KR101800360B1 - 대용량 차단기 전압 건전성 검증을 위한 광전류 변성기 및 그 검증방법 - Google Patents

대용량 차단기 전압 건전성 검증을 위한 광전류 변성기 및 그 검증방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도선상에 흐르는 전류를 측정하는 광전류 변성기 및 광전류 변성기를 이용한 전압 건전성 검증방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 도선에 흐르는 전류를 측정하기 위한 광전류 변성기는 발광부, 편광 처리부, 전류 센싱부, 신호 처리부를 포함하고,상기 발광부는 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 포함하는 빛을 생성하여 상기 편광 처리부로 전달하고, 상기 편광 처리부는 상기 발광부에서 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 포함하는 빛을 상기 전류 센싱부로 전달하고, 상기 전류 센싱부로부터 인입되는 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광을 처리하여 간섭시키고, 간섭 신호의 파워를 출력하고, 상기 전류 센싱부는 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류를 센싱한 정보를 포함하는 상기 제2 TM 모드 및 제2 TE 모드 편광을 생성하여 상기 편광 처리부로 전달하고, 상기 신호 처리부는 상기 편광 처리부에서 출력하는 간섭 신호의 파워를 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류량을 측정할 수 있다. 본 발명에 의한 광전류 변성기는 종래의 고가, 대형, 복잡한 결선 형태의 전압 변성기를 대체하여 간단하게 전압 도통 여부를 확인할 수 있는 효과가 있다.

Description

대용량 차단기 전압 건전성 검증을 위한 광전류 변성기 및 그 검증방법 {Optical Current Transformer for Verifying Voltage Integrity at Switchgear}
본 발명은 광전류 변성기 및 그 검증방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 가스절연 개폐장치와 같은 전기 계통에서 사용되는 대용량 차단기에 있어서 전압 건전성을 검증하기 위하여 도선상에 흐르는 전류를 측정하는 광전류 변성기 및 광전류 변성기를 이용한 전압 건전성 검증방법에 관한 것이다.
일반 가정이나 공장과 같은 수용가에 전력을 공급하기 위하여는 송전/배전 설비를 거치게 된다. 송전/배전 설비는 원자력, 수력, 화력 발전소 등에서 생산한 전력을 송전 선로, 변전소, 배전 선로, 주상 변압기 등을 거치면서 수용가에 필요한 전력을 공급하게 된다.
도 1은 일반전인 송전/배전 설비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 발전소에서 생산된 전력은 154kv, 345kV, 또는 765kV의 전압으로 송전 선로를 통해 전달된다. 배전 변전소는 발전소로부터 전달받은 전력을 22.9kV로 송전 선로에서의 전압보다 낮은 전압으로 배전 선로를 통해 전달한다 수용가 근처에 있는 주상 변압기는 배전 선로를 통해 전달되는 전력을 일반 수용가에서 사용하는 전압인 220V로 낮추어서 수용가로 공급하게 된다.
이때, 도 1에 도시된 1차 변전소 및 배전 변전소는 발전소에서 생산한 전력을 경제적인 송전 및 배전을 하기 위해 전압을 높이거나 낮추어 주는 장소로 전압의 승압 및 강압, 전력의 집중과 배분, 및 전력 계통을 보호하는 것을 목적으로 하고 있다.
변전소의 주요 구성을 보면, 단로기, 개폐기, 변압기, 전력용 콘덴서, 차단기, 계기용 변성기, 전력 퓨즈, 피뢰기, 배전반 등이 있다. 단로기는 개폐기의 일종으로 변전소의 주요 구성 설비를 점검하거나 수리할 때 계통으로부터 주요 구성 설비를 분리하는데 사용되는 기기이다. 단로기는 부하 전류 차단 능력이 없어 부하 전류가 흐르는 상태에서 조작하면 매우 위험할 수 있다. 개폐기는 주로 평상시의 부하 전류 개폐에 사용하는 것이지만, 전력 퓨즈와 조합하여 통전 상태에 이상이 생겼을 때 차단하는 능력을 가질 수 있어 사고의 확대를 방지하여 설비의 피해를 최소화하는데 사용될 수 있다. 변압기는 변전소의 핵심 구성으로 고압 1차 전압을 저압으로 낮추는 기기이고, 전력용 콘덴서는 동력 설비 회로의 역률을 개선하기 위하여 설치되어 있고, 차단기는 회로에 전류가 흐르고 있는 상태에서 회로를 개폐하거나 차단기의 부하 측에 사고가 발생했을 때 신속하게 회로를 차단하는 기기이고, 전력 퓨즈는 선로 및 기기의 단락 보호용으로 사용되는 기기이며, 피뢰기는 낙뢰 등에 의하여 이상 전압이 발생하였을 경우, 이상전압으로부터 선로와 기기를 보호하며, 계기용 변성기는 고전압, 대전류를 측정하기 위하여 사용될 수 있다. 배전반은 전력 계통의 감시를 위한 표시 장치, 기기의 조작을 위한 제어장치, 기기의 보호를 위한 보호 계전 장치 등을 설치하여 변전소의 기기를 제어하는 전기 설비이다.
이와 같은 구성을 가지는 변전소에서 전력수요의 급증에 따른 전력 계통의 대용량, 초고압화에 의해 전력 설비의 안정화와 신뢰도는 매우 중요한 사항이 되었으며, 이를 해결하기 위하여 기존의 공기 또는 유류 절연형 변전소에서 가스 절연형 변전소로 변화되어 가고 있다.
가스 절연형 변전소에서는 상술한 차단기, 단로기 등의 개폐설비와 변성기, 피뢰기, 주회로 모선 등을 금속제 탱크 내에 일괄 수납하여 충전부는 고체 절연물로 지지하고 있으며 탱크 내부에는 절연성능과 소호능력이 뛰어난 SF6 가스를 절연매체로 하여 충진, 밀봉한 개폐설비 시스템인 가스절연 개폐 장치(Gas Insulated Switchgear; 이하 GIS)를 주로 사용한다.
