KR101038214B1 - 열화 감지센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 광을 이용하여 전력기기, 변압기 또는 도체 등에 흐르는 전류와 열을 동시에 측정하여 기기 또는 도체의 열화 정도를 측정할 수 있는 열화(劣化) 감지센서에 관한 것이다.

본 발명의 열화 감지센서는, 본 발명의 열화 감지센서는, 외부의 기준광원과 신호광원으로부터 각각 입사되는 기준광과 신호광을 혼합하여 혼합광을 생성하는 광커플러; 상기 혼합광을 인가받으며, 인접한 측정대상의 온도에 따라 상기 혼합광에 포함된 상기 신호광의 투과광량을 조절 출력하는 광흡수소자; 상기 기준광원으로부터 기준광을 인가받아 편광시키는 편광자; 상기 편광자로부터 편광을 인가받아 45°위상변환시키는 회전자; 상기 회전자로부터의 출력광을 인가받으며, 인접한 측정대상을 통해 흐르는 전류의 크기에 따라 변화되는 자계에 비례하여 상기 출력광의 광량 및 회전각도를 조절 출력하는 자기광학소자; 및 상기 자기광학소자로부터 출력된 광을 편광시키는 검광자;를 포함한다.

열화, 절연파괴, 전류감지, 온도감지

Description

열화 감지센서{Senor for detecting degradation}

본 발명은 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 광을 이용하여 전력기기, 변압기 또는 도체 등에 흐르는 전류와 열을 동시에 측정하여 기기 또는 도체의 열화 정도를 측정할 수 있는 열화(劣化) 감지센서에 관한 것이다.

근대 에디슨의 발명이 이후 전기는 우리 생활에 가장 밀접한 에너지가 되었다. 디지털 카메라와 같은 초소형 고정밀 기기로부터 대규모의 공장에 이르기까지 현재 전기 에너지가 이용되지 않는 곳은 찾아보기 힘든 상황에 이르렀다.

한편, 앞서 말한 공장과 같이 대규모의 전력을 다루는 전력설비의 경우 전력의 감시 및 제어의 편의를 위해 배전반을 이용한다.

이러한 배전반의 내부에는 변압기, 차단기, 단로기, 전력용 개폐기, 계기용 변압 변류기, 모선 및 접속도체와 감시제어에 필요한 각종 전력기기가 내장되어 있는데, 각 기기의 절연물질은 배전반의 통전이 이루어지면서 발생하는 열(熱)과 같은 요인에 의해 팽창 또는 수축을 반복하다가 점점 열화(劣化)되면서 절연이상을 발생시킨다.

또한, 이렇게 절연 이상이 발생한 절연물질은 부분방전을 야기할 수 있고, 최악의 경우에는 절연파괴로 인해 전력설비의 화재로 진전된다.

따라서, 대형 사고로 이어지기 이전에 기기와 도체의 열화 상태를 측정하는 것은 매우 중요하다.

더욱이 국내는 1960년대 산업화가 시작된 이후 대규모의 전력설비가 도입되기 시작하였는데, 이들이 노후화함에 따라 사고의 위험성은 더욱더 높아지고 있다.

본 발명은 위와 같은 요구에 의해 창출된 것으로, 광출력을 이용하여 전력기기나 변압기 또는 도체에 흐르는 전류를 측정함과 동시에, 해당 기기 또는 도체에서 발생되는 열(熱)을 측정함으로써 기기 또는 도체의 열화 정도를 측정할 수 있는 열화감지 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열화 감지센서는, 외부의 기준광원과 신호광원으로부터 각각 입사되는 기준광과 신호광을 혼합하여 혼합광을 생성하는 광커플러; 상기 혼합광을 인가받으며, 인접한 측정대상의 온도에 따라 상기 혼합광에 포함된 상기 신호광의 투과광량을 조절 출력하는 광흡수소자; 상기 기준광원으로부터 기준광을 인가받아 편광시키는 편광자; 상기 편광자로부터 편광을 인가받아 45°위상변환시키는 회전자; 상기 회전자로부터의 출력광을 인가받으며, 인접한 측정대상을 통해 흐르는 전류의 크기에 따라 변화되는 자계에 비례하여 상기 출력광의 광량을 조절 출력하는 자기광학소자; 및 상기 자기광학소자로부터 출력된 광 및 회전각도를 편광시키는 검광자;를 포함한다.

