KR101576888B1 - 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템 및 방법이 개시된다. 수배전반 내에서 아크(arc)에 의해 발생되는 적외선을 선택적으로 투과시켜 출력하는 적외선 광학 렌즈; 상기 적외선 광학 렌즈에서 출력된 적외선을 가시 광선으로 변환하여 출력하는 형광 글래스; 상기 형광 글래스에서 출력된 가시 광선을 전달하기 위한 광 섬유(optical fiber); 상기 광 섬유를 통해 전달되는 가시 광선을 수신하여 투과시키는 수광 렌즈; 상기 수광 렌즈에서 투과되는 가시 광선을 증폭하여 출력하는 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하는 아크 발생 판단 모듈을 구성한다. 상술한 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템 및 방법에 의하면, 아크에 의해 주로 발생되는 적외선을 선택적으로 필터링하고 이를 가시광선으로 변환하여 아크 검출을 판단하도록 구성됨으로써, 형광등이나 태양광 등에 의한 가시광선, 자외선 등의 외란광을 제거하고 정확하게 아크를 검출할 수 있는 효과가 있다. 특히, 자연광에 의한 적외선을 고려하여 적외선 노이즈까지 제거함으로써, 수배전반 내의 아크 발생을 정확하게 검출할 수 있는 효과가 있다.

Description

광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD BY TRANSFORMING INFRARED TO VISIBLE LIGHT USING OPTICAL FIBER}
본 발명은 고압반, 저압반, 분전반, 모터제어반을 포함한 수배전반에서 아크 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템 및 방법에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.
수배전반에서 아크(arc) 사고는 큰 대형 화재나 정전 사태 등으로 이어지는 가장 주요한 피해 원인 중의 하나이다.
아크 사고는 수배전반에서 발생하는 사고 중 가장 큰 사고로서, 지속 시간이 길어질 경우 수배전반 패널과 전력기기가 파손되어 장시간의 정전을 유발할 뿐 만 아니라 사고 발생 순간 작업자가 아크에 노출될 경우, 심각한 인명피해를 유발할 수 있다. 이러한 아크 사고의 발생 시 작업자의 안전이나, 수배전반의 내구성을 위한 여러 가지 조치들을 취하지만 이러한 규정은 잘 지키지 않아 큰 피해를 초래 하는 경우가 흔하게 발생하고 있다.
수배전반은 고장, 사고시 정전으로 인한 피해가 크므로 여러 가지 안전대책을 마련해야 한다. 수배전반의 내부에서 아크 사고가 조작자 실수, 노후로 인한 절연파괴, 동물 및 곤충의 침입 등의 이유로 종종 발생하고 있다.
미국의 경우 아크플래시 사고가 1년에 2,000건 이상이 보고되고 있고, 국내에서도 전기사고의 약 25%이상이 아크 플래시 사고로 발생하고 있는 등 점차 그 발생 빈도가 증가하고 있는 추세이다.
아크에 의한 피해를 방지하거나 아크를 정확하게 검출하기 위한 다양한 방안이 강구되고 있지만 아직까지도 수배전반의 내부 아크(internal arc)로부터 보호하는 방안은 매우 미흡한 실정이다.
먼저 기존의 보호 계전기의 단락 사고로부터의 보호는 사고 유무를 판단하는데 수십 ms 정도의 시간이 소요되는데 반해 수배전반 아크 사고가 발생하면 짧은 시간 내에 최대치에 도달하게 되어 패널과 내부 기기가 파손되고 정전이 발생하는 등의 2차 피해가 매우 커진다.
또한, 종래의 수배전반에서는 아크 검출을 위해 간접적인 전기적 신호를 검출하는 방식을 주로 이용하는데, 누전 이외의 전기 신호 영향과 같은 외부 노이즈에 의해 오검출이 잦아진다는 문제점이 있다.
그리고 종래의 아크 검출 방식은 아크 발생 위치와 무관하게 변류기에 의한 전체 전류 신호에 의한 검출에 의존하기 때문에, 아크의 발생 위치를 정확하게 검출할 수 없다는 문제점이 있다.
아울러 부하의 종류 즉, R, L, C 등의 부하에 따라 그 검출되는 전류 파형이 비선형적으로 출력되기 때문에 아크 발생시 정확한 검출에도 한계가 있다는 문제점이 있다.
이와 같이, 아크의 특성상 아크를 신속하게 검출하여 문제 발생 전에 신속하게 조치를 취하는 것이 중요한데, 이를 정확하게 검출하는 것에 한계가 있다.