그런데 변전소에서의 전압 상태 이상이나 기기 점검 등을 위하여 차단기나 개폐기가 동작하여 전력을 차단하는 경우, 전력이 완전히 차단되었는 지를 확인하는 것이 중요하다. 전력이 완전히 차단되지 않는 상태에서 기기를 조작하거나 점검하고자 하면 점검자의 감전, 기기 고장 등의 사고를 일으킬 수 있다. 종래에는 전력의 차단 여부를 확인하기 위하여 변전소로 인입되는 3상의 송전선로의 각 선로에 전압변성기를 이용하여 전류/전압의 도통 여부를 확인하고 있었다. 그런데 전압 변성기는 결선이 복잡한데, 선로 상의 단순 전압 도통 여부를 확인하기 위하여 복잡한 전압 변성기를 사용하여야 하는지 문제되며, 또한 측정하는 전압이 전압 변성기의 정격보다 훨씬 많이 초과한 경우 또는 단락상태의 단락전류에 의해 전압 변성기가 소손될 수 있으며, 비접지 계통에서 전압 변성기 접지를 하거나, 접지 계통에서 일시적으로 계통분리로 인한 비 접지 계통이 되는 경우, 계통에 이상 전압이 인가되거나 지락 사고와 같은 전기적 충격이 변전소 내로 전달될 수 있다는 문제가 있다. 또한, 전압 변성기는 구조의 복잡성과 크기로 인하여 가격이 상당히 고가이면 설치 환경에 제약을 많이 받는다는 문제점도 있다.
본 발명의 목적은 송전 선로 상의 전압의 도통 여부를 간단한 방법을 통해 판단할 수 있는 광전류 변성기 및 광전류 변성기를 이용한 전압의 건전성을 검증하는 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도선에 흐르는 전류를 측정하기 위한 광전류 변성기는 발광부, 편광 처리부, 전류 센싱부, 신호 처리부를 포함하고, 상기 발광부는 제1 TM(Transverse Magnetic)모드 편광 및 제1 TE(Transverse Electric)모드 편광을 포함하는 빛을 생성하여 상기 편광 처리부로 전달하고, 상기 편광 처리부는 상기 발광부에서 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 포함하는 빛을 상기 전류 센싱부로 전달하고, 상기 전류 센싱부로부터 인입되는 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광을 처리하여 간섭시키고, 간섭 신호의 파워를 출력하고, 상기 전류 센싱부는 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류를 센싱한 정보를 포함하는 상기 제2 TM 모드 및 제2 TE 모드 편광을 생성하여 상기 편광 처리부로 전달하고, 상기 신호 처리부는 상기 편광 처리부에서 출력하는 간섭 신호의 파워를 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류량을 측정할 수 있다.
그리고 상기 전류 센싱부는 PM(Polarization Maintaining) 광선로, 쿼터파장판(Quarter Wave Plate), 광섬유 코일, 및 반사판을 포함하고, 상기 PM 광선로는 상기 편광 처리부로부터 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제 1 TE 모드 편광을 상기 PM 광선로의 패스트(fast) 축과 슬로우(slow) 축을 통해 진행시키고, 상기 쿼터파장판은 상기 PM 광선로의 패스트 축과 슬로우 축을 통해 들어오는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 각각 제1 우선회 편광 및 제1 좌선회 편광으로 변환하여 상기 광섬유 코일을 통해 전달하고, 상기 반사판은 상기 광섬유 코일을 통해 전달받은 상기 제1 우선회 편광을 제2 좌선회 편광으로 변환하고, 상기 제1 좌선회 편광은 제2 우선회 편광으로 변환하여 상기 광섬유 코일로 반사하여 전달하고, 상기 쿼터파장판은 상기 반사판에서 반사되어 들어온 상기 제2 우선회 편광 및 제2 좌선회 편광을 각각 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광으로 변환하여 상기 PM 광선로의 패스트 축과 슬로우 축으로 전달하고, 상기 광섬유 코일은 상기 도선 주위를 권회할 수 있다.
그리고 상기 신호 처리부는 AC 추출모듈, 신호처리모듈, 및 표시부를 포함하고, 상기 AC 추출모듈은 상기 편광 처리부에서 출력하는 간섭 신호의 파워에서 직류 성분 및 교류 성분을 추출하고, 상기 신호처리모듈은 추출된 상기 직류 성분 및 교류 성분을 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류량을 계산하고, 상기 표시부는 계산된 상기 전류량을 표시할 수 있으며, 상기 신호처리모듈은 I(t)=-PAC(t)/(4NVPDC) 식을 이용하여 상기 도선에 흐르는 전류량을 계산하되, I(t)는 상기 도선에 흐르는 시간별 전류량이고, PAC(t)는 시간별 추출된 교류 성분이고, N은 상기 광선로 코일이 상기 도선을 권회한 수이고, V는 상기 광선로 코일의 버뎃상수(Verdet constant)이고, PDC는 추출된 직류 성분이다.
또 다른 일 실시 예로서, 상기 편광 처리부는 제1 광분배기, 제2 광분배기, 위상 변조기, 제1 편광기, 제2 편광기, 반파장판, 제1 광검출기 및 제2 광검출기를 포함하고, 상기 제1 광분배기는 상기 발광부에서 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 포함하는 빛을 상기 전류 센싱부로 전달하고, 상기 전류 센싱부에서 인입되는 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광을 Y 브렌치로 전달하고, 상기 위상 변조기는 상기 Y 브렌치의 상단 브렌치 상에 위치하고, 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광의 위상을 변화시키고, 상기 제1 편광기는 상기 Y 브렌치의 상단 브렌치 상에 위치하고, 상기 위상 변조기에 의해 위상이 변화된 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광 중 상기 제2 TE 모드 편광만을 상기 제2 광분배기로 전달하고, 상기 반파장판은 상기 Y 브렌치의 하단 브렌치 상에 위치하고, 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광을 각각 제3 TE 모드 편광 및 제3 TM 모드 편광으로 변화시키고, 상기 제2 편광기는 상기 Y 브렌치의 하단 브렌치 상에 위치하고, 상기 제3 TE 모드 편광 및 제3 TM 모드 편광 중 상기 제3 TE 모드 편광만을 상기 제2 광분배기로 전달하고, 상기 제2 광분배기는 상기 Y 브렌치의 상단 브렌치를 통해 받은 상기 위상이 변화된 제2 TE 모드 편광 및 상기 Y 브렌치의 하단 브렌치를 통해 받은 상기 제3 TE 모드 편광을 간섭시켜 2개의 출력 포트로 출력시키고, 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기는 상기 제2 광분배기의 2개의 출력 포트에 각각 연결되고, 상기 2개의 포트에서 출력되는 편광의 파워를 측정하여 출력할 수 있다.
