KR101694414B1 - 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생 위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서 - Google Patents

광섬유 전송손실을 이용한 아크발생 위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생 위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서에 관한 것으로서, 아크 감지 광섬유 센서는 길이방향을 따라 연장된 측면을 통해 외부 아크광을 수광할 수 있도록 된 광섬유와, 광섬유의 측면을 통해 유입되어 광섬유의 내부를 통해 양단으로 진행하는 광 중 광섬유의 일단을 통해 출사되는 광을 검출하는 제1광수신부와, 광섬유의 측면을 통해 유입되어 광섬유의 내부를 통해 양단으로 진행하는 광 중 광섬유의 타단을 통해 출사되는 광을 검출하는 제2광수신부와, 제1 및 제2 광수신부로부터 각각 출력되는 제1 및 제2신호로부터 제1 및 제2신호의 비율과 광섬유의 광전송손실 및 광섬유의 길이정보를 이용하여 외부 아크광의 광섬유로의 입사 위치를 산출하는 신호처리부를 구비한다. 이러한 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생 위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서에 의하면, 외부광 발생 유무 뿐만 아니라 그 발생 위치를 정확하게 파악하는 것이 가능하고 센싱경로에 대응하여 하나의 라인형태로 광섬유를 포설하기 때문에 설치방법이 간단함에 따라 다채널화가 용이한 장점을 제공한다.

Description

광섬유 전송손실을 이용한 아크발생 위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서{method for locating arc-flash events harnessing light attenuation characteristics of plastic optical fibers and sensor using the same method}
본 발명은 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서에 관한 것으로서, 상세하게는 아크 발생 위치에 따른 광섬유 양끝단에서의 신호 세기의 비율 변화특성을 분석하여 아크의 발생 위치를 추적하는 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서에 관한 것이다.
고압 배전반, 저압 배전반, 전동기 제어반, 분전반 등 대전류 및 고전압으로 운영되는 전력설비들에서 절연체 열화 등으로 인한 절연특성 저하로 인해 부분방전이 발생하며, 이러한 부분방전이 심화되는 경우 아크플래시(Arc Flash) 현상이 발생할 수 있다.
이러한 아크 플래시는 고온고압의 가스팽창을 수반하는 폭발로 이어질 수 있음에 따라 전력기기의 심각한 손상 및 작업자의 안전에도 심각 영향을 미칠 수 있어 아크 플래시의 발생 여부를 검출하고 1 ms 이내의 빠른 시간 내에 전원을 차단하기 위한 다양한 센싱 방식이 제안되어 있다.
이러한 아크 플래시 센싱 방식 중 광섬유를 이용하여 아크광을 검출하는 방식이 알려져 있다.
국내 공개특허 제10-2011-0001943호에는 아크 플래시 발생유무를 검출하는 아크플래시 검출기가 게시되어 있다.
그런데, 상기 아크 플래시 검출기는 아크 발생 유무만 알 수 있도록 되어 있을 뿐 아크 발생 위치를 파악할 수 없기 때문에 해당 구역의 전력설비 전체의 전원을 차단해야 하는 단점이 있다.
또한, 국내 등록특허 제10-1250895호에는 광섬유 일단에 광학렌즈를 장착하여 광섬유 일단에서의 아크발생 위치를 검출하는 방식이 있으나, 광섬유 길이방향에 대해 아크발생을 검출할 수 없고, 구조가 복잡한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광섬유의 길이방향에 대해 아크플래시 발생위치 검출 범위를 확장시키면서도 검출 위치의 정확성을 제공할 수 있는 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생 위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 아크 감지 광섬유 센서는 길이방향을 따라 연장된 측면을 통해 외부 아크광을 수광할 수 있도록 된 광섬유와; 상기 광섬유의 측면을 통해 유입되어 상기 광섬유의 내부를 통해 양단으로 진행하는 광 중 상기 광섬유의 일단을 통해 출사되는 광을 검출하는 제1광수신부와; 상기 광섬유의 측면을 통해 유입되어 상기 광섬유의 내부를 통해 양단으로 진행하는 광 중 상기 광섬유의 타단을 통해 출사되는 광을 검출하는 제2광수신부와; 상기 제1 및 제2 광수신부로부터 각각 출력되는 제1 및 제2신호로부터 제1 및 제2신호의 비율과 상기 광섬유의 광전송손실 및 상기 광섬유의 길이정보를 이용하여 외부 아크광의 상기 광섬유로의 입사 위치를 산출하는 신호처리부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 광섬유는 클래드의 두께가 0.1 내지 100마이크로미터인 플라스틱 광섬유가 적용된다.
