KR101987021B1 - 전압 센서 시스템 - Google Patents

전압 센서 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101987021B1
KR101987021B1 KR1020170075143A KR20170075143A KR101987021B1 KR 101987021 B1 KR101987021 B1 KR 101987021B1 KR 1020170075143 A KR1020170075143 A KR 1020170075143A KR 20170075143 A KR20170075143 A KR 20170075143A KR 101987021 B1 KR101987021 B1 KR 101987021B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sensor
optical fiber
optical
voltage
sensor unit
Prior art date
Application number
KR1020170075143A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170141148A (ko
Inventor
김복현
한원택
주성민
Original Assignee
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광주과학기술원 filed Critical 광주과학기술원
Publication of KR20170141148A publication Critical patent/KR20170141148A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101987021B1 publication Critical patent/KR101987021B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0084—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring voltage only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2706—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means as bulk elements, i.e. free space arrangements external to a light guide, e.g. polarising beam splitters
    • G02B6/2713—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means as bulk elements, i.e. free space arrangements external to a light guide, e.g. polarising beam splitters cascade of polarisation selective or adjusting operations
    • G02B6/272—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means as bulk elements, i.e. free space arrangements external to a light guide, e.g. polarising beam splitters cascade of polarisation selective or adjusting operations comprising polarisation means for beam splitting and combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2726—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means in or on light guides, e.g. polarisation means assembled in a light guide
    • G02B6/274—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means in or on light guides, e.g. polarisation means assembled in a light guide based on light guide birefringence, e.g. due to coupling between light guides

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Abstract

전압 센서 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 센서 시스템은, 전압 센싱을 위한 광신호를 출사하는 광원을 포함하는 광원부, 센싱하고자 하는 전압이 인가되는 압전 소재 및 역압전 소재에 감겨 제공되는 광원부로부터 출사된 광신호가 통과하는 광섬유를 포함하는 제1 센서부 및 상기 센서부로부터 입력되는 반사 신호광을 검출하고, 검출 결과에 따라 전압 값을 계산하는 신호 분석부를 포함하하고, 상기 광섬유는 복굴절 특징을 갖는 광섬유이다.

Description

전압 센서 시스템{Voltage Sensor System}
본 발명은 센서용 광소재의 복굴절 특성 및 편광 측정 기술을 이용하여 전압을 측정하는 방법 그리고 이를 이용한 전압 센서에 관한 것이다.
정확하고 안정적인 전압의 측정 기술은 작게는 수십-수백 V에서 높게는 수십-수백 kV 이상에 이르는 중고전압 전기장치 및 전력 시스템에서 이들의 보호 및 효율적인 운용에 있어서 매우 중요하다.
도체나 반도체 소재를 주로 이용하는 기존의 전자계 방식의 전압 측정 기술 (전압센서 기술)의 경우 센서의 부피 및 중량이 매우 커서 제품 자체의 가격 뿐만 아니라 많은 설치 및 운영 비용이 들어가는 단점을 가지고 있다. 또한 전기신호를 이용하여 전압을 측정하게 되므로 측정하고자 하는 전력시스템 자체에서 발생하는 전기적인 간섭에 의하여 노이즈가 발생하기 쉬우므로 부정확한 측정 및 그에 따른 오작동 문제가 발생한다. 또한, 측정 수단으로 도체, 반도체와 같은 전기가 흐르는 재료를 사용하게 되므로 열 및 수분에 의한 부식 가능성이 높고 방전 (전기 스파크) 등에 의하여 센서 시스템이 파손되기 쉽다.
반면에 광학식 전압측정 기술 즉, 광학식 전압센서 기술의 경우 빛을 사용하여 전압을 측정하므로 기존 전자계 방식의 전압센서 기술에 비하여 수분의 영향을 적게 받으며 방전 등에 의한 파손 우려가 적다는 장점을 가지고 있다.
광학식 전압 측정 기술에는 크게 Bismuth germanate (Bi4Ge3O12), Bismuth silicon oxide (Bi12SiO20), Lithium niobate (LiNbO3), Lithium tantalate 와 같은 광학적 비등방성을 가진 전기광학물질의 프켈스(Pockels)효과를 이용하는 포켈스 방식의 전압 측정 기술과 Quartz, Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconate titanate (PZT), PLZT 등과 같은 압전소재의 역합전(converse piezoelectricity) 효과를 이용한 역압전 방식의 전압 측정 기술이 대표적이다.
인용문헌 1: Pockels high-voltage measurement system (IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 15, NO. 1, p. 8, 2000) 인용문헌 2: Fiber-optic voltage sensor for SF6 gas-insulated high-voltage switchgear (Applied Optics, Vol. 38, NO. 10, p. 1926, 1999)
본 발명은 이러한 기존 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 센서용 광소재의 복굴절 특성 및 편광 측정 기술을 이용하여 전압을 측정하는 방법 그리고 이를 이용한 전압 센서에 관한 것이다.