그리고 상기 신호 처리부는 AC 추출모듈, PM 제어모듈, 신호처리모듈, 및 표시부를 포함하고, 상기 AC 추출모듈은 상기 편광 처리부의 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기에서 출력되는 파워를 바탕으로 직류 성분 및 교류 성분을 추출하고, 상기 PM 제어모듈은 추출된 상기 직류 성분 및 교류 성분 중 적어도 하나를 이용하여 상기 편광 처리부의 상기 위상 변조기를 제어하기 위한 신호를 생성하고, 상기 신호처리모듈은 추출된 상기 직류 성분 및 교류 성분을 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류량을 계산하고, 상기 표시부는 계산된 상기 전류량을 표시할 수 있으며, 상기 AC 추출모듈은 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기에서 출력되는 파워 사이의 차이를 이용하여 상기 교류 성분을 추출하고, 또는 상기 AC 추출모듈은 상기 도선에 흐르는 전류가 없는 경우에 상기 편광 처리부의 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기에서 출력되는 파워를 바탕으로 직류 성분 및 교류 성분을 추출하고, 상기 PM 제어모듈은 상기 교류 성분을 바탕으로 상기 위상 변조기를 제어하기 위한 신호를 생성할 수 있다.
이에 더하여 상기 PM 제어모듈은 상기 위상 변조기로 들어오는 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광의 위상이 90도 빨라지거나 또는 90도 느려지도록 상기 위상 변조기를 제어하는 신호를 생성할 수 있고, 또는 상기 교류 성분이 0이 되도록 상기 위상 변조기를 제어하는 신호를 생성할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광전류 변성기를 이용한 대용량 차단기 전압 건전성 검증 방법은 대용량 차단기가 연결된 도선에 흐르는 전류의 크기 및 상기 전류에 의하여 위상이 변하는 상기 광전류 변성기의 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광의 간섭 출력 파워 사이에 선형 관계가 되도록 구동점을 설정하는 단계, 상기 전류에 의하여 위상이 변하는 상기 광전류 변성기의 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광의 간섭 출력 파워를 추출하는 단계, 추출된 상기 간섭 출력 파워를 바탕으로 도선에 전류가 흐르는 지를 추정하는 단계, 및 상기 추정을 바탕으로 전압 건전성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 추출한 상기 간섭 출력 파워를 교류 성분과 직류 성분으로 분할하는 단계를 더 포함하고, 상기 추출된 상기 간섭 출력 파워를 바탕으로 도선에 전류가 흐르는 지를 추정하는 단계는 상기 교류 성분이 0이 아닌 경우에 도선에 전류가 흐르고 있다고 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 상기 구동점을 설정하는 단계는 상기 광전류 변성기에서 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광을 생성하는 단계, 상기 도선에 전류가 흐르지 않게 하면서 상기 광전류 변성기의 전류센싱부를 지나온 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광의 간섭 출력 파워를 추출하는 단계, 추출된 상기 출력 파워의 교류 성분을 측정하는 단계, 및 상기 교류 성분이 0이 되도록 상기 광전류 변성기의 위상 변조기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 광전류 변성기는 종래의 고가, 대형, 복잡한 결선 형태의 전압 변성기를 대체하여 간단하게 전압 도통 여부를 확인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 광전류 변성기는 측정 매개체로 빛을 사용하고, 광선로 또한 불연성의 비도체를 사용하게 되어 절연이 그 자체로 가능하기 때문에 종래의 기름을 사용하여 절연하는 경우에 발생 가능한 폭발의 문제를 해결하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 광전류 변성기는 온도에 대하여 둔감하게 되도록 구성함으로서 온도 변화에 따른 전류량 계산의 오류를 최소화하는 효과가 있다.
도 1은 일반전인 송전/배전 설비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 패러데이 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전류 변성기의 구조를 블록도로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전류 변성기의 구조의 각 블록을 좀 더 자세히 도시한 도면이다.
도 5는 광분배기(260)에서의 간섭 현상에 의해 출력되는 신호의 파워에 대한 특성 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대용량 차단기 전압 건전성 검증을 위한 방법을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전류 변성기의 구동점을 설정하는 방법을 도시한 도면이다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명에서는 패러데이(Faraday) 현상을 응용한 전류 및 자계측정 방법을 이용하는 광전류 변성기를 제시한다. 패러데이 현상은 자기장으로 인해서 빛의 위상이 변화하는 광-자기 현상을 말한다. 이러한 패러데이 현상은 측정장비에서 유용하게 사용될 수 있다.
도 2는 패러데이 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 측정하고자 하는 도체에 광섬유를 권회하여 폐회로를 구성하고, 선형 편광(TE 모드 편광 및 TM 모드 편광)된 입사광을 주입하면 전류가 흐르는 도선 주변에 발생한 자기장으로 인하여 광섬유의 원형 복굴절을 변화시켜 패러데이 소자를 통과하는 선형 편광된 입력광의 위상이 변화되어 출력하게 된다. 그리고 입사광과 출력광 사이의 위상차로부터 전류의 크기를 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전류 변성기의 구조를 블록도로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전류 변성기의 구조의 각 블록을 좀 더 자세히 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전류 변성기는 발광부(100), 편광 처리부(200), 전류 센싱부(300), 및 신호 처리부(400)를 포함할 수 있다.