대한민국 공개특허 제2013-0137370호 (2013.12.17)
본 발명의 목적은 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 목적에 따른 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템은, 수배전반 내에서 아크(arc)에 의해 발생되는 적외선을 선택적으로 투과시켜 출력하는 적외선 광학 렌즈; 상기 적외선 광학 렌즈에서 출력된 적외선을 가시 광선으로 변환하여 출력하는 형광 글래스; 상기 형광 글래스에서 출력된 가시 광선을 전달하기 위한 광 섬유(optical fiber); 상기 광 섬유를 통해 전달되는 가시 광선을 수신하여 투과시키는 수광 렌즈; 상기 수광 렌즈에서 투과되는 가시 광선을 증폭하여 출력하는 포토 다이오드(photo diode); 상기 포토 다이오드에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하는 아크 발생 판단 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 형광 글래스에서 출력되는 가시 광선을 증폭하여 발광하는 적외선 LED를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 아크 발생 판단 모듈은, 상기 광 섬유를 통해 전달되는 가시 광선을 논리 신호(logical signal)로 변환하는 아크 신호 정형 회로; 상기 아크 신호 정형 회로에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 발생 횟수를 계수하는 아크 신호 카운터(arc signal counter); 상기 아크 신호 카운터에서 계수된 아크 발생 횟수에 따라 알람 구동 신호를 생성하는 데이터 래치(data latch); 상기 데이터 래치에서 생성된 알람 구동 신호에 의해 알람을 발생하는 알람 발생 회로; 상기 아크 신호 정형 회로에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 지속 시간을 산출하기 위해 펄스폭을 변환하는 펄스폭 변환 회로; 상기 펄스폭 변환 회로에서 변환된 펄스폭에 의해 아크 스타트(arc start) 신호를 생성하는 아크 스타트 회로; 상기 아크 스타트 회로에서 생성된 아크 스타트 신호의 주파수 분석 및 통계 분석을 수행하여 아크의 지속 여부를 판단하고, 아크가 중단된 것으로 판단한 경우 상기 알람 발생 회로의 알람을 중지시키는 디지털 신호 처리 회로; 상기 디지털 처리 신호 회로에서 판단된 아크의 지속 여부 및 상기 광 섬유를 통해 인지되는 아크의 발생 위치를 표시하는 디스플레이를 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 적외선 광학 렌즈는, 800 nm ~ 860 nm 파장의 적외선을 선택 투과하고 그 외 파장의 광은 투과하지 않는 무반사 코팅(coating) 처리되도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 적외선 광학 렌즈는, 굴절율(nd)이 1.49보다 크고 1.78보다 작게 구성되고, 아베수(vd)는 46.0보다 크고 91.0보다 작게 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 적외선 광학 렌즈는, 최대 입사각이 55도, F 넘버(F number)가 2.0, 굴절율이 1.713, 분산이 53.94로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 광 섬유는, 아크 검출 센서별로 단일 광 섬유로 구성되는 광 섬유 다발로 구성되어 아크가 검출된 아크 검출 센서의 위치를 확인 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 광 섬유는, 상기 광 섬유의 끝 단면에 적외선 반응 형광체가 도포되도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 아크 발생 판단 모듈은, 아크의 파워 밀도가 5 uW/cm²를 초과하는 경우 아크가 발생하는 것으로 판단하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 다른 목적에 따른 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법은, 적외선 광학 렌즈가 아크(arc)에 의해 발생되는 적외선을 선택적으로 투과시켜 출력하는 단계; 형광 글래스가 상기 적외선 광학 렌즈에서 출력된 적외선을 가시 광선으로 변환하여 광 섬유를 통해 송신하는 단계; 적외선 LED가 기 적외선 반응 형광체에서 출력되는 가시 광선을 증폭하여 발광하는 단계; 수광 렌즈가 상기 광 섬유를 통해 전달되는 가시 광선을 수신하여 투과시키는 단계; 포토 다이오드(photo diode)가 상기 수광 렌즈에서 투과되는 가시 광선을 증폭하여 출력하는 단계; 아크 발생 판단 모듈이 상기 포토 다이오드에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하여 알람을 발생하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 아크 발생 판단 모듈이 상기 포토 다이오드에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하는 단계는, 아크 신호 정형 회로가 상기 광 섬유를 통해 전달되는 가시 광선을 논리 신호(logical signal)로 변환하는 단계; 아크 신호 카운터(arc signal counter)가 상기 아크 신호 정형 회로에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 발생 횟수를 계수하는 단계; 데이터 래치(data latch)가 상기 아크 신호 카운터에서 계수된 아크 발생 횟수에 따라 알람 구동 신호를 생성하는 단계; 알람 발생 회로가 상기 데이터 래치에서 생성된 알람 구동 신호에 의해 알람을 발생하는 단계; 펄스폭 변환 회로가 상기 아크 신호 정형 회로에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 