전압 센서 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 센서 시스템은, 전압 센싱을 위한 광신호를 출사하는 광원을 포함하는 광원부, 센싱하고자 하는 전압이 인가되는 압전 소재 및 역압전 소재에 감겨 제공되는 광원부로부터 출사된 광신호가 통과하는 광섬유를 포함하는 제1 센서부 및 상기 센서부로부터 입력되는 반사 신호광을 검출하고, 검출 결과에 따라 전압 값을 계산하는 신호 분석부를 포함하하고, 상기 광섬유는 복굴절 특징을 갖는 광섬유이다.
본 발명에 따르면, 복굴절 특성을 갖는 소재로 만들어진 센서부 및 편광 분석 기술을 사용하여 보다 편리하게 전압을 측정하는 방법 및 이를 이용한 전압 센서 시스템을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 하나의 신호 분석시스템으로 여러 곳의 전압을 측정할 수 있는 방법을 제공한다. 그리고 본 발명에 따르면 하나의 분석 시스템으로 전압과 전류를 동시에 측정할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술을 설명하는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 센서 시스템을 나타낸다.
도 3에는 실시예에 따라 센서 광섬유로 사용될 수 있는 타원형 코어 광섬유의 단면 구조를 나타낸다.
도4는 본 발명에 따른 전압 센서시스템의 신호광의 광특성 나타내는 그래프로서 거리에 따른 편광 변화량의 일 예를 나타낸다.
도 5는 센서부 전압 인가에 따른 전압 센서시스템의 신호광의 광특성을 나타낸다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상이 이하에 제시되는 실시예로 제한되지는 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 포켈스 방식의 전압 센서 시스템의 광학적 구조를 나타낸 도면이다. 포켈스 방식의 전압 센서 시스템의 경우 상기 전기광학물질을 소정의 방향으로 배치하고 전기광학물질 양단에 한 쌍의 편광자를 배치하여 입력광을 입력측 편광자를 통하여 일정 방향으로 편광된 후 전기광학물질을 통과하도록 한다. 이어서 출력측 편광자를 지나 광검출기로 통과한 빛의 출력을 검출한다.
여기서, 전기광학물질 양단에 전극을 설치하여 전압을 인가할 경우 전기광학효과에 의하여 굴절률이 변하게 되는데 전기광학물질의 광학적 비등방성 즉 복굴절 특성으로 인하여 광축 방향에 따라 굴절률이 다르고 또한 전압인가에 따른 굴절률 변화량도 차이가 있어 빛의 편광 방향이 전기광학물질을 지나는 동안 변하게 된다. 그에 따라 출력측 편광자에 의하여 광출력이 일정부분 차단되고 이로부터 역으로 편광 변화량(예를 들어, 편광 회전량)을 계산하므로써 최종적으로 인가된 전압의 세기를 계측할 수 있다.
기존 기술의 일례에 따른 역압전 방식의 전압 센서 시스템의 경우에는 실린더 모양의 석영 단결정 (Quartz)과 여기에 감겨진 간섭계용 광섬유로 센서부가 이루어진 구조를 가지고 있다. 또한, 센서 광섬유의 코어에는 광경로가 다른 두 개의 코어모드 (core mode)가 형성되어 있고 이들이 간섭계를 구성하도록 되어 있다. 따라서, 전압이 석영 단결정에 인가될 경우, 역압전 효과에 의하여 실린더 모양의 석영 단결정의 지름이 늘어나게 되며, 그에 따라 석영 단결정 (Quartz) 주변에 감겨진 센서 광섬유에 스트레인 (strain, 변형)이 가해지고 그에 따라 간섭특성이 변화하게 된다. 최종적으로, 간섭특성 변화에 따른 광신호를 분석하여 전압을 측정하게 된다.
이러한 기존의 포켈스 방식이나 역압전 방식에 의한 전압측정 기술의 경우, 일반적으로 하나의 측정 시스템으로 하나의 전압 센서를 분석할 수 있는 한계를 가지고 있다. 따라서, 3상 전력망의 경우 3개의 전압 센서 시스템을 별도로 구축하게 되므로 비용이 많이 상승하는 단점을 가지고 있다. 또한 기존 기술의 경우 전압 및 전류 측정에 있어 센서 시스템의 구조가 달라 별도의 센서 시스템을 구축해야하는 단점을 가지고 있다.
광학식 전압 센서의 기술에 있어서 전체 측정시스템의 성능은 센서 시스템을 구성하는 센서부의 광학 구조 그리고 센서부에서 발생한 광신호로부터 물리량을 계측하는 신호분석 방식에 따라 그 성능이 좌우된다. 본 발명은 이러한 기존 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 광학소재의 복굴절 특성 및 편광 측정 기술을 이용하여 전압을 측정하는 방법 그리고 이를 이용한 전압 센서에 관한 것이다. 이하에서는 본 발명에 따라 고안된 센서 시스템의 구조 및 측정 원리를 도면과 함께 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 센서 시스템을 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 센서 시스템(100)은 광원부(110), 센서부(120) 및 신호분석부(130)을 포함한다.
