의 세기에 비례하게 이를 투과하는 광빔의 편광면을 회전시키며, 이 편광면이 회전된 정도는 편광자와 검광자를 이용하여 광 강도 변화로 변환되어 측정된다. 편광면을 회전시키는 페러데이 회전자의 회전각은 다음식으로 주어진다. In general, in a Faraday rotor type optical current sensor, a Faraday rotor rotates a polarization plane of a light beam passing therein in proportion to the strength of a magnetic field caused by electric current of a wire, and the degree of rotation of the polarization plane is determined by using a polarizer and an analyzer. It is converted into light intensity change and measured. The rotation angle of the Faraday rotor for rotating the polarization plane is given by the following equation.

Figure 112004037505862-pat00001
--------------------------------------(1)
Figure 112004037505862-pat00001
--------------------------------------(One)

여기서, V는 베르데(Verdet)상수(rad/AT), L는 광로장(m), H는 자계(AT/m), Φ는 광빔과 자계가 이루는 각(rad)이다. Where V is the Verdet constant (rad / AT), L is the optical path length (m), H is the magnetic field (AT / m), and Φ is the angle (rad) between the light beam and the magnetic field.

강자성 페러데이 회전자는 비 강자성 페러데이 회전자에 비해 매우 큰 베르 데 상수를 가지므로 작은 광로장 에서도 높은 감도를 가지는 반면에 포화특성이 있어, 포화자계이상을 발생시키는 전선의 전류에 대하여는 측정이 불가능하다. 반면에 비 강자성 페러데이 회전자는 낮은 베르데 상수로 인해 광로장이 작은 경우 저 전류에 의한 자계 검출이 불가능하지만 포화특성이 없어 단락이나 지락 사고에 의해 발생하는 매우 큰 사고전류에 의한 자계에 대해서도 포화 되지않고 계측할 수 있다. 따라서 두 페러데이 회전자를 동일 센서헤드부내에 사용하면, 전선의 정상전류 상태 뿐만 아니라 사고전류에 의해 발생하는 임펄스성 전류 까지 포화특성 없이 고정도로 측정이 가능하다.
Since the ferromagnetic Faraday rotor has a much larger Verde constant than the non-ferromagnetic Faraday rotor, the ferromagnetic Faraday rotor has a high sensitivity even in a small optical path, but has a saturation characteristic, and thus it is impossible to measure the electric current of a wire which generates a saturation magnetic field abnormality. On the other hand, non-ferromagnetic Faraday rotors can not detect magnetic fields due to low current when the optical path length is small due to the low Verde constant, but they do not saturate for magnetic fields due to very large fault currents caused by short-circuit or ground fault due to lack of saturation characteristics. can do. Therefore, if two Faraday rotors are used in the same sensor head part, it is possible to measure not only the steady state of the wire but also the impulse current generated by the fault current without high saturation characteristic.