발광부(100)는 편광된 광신호를 생성하기 위한 것으로, 도 4에 도시된 것처럼 일반적으로 SLED(superluminescent light emitting diode)를 사용한다. SLED에서 출력된 빛은 아이솔레이터(isolator)를 거쳐 편광 처리부(200)로 입사된다. 이때 SLED에서 출력되는 빛은 전자파 중에서 그 진행 방향에 자계 성분 H는 있으나 전계 성분 E가 전혀 없는 전기적 횡파를 형성하는 TE(Transverse Electric) 모드 전자파(이하 TE 모드 편광)와 그 진행 방향에 전계 성분 E는 있으나 자계 성분 H가 전혀 없는 자기적 횡파를 형성하는 TM(Transverse Magnetic) 모드 전자파(이하 TM 모드 편광)의 두 개의 편광을 포함하고, 각 편광은 동일한 파워로 생성된다.
편광 처리부(200)는 입사되는 편광을 처리하여 전류 센싱부(300)로 전달하고, 또한 전류 센싱부(300)를 거쳐서 오는 편광을 처리하여 신호 처리부(400)로 전달하는 기능을 수행한다. 도 4에 도시된 것처럼 편광 처리부(200)는 2개의 광분배기(210, 260), 2개의 편광기(230, 250), 위상 변조기(220), 반파장판(Half Wave Plate; 240), 2개의 광검출기(Photo Detector; 270, 280)를 포함할 수 있다.
편광 처리부(200)는 발광부(100)에서 입사된 편광을 광분배기(210)를 이용하여 입사된 편광의 에너지를 3dB 줄인 상태로 전류 센싱부(300)의 PM(Polarization Maintaining) 광선로(310)로 전달한다. 이때 TM 모드 편광과 TE 모드 편광은 각각 PM 광선로의 패스트(fast) 축과 슬로우(slow) 축을 통해 입사될 수 있다. 여기서 PM 광선로(310)는 특정 편광을 유지시키면서 빛을 전달할 수 있는 광선로로서 제조자에 의해 다양한 편광 축을 제공할 수 있으나 일반적으로 서로 수직인 패스트 축과 슬로우 축을 제공할 수 있다.
전류 센싱부(300)는 도선(10)에 전류가 흐르는 경우, 상술한 패러데이 현상에 의하여 PM 광선로의 패스트 축과 슬로우 축으로 입사된 편광에 위상의 변화를 야기할 수 있다. 전류 센싱부(300)는 상술한 PM 광선로(310), 쿼터파장판(Quarter Wave Plate; 320), 광섬유 코일(330), 및 반사판(reflector; 340)을 포함할 수 있다. 여기서 광섬유 코일(330)은 도선(10) 주위로 복수 회 권회하게 되며, 도선에 전류가 흐르게 되는 경우 광섬유 코일(330)을 통해 전달되는 편광에 패러데이 현상이 적용되게 된다.
이하 편광 처리부(200)에서 입사되는 TM 모드 편광과 TE 모드 편광이 본 발명에서 제시하는 광전류 변성기 내에서 어떤 변화를 겪게 되는지 설명한다. 도선(10) 상에 전류가 흐르지 않는 경우를 먼저 설명한다.
상술한 바처럼 편광 처리부(200)에서 입사되는 TM 모드 편광과 TE 모드 편광은 각각 PM 광선로의 패스트 축 및 슬로우 축으로 진행되고, TM 모드 편광과 TE 모드 편광은 PM 광선로의 패스트 축과 슬로우 축의 굴절률 차이에 의해 서로 다른 위상차를 겪으면서 쿼터파장판(320)으로 진행한다. 쿼터파장판(320)은 입사되는 전자파의 위상을 파장의 1/4만큼 변화시켜 주는 장치로서 쿼터파장판(320)에 의하여 TM 모드 편광은 우선회 편광(Right handed circular polarization)로 TE 모드 편광은 좌선회 편광(Left handed circular polarization)으로 변환된다. 우선회 편광과 좌선회 편광을 포함하는 빛은 광섬유 코일(330)을 지난 후 반사판(340)을 통해 반사되면서 우선회 편광은 좌선회 편광으로, 좌선회 편광은 우선회 편광으로 편광 상태가 변환되어 다시 광섬유 코일(330)을 통과하게 된다. 광섬유 코일(330)을 통과한 두 편광은 다시 쿼터파장판(320)을 지나면서 좌선회 편광은 TE 모드 편광으로, 우선회 편광은 TM 모드 편광으로 변환되고 PM 광선로(310)의 패스트 축 및 슬로우 축으로 진행된다. 이때 입사된 TM 모드 편광과 TE 모드 편광이 쿼터파장판(320) 쪽으로 진행하면서 겪었던 패스트 축과 슬로우 축의 굴절률 차이에 의해 생성되었던 위상차는 반대 방향으로 진행하면서 상쇄된 후, 편광 처리부(200)의 광분배기(210)로 입사된다. 특히 이 경우 굴절률은 온도에 의하여 영향을 많이 받는데 상술한 방법에 의하여 굴절률 차이에 의해 생성되는 위상차를 완전히 상쇄할 수 있기 때문에 본 발명에서 제시하는 광전류 변성기는 온도에 둔감하게 동작할 수 있다.
전류 센싱부(300)에서의 편광의 변화만을 다시 살펴보면 TM 모드 편광 -> 우선회 편광 -> 좌선회 편광 -> TE 모드 편광으로 변화되고, TE 모드 편광 -> 좌선회 편광 -> 우선회 편광 -> TM 모드 편광으로 변화된다. 즉, 입사된 TM 모드 편광은 전류 센싱부(300)에서 출력시 TE 모드 편광으로 변환되고, 입사된 TE 모드 편광은 전류 센싱부(300)에서 출력시 TM 모드 편광으로 변환된다.