광원부(110)는 전압 센싱을 위한 신호광을 출사하는 광원 및 출사된 신호광의 편광을 조절하는 편광 조절 소자를 포함한다.
센서부(120)는 전압이 인가되는 역압전 소재 및 역압전 소재에 감겨져 제공되는 광섬유를 포함한다. 바람직한 실시 예에서 센서부(120)에 포함된 광섬유는 복굴절 광섬유일 수 있다.
신호분석부(130)는 센서부(120)로부터 입력되는 광신호를 분석하여 전압 값을 계산한다. 신호분석부(130)는 센서부(120)를 거쳐 입력되는 광신호와 최초 광신호의 물리량을 비교하여 전압 값을 계산할 수 있다. 구체적으로, 신호분석부(130)는 광검출기에서 입력되는 광신호를 검출하고, 컨터롤러가 입력되는 광신호에 기초하여 전압 값을 계산할 수 있다. 이때, 전압 값 계산에 사용되는 물리량은 편광 변화량일 수 있다.
도 2를 참조하여 전압 센싱 과정을 설명하면, 광원부(110)의 펄스광원에서 출사된 신호광은 제1광분기소자를 거쳐 센서부의 센서 광섬유로 입사된다. 센서부는 그림과 같이 원통형 압전소재 주변에 복굴절 광섬유(birefringent fiber)가 센서 광섬유로 감겨져 있는 구조로 되어 있다. 그리고 압전소재의 위쪽과 아래쪽 양단에는 전극(제1전극, 제2전극)이 설치되어 있고 양단간에 측정하고자 하는 전압을 인가하게 된다.
전압이 인가될 경우 압전소재의 역압전(converse piezoelectric) 효과에 의하여 지름 방향 길이가 가변하게 된다. 그에 따라 전압소재 주변에 감겨 있는 센서 광섬유는 스트레인 및 그에 따른 스트레스(stress)를 받게 되고 그에 따라 센서 광섬유의 광특성, 예를 들어 복굴절 특성이 영향을 받아 변하게 되고 이러한 변화를 편광자를 거쳐 광검출기로 신호광을 측정하고 콘터롤러 (PC)로 분석하여 역으로 인가된 전압의 크기를 측정할 수 있다.
광특성을 개선하기 위하여 필요한 경우 편광자 앞단에 편광조절소자를 부가할 수 있다. 펄스광원의 트리거 신호는 콘터롤러 보내져 입력 펄스 생선시간과 센서 광섬유의 일부 지역에서 되돌아오는 레일리 산란에 의한 광신호 사이의 시간차를 분석하여 레일리 광신호의 발생위치를 파악할 수 있고 이로부터 해당 위치에 인가된 전압을 도출할 수 있다.
그리고 도 2에 도시한 바와 같이 필요에 따라 센서 광섬유의 끝단에는 다시 목적에 따라 측정이 필요한 다른 센서부에 연속적으로 직렬로 연결하고 동일한 신호분석부를 공동으로 사용하여 연결된 센서부의 광특성을 동시에 분석하여 각각의 센서부에 인가된 전압을 한꺼번에 측정할 수 있다. 이러한 특성은 기존 기술과 다른 장점 중의 하나라고 할 수 있다.
도 2에서 F1, F2, F3, F4, F5 로 표시된 광 전송라인은 일부에서 자유공간(free space) 전송방식을 사용할 수 있으나, 광 전송라인 배치의 자유도가 높은 광섬유 시스템의 장점을 이용하기 위하여 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 더욱 바람직하게는 편광을 일정하게 유지하고 진동에 따른 노이즈 발생을 억제하기 위하여 광 전송라인 일부 또는 전체를 편광유지 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
제1광분기소자로서 광커플러나 광서큘레이터 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 광섬유 시스템의 장점을 이용하기 위하여, 제 1분기소자는 입력단과 출력단이 광섬유로 피크테일된 형태인 것이 바람직하다. 따라서 광커플러는 광섬유커플러인 것이 바람직하다. 광원으로는 목적에 따라 펄스형 레이저 광원인 것이 바람직하다. 검출신호의 공간 분해능을 높이기 위하여 레이저 광원의 펄스폭이 짧은 것이 바람직하다. 예를 들어 레이저 광원의 펄스폭이 수nsec ~ 수십 nsec 범위 내지 그 이하인 것이 바람직하다. 광검출기는 이러한 펄스 폭을 가진 신호광을 검출 할 수 있도록 특성이 구성되어야 한다.
본 발명에 따른 전압 센서의 동작 원리 및 구조에 대해서는 도 3과 함께 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
도 3에는 실시예에 따라 센서 광섬유로 사용될 수 있는 타원형 코어 광섬유의 단면 구조를 나타낸다.