지속 시간을 산출하기 위해 펄스폭을 변환하는 단계; 아크 스타트 회로가 상기 펄스폭 변환 회로에서 변환된 펄스폭에 의해 아크 스타트(arc start) 신호를 생성하는 단계; 디지털 신호 처리 회로가 상기 아크 스타트 회로에서 생성된 아크 스타트 신호의 주파수 분석 및 통계 분석을 수행하여 아크의 지속 여부를 판단하고, 아크가 중단된 것으로 판단한 경우 상기 알람 발생 회로의 알람을 중지시키는 단계; 디스플레이가 상기 디지털 처리 신호 회로에서 판단된 아크의 지속 여부 및 상기 광 섬유를 통해 인지되는 아크의 발생 위치를 표시하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 적외선 광학 렌즈는, 800 nm ~ 860 nm 파장의 적외선을 선택 투과하고 그 외 파장의 광은 투과하지 않는 무반사 코팅(coating) 처리되도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 적외선 광학 렌즈는, 굴절율(nd)이 1.49보다 크고 1.78보다 작게 구성되고, 아베수(vd)는 46.0보다 크고 91.0보다 작게 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 적외선 광학 렌즈는, 최대 입사각이 55도, F 넘버(F number)가 2.0, 굴절율이 1.713, 분산이 53.94로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 광 섬유는, 아크 검출 센서별로 단일 광 섬유로 구성되는 광 섬유 다발로 구성되어 아크가 검출된 아크 검출 센서의 위치를 확인 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 광 섬유는, 상기 광 섬유의 끝 단면에 적외선 반응 형광체가 도포되도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 아크 발생 판단 모듈이 상기 포토 다이오드에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하여 알람을 발생하는 단계는, 아크의 파워 밀도가 5 uW/cm²를 초과하는 경우 아크가 발생하는 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상술한 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템 및 방법에 의하면, 아크에 의해 주로 발생되는 적외선을 선택적으로 필터링하고 이를 가시광선으로 변환하여 아크 검출을 판단하도록 구성됨으로써, 형광등이나 태양광 등에 의한 가시광선, 자외선 등의 외란광을 제거하고 정확하게 아크를 검출할 수 있는 효과가 있다.
특히, 자연광에 의한 적외선을 고려하여 적외선 노이즈까지 제거함으로써, 아크 발생을 정확하게 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 가시광선을 광 파이버를 통해 아크 검출 회로로 송신하되 아크 검출 센서마다 각각 별도의 단일 광 섬유를 통해 송신하도록 구성됨으로써, 아크가 발생된 위치를 정확하게 인지하고 신속하게 대처할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 아크 발생시 아크에 의해 발생되는 광의 분광 스펙트럼 분포도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템의 구성도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템이 적용된 수배전반의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 발생 판단 모듈의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선-가시광선 변환타입의 출력 오차를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈의 굴절율/분산의 분포도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 5mm 두께의 적외선 광학 렌즈의 내부 투과율을 나타내는 표이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈의 공간 주파수에 따른 MTF 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 투과 필터의 분광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈의 분광 분포를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 MODBUS-RTU 프로토콜의 송수신 시퀀스이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 변환 방식에 의한 아크 검출 방법의 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 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 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 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 의해 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.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 아크 발생시 아크에 의해 발생되는 광의 분광 스펙트럼 분포도이다.
도 1을 참조하면, 수배전반에서 아크가 발생할 때 아크에 의해 발생되는 광의 스펙트럼 분포를 나타낸다. 도 1에서 보듯이 아크에 의한 광은 800 nm 내지 860 nm에서 가장 강한 세기를 나타내고 있다. 800 nm 내지 860 nm 파장 대역은 적외선 파장 대역이며, 아크에 의해 적외선이 가장 강하게 나타나고 있음을 알 수 있다.
이에, 적외선이 강하게 감지되면 아크가 발생하고 있다고 판단될 수 있다. 본 발명에서는 적외선이 강하게 감지되는 경우 아크의 발생을 검출하도록 구성된다.