편광 처리부(200)의 광분배기(210)는 전류 센싱부(300)로부터 입사되는 2개의 편광을 가지는 빛을 파워가 3dB 줄어든 상태로 Y 브렌치(branch)(211)로 전달한다. Y 브렌치(211)는 상단 브렌치와 하단 브렌치를 포함하고, 광분배기(210)에서 나온 빛은 Y 브렌치(211)의 상단 브렌치와 하단 브렌치로 진행하게 된다. 상단 브렌치로 진행되는 빛은 위상 변조기(220)와 편광기(230)를 지나 광분배기(260)로 전달되며, 하단 브렌치로 진행되는 빛은 반파장판(240) 및 편광기(250)를 지나 광분배기(260)로 전달된다.
상단 브렌치로 진행된 빛은 위상 변조기(220)를 거치면서 위상이 변화되고, 편광기(230)를 지나면서 TE 모드 편광만이 광분배기(260)로 진행하게 되고, 하단 브렌치로 진행된 빛은 반파장판(240)을 통과하면서 TE 모드 편광은 TM 모드 편광으로 TE 모드 편광은 TM 모드 편광으로 변환되고 편광기(250)에 의해 TE 모드 편광만 광분배기(260)로 진행하게 된다. 이에 의하여 상단 브렌치로 진행하는 빛은 전류 센싱부(300)에서 출력되는 TE 모드 편광이 위상이 변화되어 광분배기(260)로 진행되고, 하단 브렌치로 진행하는 빛은 전류 센싱부(300)에서 출력되는 TM 모드 편광만이 광분배기(260)로 진행된다..
광분배기(260)는 상단 브렌치와 하단 브렌치에서 오는 각각의 빛의 파워를 3dB 줄이면서 광검출기(PD1; 280)와 광검출기(PD2; 270)로 전달한다. 이때, 광분배기(260)에서는 상단 브렌치에서 오는 빛과 하단 브렌치에서 오는 빛의 간섭현상이 생기게 된다. 전류를 흘리지 않은 초기 상태에서는 서로 간섭하는 두 빛의 위상이 동일하므로 보강 간섭이 생기게 된다. 즉, 사인파 형태의 빛의 진폭이 2배로 커지게 된다. 다만, 위상 변조기(220)를 이용하여 상단 브렌치를 진행하는 빛의 위상을 90도 틀어주면 상단 브렌치와 하단 브렌치를 통과하는 빛 간에 90도의 위상차가 생기게 되고, 이에 의해 광분배기(260)의 출력에 있는 광검출기(270, 280)에는 직류 형태의 매 순간 동일한 파워가 검출되게 된다. 또한, 양 광검출기(270, 280) 간에도 동일한 파워의 빛이 검출되게 된다.
이제 도선(10)에 전류가 흐르는 경우의 위상의 변화를 살펴본다. 쿼터파장판(320)을 통과한 좌선회 편광과 우선회 편광은 도선(10)을 권회하고 있는 광섬유 코일(330)을 따라 진행하면서 도선(10)에 흐르는 전류에 의해 생기는 자기장의 세기에 비례하여 상술한 페러데이 현상에 의하여 좌선회 편광과 우선회 편광 사이에 위상차가 발생하고, 반사판(340)에 반사되어 쿼터파장판(320)으로 진행하는 빛은 좌선회 편광은 우선회 편광으로 바뀌고, 우선회 편광은 좌선회 편광으로 바뀌면서, 빛의 진행 방향과 자기장의 진행 방향 모두가 반대가 되기 때문에 반사판(340)으로 진행할 때 겪은 동일한 위상차가 좌선회 편광과 우선회 편광 사이에 생성되면서 쿼터파장판(320)으로 진행하게 된다. 따라서, 광섬유 코일(330)이 도선(10) 주위를 단 1회 권회하더라도 4번의 패러데이 현상을 겪는 것과 동일한 작용을 하게 된다. 이에 의하여 광섬유 코일(330)의 길이를 줄일 수 있으며 그에 따라 광전류 변성기의 제작 비용을 현저하게 낮출 수 있는 효과를 가지게 된다. 이렇게 위상차가 난 두 빛은 상술한 바와 같이 광분배기(210)에서 Y 브렌치(211)로 전달되어 상단 브렌치와 하단 브렌치를 거쳐 광분배기(260)에서 간섭 현상을 겪으면서 위상차에 비례하여 광파워 변화가 광검출기(270, 280)로 출력된다.
상술한 광전류 변성기에서 패러데이 효과에 의해 발생한 두 편광의 위상차를 측정하기 위해서는 두 편광의 간섭 신호를 확인하여야 한다.
도 5는 광분배기(260)에서의 간섭 현상에 의해 출력되는 신호의 파워에 대한 특성 그래프를 나타낸 것이다.
도 5의 x 축은 광분배기(260)로 입력되는 2개의 광 사이의 위상차(Z)를 나타내고 y축은 출력되는 파워(510)를 나타낸다. 이때의 파워는 광검출기(270, 280)에서 구해질 수 있다.
도 5를 참조하면, 입력되는 2개의 광 사이의 위상차가 없으면 보강 간섭이 되어 최대 파워가 나타나게 되고, 입력되는 2개의 광 사이의 위상차가 180도가 되면 서로 상쇄 간섭하여 파워가 0이된다. 그런데 이때, 도선(10)에 흐르는 전류(I(t))에 의한 패러데이 현상에 의하여 입력되는 2개의 광 사이에 추가적인 위상차(520)가 생성될 수 있다. 그런데 이러한 추가적인 위상차(520)가 원래의 광 사이의 위상차가 0인 지점 부분, 또는 180도인 지점 부분에서 생성되면 출력되는 파워와 패러데이 현상에 의한 추가적인 위상차(520) 사이에 선형 관계가 성립하지 않는다. 그래서 추가적인 위상차(520)와 광검출기(270, 280)에서 나타내는 출력 파워 간에 선형적인 관계를 가질 수 있도록 하기 위하여 위상 변조기(220)를 이용하여 입사되는 광 사이의 위상차를 미리 90도가 되도록 설정하여 놓을 필요가 있다. 그러면 추가적인 위상차(520)의 변화는 선형적으로 출력 파워의 변화가 될 수 있다.