상기 광흡수소자, 상기 편광자, 상기 회전자, 상기 자기광학소자 및 상기 검광자를 내부에 수용하며, 상기 측정대상에 흡착 고정되기 위한 흡착수단이 일측에 구비된 몰딩케이스;를 더 포함할 수 있다.

나아가, 상기 기준광의 파장은 1300nm이며, 상기 신호광의 파장은 940nm인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 검광자와 상기 광흡수소자의 출력부에는 집광(集光)을 위한 집광수단이 구비되는 것이 더욱 바람직하다.

덧붙여, 상기 자기광학소자는 희토류가 첨가된 YIG소자인 것이 바람직하다.

또한, 상기 광흡수소자는 InP반도체소자인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 광출력을 이용하여 기기 또는 도체에 흐르는 전류를 측정함과 동시에, 해당 기기 또는 도체에서 발생되는 열(熱)을 측정함으로써 기존에는 전류측정과 온도측정의 이원화된 체계에 의해 개별적으로 이루어지던 기기 또는 도체의 열화 정도를 단 하나의 센서를 이용하여 용이하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 온도와 전류의 측정에 모두 광(光)을 이용하므로, 매우 빠른 측정이 가능한 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열화 감지센서를 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열화 감지센서의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열화 감지센서(100)는 광커플러(110)와 편광자(120)와 회전자(130)와 자기광학소자(140)와 검광자(150) 및 광흡수소자(160)을 포함한다.

광커플러(110)는 센서 외부에 위치하는 외부의 기준광원(LS1)과 신호광원(LS2)으로부터 각각 입사되는 기준광(A)과 신호광(B)을 혼합하여 온도측정에 이용될 혼합광(C)을 생성한다.

이때 기준광(A)은 전류의 측정에도 이용되므로 기준광의 일부만이 광커플러로 입사되고, 나머지는 차후에 설명할 편광자(120)로 입사된다.

편광자(120)는 도 1에 도시된 것과 같이 기준광원(LS1)으로부터 기준광(A)을 인가받아 편광시킨다.

회전자(130)는 교류 전류 측정에서 측정 정밀도를 높이기 위해, 편광자(120)를 통해 출력된 편광(D)을 45°만큼 회전시켜 광학 바이어스를 걸어준다.

여기서, 편광을 45°만큼 회전시키는 이유는 자기광학소자(140)에서 편광면의 변화량에 대해서 선형적 출력특성을 갖는 각이 45°부근이기 때문이다.

자기광학소자(140)는 회전자(130)를 통해 위상 변환된 편광(E)을 인가받으며, 패러데이 이론에 의해 측정대상(미도시)을 통해 흐르는 전류의 크기에 따라 변화하는 자계에 비례하여 상기 편광(E)의 광량을 조절 출력한다.

도 2에는 외부로부터의 자계 인가에 따라 광량이 조절되는 일 예가 도시되어 있다. 본 발명은 이러한 성질(패러데이 효과)을 이용하여 기기에 흐르는 전류의 크기에 따라 발생되는 자계의 영향으로 변화되는 자기광학소자(140) 내의 자구에 의해 광량과 회전각도가 조절되도록 한다.

여기서, 자기광학소자(140)는 패러데이 상수가 크고 온도특성이 우수한 희토류가 첨가된 YIG계열의 BIRIG 가넷 반도체 소자가 사용되는 것이 가장 바람직하나, 본 발명이 반드시 이에 의해서만 구현될 수 있는 것은 아니다.

검광자(150)는 자기광학소자(140)로부터 출력된 광(F)을 변광시켜 외부로 출력되도록 한다. 이렇게 검광자(140)를 통해 편광된 광은 외부의 검출시스템(미도시)으로 전송되어 전기신호로 변환된 후 광의 회전각도와 광량에 따라 전류값을 산출하는데 이용된다.

이하에서는 본 발명을 이용한 온도측정 원리를 설명하도록 한다.

전류측정에서는 기준광(A)만을 이용하였으나, 온도측정에서는 기준광(A)과 신호광(B)이 모두 이용된다.