수배전반 내부에서는 외부로부터 입사되는 가시광선은 물론 내부 형광등의 광과 같은 노이즈 광이 상당하게 존재한다. 이에, 가시광선이나 자외선과 같은 노이즈 광을 제거하도록 구성된다.
이에 더하여 자연광이나 형광등에 존재하는 적외선이 있는데, 본 발명에서는 이러한 기본적인 적외선을 고려하여 아크 발생에 따른 적외선이 있는지를 판단하도록 구성된다.
기본적으로 존재하는 적외선은 적외선의 최소 광 밀도를 설정하여 고려하도록 구성될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템의 구성도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템이 적용된 수배전반의 구성도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템(이하, ‘아크 검출 시스템’이라 함)(100)은 적외선 광학 렌즈(110), 형광 글래스(120), 광 섬유(130), 적외선 LED(light emitting diode)(140), 수광 렌즈(150), 포토 다이오드(photo diode)(160), 아크 발생 판단 모듈(170)을 포함하도록 구성될 수 있다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
적외선 광학 렌즈(110)는 아크(arc)에 의해 발생되는 적외선을 선택적으로 투과시켜 출력하도록 구성될 수 있다. 적외선 광학 렌즈(110)는 적외선을 투과시키고 자외선이나 가시광선을 차단하도록 구성될 수 있다.
여기서, 적외선 광학 렌즈(110)는 800 nm 내지 860 nm의 파장 대역을 갖는 적외선 대역을 선택 투과시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 아크에 의해 발생되는 적외선은 800 nm 내지 860 nm 파장 대역에서 가장 강하게 나타나기 때문이다.
형광 글래스(120)는 적외선 광학 렌즈(110)에서 출력된 적외선을 가시 광선으로 변환하여 출력하도록 구성될 수 있다.
가시광선은 광 섬유(130)를 통해 송신되도록 구성될 수 있다. 광 섬유(130)는 가시광선의 소실을 줄이고 검출된 적외선 신호 즉 가시광선을 그대로 원격지로 전달하기 위한 구성이다.
광 섬유(130)는 적외선 광학 렌즈(110), 형광 글래스(120), 광 섬유(130)로 구성되는 센서마다 하나씩 원격지로 연결되도록 구성되며, 센서마다 연결되는 광 섬유(130)는 하나의 광 섬유(130) 묶음 내지는 다발로서 구성된다.
특정 광 섬유(130)에서 가시광선이 전달되는지에 따라 어느 센서에서 아크가 검출되는지 알 수 있기 때문에, 아크의 발생 위치를 정확하게 판단할 수 있다.
적외선 LED(140)는 형광 글래스(120)에서 출력되는 가시광선을 증폭하여 발광하도록 구성될 수 있다. 사용자는 적외선 LED(140)에 의해 가시광선의 발광을 파악하여 육안으로 아크 발생을 확인하도록 구성될 수 있다.
수광 렌즈(150)는 원격지에 설치되며, 광 섬유(130)를 통해 전달되는 가시광선을 수신하여 투과시키도록 구성될 수 있다.
포토 다이오드(160)는 수광 렌즈(150)에서 투과되는 가시 광선을 증폭하여 출력하도록 구성될 수 있다.
수광 렌즈(150)와 포토 다이오드(160)는 수광 장치를 구성할 수 있다.
아크 발생 판단 모듈(170)은 포토 다이오드(160)에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
또한, 아크 발생 판단 모듈(170)은 아크 발생이 있는 것으로 판단하는 경우 알람을 발생시켜 사용자가 즉시 인지할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 아크 발생 판단 모듈(170)은 아크 발생 지점을 정확하게 사용자에게 알려주도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 발생 판단 모듈의 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 발생 판단 모듈(170)은 아크 신호 정형 회로(171), 아크 신호 카운터(arc signal counter)(172), 데이터 래치(data latch)(173), 알람 발생 회로(174), 펄스폭 변환 회로(175), 아크 스타트 회로(176), 디지털 신호 처리 회로(177), 디스플레이(178)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
아크 신호 정형 회로(171)는 광 섬유(130)를 통해 전달되는 가시광선을 논리 신호(logical signal)로 변환하도록 구성될 수 있다. 가시광선의 크기에 따라 논리 신호를 ‘HIGH’ 또는 ‘LOW’로 펄스폭을 변환하여 출력하도록 구성될 수 있다.
아크 신호 카운터(172)는 아크 신호 정형 회로(171)에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 발생 횟수를 계수하도록 구성될 수 있다. 즉, 일정한 펄스폭 이상의 펄스폭을 갖는 ‘HIGH’ 신호의 갯수를 계수하여 아크 발생 횟수를 카운트하도록 구성될 수 있다.