도 3에서 센서 광섬유는 한 개의 타원형 코어를 코어를 가지고 있으며, 편의 상 길이가 긴 장축을 광축 y 방향 그리고 단축을 광축 x 방향으로 정의할 수 있다. 타원의 코어의 경우 유효 굴절률 분포가 타원형이므로 복굴절 특성을 가지게 된다. 따라서 광축 y 방향의 y 편광 및 광축 x 방향의 x 편광이 느끼는 굴절률도 서로 상이하다.
광원에서 출사된 펄스형 신호광이 제1광분기소자를 거쳐 센서 광섬유의 코어로 전송될 경우, 전영역에 걸쳐 센서 광섬유의 길이에 따른 광섬유 코어의 미세한 구조 변화가 발생한다. 이때, 미세한 구조 변화란 광섬유 코어의 밀도 변화나 불순물 분포일 수 있으며, 이러한 구조 변화에 의해 레일리 산란 (Rayleigh scattering)이 발생한다. 그리고 레일리 산란에 의하여 역으로 진행하는 반사 신호광이 발생하며 발생된 반사 신호광은 광전송라인 F3, 이어서 제1광분기소자, 광전송라인 F4, 그리고 편광자, 광전송라인 F5 를 거쳐 광검출기 도달한다.
본 발명의 목적에 따라 필요한 경우 광섬유에 산란 및 반사를 유도하는 특성(물질 또는 구조)를 부가하여 반사 신호광의 세기를 증대시킬 수 있다. 또한 광검출기로 수신되는 광신호를 증폭시키기 위하여 편광자와 광검출기 사이에 광증폭기를 둘 수 있다.
여기서 편광자에 의하여 반사 신호광의 편광 성분 중 일부가 걸러지며, 걸러진 반사 신호의 광세기가 광검출기에서 측정된다. 앞에서 설명하였듯이, 전영역에 걸쳐 센서 광섬유 길에 따른 레일리 산란을 포함하는 반사요소에 의하여 되돌아오는 반사 신호광이 발생하게 되는데, 반사 신호광이 광검출기까지 되돌아오면서 센서 광섬유를 다시 진행한다. 이때, 센서 광섬유가 복굴절 특성을 가지고 있으므로 신호광의 편광 특성이 광섬유의 복굴절 특성에 의하여 영향을 받는다.
예를 들어 되돌아오는 반사 신호광의 편광성분이 복굴절 광섬유에 의하여 회전을 하게 된다. 그리고 레일리 산란을 포함하는 반사요소가 발생하는 위치, 즉 센서 광섬유의 위치에 따라 되돌아오는 광경로의 크기가 달라지는바, 반사 신호광 편광성분의 회전량이 센서 광섬유의 복굴절 특성에 따라 달라지게 된다.
여기에서, 레일리 산란의 발생 위치는 광검출기를 통하여 측정되는 반사 신호광의 도달 시간을 분석하여 알 수 있다. 결과적으로 반사 신호광이 되돌아오는 시간에 기초하여 광경로 라인상의 거리에 따른 편광성분의 회전량을 계산할 수 있으며, 최종적으로 이로부터 하나 이상의 센서부에 인가된 전압의 크기를 계산할 수 있다.
본 발명의 목적에 따라 센서 광섬유로 입사되는 신호광의 편광을 조절하여 상기 전압인가에 따른 편광성분의 회전량의 측정을 용이하도록 한다. 이를 위하여 도2에 도시한 바와 같이 펄스광원과 제1분기소자 사이에는 신호광 편광을 제어하기 위하여 편광자(polarizer) 나 다른 형태의 편광조절소자(polarization controller)를 구비하여 사용할 수 있다.
예를 들어 센서 광섬유에 입사되는 신호광을 도3(b)의 도시된 바와 같이 센서 광섬유의 광축에 45 도 방향으로 입사하도록 할 수 있다. 이를 위하여, 도 2에 표시된 광연결부 형성에 있어서 광전송라인 F2를 편광유지 광섬유로 구성하고, 입사광의 편광방향을 편광유지 광섬유(F2)의 광축에 일치시키며 편광유지 광섬유(F2)의 광축과 센서 광섬유의 광축을 45도로 어긋나게 연결하는 방법을 사용할 수 있다. 이러한 경우 신호광은 광축 x 와 광축 y 방향으로 정렬된 편광성분이 느끼는 굴절률이 다르게 되므로 거리를 진행함에 따라 상대적인 위상차가 발생하여 일부 편광 성분이 회전을 하게 된다.