이때, 기준광(A)의 파장은 1300nm이며, 신호광(B)의 파장은 940nm인 것이 바람직한데, 익히 알려진 바와 같이 빛은 파장이 클수록 온도에 따른 광의 흡수율이 적으며, 그 반대로 파장이 작을수록 온도에 따른 광의 흡수율이 커지므로, 본 발명 의 센서(100)는 이러한 원리에 의해 혼합된 두 광(A,B)의 흡수율 차이를 측정함으로써 온도를 측정하도록 한다.

또한, 본 발명에서는 측정 정밀도를 높이기 위하여 온도 측정 부문에서는 두 파장에서 검출된 두 개의 출력전압 비를 계산하고, 전류 측정부분에서는 교류와 직류의 비를 취하여 광섬유에 유입되는 외란의 영향을 줄이는 방법을 택하였다.

광흡수소자(160)는 온도가 증가할 경우 광투과율이 변화되는데, 1300nm의 파장을 갖는 기준광(A)은 이러한 투과율에 영향을 거의 받지 않으나, 940nm의 짧은 파장을 갖는 신호광(B)은 광흡수소자(160)을 투과하면서 광량이 감소하게 된다.

즉, 도 1에 도시된 것과 같이 광흡수소자(160)를 통과하기 이전에 서로 다른 파장(λ1, λ2)을 갖는 두 광(A, B)은 같은 광량을 갖고 있으나, 광흡수소자(160)를 통과한 후 외부로 출력될 때에는, 신호광이 흡수됨에 따라 광량이 변화하게 되는데, 이러한 광의 흡수량은 온도에 따라 달라지므로 이를 비교하여 온도를 알 수 있는 것이다.

다시 말해, 혼합광(C) 중에서 파장이 긴 기준광(A)은 광량의 변화없이 광흡수소자(160)를 통과하나, 파장이 짧은 신호광(B)은 광흡수소자(160)가 갖는 일정 파장대에서의 온도변화특성에 따라 변화되는 것이다.

한편, 광흡수소자(160)를 통해 흡수가 이루어진 혼합광은 90°프리즘(170)을 통해 센서(100)의 외부로 출력되며, 흡수가 이루어진 혼합광은 외부의 검출시스템(미도시)으로 전송되어 기준광(A) 및 신호광(B)의 흡수 차이가 전기신호로 변환된 후 해당 기기 또는 도체의 온도 산출에 이용된다.

90°프리즘(170)은 본 발명의 실시를 위해 반드시 필요한 구성은 아니나, 도 1에 도시된 것과 같이 센서의 일면을 통해 광의 입력과 출력이 모두 이루어지도록 하는 것이 바람직하므로, 광의 진로를 변경하기 위해 이용될 수 있다.

또한, 광흡수소자(160)는 측정하고자 하는 기기 또는 도체로부터 열을 용이하게 전달받을 수 있도록 해당 기기 또는 도체에 접촉될 수 있도록 구비되는 것이 바람직하다.

이때, 본 발명에서는 광흡수소자(160)가 광흡수특성이 우수한 InP반도체소자로 구현되는 것이 가장 바람직하나 본 발명의 구성이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 이러한 구성을 통해 종래에는 기기의 열화 측정을 위해 각각 개별적으로 측정되어 오던 전류와 온도를 동시에 측정할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 도 1에 도시된 것과 같이 검광자(150)와 광흡수소자(160)가 광을 출력하게 되는 출력부와 광이 센서로 입력되는 입력부에는 집광(集光)을 위한 집광수단(180)을 구비할 수 있다.

이렇게 집광수단(180)이 구비됨으로써 본 발명은 검광자(150)와 광흡수소자(160)가 출력하는 광을 더욱 또렷이 할 수 있고, 이에 의해 더욱 정확한 검출이 가능해지는데, 집광수단으로는 셀폭렌즈 또는 콜리메이터 등이 이용될 수 있다.

또한, 이와 같은 집광수단(180)은 도 1에 도시된 바와 같이 몰딩케이스(190)의 내에 고정되는데, 집광수단을 통해 입력되거나 출력되는 광은 피그테일(Pig Tail)형으로 본딩된 광섬유(P)에 의해 케이스 외측과 연결되는 것이 바람직하다.

이러한 구성을 통해 본 발명은 광 전달의 신뢰성을 높일 수 있으며, 나아가 외부의 충격이나 압력에 의해 광의 진로가 변경됨으로써 센서가 오동작하는 것을 방지할 수 있다.