데이터 래치(173)는 아크 신호 카운터(172)에서 계수된 아크 발생 횟수에 따라 알람 구동 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 데이터 래치(173)는 소정 시간 단위 내에 소정 갯수 이상의 아크가 발생되어 카운트 횟수가 저장되는 경우, 즉시 알람 구동 신호를 생성하여 출력하도록 구성될 수 있다.
알람 발생 회로(174)는 데이터 래치(173)에서 생성된 알람 구동 신호에 의해 알람을 발생하도록 구성될 수 있다. 알람 발생 회로(174)는 알람 스피커를 통해 알람을 출력하도록 구성되거나 또는 사용자 단말(미도시)로 알람 메시지를 자동 송신하도록 구성될 수 있다.
펄스폭 변환 회로(175)는 아크 신호 정형 회로(171)에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 지속 시간을 산출하기 위해 펄스폭을 변환하도록 구성될 수 있다.
아크 스타트 회로(176)는 펄스폭 변환 회로(175)에서 변환된 펄스폭에 의해 아크 스타트(arc start) 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
디지털 신호 처리 회로(177)는 아크 스타트 회로(176)에서 생성된 아크 스타트 신호의 주파수 분석 및 통계 분석을 수행하여 아크의 지속 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 주파수 분석이나 통계 분석은 아크의 발생 지속성이나 지속 여부 등을 다각적으로 판단하는 데 이용된다.
디지털 신호 처리 회로(177)는 아크가 중단된 것으로 판단한 경우 알람 발생 회로(174)의 알람을 중지시키도록 구성될 수 있다.
디스플레이(178)는 디지털 처리 신호 회로(177)에서 판단된 아크의 지속 여부 및 광 섬유(130)를 통해 인지되는 아크의 발생 위치를 표시하도록 구성될 수 있다. 이는 광 섬유(130)마다 어느 센서로부터 신호가 오는지 미리 정해져 있고 각 센서는 어느 위치에 설치되어 있는지가 미리 정해져 있어야 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선-가시광선 변환타입의 출력 오차를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 적외선 파장 대역의 광원에 대한 출력 전압을 나타낸다. 수배전반에는 노이즈 광으로서 자외선과 가시광선 이외에도 적외선이 존재하기 때문에, 기본적으로 존재하는 적외선 노이즈를 인지하여 아크 발생의 여부를 정확하게 판단할 필요가 있다. 그러므로, 태양광 등에 의한 적외선 노이즈는 도 3과 같이 직사 일사광이 입사될 때 출력 0.03 [V]에 상당한다.
그러므로, 아크 검출 센서(100)는 검출 가능한 최소 아크 광의 파워 밀도를 5 uW/cm² 정도로 설정하여 아크 검출을 판단하도록 구성될 수 있다. 이에, 태양광 노이즈의 영향을 거의 받지 않게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈의 구조도이다.
도 5는 적외선 광학 렌즈의 레이아웃(lay out)을 예시하고 있다.
여기서, 적외선 광학 렌즈(110)는 최대 입사각이 55도, F 넘버(F number)가 2.0, 굴절율이 1.713, 분산이 53.94로 구성되는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈의 굴절율/분산의 분포도를 나타내는 그래프이다.
도 6의 굴절율/분산 분포도를 볼 때, 적외선 광학 렌즈(110)는 굴절율(nd)이 1.49보다 크고 1.78보다 작게 구성되고, 아베수(vd)는 46.0보다 크고 91.0보다 작게 구성되는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 5mm 두께의 적외선 광학 렌즈의 내부 투과율을 나타내는 표이다.
도 7은 적외선 광학 렌즈(110)가 5 mm의 두께를 가질 때 갖게 되는 내부 투과율로서, 800 nm 내지 860 nm의 빛에 대해서는 50% 이상의 투과율을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈의 공간 주파수에 따른 MTF 특성을 나타내는 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 투과 필터의 분광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 적외선 광학 렌즈(110)의 곡안 주파수에 따른 MTF 특성이 나타나 있으며, 적외선 광학 렌즈(110)의 경우 800nm~860nm사이의 적외선 영역의 빛은 85% 내지 90% 정도 투과되지만, 타 파장 대역의 빛은 거의 0% 정도의 투과율을 가져 실질적으로 차단됨을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈의 분광 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10에서 보듯이, 적외선 광학 렌즈(110)에 의해 800 nm 내지 860 nm 파장 대역의 적외선이 그 검출 대상이 되는 것을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버의 사시도이다.