그리고 도선(10)에서의 전류(I(t))의 변화로부터 나타나는 광전류 변성기에서 사용한 두 개의 편광 사이에 추가적인 위상차(Z(t))는 Z(t)=4VNI(t)로 구할 수 있다. 여기서, V는 버뎃상수(Verdet constant)로 광섬유 코일(330)의 물질 특정에 따라 변하는 상수 값이고, N는 도선(10) 주위를 광섬유 코일(330)이 권회한 수, I(t)는 도선에 흐르는 전류이다.
그러면 출력되는 파워 Pout(t)=P0(1+cos(π/2+ Z(t)))=P0(1-sin(Z(t)))이다. 여기서 P0는 광분배기(260)에서 두 입력되는 광 사이에 위상차가 없는 경우에 얻어지는 파워이다. 그리고 Pout(t)는 직류 성분인 PDC=P0와 교류 성분인 PAC(t) = -P0sin(Z(t))를 얻을 수 있고, 교류 성분을 이용하여 도선(10)에 흐르는 전류 I(t)를 구하면 I(t)= - arcsin(PAC(t)/PDC)/(4NV)가 된다. 그리고 PAC(t)<<PDC인 경우에는 I(t)=-PAC(t)/(PDC 4NV)로 근사화시킬 수 있다. 즉, 도선(10)에 인가되는 전류량이 적을 경우에는 전류량에 따른 광분배기(260)의 출력신호의 파워가 비례하는 것을 알 수 있다.
상술한 것처럼 도선(10)에 흐르는 전류량을 확인하기 위하여 본 발명에서 제시하는 광전류 변성기는 신호 처리부(400)를 포함하고 있다. 신호 처리부(400)는 광검출기(270, 280)에서 오는 출력 파워 신호를 바탕으로 도선(10)에 흐르는 전류량을 추정하기 위하여 AC 추출모듈(410), PM 제어모듈(420), 신호처리모듈(430) 및 추가적으로 표시부(440)를 포함할 수 있다.
AC 추출모듈(410)은 상술한 것처럼 광검출기(270, 280)로부터 오는 출력 파워 신호로부터 직류 성분과 교류 성분을 분리하여 추출할 수 있다. 분리하기 위한 일례로서 광검출기(270)의 출력 파워(A) 및 광검출기(280)의 출력 파워(B)를 다음과 같이 (A-B)/(A+B)로 처리함으로써 직류 성분을 제거하고 교류 성분만을 분리할 수 있다. 이렇게 분리하여 추출한 출력 파워 신호를 이용하여 PM 제어모듈(420)은 편광 처리부(200)의 위상 변조기(220)를 제어하기 위한 신호를 생성할 수 있다. 상술한 것처럼 도선(10)에서의 전류 변화에 대하여 광분배기(260)에서 출력되는 파워가 선형 관계를 가지기 위해서는 광분배기(260)로 입사되는 2개의 편광이 90도 위상차를 가져야 한다. PM 제어모듈(420)은 AC 추출모듈(410)에서 오는 직류성분 및/또는 교류 성분을 바탕으로 광분배기(260)로 입사되는 2개의 편광이 90도 위상차를 가지는 지 판단하고 이를 바탕으로 위상 변조기(220)에 대한 제어 신호를 생성하여 전달한다. 일 실시 예로서 교류 성분이 0인 경우에는 광분배기(260)로 입사되는 2개의 편광이 90도 위상차를 가진다고 판단할 수 있다. 물론 이때는 도선(10)에 전류를 흐르게 하지 않고 측정하여야만 정확한 측정이 가능하다. 그리고 신호 처리부(400)의 신호처리모듈(430)은 AC 추출모듈(410)에서 분리한 직류성분과 교류 성분의 출력 파워 신호를 바탕으로 상술한 I(t)=-PAC(t)/(PDC4NV)식을 이용하여 도선(10)에 흐르는 전류를 계산하고 추정할 수 있다. 신호처리모듈(430)에서 추정된 전류는 표시부(440)에서 표시되어 사용자에게 제공될 수 있다. 그뿐만 아니라. 광분배기(260) 출력 파워를 표시부(440)에 함께 표시할 수도 있다.
본 발명에서 제시하는 광전류 변성기를 대용량 차단기의 인입 선로에 설치하면 선로에 흐르는 전류를 측정할 수 있고 이를 바탕으로 대용량 차단기에 전압이 걸려 있는지 아닌지를 확인할 수 있다. 즉, 전압건전성을 검증할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대용량 차단기 전압 건전성 검증을 위한 방법을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 대용량 차단기 전압 건전성 검증을 위하여 대용량 차단기의 인입 도선 또는 출력 도선에 본 발명에서 제시하는 광전류 변성기의 광섬유 코일(330)이 권회하도록 설치하고, 먼저 설치된 광전류 변성기의 구동점을 설정(S610)한다. 구동점 설정은 상술한 바와 같이 도선에 흐르는 전류와 광전류 변성기의 광분배기(260)에서의 간섭 출력 파워 사이에 선형 관계가 되도록 광분배기(260)에 입력되는 편광의 위상을 조정하여 주는 것을 의미한다. 상술한 바처럼 본 발명에서 제시하는 광전류 변성기에서 생성되는 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광은 광분배기(210), PM 광선로(310), 쿼터파장판(320), 광섬유 코일(330), 반사판(340)등을 거쳐서 편광 처리부(200)의 광분배기(260)로 인입된다. 그리고 위상 변조기(220)를 제어하여 광분배기(260)로 인입되는 상단 브렌치의 편광과 하단 브렌치의 편광 사이에 90도의 위상차가 나도록 설정한다. 이 경우에 건전성 검증을 하고자 하는 도선에 전류가 흐르지 않게 하고 설정하여야 한다. 구동점 설정이 완료된 이후에는 도선에 흐르는 전류량을 측정할 수 있다. 상기 입력된 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광이 전류 센싱부(300)를 거치면서 위상에 변화가 생겼는 지를 확인하기 위하여 광분배기(260)에서의 간섭 출력 파워를 추출(S620)한다. 그리고 추출된 출력 파워를 바탕으로 도선에 전류가 흐르는 지를 추정(S630)하고, 추정을 바탕으로 전압 건전성을 검증(S640)할 수 있다.