본 발명에 따른 광 전류센서는, 광원과; 광원으로부터 나오는 광빔을 전송하기 위한 입력측 광섬유와, 입력측 광섬유로부터 나오는 광빔을 평행광빔으로 만들기위한 평행광 렌즈와; 이 평행광빔을 2개의 편광빔으로 나누기 위한 PBS와; 상기 PBS에 의해 나누어진 편광빔중의 하나를 투과 시키며, 전선의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면을 회전시키는 강자성 페러데이 회전자와; 상기 PBS에 의해 나누어진 편광빔중의 다른 하나를 투과 시키며, 전선의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면을 회전시키는 비 강자성 페러데이 회전자와; 강자성 페러데이 회전자를 투과한 편광빔의 편광면이 회전된 정도를 광 강도로 변환하기 위한 검광자1과; 비 강자성 페러데이 회전자를 투과한 편광빔의 편광면이 회전된 정도를 광 강도로 변환하기위한 검광자2와; 검광자1을 투과한 광빔을 집속하기 위한 집속렌즈1과; 검광자2를 투과한 광빔을 집속하기 위한 집속렌즈2와; 집속렌즈1를 투과한 광빔을 전송하기위한 출력측 광섬유1과; 집속렌즈2를 투과한 광빔을 전송하기위한 출력측 광섬유 2와; 출력측 광섬유1을 투과한 광빔을 전기신호로 변환하기 위한 광검출기1과; 출력측 광섬유2를 투과한 광빔을 전기신호로 변환하기 위한 광검출기2와; 광검출기1과 광검출기2에 의해 얻어지는 전기신호로부터 전압출력을 얻는 신호처리회로로 구성된다.Optical current sensor according to the present invention, the light source; An input optical fiber for transmitting the light beam emitted from the light source, and a parallel optical lens for making the light beam emitted from the input optical fiber into a parallel light beam; PBS for dividing this parallel light beam into two polarizing beams; A ferromagnetic Faraday rotator that transmits one of the polarization beams divided by the PBS and rotates the polarization plane of the polarization beam in proportion to the magnetic field generated by the electric current of the wire; A non-ferromagnetic Faraday rotator that transmits another one of the polarization beams divided by the PBS and rotates the polarization plane of the polarization beam in proportion to the magnetic field generated by the electric current of the wire; An analyzer 1 for converting the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam passing through the ferromagnetic Faraday rotor into light intensity; An analyzer 2 for converting the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam passing through the non-ferromagnetic Faraday rotor into light intensity; A focusing lens 1 for focusing the light beam transmitted through the analyzer 1; A focusing lens 2 for focusing the light beam transmitted through the analyzer 2; An output side optical fiber 1 for transmitting the light beam transmitted through the focusing lens 1; An output side optical fiber 2 for transmitting the light beam transmitted through the focusing lens 2; A photodetector 1 for converting a light beam transmitted through the output optical fiber 1 into an electrical signal; A photodetector 2 for converting the light beam transmitted through the output optical fiber 2 into an electrical signal; It consists of a signal processing circuit which obtains a voltage output from an electrical signal obtained by the photodetector 1 and the photodetector 2.

상기 광원으로는 레이저 다이오드 또는 LED(Light Emitting Diode) 를 사용할 수 있으며, 평행광 렌즈와 집속렌즈로는, 셀폭렌즈, 그린렌즈 등의 마이크로 렌즈를 사용할 수 있으며, 강자성 페러데이 회전자로는 YIG(Yttrium Iron Garnet), RIG(Rare earth Iron Garnet), Bi:RIG(Bismuth substituted Rare earth Iron Garnet )등의 자성 가넷 등을 사용할 수 있으며, 비 강자성 페러데이 회전자로는 납유리, ZnSe, Bi12SiO20, Bi12GeO20 등을 사용할 수 있으며, 검광자로는 PBS 또는 편광자를 사용할 수 있으며, 광섬유로는 유리 혹은 플라스틱 광섬유를 사용할 수 있으며, 광 검출기로는 포토다이오드 등을 사용할 수 있다.  The light source may be a laser diode or an LED (Light Emitting Diode), and as a parallel light lens and a focusing lens, microlenses such as a cell width lens and a green lens may be used, and as a ferromagnetic Faraday rotator, YIG (Yttrium Iron) Magnetic garnets such as Garnet), Rare earth Iron Garnet (RIG), Bismuth substituted Rare earth Iron Garnet (Bi: RIG), etc. can be used, and lead glass, ZnSe, Bi12SiO20, Bi12GeO20, etc. can be used as non-ferromagnetic Faraday rotors. For example, PBS or polarizer may be used as the analyzer, glass or plastic optical fiber may be used as the optical fiber, and photodiode may be used as the optical detector.

이하에서는, 본 발명에 따른 광 전류 센서의 적합한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the photocurrent sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1은 본 발명의 실시예 1에 따른 광 전류센서(10)의 구성도 이며 그 구성과 동작원리는 다음과 같다.1 is a configuration diagram of a photocurrent sensor 10 according to Embodiment 1 of the present invention and its configuration and operation principle are as follows.