도 11에서 광 섬유(130)는 아크 검출 센서(100)별로 단일 광 섬유로 구성되는 광 섬유 다발로 구성되어 아크가 검출된 아크 검출 센서(100)의 위치를 확인 가능하도록 구성될 수 있다.
광 섬유(130)는 광 섬유(130)의 끝 단면에 적외선 반응 형광체가 도포되도록 구성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 MODBUS-RTU 프로토콜의 송수신 시퀀스이다.
도 12에서는 적외선 광학 렌즈(110)와 형광 글래스(120), 적외선 LED(140)를 포함하는 센서와 수광 렌즈(150), 포토 다이오드(160), 아크 발생판단 모듈(170)로 구성되는 수광 장치 간에 적용되는 통신 프로토콜을 나타낸다.
본 발명에서는 MODSU-RTU 프로토콜이 이용되며, 통신 버스는 RS485 MULTI-DROP, HALF DUPLEX로 구성된다.
통신 속도는 19200 BPS, 데이터는 8 비트로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고 패리티(parity)는 NON, EVEN, ODD로 구성될 수 있다.
도 12에서 T1은 캐릭터 간의 지연시간이며, T2는 요구 텔레그램과 응답 텔레그램 간의 지연시간이며, T3는 송수신한 프레임 완료 후 다음 프레임 시작 간의 지연 시간이다.
Baud rate T1min T1max T2min T2max T3min
가변가능여부 불가 불가 가능 불가 가능
1200 bps
2400 bps
4800 bps
9600 bps
19200 bps
38400 bps		 0 1.5 CT 10 CT
①		 T2min
×
1.2		 5 CT
②
상기 표 1에서는 CT는 1 캐릭터 전송 소비시간 (1CT= 1 캐릭터 비트 수/Baud rate)을 나타내며, T2min는 센서에서 타임 가변가능하며, T3min은 마스터 측(수광 장치)에서 타임 가변시키도록 구성되며, 여기서 만약 4 CT<5ms라면 T2min ≥ 5ms로 될 수 있다. 만 전 프레임의 동작이 FNR 06h 또는 10h 라면 100ms 이상 아이들 타임(idle time)이 필요할 수도 있다.
다음은 프로토콜 포맷을 나타낸다.
ADR FNR
(0x03)		 레지스터
시작주소		 레지스터
수 량		 CRC
1B 1B 2B 2B 2B
표 2는 요구 텔레그램으로서 바이트 수량은 n × 2 BYTE (최대 바이트 수량: 100)이다.
ADR FNR
(0x03)		 바이트
수 량		 DATA1 …… DATAn CRC
1B 1B 1B 2B …… 2B 2B
표 3은 응답 텔레그램으로서 바이트 수량은 n × 2 BYTE (최대 바이트 수량: 100)이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 변환 방식에 의한 아크 검출 방법의 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 적외선 광학 렌즈(110)가 아크(arc)에 의해 발생되는 적외선을 선택적으로 투과시켜 출력한다(S101).
여기서, 적외선 광학 렌즈(110)는 800 nm ~ 860 nm 파장의 적외선을 선택 투과하고 그 외 파장의 광은 투과하지 않는 무반사 코팅(coating) 처리되도록 구성될 수 있다.
그리고 적외선 광학 렌즈(110)는 굴절율(nd)이 1.49보다 크고 1.78보다 작게 구성되고, 아베수(vd)는 46.0보다 크고 91.0보다 작게 구성될 수 있다.
그리고 적외선 광학 렌즈(110)는 최대 입사각이 55도, F 넘버(F number)가 2.0, 굴절율이 1.713, 분산이 53.94로 구성될 수 있다.
다음으로, 형광 글래스(120)가 적외선 광학 렌즈(110)에서 출력된 적외선을 가시 광선으로 변환하여 광 섬유(130)를 통해 송신한다(S102).
여기서, 광 섬유(130)는 아크 검출 센서별로 단일 광 섬유(130)로 구성되는 광 섬유(130) 다발로 구성되어 아크가 검출된 아크 검출 센서의 위치를 확인 가능하도록 구성될 수 있다.
그리고 광 섬유(130)는 광 섬유(130)의 끝 단면에 적외선 반응 형광체가 도포되도록 구성될 수 있다.
다음으로, 적외선 LED(140)가 적외선 반응 형광체에서 출력되는 가시 광선을 증폭하여 발광한다(S103).