또한, 상기 광섬유의 길이는 10m이고, 상기 신호 처리부는 상기 외부 아크광의 상기 광섬유로의 입사 위치(L)를
Figure 112016074128193-pat00001
에 의해 산출하며, 상기 L은 상기 광섬유의 일단에서 타단방향으로의 거리에 해당하는 입사위치이고, 상기
Figure 112016074128193-pat00002
는 상기 광섬유의 광전송손실값이며, A1은 상기 제1광수신부에서 검출된 제1신호의 세기이고, A2는상기 제2광수신부에서 검출된 제1신호의 세기이다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생 위치 산출방법은 길이방향을 따라 연장된 측면을 통해 외부 아크광을 수광할 수 있도록 된 광섬유를 이용하여 외부 아크광의 상기 광섬유로의 입사 위치를 검출하는 방법에 있어서, 가. 상기 광섬유의 광전송손실(
Figure 112016074128193-pat00003
)을 측정하는 단계와; 나. 상기 광섬유의 측면을 통해 유입되어 상기 광섬유의 내부를 통해 양단으로 진행하는 광 중 상기 광섬유의 일단을 통해 출사되어 제1광수신부에 의해 검출된 제1신호와 상기 광섬유의 타단을 통해 출사되어 제2광수신부에 의해 검출된 제2신호의 비율과 상기 광섬유의 광전송손실(
Figure 112016074128193-pat00004
) 및 상기 광섬유의 길이정보를 이용하여 외부 아크광의 상기 광섬유로의 입사 위치를 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생 위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서에 의하면, 외부광 발생 유무 뿐만 아니라 그 발생 위치를 정확하게 파악하는 것이 가능하고 센싱경로에 대응하여 하나의 라인형태로 광섬유를 포설하기 때문에 설치방법이 간단함에 따라 다채널화가 용이한 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 광섬유의 전송손실 특성을 이용한 아크플래시 발생 위치 추적방법을 적용한 아크 감지 광섬유 센서를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광섬유 양단의 제1광수신부와 제2광수신부로부터 각각 출력된 신호들을 나타내 보인 도면이고,
도 3은 도 2의 각각의 신호들의 세기를 커브피팅하여 함수로 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 3의 커브피팅된 함수를 비율로 나타내고, 아크광의 발생에 따른 제1광수신부와 제2광수신부로부터의 신호 비율을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생 위치 산출방법 및 이를 적용한 아크 감지 광섬유 센서를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 광섬유의 전송손실 특성을 이용한 아크플래시 발생 위치 추적방법을 적용한 아크 감지 광섬유 센서를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 아크 감지 광섬유 센서(100)는 광섬유(110), 제1광수신부(131), 제2광수신부(132) 및 신호 처리부(140)를 구비한다.
광섬유(110)는 일정 길이로 하나의 라인으로 포설되며 길이방향을 따라 연장된 연장된 측면을 통해 외부 아크광(10)을 수광할 수 있도록 된 것이 적용된다.
광섬유(110)는 코어와 코어를 감싸는 클래드로 이루어져 있고, 외부로부터 발생된 외부광이 클래드를 통해 코어 내로 입사가 가능하도록 클래드 두께가 0.1 내지 100 마이크로미터인 플라스틱 광섬유(POF;Plastic Optical Fiber) 또는 HPCF(Hard Polymer Clad Fiber)가 적용될 수 있다.
바람직하게는 광섬유(110)는 클래드의 두께가 50 내지 100마이크로미터인 플라스틱 광섬유가 적용된다.