신호처리회로(11)에 연결되어 있는 광원(12)를 출발한 광빔은 입력측 광섬유(13a)에 의해, 도1의 화살표와 같이, 센서 헤드부(14)로 전송되고, 입력측 셀폭렌즈(15a)에 의해 평행광빔이 된다. 이 평행광빔은 입력측 PBS(16a)에 의해 2개의 편광빔으로 분리되며, 그 중 하나인 입력측 PBS(16a)에 의해 90도 굴절된 편광빔은 강자성 페러데이 회전자(18)에 입사되며, 강자성 페러데이 회전자 (18)를 투과하면서, 전선(17)의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면이 회전된후, 출력측 PBS1(16b)에 의해 편광면이 회전된 정도가 광 강도로 변환된다. 이때, 출력측 PBS(16b)는 입력측 PBS(16a)에 대하여 45도 회전되도록 설치하여 상기 편광빔의 편광면이 회전된 정도가 광 강도로 변환될 때, 광 강도의 변화가 선형적인 부분에서 이루어 지도록 광학 바이어스를 걸어준다. 출력측 PBS1(16b)을 투과한 광빔은 90도 굴절 프리즘1(19a)에 의해 굴절되어, 출력측 셀폭렌즈1(15b)에 의해 집속되어, 출력측 광섬유(13b)를 거쳐서 광 검출기1(20a)에 도달하여, 전기신호로 변환된다. 한편 입력측 PBS(16a)에 의해 나누어진 편광빔중의 나머지 하나는 90도 굴절프리즘역할을 하도록 한면을 45도로 가공후 전반사 막을 코팅한 비 강자성 페러데이 회전자(22)에 굴절입사하며, 이를 투과 하면서, 전선(17)의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면이 회전된후, 출력측 PBS2(16c)에 의해 편광면이 회전된 정도가 광 강도로 변환된다. 이때, 역시, 출력측 PBS2(16c)는 입력측 PBS(16a)에 대하여 45도 회전되도록 설치하여, 상기 편광빔의 편광면이 회전된 정도가 광 강도로 변환될 때, 광 강도의 변화가 선형적인 부분에서 이루어지도록 광학 바이어스를 걸어준다. 출력측 PBS2(16c)를 투과한 광 빔은 90도 굴절프리즘2(19b)에 의해 굴절되어, 출력측 셀폭렌즈2(15c)에 의해 집속되어, 출력측 광섬유2(13c)를 거쳐서, 광 검출기2(20b)에 도달하여, 전기 신호로 변환된다. 그후 신호처리회로(11)에 의해 광 검출기1(20a)와 광 검출기2(20b)의해 얻어지는 전기신호를 각각 계측용 출력 및 보호용 출력으로 한다.The light beam starting from the light source 12 connected to the signal processing circuit 11 is transmitted by the input side optical fiber 13a to the sensor head portion 14, as shown by the arrow in Fig. 1, and the input side cell width lens 15a. This results in a parallel light beam. The parallel light beam is split into two polarized beams by the input side PBS 16a, and the polarized beam refracted by 90 degrees by the input side PBS 16a, which is incident on the ferromagnetic Faraday rotor 18, is ferromagnetic Faraday While passing through the rotor 18, the polarization plane of the polarization beam is rotated in proportion to the magnetic field generated by the electric current of the electric wire 17, and then the degree of rotation of the polarization plane by the output side PBS1 16b is light intensity. Is converted to. At this time, the output side PBS 16b is installed to be rotated 45 degrees with respect to the input side PBS 16a so that when the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam is converted to the light intensity, the light intensity is changed in a linear portion. Apply optical bias. The light beam transmitted through the output side PBS1 16b is refracted by the 90 degree refraction prism 1 19a, focused by the output side cell width lens 1 15b, and reaches the photodetector 1 20a via the output side optical fiber 13b. Is converted into an electrical signal. On the other hand, one of the polarization beams divided by the input side PBS 16a is refracted and incident on the non-ferromagnetic Faraday rotor 22 coated with the total reflection film after 45 degrees processing one side to act as a 90 degree refraction prism, while transmitting After the polarization plane of the polarization beam is rotated in proportion to the magnetic field generated by the electric current of the electric wire 17, the degree of rotation of the polarization plane by the output side PBS2 16c is converted into light intensity. At this time, the output side PBS2 (16c) is also installed to rotate 45 degrees with respect to the input side PBS (16a), when the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam is converted to the light intensity, the portion where the change in light intensity is linear Apply optical bias to achieve The light beam passing through the output side PBS2 16c is refracted by the 90 degree refraction prism 2 19b, is focused by the output side cell width lens 2 15c, and passes through the output side optical fiber 2 13c, and then through the photodetector 2 20b. ) Is converted into an electrical signal. Thereafter, the electric signal obtained by the photodetector 1 (20a) and the photodetector 2 (20b) by the signal processing circuit 11 is used as the measurement output and the protection output respectively.