다음으로, 수광 렌즈(150)가 광 섬유(130)를 통해 전달되는 가시 광선을 수신하여 투과시킨다(S104).
다음으로, 포토 다이오드(photo diode)(160)가 수광 렌즈(150)에서 투과되는 가시 광선을 증폭하여 출력한다(S105).
다음으로, 아크 발생 판단 모듈(170)이 포토 다이오드(160)에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하여 알람을 발생한다(S106).
여기서, 아크 신호 정형 회로(171)가 광 섬유(130)를 통해 전달되는 가시 광선을 논리 신호(logical signal)로 변환하고, 아크 신호 카운터(arc signal counter)(172)가 아크 신호 정형 회로(171)에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 발생 횟수를 계수하며, 데이터 래치(data latch)(173)가 아크 신호 카운터(172)에서 계수된 아크 발생 횟수에 따라 알람 구동 신호를 생성한다.
그리고 나서, 알람 발생 회로(174)가 데이터 래치(173)에서 생성된 알람 구동 신호에 의해 알람을 발생한다. 그리고 펄스폭 변환 회로(175)가 아크 신호 정형 회로(171)에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 지속 시간을 산출하기 위해 펄스폭을 변환한다. 그리고 아크 스타트 회로(176)가 펄스폭 변환 회로(175)에서 변환된 펄스폭에 의해 아크 스타트(arc start) 신호를 생성한다.
그리고 디지털 신호 처리 회로(177)가 아크 스타트 회로(176)에서 생성된 아크 스타트 신호의 주파수 분석 및 통계 분석을 수행하여 아크의 지속 여부를 판단하고, 아크가 중단된 것으로 판단한 경우 알람 발생 회로(174)의 알람을 중지시킨다. 디스플레이(178)가 디지털 처리 신호 회로(177)에서 판단된 아크의 지속 여부 및 광 섬유(130)를 통해 인지되는 아크의 발생 위치를 표시한다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 적외선 광학 렌즈
120: 형광 글래스
130: 광 섬유
140: 적외선 LED
150: 수광 렌즈
160: 포토 다이오드
170: 아크 발생 판단 모듈
171: 아크 신호 정형 회로
172: 아크 신호 카운터
173: 데이터 래치
174: 알람 발생 회로

Claims (17)

  1. 수배전반내에서 아크(arc)에 의해 발생되는 적외선을 선택적으로 투과시켜 출력하는 적외선 광학 렌즈;
    상기 적외선 광학 렌즈에서 출력된 적외선을 가시 광선으로 변환하여 출력하는 형광 글래스;
    상기 형광 글래스에서 출력된 가시 광선을 전달하기 위한 광 섬유(optical fiber);
    상기 광 섬유를 통해 전달되는 가시 광선을 수신하여 투과시키는 수광 렌즈;
    상기 수광 렌즈에서 투과되는 가시 광선을 증폭하여 출력하는 포토 다이오드(photo diode);
    상기 포토 다이오드에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하는 아크 발생 판단 모듈을 포함하되,
    상기 아크 발생 판단 모듈은,
    상기 광 섬유를 통해 전달되는 가시 광선을 논리 신호(logical signal)로 변환하는 아크 신호 정형 회로;
    상기 아크 신호 정형 회로에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 발생 횟수를 계수하는 아크 신호 카운터(arc signal counter);
    상기 아크 신호 카운터에서 계수된 아크 발생 횟수에 따라 알람 구동 신호를 생성하는 데이터 래치(data latch);
    상기 데이터 래치에서 생성된 알람 구동 신호에 의해 알람을 발생하는 알람 발생 회로;
    상기 아크 신호 정형 회로에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 지속 시간을 산출하기 위해 펄스폭을 변환하는 펄스폭 변환 회로;
    상기 펄스폭 변환 회로에서 변환된 펄스폭에 의해 아크 스타트(arc start) 신호를 생성하는 아크 스타트 회로;
    상기 아크 스타트 회로에서 생성된 아크 스타트 신호의 주파수 분석 및 통계 분석을 수행하여 아크의 지속 여부를 판단하고, 아크가 중단된 것으로 판단한 경우 상기 알람 발생 회로의 알람을 중지시키는 디지털 신호 처리 회로; 및
    상기 디지털 신호 처리 회로에서 판단된 아크의 지속 여부 및 상기 광 섬유를 통해 인지되는 아크의 발생 위치를 표시하는 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 적외선 광학 렌즈는,
    800 nm ~ 860 nm 파장의 적외선을 선택 투과하고 그 외 파장의 광은 투과하지 않는 무반사 코팅(coating) 처리되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적외선 광학 렌즈는,
    굴절율(nd)이 1.49보다 크고 1.78보다 작게 구성되고, 아베수(vd)는 46.0보다 크고 91.0보다 작게 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적외선 광학 렌즈는,
    최대 입사각이 55도, F 넘버(F number)가 2.0, 굴절율이 1.713, 분산이 53.94로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광 섬유는,
    아크 검출 센서별로 단일 광 섬유로 구성되는 광 섬유 다발로 구성되어 아크가 검출된 아크 검출 센서의 위치를 확인 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광 섬유는,
    상기 광 섬유의 끝 단면에 적외선 반응 형광체가 도포되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 아크 발생 판단 모듈은,
    아크의 파워 밀도가 5 uW/cm²를 초과하는 경우 아크가 발생하는 것으로 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 시스템.