따라서 위에서 설명된 바와 같이 본 발명의 목적에 따라 센서부에 사용되는 센서 광섬유는 신호광의 편광특성을 인가된 전압에 따라 가변시킬 수 있는 광학적 구조를 가진 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 센서부에 사용되는 센서 광섬유는 신호광의 일부 편광 성분을 회전시킬 수 있는 복굴절 특성을 가진 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어 센서 광섬유로 타원형 코어모드를 가진 광섬유를 용이하게 사용할 수 있다. 광섬유 코어와 클래딩의 모양, 크기, 조성, 굴절률 분포를 조절하여 타원형 코어 모드를 만들 수 있다. 타원형 코어모드는 코어의 물리적 모양이 타원형 구조인 타원형 코어 광섬유에서 용이하게 형성된다.
따라서 상기 센서 광섬유는 타원형 코어 광섬유일 수 있다. 또한 상기 센서 광섬유로 광섬유의 코어나 클래딩 부분에 구멍을 뚫어 만든 홀구조 광섬유 일 수 있다. 센서용 홀구조 광섬유로서 광자결정 광섬유(photonic crystal optical fiber), 광자 밴드갭 광섬유 (photonic bandgap fiber), 또는 매달린 구조의 광섬유(suspended core optical fiber)를 사용할 수 있다. 또한, 센서 광섬유로 복굴절 광섬유의 일종인 Panda 광섬유 Bow-tie 광섬유, 타원형 클래딩(eliptical cladding) 구조 광섬유 등을 사용할 수 있다.
물론 센서 광섬유로 사용하기 위해서는 편광 성분을 회전시키는 능력과 함께 다른 광특성 예를 들면 온도, 압력, 진동 의존성과 같이 외부교란요소에 대한 민감성 그리고 측정의 선형성 등을 고려해야함은 물론이다. 센서 광섬유로서 상기 복굴절 광섬유를 사용할 경우 복굴절 특성에 의하여 자체적으로 편광유지 특성을 가지므로 진동에 의한 교란을 크게 받지 않는 장점을 가지고 있다.
도4는 본 발명에 따른 전압 센서시스템의 신호광의 광특성 나타내는 그래프로서 거리에 따른 편광 변화량의 일 예를 나타낸다.
도 4에는 직렬로 연결된 2개의 센서부의 특성을 측정하는 예를 보여주고 있다. A와 B구간 사이는 광전송라인 F3에서 발생한 편광상태 변화량을 나타낸다. 진동 안정성 확보와 같은 필요한 목적에 따라 광전송라인 F3에 편광유지 광섬유와 같은 복굴절 광섬유를 사용할 수 있으며 그에 따라 해당 구간을 진행하는 도중 일부의 편광변화가 발생 할 수 있다. B 와 C 구간 사이의 경우 제1센서 광섬유에서 발생한 편광 변화량 (누적 변화량
Figure 112017056972089-pat00001
)을 나타내고 있으며 그리고 D 와 E 는 제 2 센서 광섬유에서 발생한 편광 변화량을 나타낸다. C 와 D (E 와 F) 는 센서 시스템용 광전송라인에 사용된 광섬유에 의한 편광 변화량이다. 이처럼 각 구간에 사용된 광섬유의 특성 즉 복굴절 특성에 따라 편광 변화량은 달라진다.
상기 도4에 따른 도시된 편광변화량 특성처럼 센서 광섬유 및 입사되는 신호광의 초기 편광특성 조건에 따라 수신되는 신호광의 편광 변화가 선형적이지 않을 수 있다. 하지만 이러한 특성으로부터 전압을 측정한다는 본 발명에 따른 센서 시스템의 주요 동작원리는 동일하다.
도 5는 센서부 전압 인가에 따른 전압 센서시스템의 신호광의 광특성을 나타낸다.
구체적으로 도 5는 전압인가 전후의 거리에 따른 편광 변화량를 비교하여 보여주고 있다. A-B-C-D-E-F 로 연결되는 선은 전압인가 전의 거리에 따른 편광 변화량을 보여주고, 반면에 A-B-C'-D'-E'-F' 로 연결되는 선은 전압인가 후의 거리에 따른 편광 변화량을 보여준다.
도5에서 전압인가에 의하여 제1 센서광섬유에서 추가 적인 편광 변화량 (△φ)이 발생하였다. 반면에, 외부 교란에 의한 영향이 없을 경우 단순히 신호광을 전송하는 역하는 역할만 하는 광전송라인 (A-B, C-D, E-F) 에서는 편광변화량의 변동이 발생하지 않는다. 결과적으로 추가적인 편광변화량으로부터 인가된 전압을 도출할 수 있다.
여기서 주의할 점은 양전극에 전압 인가에 따라 압전소재의 길이 방향의 각 위치에 발생하는 전기장은 상수가 아니며 그에 따라 역압전효과에 따라 센서 광섬유에 가해지는 스트레인 변화량도 상수가 아니다. 따라서, 정확한 전압측정을 위해서는 전체적인 특성을 누적하여 측정치를 도출할 수 있는 적분기술이 필요하게 된다.