또한, 광섬유(110)의 길이는 10m로 적용한다.
광섬유커넥터(121)(122)는 광섬유(110)의 양단(111)(112)에 각각 접속되어 광섬유(110)의 양단에서 각각 출사되는 광을 검출하는 제1광수신부(131)와 제2광수신부(132)와의 물리적 접속 및 광전송을 중계한다.
제1광수신부(131)는 광섬유(110)의 측면을 통해 유입되어 광섬유(110)의 내부를 통해 양쪽으로 진행하는 광 중 광섬유(110)의 일단(111)을 통해 출사되는 광을 검출하고, 검출된 광의 세기에 대응되는 전기적 신호인 제1신호(A1)를 신호처리부(140)에 제공한다.
제2광수신부(132)는 광섬유(110)의 측면을 통해 유입되어 광섬유(110)의 내부를 통해 양쪽으로 진행하는 광 중 광섬유(110)의 타단(112)을 통해 출사되는 광을 검출하고, 검출된 광의 세기에 대응되는 전기적 신호인 제2신호(A2)를 신호처리부(140)에 제공한다.
제1 및 제2광수신부(131)(132)는 포토 다이오드가 적용될 수 있다.
신호 처리부(140)는 제1 및 제2 광수신부(131)(132)로부터 각각 출력되는 제1 및 제2신호로부터 제1 및 제2신호의 비율(A1/A2)과 광섬유(110)의 광전송손실 (α)및 광섬유(110)의 길이정보를 이용하여 외부 아크광의 발생유무 및 아크광 발생시의 광섬유(110)로의 길이방향에 대한 입사 위치를 산출한다.
이때, 외부광의 크기는 제1광수신부(131)와 제2광수신부(132)에서 검출된 제1신호 및 제2신호의 절대값 중 큰 값의 비교를 통해 발생한 아크의 세기를 추정할 수 있다.
이하에서는 이러한 아크 감지 광섬유 센서(100)의 외부광의 일 예인 아크광의 발생위치 산출과정을 설명한다.
먼저, 적용된 광섬유(110) 내에서의 광 전송손실(α)을 측정한다. 여기서 광 전송손실(α)는 광섬유(110)의 길이방향에서 위치를 바꾸어가며 제1광수신부(131) 와 제2광수신부(321)로부터 출력 신호의 세기를 측정하여 구하면 된다.
이와 같이 구한 광섬유(110)의 양단(111)(112)에서 측정된 각각의 값을 함수로 나타내면 다음 식과 같다.
Figure 112016074128193-pat00005
여기서, L은 광섬유(110)의 일단(111)에서 타단(112)방향으로의 거리에 해당하는 임의의 입사위치이고,
Figure 112016074128193-pat00006
는 앞서 실험적으로 구한 광섬유(100)의 광전송손실값이다.
위 수학식1에서는 광섬유(111)의 전체 길이는 10 m로 적용하였을 때에 대한 것이다.
위 수학식1을 아크 발생 위치인 L에 대해서 정리를 하면 다음 식과 같다.
Figure 112016074128193-pat00007
위 수학식2에 의하면 아크가 발생한 거리 L은 광섬유(110) 양단(111)(112)에서 측정된 출력신호의 세기의 비율(A1/A2)과 광섬유(110)의 전송손실(
Figure 112016074128193-pat00008
) 특성의 함수로 정의된다. 또한, A1와 A2 각각에 대해 절대값을 취하고 둘 중 큰 값을 다른 측정값과 비교함으로서 실제 발생한 광의 세기를 정량화할 수 있다. 따라서, 도 1과 같은 구성을 통해 아크가 발생한 위치와 크기를 동시에 측정하는 것이 가능하다.
도 2는 도 1의 광섬유 양단의 제1광수신부와 제2광수신부로부터 각각 출력된 신호들을 나타내 보인 도면이고, 도 3은 이에 대한 실험적 결과로서 POF의 왼쪽과 오른쪽 끝에서 각각 측정된 아크플래시 신호로서 두 개의 광수신부에서 검출된 신호의 비율로 정의할 수 있음을 보여준다.