나아가, 광섬유의 끝단에는 본 발명의 센서(100)와 광원(LS1,LS2) 및 외부의 검출시스템(미도시)을 연결하거나 분리할 수 있도록 커넥터(191)가 구비되는 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 집광수단(180)으로부터 광원까지 하나의 광섬유로 연결되어 구성되는 것도 얼마든지 가능하다.

앞서 설명한 바와 같은 구성을 통해 본 발명의 센서는 대상 기기 또는 도체에 흐르는 전류와 온도를 동시에 측정하는데 이용될 수 있으며, 이렇게 측정된 전류와 온도는 해당 기기의 열화 정도를 가늠하는데 지표로 이용될 수 있다.

예를 들어, 대상 기기 또는 도체에서 과도한 열이 감지되며, 누설전류로 인해 전류값이 감소한 경우 열화된 것으로 판정할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 앞서 설명한 편광자(120), 회전자(130), 자기광학소자(140), 검광자(150), 광흡수소자(160), 90°프리즘(170) 및 집광수단(180)을 내부에 수용하는 몰딩케이스(190)를 더 포함할 수 있다.

또한, 편광자(120), 회전자(130), 자기광학소자(140), 검광자(150), 광흡수소자(160), 90°프리즘(170)은 광의 경로가 어긋나 오동작하는 것을 방지하기 위해 알루미늄과 같은 금속케이스(도 4의 S)에 고정 수용된 후 이 금속케이스가 몰딩케 이스에 삽입되도록 하는 것이 바람직하다.

몰딩케이스는 에폭시와 같이 재질의 합성수지가 몰딩되어 형성될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 내열내후성을 갖는 재질로 형성될 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 것과 같이 몰딩케이스(190)의 저면 일측에는 센서를 벽면과 같은 특정위치에 고정시킬 수 있는 흡착식 빨판(192)이 구비될 수 있으며, 이때에는 흡착식 빨판(192)이 형성된 일측이 금속케이스(S)의 저면보다 더 아래측에 위치하여 흡착식 빨판(192)의 부착을 위해 케이스 전체가 충분한 압축운동을 할 수 있는 공간(194)이 형성되는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열화 감지센서의 구성도,

도 2는 외부 자계에 따라 변화되는 빛의 성질을 도시한 예시도,

도 3은 몰딩케이스의 요부를 도시한 요부확대도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 설명>

110 : 광커플러 120 : 편광자

130 : 회전자 140 : 자기광학소자

150 : 검광자 160 : 광흡수소자

170 : 90°프리즘 180 : 집광수단

190 : 몰딩케이스

Claims (6)

1. 외부의 기준광원과 신호광원으로부터 각각 입사되는 기준광과 신호광을 혼합하여 혼합광을 생성하는 광커플러;

   상기 혼합광을 인가받으며, 인접한 측정대상의 온도에 따라 상기 혼합광에 포함된 상기 신호광의 투과광량을 조절 출력하는 광흡수소자;

   상기 기준광원으로부터 기준광을 인가받아 편광시키는 편광자;

   상기 편광자로부터 편광을 인가받아 45°위상변환시킨 후 출력하는 회전자;

   상기 회전자로부터의 출력광을 인가받으며, 인접한 측정대상을 통해 흐르는 전류의 크기에 따라 변화되는 자계에 비례하여 상기 출력광의 광량 및 회전각도를 조절 출력하는 자기광학소자; 및

   상기 자기광학소자로부터 출력된 광을 편광시키는 검광자;

   를 포함하는 열화(劣化) 감지센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 광흡수소자, 상기 편광자, 상기 회전자, 상기 자기광학소자 및 상기 검광자를 내부에 수용하며, 상기 측정대상에 흡착 고정되기 위한 흡착수단이 일측에 구비된 몰딩케이스;

   를 더 포함하는 열화감지센서.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 기준광의 파장은 1300nm이며, 상기 신호광의 파장은 940nm인 것을 특징으로 하는 열화 감지센서.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 검광자와 상기 광흡수소자의 출력부에는 집광(集光)을 위한 집광수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 열화 감지센서.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 자기광학소자는 희토류가 첨가된 YIG소자인 것을 특징으로 하는 열화 감지센서.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 광흡수소자는 InP반도체소자인 것을 특징으로 하는 열화 감지센서.

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