도2은 비교예1(30)에 따른 광 전류센서의 구성도 이다. 비교예1(30)은 페러데이 회전자형 광 전류센서의 종래방식으로서 하나의 페러데이 회전자(18)로 구성 되며, 입력측 광섬유(13a)를 통해 들어온 광빔은 셀폭렌즈(15a)에서 평행광이 되어, 입력측 PBS(16a), 페러데이 회전자(18), 출력측 PBS(16b)를 차례로 거치면서 페러데이 회전자(18)에 인가된 전선(17)의 전류에 의한 자계의 세기에 따라 광빔의 강도로 변환되어지고, 이는 다시 90도 굴절 프리즘(19a), 출력측 셀폭렌즈(15b) 를 거쳐 출력측 광섬유(13b)를 통해 신호처리회로로 전송되어 신호처리 과정을 거친후 전압값으로 출력된다. 강자성 페러데이 회전자는 보통 1kOe 정도의 포화자계를 가지며, 이는 페러데이 회전자(18)을 전선(17)로부터 이격거리가 1 cm 되도록 설치했을 때 5000A의 전류에 해당되므로, 5000A이상의 전류에서는 페러데이 회전자가 포화된다는 것을 의미한다. 따라서 5000A 이상의 전류는 측정이 불가능 하다. 그리고 비 강자성 페러데이 회전자를 사용할 경우에는, 전선의 저 전류에 의한 자계를 계측하기 위해서 페러데이 회전자의 광로장을 매우 길게 해야만 하며, 이는 전체 센서의 크기를 크게 증가 시킨다는 문제점이 있을 뿐만 아니라 동시에 광 손실이 커진다는 문제점이 있다. 2 is a configuration diagram of an optical current sensor according to Comparative Example 1 (30). Comparative Example 1 (30) is a conventional method of the Faraday rotor type photocurrent sensor is composed of one Faraday rotor 18, the light beam coming through the input side optical fiber 13a becomes parallel light in the cell width lens (15a), While passing through the input side PBS 16a, the Faraday rotor 18, and the output side PBS 16b, it is converted into the intensity of the light beam according to the intensity of the magnetic field by the electric current of the electric wire 17 applied to the Faraday rotor 18. This is again transmitted to the signal processing circuit through the output side optical fiber 13b through the 90 degree refraction prism 19a and the output side cell width lens 15b, and is then output as a voltage value after the signal processing. The ferromagnetic Faraday rotor usually has a saturation magnetic field of about 1 kOe, which corresponds to a current of 5000 A when the Faraday rotor 18 is installed to have a distance of 1 cm from the wire 17, so that the Faraday rotor saturates at a current of 5000 A or more. It means. Therefore, currents above 5000A cannot be measured. And when using a non-ferromagnetic Faraday rotor, in order to measure the magnetic field caused by the low current of the wire, the optical path length of the Faraday rotor must be very long, which not only increases the size of the entire sensor but also increases the optical There is a problem that the loss is large.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 광 전류센서에 의하면, 서로다른 자기적 특성을 가지는 강자성 페러데이 회전자와 비 강자성 페러데이 회전자를 동일 센서내에 사용함으로써, 정상적인 상태에서는 강자성 페러데이 회전자에 의한 출력을 사용하고, 단락이나 지락에 의한 사고발생시에는 비 강자성 페러데이 회전자에 의한 출력을 사용하여, 수A 이하의 낮은 전류에서 수100kA 이상까지 포화특성 없이 고정밀도로 측정 할 수 있다는 효과가 있다.

As described above, according to the optical current sensor according to the present invention, by using a ferromagnetic Faraday rotor and a non-ferromagnetic Faraday rotor having different magnetic properties in the same sensor, the output by the ferromagnetic Faraday rotor in the normal state In the event of an accident due to a short circuit or ground fault, the output of the non-ferromagnetic Faraday rotor can be used to measure with high accuracy without saturation characteristics from a low current of several A or less to several 100 kA or more.