이러한 신호의 비율을 커브피팅을 통해 함수화하여 신호처리부(140)의 룩업테이블(미도시)에 미리 기록시켜 놓고 실제 측정된 비율을 대입하여 아크 발생 위치를 산출한다.
도 4는 실제 광섬유(111)의 중간 여러 지점에 아크광을 발생시킨 후, 광섬유 양단(113)에서 측정된 값의 비율과 커프피팅된 함수를 비교하여 판단한 결과로서 위치 정확도는 5 cm로 매우 높은 정확도를 갖음을 알수 있다.
110: 광섬유 121, 122: 광섬유 커넥터
131: 제1광수신부 132: 제2광수신부
140: 신호 처리부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 길이방향을 따라 연장된 측면을 통해 외부 아크광을 수광할 수 있도록 된 광섬유와;
    상기 광섬유의 측면을 통해 유입되어 상기 광섬유의 내부를 통해 양단으로 진행하는 광 중 상기 광섬유의 일단을 통해 출사되는 광을 검출하는 제1광수신부와;
    상기 광섬유의 측면을 통해 유입되어 상기 광섬유의 내부를 통해 양단으로 진행하는 광 중 상기 광섬유의 타단을 통해 출사되는 광을 검출하는 제2광수신부와;
    상기 제1 및 제2 광수신부로부터 각각 출력되는 제1 및 제2신호로부터 제1 및 제2신호의 비율과 상기 광섬유의 광전송손실 및 상기 광섬유의 길이정보를 이용하여 외부 아크광의 상기 광섬유로의 입사 위치를 산출하는 신호처리부;를 구비하고,
    상기 광섬유는 클래드의 두께가 0.1 내지 100마이크로미터인 플라스틱 광섬유가 적용되며,
    상기 광섬유의 길이는 10m이고,
    상기 신호 처리부는 상기 외부 아크광의 상기 광섬유로의 입사 위치(L)를
    Figure 112016124374899-pat00009
    에 의해 산출하며,
    상기 L은 상기 광섬유의 일단에서 타단방향으로의 거리에 해당하는 입사위치이고, 상기
    Figure 112016124374899-pat00010
    는 상기 광섬유의 광전송손실값이며, A1은 상기 제1광수신부에서 검출된 제1신호의 세기이고, A2는상기 제2광수신부에서 검출된 제1신호의 세기인 것을 특징으로 하는 아크 감지 광섬유 센서.
  4. 삭제
  5. 길이방향을 따라 연장된 측면을 통해 외부 아크광을 수광할 수 있도록 된 광섬유를 이용하여 외부 아크광의 상기 광섬유로의 입사 위치를 검출하는 방법에 있어서,
    가. 상기 광섬유의 광전송손실(
    Figure 112016124374899-pat00019
    )을 측정하는 단계와;
    나. 상기 광섬유의 측면을 통해 유입되어 상기 광섬유의 내부를 통해 양단으로 진행하는 광 중 상기 광섬유의 일단을 통해 출사되어 제1광수신부에 의해 검출된 제1신호와 상기 광섬유의 타단을 통해 출사되어 제2광수신부에 의해 검출된 제2신호의 비율과 상기 광섬유의 광전송손실(
    Figure 112016124374899-pat00020
    ) 및 상기 광섬유의 길이정보를 이용하여 외부 아크광의 상기 광섬유로의 입사 위치를 산출하는 단계;를 포함하고,
    상기 광섬유의 길이는 10m이고,
    상기 외부 아크광의 상기 광섬유로의 입사 위치(L)는
    Figure 112016124374899-pat00013
    에 의해 산출하며,
    상기 L은 상기 광섬유의 일단에서 타단방향으로의 거리에 해당하는 입사위치이고, 상기
    Figure 112016124374899-pat00014
    는 상기 광섬유의 광전송손실값이며, A1은 상기 제1신호의 세기이고, A2는 상기 제1신호의 세기인 것을 특징으로 하는 광섬유 전송손실을 이용한 아크발생위치 산출방법.
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