도선에 전류가 흐르는 지를 추정하는 방법은 상술한 바와 같이 출력 파워에서 직류 성분과 교류 성분을 따로 추출하고, 교류 성분의 값이 0이 아닌 경우에는 도선에 전류가 흐르고 있다고 추정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전류 변성기의 구동점을 설정하는 방법을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전류 변성기는 TM 모드 및 TE 모드 편광을 생성(S710)하여 전달하고, 상기 TM 모드 및 TE 모드 편광은 전류 센싱부를 거친 후 광분배기(260)에서 간섭을 시킴으로써 간섭에 의한 출력 파워를 추출(S720)한다. 이때 전류 센싱부에서 검증을 위한 도선에는 전류가 흐르지 않도록 한다. 그리고 상기 출력 파워에 교류 성분이 있는 지를 측정(S730)하고, 교류 성분이 존재하면 이를 바탕으로 위상 변조기(220)를 제어(S740)하여 광분배기(260)에 들어가는 편광 중의 하나에 대한 위상을 보정한다. 상기 단계들은 반복 시행하여 최종적으로 출력 파워에 교류 성분이 존재하지 않을 때까지 위상 변조기(220)를 제어할 수 있다. 교류 성분이 존재하지 않게 되면 광분배기(260)로 입사되는 2개의 편광이 90도의 위상차를 가지게 된다.
지금까지 광전류 변성기에 대하여 설명하였다. 상술한 광전류 변성기는 대용량 차단기의 전단에 설치되어 대용량 차단기에 의한 전력 차단이 완벽하게 되어 더 이상 전압이 걸리지 않음을 확인하기 위한 전압 건전성 검증에 이용될 수 있다. 더 나아가 본 발명에 의한 광전류 변성기는 도선에 흐르는 전류량을 측정할 수 있으므로 이를 바탕으로 평상시에도 도선에 흐르는 전류량을 측정하기 위한 계측장치로 사용될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 발광부
200: 편광 처리부
210, 260: 광분배기
220: 위상 변조기
230, 250: 편광기
240: 반파장판(half wave plate)
300: 전류 센싱부
310: PM 광선로
320: 쿼터파장판(quarter wave plate)
330; 광섬유 선로

Claims (13)

  1. 도선에 흐르는 전류를 측정하기 위한 광전류 변성기로서,
    발광부, 편광 처리부, 전류 센싱부, 신호 처리부를 포함하고,
    상기 발광부는 제1 TM(Transverse Magnetic) 모드 편광 및 제1 TE(Transverse Electric) 모드 편광을 포함하는 빛을 생성하여 상기 편광 처리부로 전달하고,
    상기 편광 처리부는 상기 발광부에서 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 포함하는 빛을 상기 전류 센싱부로 전달하고, 상기 전류 센싱부로부터 인입되는 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광을 처리하여 간섭시키고, 간섭 신호의 파워를 출력하고,
    상기 전류 센싱부는 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류를 센싱한 정보를 포함하는 상기 제2 TM 모드 및 제2 TE 모드 편광을 생성하여 상기 편광 처리부로 전달하고,
    상기 신호 처리부는 상기 편광 처리부에서 출력하는 간섭 신호의 파워를 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류량을 측정하고,
    상기 편광 처리부는,
    제1 광분배기, 제2 광분배기, 위상 변조기, 제1 편광기, 제2 편광기, 반파장판, 제1 광검출기 및 제2 광검출기를 포함하고,
    상기 제1 광분배기는 상기 발광부에서 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 포함하는 빛을 상기 전류 센싱부로 전달하고, 상기 전류 센싱부에서 인입되는 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광을 Y 브렌치로 전달하고,
    상기 위상 변조기는 상기 Y 브렌치의 상단 브렌치 상에 위치하고, 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광의 위상을 변화시키고,
    상기 제1 편광기는 상기 Y 브렌치의 상단 브렌치 상에 위치하고, 상기 위상 변조기에 의해 위상이 변화된 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광 중 상기 제2 TE 모드 편광만을 상기 제2 광분배기로 전달하고,
    상기 반파장판은 상기 Y 브렌치의 하단 브렌치 상에 위치하고, 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광을 각각 제3 TE 모드 편광 및 제3 TM 모드 편광으로 변화시키고,
    상기 제2 편광기는 상기 Y 브렌치의 하단 브렌치 상에 위치하고, 상기 제3 TE 모드 편광 및 제3 TM 모드 편광 중 상기 제3 TE 모드 편광만을 상기 제2 광분배기로 전달하고,
    상기 제2 광분배기는 상기 Y 브렌치의 상단 브렌치를 통해 받은 상기 위상이 변화된 제2 TE 모드 편광 및 상기 Y 브렌치의 하단 브렌치를 통해 받은 상기 제3 TE 모드 편광을 간섭시켜 2개의 출력 포트로 출력시키고,
    상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기는 상기 제2 광분배기의 2개의 출력 포트에 각각 연결되고, 상기 2개의 포트에서 출력되는 편광의 파워를 측정하여 출력하고,
    상기 신호 처리부는,
    AC 추출모듈, PM 제어모듈, 신호처리모듈, 및 표시부를 포함하고,
    상기 AC 추출모듈은 상기 편광 처리부의 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기에서 출력되는 파워를 바탕으로 직류 성분 및 교류 성분을 추출하고,
    상기 PM 제어모듈은 추출된 상기 직류 성분 및 교류 성분 중 적어도 하나를 이용하여 상기 편광 처리부의 상기 위상 변조기를 제어하기 위한 신호를 생성하고,
    상기 신호처리모듈은 추출된 상기 직류 성분 및 교류 성분을 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류량을 계산하고,
    상기 표시부는 계산된 상기 전류량을 표시하고,
    상기 AC 추출모듈은,