Claims (3)

광원;Light source; 상기 광원으로부터 나오는 광빔을 전송하기 위한 입력측 광섬유;An input side optical fiber for transmitting a light beam emitted from the light source; 상기 입력측 광섬유로부터 나오는 광빔을 평행광빔으로 만들기위한 평행광 렌즈;A parallel light lens for making the light beam emitted from the input optical fiber into a parallel light beam; 상기 평행광 빔을 2개의 편광빔으로 나누기 위한 PBS;PBS for dividing the parallel light beam into two polarizing beams; 정상 동작시 전류를 측정하기 위하여, 상기 PBS에 의해 나누어진 편광빔중의 하나를 투과시키며, 전선의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하도록 상기 편광빔의 편광면을 회전시키는 강자성 페러데이 회전자;A ferromagnetic Faraday rotor that transmits one of the polarization beams divided by the PBS, and rotates the polarization plane of the polarization beam to be proportional to the magnetic field generated by the electric current of the wire to measure current in normal operation; 사고 발생시 전류를 측정하기 위하여, 상기 PBS에 의해 나누어진 편광빔 중 다른 하나를 투과시키며, 전선의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하도록 상기 편광빔의 편광면을 회전시키는 비 강자성 페러데이 회전자;A non-ferromagnetic Faraday rotor for transmitting the other one of the polarization beams divided by the PBS, and for rotating the polarization plane of the polarization beam to be proportional to the magnetic field generated by the electric current of the electric wire in order to measure the current in the event of an accident; 상기 강자성 페러데이 회전자를 투과한 편광빔의 편광면이 회전된 정도를 광 강도로 변환하기 위한 검광자1;An analyzer 1 for converting the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam passing through the ferromagnetic Faraday rotor into light intensity; 상기 비 강자성 페러데이 회전자를 투과한 편광빔의 편광면이 회전된 정도를 광 강도로 변환하기 위한 검광자2;An analyzer 2 for converting the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam passing through the non-ferromagnetic Faraday rotor into light intensity; 상기 검광자1을 투과한 광빔을 집속하기 위한 집속렌즈1;A focusing lens 1 for focusing the light beam transmitted through the analyzer 1; 상기 검광자2를 투과한 광빔을 집속하기 위한 집속렌즈2;A focusing lens 2 for focusing the light beam transmitted through the analyzer 2; 상기 집속렌즈1를 투과한 광빔을 전송하기 위한 출력측 광섬유1;An output side optical fiber 1 for transmitting the light beam transmitted through the focusing lens 1; 상기 집속렌즈2를 투과한 광빔을 전송하기 위한 출력측 광섬유 2;An output side optical fiber 2 for transmitting the light beam transmitted through the focusing lens 2; 상기 출력측 광섬유1을 투과한 광빔을 전기신호로 변환하기 위한 광검출기1;A photodetector 1 for converting a light beam transmitted through the output side optical fiber 1 into an electrical signal; 상기 출력측 광섬유2를 투과한 광빔을 전기신호로 변환하기 위한 광검출기2; 및A photodetector 2 for converting the light beam transmitted through the output side optical fiber 2 into an electrical signal; And 상기 광검출기1과 광검출기2에 의해 얻어지는 전기신호로부터 전압출력을 얻는 신호처리회로A signal processing circuit for obtaining a voltage output from the electrical signals obtained by the photodetectors 1 and 2; 를 포함하는 광 전류 센서.Photocurrent sensor comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 강자성 페러데이 회전자는 YIG(Yttrium Iron Garnet), RIG(Rare earth Iron Garnet), Bi:RIG(Bismuth substituted Rare earth Iron Garnet ) 등의 입방정 자성 가넷 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 광 전류센서.The ferromagnetic Faraday rotator is at least one selected from cubic magnetic garnets such as Yttrium Iron Garnet (YIG), Rare earth Iron Garnet (RIG), Bismuth substituted Rare earth Iron Garnet (Bi: RIG), and the like. Optical current sensor. 제 1 항에 있어서, 상기 비 강자성 페러데이 회전자는 납유리, ZnSe, Bi12SiO20, Bi12GeO20로된 군 중에서 선택된 비 강자성 페러데이 회전자인 것을 특징으로 하는 광 전류센서The photocurrent sensor of claim 1, wherein the non-ferromagnetic Faraday rotor is a non-ferromagnetic Faraday rotor selected from the group consisting of lead glass, ZnSe, Bi 12 SiO 20 , and Bi 12 GeO 20 .
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