대다수 전압센서 기술의 경우 일부영역의 전기장 측정으로부터 전압을 도출하는 기술을 활용하기 때문에 많은 측정오차가 발생하게 된다. 반면에, 본 발에서 제시되는 기술의 경우, 도 5에서 얻어지는 추가 편광 변화량(△φ)은 센서부의 전체 전압 인가량에 해당하는 누적량이며, 따라서 다른 국부적인 측정 기술에 비하여 정확한 전압 측정이 가능하다. 물론 도 5에서 미분값을 분석하여 센서 광섬유의 각 위치에 따라 인가된 전기장의 분포를 계측할 수 있다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 나타낸다.
도 6에 도시된 전압 센서 시스템(200)은 도 2와 마찬가지로 광원부(210), 센서부(220) 및 신호분석부(230)을 포함한다.
도 6에서 설명되는 실시예는 상기 도 2와 함께 설명된 실시예와 다른 부분은 동일하나, 신호 분석부(230)이 2개 내지 3개로 편광상태로 반사 신호광을 분리할 수 있는 제2 광분기소자를 더 포함하는 것에 그 일 특징이 있다.
편광 방향에 따라 분리된 각 신호광은 각각 광검출기(D1, D2, D3)에서 각각의 광검출기에 도달하는 시간 즉 편광 및 거리에 따른 신호광 특성이 측정되고, 측정된 데이터가 콘터롤러에서 분석되어 이로부터 인가 전압을 분석할 수 있다. 따라서, 상기 제 2 실시예를 설명함에 있어서는 특별한 설명이 없는 부분은 제 1 실시예의 설명이 그대로 적용되는 것으로 이해하면 된다.
상기 제2 광분기소자로서 광커플러, 광섬유커플러, 광스플리터, 광서큘레이터 와 같이 출력을 분배 및 전달하는 기능을 가진 광소자와 특정방향의 편광만을 통과시키는 편광을 분리하는 기능을 가진 편광소자를 조합하여 사용할 수 있다. 제2 광분기 소자로 수직한 2개의 편광방향에 따라 신호광을 분리할 수 있는 편광빔분리기(polarization beam splitter)를 사용할 수 있다.
수직한 2개의 편광방향에 따라 신호광을 분리하여 도 4와 같은 편광 변화량 데이터를 확보하므로써 보다 정확한 전압 센싱이 가능할 수 있다. 제2 광분기 소자로 수직한 2개의 편광방향에 따라 신호광을 분리할 수 있는 편광빔분리기(polarization beam splitter)를 사용할 수 있다. 제2 광분기소자로 3개의 편광상태로 신호광을 분리하는 구조에 있어서, 분리하는 3개의 편광상태를 조정하므로써 센서 광섬유에서 돌아오는 신호광의 모든 편광상태를 보다 정확히 분석할 수 있다는 장점을 가진다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 센서 시스템의 구조를 나타낸다.
도 7에 도시된 전압 센서 시스템(300)은 도 2 또는 도 6과 마찬가지로 광원부(310), 센서부(320) 및 신호분석부(330)을 포함한다.
도 7과 함께 설명되는 실시예는 상기 도 2 또는 6와 함께 설명하는 실시예와 다른 부분은 동일하나, 센서부(320)가 센서광섬유와 역압전소재의 조합이 아닌, 포켈스 소재의 전기광학단결정를 포함하는 것이 다르다. 따라서, 구체적인 설명이 없는 부분은 상기 도 2 및 6에 따른 실시예의 설명된 구동원리가 적용되는 것으로 한다.
도 2 및 6에 따른 실시예의 경우 복굴절 광섬유의 복굴절 특성에 의하여 전압인가 시 신호광의 편광 변화가 발생하는 반면, 도 7에 따른 실시예의 경우 전기광학단결정의 복굴절 특성에 의하여 전압인가에 따라 신호광의 편광 변화가 발생하는 부분에 그 특징이 있다. 포켈스 소재로 사용되는 전기광학단결정은 광축의 방향에 따라 굴절률 및 전압인가에 따른 굴절률 변화가 다른 특성을 가지고 있다. 따라서, 도 7 에 따른 실시예의 경우에 있어서도 동일한 방법으로 누적된 편광 변화량을 측정하고 이로부터 인가된 전압을 도출할 수 있다. 센서부용 전기광학단결정으로서 Bismuth germanate (Bi4Ge3O12), Bismuth silicon oxide (Bi12SiO20), Lithium niobate (LiNbO3), Lithium tantalate, Quartz 등을 사용할 수 있다.
도 2에 따른 실시예의 경우와 동일한 방법으로 센서부의 전기광학단결정으로 입사되는 신호광의 편광을 조절하여 상기 전압인가에 따른 편광성분의 회전량의 측정을 용이하도록 할 수 있다. 이를 위하여 도7에 도시한 바와 같이 펄스광원과 제1분기소자 사이에는 신호광의 편광을 제어하기 위하여 편광자(polarizer) 나 편광조절기 (polarization controller)를 구비하여 사용할 수 있다.