  10. 적외선 광학 렌즈가 아크(arc)에 의해 발생되는 적외선을 선택적으로 투과시켜 출력하는 단계;
    형광 글래스가 상기 적외선 광학 렌즈에서 출력된 적외선을 가시 광선으로 변환하여 광 섬유를 통해 송신하는 단계;
    적외선 LED가 적외선 반응 형광체에서 출력되는 가시 광선을 증폭하여 발광하는 단계;
    수광 렌즈가 상기 광 섬유를 통해 전달되는 가시 광선을 수신하여 투과시키는 단계;
    포토 다이오드(photo diode)가 상기 수광 렌즈에서 투과되는 가시 광선을 증폭하여 출력하는 단계;
    아크 발생 판단 모듈이 상기 포토 다이오드에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하여 알람을 발생하는 단계를 포함하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 아크 발생 판단 모듈이 상기 포토 다이오드에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하는 단계는,
    아크 신호 정형 회로가 상기 광 섬유를 통해 전달되는 가시 광선을 논리 신호(logical signal)로 변환하는 단계;
    아크 신호 카운터(arc signal counter)가 상기 아크 신호 정형 회로에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 발생 횟수를 계수하는 단계;
    데이터 래치(data latch)가 상기 아크 신호 카운터에서 계수된 아크 발생 횟수에 따라 알람 구동 신호를 생성하는 단계;
    알람 발생 회로가 상기 데이터 래치에서 생성된 알람 구동 신호에 의해 알람을 발생하는 단계;
    펄스폭 변환 회로가 상기 아크 신호 정형 회로에서 변환된 논리 신호를 이용하여 아크 지속 시간을 산출하기 위해 펄스폭을 변환하는 단계;
    아크 스타트 회로가 상기 펄스폭 변환 회로에서 변환된 펄스폭에 의해 아크 스타트(arc start) 신호를 생성하는 단계;
    디지털 신호 처리 회로가 상기 아크 스타트 회로에서 생성된 아크 스타트 신호의 주파수 분석 및 통계 분석을 수행하여 아크의 지속 여부를 판단하고, 아크가 중단된 것으로 판단한 경우 상기 알람 발생 회로의 알람을 중지시키는 단계;
    디스플레이가 상기 디지털 신호 처리 회로에서 판단된 아크의 지속 여부 및 상기 광 섬유를 통해 인지되는 아크의 발생 위치를 표시하는 단계를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 적외선 광학 렌즈는,
    800 nm ~ 860 nm 파장의 적외선을 선택 투과하고 그 외 파장의 광은 투과하지 않는 무반사 코팅(coating) 처리되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 적외선 광학 렌즈는,
    굴절율(nd)이 1.49보다 크고 1.78보다 작게 구성되고, 아베수(vd)는 46.0보다 크고 91.0보다 작게 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 적외선 광학 렌즈는,
    최대 입사각이 55도, F 넘버(F number)가 2.0, 굴절율이 1.713, 분산이 53.94로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 광 섬유는,
    아크 검출 센서별로 단일 광 섬유로 구성되는 광 섬유 다발로 구성되어 아크가 검출된 아크 검출 센서의 위치를 확인 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 광 섬유는,
    상기 광 섬유의 끝 단면에 적외선 반응 형광체가 도포되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 아크 발생 판단 모듈이 상기 포토 다이오드에서 출력되는 가시 광선을 이용하여 아크 발생 여부를 판단하여 알람을 발생하는 단계는,
    아크의 파워 밀도가 5 uW/cm²를 초과하는 경우 아크가 발생하는 것으로 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 적외선-가시광선 변환 방식의 아크 검출 방법.
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