    상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기에서 출력되는 파워 사이의 차이를 이용하여 상기 교류 성분을 추출하는,
    광전류 변성기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 센싱부는,
    PM(Polarization Maintaining) 광선로, 쿼터파장판(Quarter Wave Plate), 광섬유 코일, 및 반사판을 포함하고,
    상기 PM 광선로는 상기 편광 처리부로부터 인입되는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제 1 TE 모드 편광을 상기 PM 광선로의 패스트(fast) 축과 슬로우(slow) 축을 통해 진행시키고,
    상기 쿼터파장판은 상기 PM 광선로의 패스트 축과 슬로우 축을 통해 들어오는 상기 제1 TM 모드 편광 및 제1 TE 모드 편광을 각각 제1 우선회 편광 및 제1 좌선회 편광으로 변환하여 상기 광섬유 코일을 통해 전달하고,
    상기 반사판은 상기 광섬유 코일을 통해 전달받은 상기 제1 우선회 편광을 제2 좌선회 편광으로 변환하고, 상기 제1 좌선회 편광은 제2 우선회 편광으로 변환하여 상기 광섬유 코일로 반사하여 전달하고,
    상기 쿼터파장판은 상기 반사판에서 반사되어 들어온 상기 제2 우선회 편광 및 제2 좌선회 편광을 각각 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광으로 변환하여 상기 PM 광선로의 패스트 축과 슬로우 축으로 전달하고,
    상기 광섬유 코일은 상기 도선 주위를 권회하는,
    광전류 변성기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 AC 추출모듈, 신호처리모듈, 및 표시부를 포함하고,
    상기 AC 추출모듈은 상기 편광 처리부에서 출력하는 간섭 신호의 파워에서 직류 성분 및 교류 성분을 추출하고,
    상기 신호처리모듈은 추출된 상기 직류 성분 및 교류 성분을 바탕으로 상기 도선에 흐르는 전류량을 계산하고,
    상기 표시부는 계산된 상기 전류량을 표시하는,
    광전류 변성기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신호처리모듈은 I(t)=-PAC(t)/(4NVPDC) 식을 이용하여 상기 도선에 흐르는 전류량을 계산하되,
    I(t)는 상기 도선에 흐르는 시간별 전류량이고,
    PAC(t)는 시간별 추출된 교류 성분이고,
    N은 상기 광선로 코일이 상기 도선을 권회한 수이고,
    V는 상기 광선로 코일의 버뎃상수(Verdet constant)이고,
    PDC는 추출된 직류 성분인,
    광전류 변성기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 AC 추출모듈은,
    상기 도선에 흐르는 전류가 없는 경우에 상기 편광 처리부의 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기에서 출력되는 파워를 바탕으로 직류 성분 및 교류 성분을 추출하고,
    상기 PM 제어모듈은 상기 교류 성분을 바탕으로 상기 위상 변조기를 제어하기 위한 신호를 생성하는,
    광전류 변성기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 PM 제어모듈은,
    상기 위상 변조기로 들어오는 상기 제2 TM 모드 편광 및 제2 TE 모드 편광의 위상이 90도 빨라지거나 또는 90도 느려지도록 상기 위상 변조기를 제어하는 신호를 생성하는,
    광전류 변성기
  10. 제8항에 있어서,
    상기 PM 제어모듈은,
    상기 교류 성분이 0이 되도록 상기 위상 변조기를 제어하는 신호를 생성하는,
    광전류 변성기.
  11. 제1항의 광전류 변성기를 이용한 대용량 차단기 전압 건전성 검증 방법으로서,
    대용량 차단기가 연결된 도선에 흐르는 전류의 크기 및 상기 전류에 의하여 위상이 변하는 상기 광전류 변성기의 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광의 간섭 출력 파워 사이에 선형 관계가 되도록 구동점을 설정하는 단계;
    상기 전류에 의하여 위상이 변하는 상기 광전류 변성기의 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광의 간섭 출력 파워를 추출하는 단계; 및
    추출된 상기 간섭 출력 파워를 바탕으로 도선에 전류가 흐르는 지를 추정하는 단계;
    상기 추정을 바탕으로 전압 건전성을 검증하는 단계;를 포함하는,
    대용량 차단기 전압 건전성 검증 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    추출한 상기 간섭 출력 파워를 교류 성분과 직류 성분으로 분할하는 단계를 더 포함하고,
    상기 추출된 상기 간섭 출력 파워를 바탕으로 도선에 전류가 흐르는 지를 추정하는 단계는 상기 교류 성분이 0이 아닌 경우에 도선에 전류가 흐르고 있다고 추정하는 단계를 포함하는,
    대용량 차단기 전압 건전성 검증 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 구동점을 설정하는 단계는,
    상기 광전류 변성기에서 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광을 생성하는 단계;
    상기 도선에 전류가 흐르지 않게 하면서 상기 광전류 변성기의 전류센싱부를 지나온 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광의 간섭 출력 파워를 추출하는 단계;
    추출된 상기 출력 파워의 교류 성분을 측정하는 단계; 및
    상기 교류 성분이 0이 되도록 상기 광전류 변성기의 위상 변조기를 제어하는 단계;를 포함하는,
    대용량 차단기 전압 건전성 검증 방법.
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Title
‘Optical fiber current sensor using photonic integrated circuits based on polymer waveguide’, 추우성, 부산대학교대학원 박사학위논문, 2015년 2월*

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