예를 들어 전기광학단결정에 입사되는 신호광을 전기광학단결정의 광축에 45 도 방향으로 입사하도록 할 수 있다. 이를 위하여, 도 7에 표시된 광연결부 형성에 있어서 전기광학단결정으로 신고광을 전달하는 광전송라인으로 편광유지 광섬유를 사용하고 입사광의 편광방향을 이 편광유지 광섬유의 광축에 일치시키며 편광유지 광섬유의 광축과 센서부 전기광학단결정의 광축을 45도로 어긋나게 연결하는 방법을 사용할 수 있다.
이러한 경우 신호광은 광축 x 와 광축 y 방향으로 정렬된 편광성분이 느끼는 굴절률이 다르게 되므로 거리를 진행함에 따라 상대적인 위상차가 발생하여 일부 편광 성분이 회전을 하게 된다. 도7에 도시된 바와 같이 광정렬을 용이하게 하기위하여 전기광학단결정 및 이와 연결되는 광섬유 사이에는 광콜리메이터를 사용할 수 있다.
도 2에 따른 센서 광섬유의 경우 신호광이 지나가는 길이가 길고 전기광학단결정의 경우 상대적으로 짧은 측면이 있으나 중요한 것은 누적된 편광 변화량을 측정하는 것이며, 이는 도 5에서 B-C 사이에서 발생하는 전체 변화량을 산출하기만 하면 된다. 따라서 B-C 사이의 거리 간격이 좁더라도 그 값을 계측할 수 있으며 필요한 경우 A-B 및 C-D 구간에 있는 일부 광섬유 구간 즉, 인가 전압에 의하여 추가적인 편광 변화가 발생하지 않는 구간을 포함시켜서, 센서부에서 발생한 누적 편광 변화량을 용이하게 산출할 수 있다. 필요에 따라서 센서부 즉 전기광학단결정 양단에 광섬유를 추가적으로 연장하여 보다 용이하게 누적 편광 변화량을 도출할 수 있다.
이상에서 실시예와 함께 설명한 바와 같이 본발명에 따른 기술의 장점은 하나의 신호 분석시스템에 여러 개의 센서를 연속적으로 직렬로 연결하여 동시에 전압을 분석할 수 있다. 따라서, 3상 전력시스템 그리고 변전소와 같이 일정한 공간 안에서 다수 지점의 전압 측정을 필요로하는 곳에 분산형 측정 시스템으로써 효율적인 사용이 될 수 있다. 또한 가지 장점은 본 기술의 경우 페러데이 효과를 이용하는 전류 측정 시스템과 병행하여 사용할 수 있는 장점이 있다. 페러데이 효과에 기반한 전류 측정 시스템의 경우에도 센서부에서 전류 인가에 따라 편광 회전이 발생하고 편광회전을 계측하여 전류를 산출하는 방식을 사용하기 때문에 본 발명에 따른 신호분석부를 공동으로 활용하여 전류, 전압 센서 시스템을 구축할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.
본 발명은 광섬유를 이용하여 전압을 측정하는 기술 그리고 이를 이용한 전압 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 정확하고 안정적인 전압 센서 및 이를 활용한 전압 측정 기술은 작게는 수십-수백 V에서 높게는 수백 kV 이상에 이르는 중고전압 전기장치 및 전력 시스템에서 이들의 보호 및 효율적인 운용에 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 전압측정 시스템은 발전소, 변전소, 배전소와 같은 전력망 뿐 만 아니라 기차, 전철과 같은 수송 장치 및 공장 과 같이 곳에 적용되어 안정성 확보와 경제성을 높이는데 활용 될 수 있다.

Claims (9)

  1. 전압 센싱을 위한 광신호를 출사하는 광원을 포함하는 광원부;
    센싱하고자 하는 전압이 인가되는 압전 소재 및 역압전 소재에 감겨 제공되는 광원부로부터 출사된 광신호가 통과하는 광섬유를 포함하는 제1 센서부;
    상기 제1 센서부와 직렬로 연결되며 상기 압전 소재, 상기 역압전 소재 및 상기 광섬유를 포함하는 한 개 이상의 제2 센서부; 및
    상기 제1 센서부 또는 상기 제2 센서부로부터 입력되는 반사 신호광을 검출하고, 이로부터 검출된 편광 변화량에 따라 전압 값을 계산하는 신호 분석부를 포함하고,
    상기 광섬유는 복굴절 특징을 갖는 광섬유이고,
    상기 신호 분석부는 상기 제1 센서부 및 상기 제2 센서부 각각에 대하여 전압 인가 전 거리에 따른 제1 편광 변화량 및 전압 인가 후 거리에 따른 제2 편광 변화량을 측정하고, 상기 제1 편광 변화량과 상기 제2 편광 변화량의 차이에 기초하여 상기 제1 센서부 및 상기 제2 센서부 각각에 인가된 전압 값을 계산하는
    센서 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호 분석부는 거리에 따른 편광 변화량의 기울기 및 반사 신호광의 도달 시간에 기초하여 상기 제1 센서부 및 상기 제2 센서부의 위치를 판단하는
    센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 상기 광원과 상기 제1 센서부 사이에 상기 광섬유로 입사되는 신호광의 편광을 조절하기 위한 편광자를 더 포함하는
    센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 분석부는 상기 제1 센서부 또는 상기 제2 센서부로부터 전달되는 반사 신호광을 2개 이상의 편광 상태로 분리하는 광분기소자를 더 포함하는
    센서 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호 분석부는 광분기소자가 분리하는 편광 상태 수에 대응되는 하나 이상의 광검출기를 포함하는
    센서 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광분기소자는 광커플러, 광섬유커플러, 광스플리터 또는 광서큘레이터 중 어느 하나인
    센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서부 또는 상기 제2 센서부 중에서 적어도 하나는 상기 압전소재 및 역압전 소재에 감겨 제공되는 상기 광섬유 대신 전기광학단결정을 포함하는
    센서 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서부와 직렬로 연결되고 페러데이 효과를 이용하는 한 개 이상의 전류측정용 센서부를 더 포함하고,
    상기 신호 분석부는 상기 전류측정용 센서부에 대하여 전류 인가 전 거리에 따른 제3 편광 변화량 및 전류 인가 후 거리에 따른 제4 편광 변화량을 측정하고, 상기 제3 편광 변화량과 상기 제4 편광 변화량의 차이에 기초하여 상기 전류측정용 센서부에 인가된 전류 값을 계산하는
    센서 시스템.
KR1020170075143A 2016-06-14 2017-06-14 전압 센서 시스템 KR101987021B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20160074088 2016-06-14
KR1020160074088 2016-06-14

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170141148A KR20170141148A (ko) 2017-12-22
KR101987021B1 true KR101987021B1 (ko) 2019-06-10

Family

ID=60936387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170075143A KR101987021B1 (ko) 2016-06-14 2017-06-14 전압 센서 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101987021B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109521249A (zh) * 2018-12-11 2019-03-26 龙岩学院 基于晶体双折射实现的电流测量方法
KR102153742B1 (ko) * 2019-11-25 2020-09-08 한국광기술원 광섬유 기반의 전압센서 및 이를 이용한 전압 모니터링 시스템
KR102251284B1 (ko) * 2020-11-27 2021-05-12 국방과학연구소 광학 소자를 이용하여 전압을 측정하기 위한 장치 및 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015090448A1 (en) * 2013-12-20 2015-06-25 Abb Technology Ag Optical sensor
JP2015230163A (ja) * 2014-06-03 2015-12-21 株式会社東芝 光電圧測定装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4216152A1 (de) * 1992-05-15 1993-11-18 Asea Brown Boveri Faseroptischer Sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015090448A1 (en) * 2013-12-20 2015-06-25 Abb Technology Ag Optical sensor
JP2015230163A (ja) * 2014-06-03 2015-12-21 株式会社東芝 光電圧測定装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170141148A (ko) 2017-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3677314B2 (ja) 物理量を光学的に求める方法および装置
KR101987021B1 (ko) 전압 센서 시스템
US9405007B2 (en) Electro-optic distance-measuring device
US20150070709A1 (en) Electro-optic modulator and electro-optic distance-measuring device
US6285182B1 (en) Electro-optic voltage sensor
CN102721484A (zh) 一种基于布里渊散射的分布式光纤传感装置
Chu et al. Optical voltage sensors based on integrated optical polarization-rotated reflection interferometry
KR101923705B1 (ko) 광섬유 전류 센서 시스템
Eftimov et al. A simple fiber optic magnetic field and current sensor with spectral interrogation
Bi et al. An overview of optical voltage sensor
KR101941016B1 (ko) 광섬유를 이용한 전압센서
IT9020433A1 (it) Sensore polarimetrico direzionale di campo
WO1993012435A1 (en) Optical voltage and electric field sensor based on the pockels effect
CN107976300A (zh) 一种保偏光纤拍长的测量方法
US5171981A (en) Fiber-optic voltage sensor with cladded fiber and evanescent wave variation detection
CN106796125B (zh) 具有微分调制相位检测的干涉测定传感器
KR20170141147A (ko) 광섬유를 이용한 전압센서
JP2004525361A (ja) 温度補償した形で電圧を電気光学的に測定する方法とその方法を実施するための装置
JP2003202272A (ja) 高速波長検出装置
RU2539130C1 (ru) Волоконно-оптическое устройство для измерения напряженности электрического поля
EP3724668B1 (en) An electric field detection device and methods of use thereof
Pereira et al. High-voltage sensor based on fiber Bragg grating in fibers with electrodes
Mandl et al. Fiber Optic Current Sensor Prototype for Low DC Measurements in the Power Grid
Heino Fiber optic high voltage probe
JPH0933586A (ja) 光センサ

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant