KR20040020345A - 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

기준전압에 대한 전기적 신호를 발생시키며, 편광된 편광된 레이저빔을 시간에 따라 분리하여 선편광과 원편광으로 주기적으로 변조시키는 편광변조기(3)와;

상기 편광변조기(3)에서 변조되는 편광을 입력받아 입력광에 대하여 전류에 의한 선편광의 변화와 전압에 의한 원편광의 변화를 유도하는 센서헤드(4)와;

편광된 센서헤드(4) 출력광을 전기적 신호로 변환시키는 광검출기(6)와;

상기 편광변조기(3)와 광검출기(6)의 전기신호를 입력받아 선편광의 변화량을 측정하는 락인 증폭기(7) 및 상기 편광변조기(3)와 광검출기(6)의 전기신호를 입력받아 원편광의 변화량을 측정하는 락인 증폭기(8)와;

상기 락인 증폭기(7) 및 락인 증폭기(8)의 편광 변화량 산출에 따라 이를 전류 및 전압치로 환산하는 환산처리부로 구성된다.

이에 의하면, 소형으로 설치가 용이하고, 전기 노이즈나 절연의 고려가 필요없고, 전류 포화 현상이 없으며, 직진성이 좋고, 직류 및 고주파까지 측정이 가능하며, 온도 영향이 작고, 거리에 대한 측정 오차 없이 전력량을 용이하게 측정할 수 있다는 매우 획기적인 효과가 있다.

Description

광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정장치 및 방법 {The Apparatus and Method for Simultaneous Measurement of Current and Voltage Using Optic Fiber}

본 발명은 전류가 흐르는 도선에 편광된 빛이 통과할 경우에 도선에 흐르는 자장에 의하여 상기 도선을 감은 광파이버의 선편광 방향이 바뀌는 자기광학 효과및 광파이버에 전압이 인가되어 전계가 형성될 경우에 이를 통과하는 원편광 빛이 타원편광으로 바뀌는 전기광학 효과를 이용하여 배전선 라인의 전류 및 전압을 동시에 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 편광변조기를 이용하여 편광된 레이저빔을 선편광과 원편광으로 주기적으로 변화시켜 전류 및 전압을 동시에 측정하여 전력량을 계산할 수 있는 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 송, 배전 기술 분야에 있어서 배전선의 전류 및 전압을 측정하여야 총 전력의 계산이 가능하다.

종래에는 배전선에 유통된 전류를 측정할 경우에 일반적으로 철심과 코일로 이루어지는 변성기를 사용하고 있었다. 그런데, 이 변성기는 순수하게 전기적인 기기이므로 내전기 노이즈성 및 내전기 절연성을 만족하여야 하며, 전류 포화 현상이 있고, 직진성이 떨어지며, 변성기 자체의 크기도 커짐에 따라 외형치수를 고려한 설치가 필수적이라는 문제점이 있었다.

한편, 종래의 전류 측정용 광센서는 기존 변류기에 대비하여 전류 포화가 없고, 직진성이 높으며, 직류 및 고주파까지 측정이 가능하고, 소형화된 센서로 설치가 용이하다는 장점을 가지고 있으나, 이러한 광센서는 전압 측정용과 전류 측정용으로 구분되어 있어서, 전력량을 측정할 경우에는 독립적인 센서를 각각 설치하여야 하는 문제점을 가지고 있었다.

그리고, 종래의 전류 측정용 센서는 광파이버를 이용한 센서이며, 전압 측정용 센서는 전기광학 크리스탈을 이용하는 센서이기 때문에, 상기 두 개의 센서를같은 도선에 설치시 어려움이 따르는 문제점이 있었다.

그리고 또한 크리스탈로 구성된 광전류 센서 및 전압 센서는 도선과 센서 사이의 거리에 따라 측정 오차가 발생할 수 있으며, 온도에 따른 영향이 큰 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 기준광을 편광변조기를 이용하여 선형 편광과 원형 편광으로 변조시킨 후, 전류에 따른 선편광 변화량과 전압에 따른 원편광 변화량을 동시에 측정함으로써, 동일한 센서에 의하여 전력량까지 측정할 수 있는, 광파이버를 이용한 도선의 전류 및 전압 동시측정장치 및 방법을 제공하려고 하는 것이다.

도 1은 편광변조기에 의한 편광의 파형을 나타내는 파형도,

도 2는 본 발명의 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정장치를 나타내는 블럭 구성도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 레이저 2 : 편광판

3 : 편광변조기 4 : 센서헤드

5 : 편광판 6 : 광검출기

7 : 락-인(Lock-in) 증폭기 8 : 락-인(Lock-in) 증폭기

9 : 전압이 인가된 전류도선 10 : 광파이버

11 : 접지

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정장치는

레이저빔을 발생시키는 레이저(1)와;

상기 레이저(1)에서 발생된 레이저빔을 미리 정해져 있는 각도로 편광시키는 편광판(2)과;

상기 기준전압에 대한 전기적 신호를 발생시키며, 편광판(2)에서 편광된 빔을 시간에 따라 분리하여 선편광과 원편광으로 주기적으로 변조시키는 편광변조기(3)와;

상기 편광변조기(3)에서 변조되는 편광을 입력받아 입력광에 대하여 전류에 의한 선편광의 변화와 전압에 의한 원편광의 변화를 유도하는 센서헤드(4)와;

상기 센서헤드(4)의 출력광을 미리 정해져 있는 각도로 편광시키는 편광판(5)과;

상기 편광판(5)의 출력광을 전기적 신호로 변환시키는 광검출기(6)와;

상기 편광변조기(3)와 광검출기(6)의 전기신호를 입력받아 선편광의 변화량을 측정하는 락인 증폭기(7) 및 상기 편광변조기(3)와 광검출기(6)의 전기신호를 입력받아 원편광의 변화량을 측정하는 락인 증폭기(8)와;

상기 락인 증폭기(7) 및 락인 증폭기(8)의 편광 변화량 산출에 따라 이를 전류 및 전압치로 환산하는 환산처리부로 구성됨을 특징으로 하는 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정장치이다.

여기서, 상기 센서헤드(4)는 측정 대상인 도선(9)에 감겨져 있는 광파이버(10)로 구성되어 있고, 상기 광파이버(10)에는 편광변조기(3)의 출력광이 입력되며, 그 일부에 기준전압 및 측정대상 지점의 전압이 각각 인가되도록 구성됨이 바람직하다.

한편, 본 발명의 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정방법은

편광판을 통해 레이저빔을 미리 정해져 있는 각도로 편광시키는 단계와;

상기 편광된 광을 시간에 따라 분리하여 선편광과 원편광으로 주기적으로 변조시키는 단계와;

상기 선편광의 주기에는 도선에 감겨 있는 광파이버의 선편광 변화량을 측정하여 이를 전류치로 환산하여 전류치를 구하는 단계와;

상기 원편광의 주기에는 도선에 인가되어 있는 기준전압과 측정대상 지점의 전압차에 의하여 광파이버의 원편광 변화량을 측정하여 이를 전압치로 환산하여 전압치를 구하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정방법이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 편광변조 파형을 나타내는 파형도로서, 먼저 편광변조기의 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.

편광변조기는 입사되는 선편광을 일정한 주파수로 편광을 변조시키는 장치로서, 한주기 동안은 선편광으로, 반주기 동안은 원편광으로 계속 시간에 따라 편광을 변조시키는 장치이다.

따라서, 도선에 흐르는 전류에 의하여 자장이 형성되고, 이 자장에 의한 광파이버 내의 광선의 선편광의 변화량을 측정하기 위해서는 한주기에 위상을 맞추어 측정하면 되고, 광파이버에 인가된 전압차에 따른 광파이버 내 광선의 편광의 변화를 측정하기 위해서는 반주기 위상에 맞추어 측정하면 된다. 이로써 하나의 광파이버로 전류 및 전압을 동시에 측정할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정장치를 나타내는 블럭 구성도이다.

먼저 레이저(1)에서 발생된 레이저빔은 편광판(2)을 통과하게 되고, 통과시상기 레이저빔의 편광은 미리 정해져 있는 일정한 각도, 예컨대 45°각도로 바뀌게 된다. 이어서 상기 각D도로 바뀌어진 편광은 편광변조기(3)를 통과하게 된다.

상기 편광변조기(3)를 통과하면 레이저빔의 편광은 주기적으로 변조된다. 그리고 상기 편광변조기(3)는 측정하고자 하는 전압(Va)에 대한 기준전압, 또는 접지(11)에 대한 전기적 신호를 발생시킨다.

이렇게 편광변조기(3)를 통과하여 편광이 주기적으로 변조된 레이저빔은 센서헤드(4)의 광파이버(10)를 통과한다.

그런데, 선편광의 주기에서는 도선(9)의 전류에 의하여 발생되는 자장 영향으로 상기 광파이버(10) 내의 광선이 변화하여 선편광 방향이 달라지게 된다. 또한, 주기적으로 변화되는 원편광의 주기에서는 광파이버(10)에 인가된 전압(Va)과 기준전압 사이의 전위차에 의하여 상기 광파이버(10) 내의 광선이 변화하여 원편광 형태가 타원편광 형태로 달라지게 된다.

이렇게 전류 및 전압에 의하여 달라진 광파이버(10) 내의 광선은 말단에서 출력되어 편광판(5)에 의하여 미리 정해져 있는 각도, 예컨대 -45°로 바뀌게 된다. 이어서 상기 광은 광검출기(6)를 통하여 전기신호로 바뀐다.

그 후, 상기 편광변조기(3) 및 광검출기(6)의 출력인 전기신호는 락인(Lock-in) 증폭기(7 및 8)에 인가된다. 상기 락인 증폭기(7 및 8)는 락인 증폭기는 기준 주파수에 바탕으로 위상이 맞는 측정신호의 피크치(peak value)를 측정하게 된다. 즉, 기준신호와 위상을 일치시켜 측정신호를 측정하는 증폭기로서, 외부의 잡음을 줄일 수 있으며, 미세 신호도 측정이 가능하다는 특징이 있다.

상기 락인 증폭기(7)는 기준 주파수와 위상이 맞는 신호를 측정하도록 구성되며, 이로써 선편광의 변화량을 측정한다. 한편, 락인 증폭기(8)는 기준 주파수의 2배가 되는 신호를 측정하도록 구성되며, 이로써 원편광의 변화량을 측정한다.

그리고 상기 락인 증폭기(7 및 8)의 출력은 도시되지 않은 환산처리부에 입력된다. 상기 환산처리부는 전기신호인 락인 증폭기(7 및 8)의 출력치를 이에 해당하는 전류 및 전압치로 각각 환산하여 주는 장치이다. 따라서 전류 및 전압을 동시에 측정할 수 있게 된다.

그리고 필요한 경우에는 상기 환산처리부의 출력의 단순한 곱셈에 의하여 전력량도 용이하게 구할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 종래의 전기적 변성기나 크리스탈 광센서보다 설치가 용이하고, 크기도 작으며, 전기 노이즈나 절연의 고려가 필요없고, 전류 포화 현상이 없으며, 직진성이 좋고, 직류 및 고주파까지 측정이 가능하며, 온도에 따른 영향이 작고, 또한 편광변조기를 사용하여 전류 및 전압을 동시에 측정하므로 동일한 센서로 거리에 대한 측정 오차 없이 전력량을 용이하게 측정할 수 있다는 매우 획기적인 효과가 있다.

Claims (3)

1. 레이저빔을 발생시키는 레이저(1)와;

   상기 레이저(1)에서 발생된 레이저빔을 미리 정해져 있는 각도로 편광시키는 편광판(2)과;

   상기 기준전압에 대한 전기적 신호를 발생시키며, 편광판(2)에서 편광된 빔을 시간에 따라 분리하여 선편광과 원편광으로 주기적으로 변조시키는 편광변조기(3)와;

   상기 편광변조기(3)에서 변조되는 편광을 입력받아 입력광에 대하여 전류에 의한 선편광의 변화와 전압에 의한 원편광의 변화를 유도하는 센서헤드(4)와;

   상기 센서헤드(4)의 출력광을 미리 정해져 있는 각도로 편광시키는 편광판(5)과;

   상기 편광판(5)의 출력광을 전기적 신호로 변환시키는 광검출기(6)와;

   상기 편광변조기(3)와 광검출기(6)의 전기신호를 입력받아 선편광의 변화량을 측정하는 락인 증폭기(7) 및 상기 편광변조기(3)와 광검출기(6)의 전기신호를 입력받아 원편광의 변화량을 측정하는 락인 증폭기(8)와;

   상기 락인 증폭기(7) 및 락인 증폭기(8)의 편광 변화량 산출에 따라 이를 전류 및 전압치로 환산하는 환산처리부로 구성됨을 특징으로 하는 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 센서헤드(4)는 측정 대상인 도선(9)에 감겨져 있는 광파이버(10)로 구성되어 있고, 상기 광파이버(10)에는 편광변조기(3)의 출력광이 입력되며, 그 일부에 기준전압 및 측정대상 지점의 전압이 각각 인가되도록 구성됨을 특징으로 하는 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정장치.
3. 편광판을 통해 레이저빔을 미리 정해져 있는 각도로 편광시키는 단계와;

   상기 편광된 광을 시간에 따라 분리하여 선편광과 원편광으로 주기적으로 변조시키는 단계와;

   상기 선편광의 주기에는 도선에 감겨 있는 광파이버의 선편광 변화량을 측정하여 이를 전류치로 환산하여 전류치를 구하는 단계와;

   상기 원편광의 주기에는 도선에 인가되어 있는 기준전압과 측정대상 지점의 전압차에 의하여 광파이버의 원편광 변화량을 측정하여 이를 전압치로 환산하여 전압치를 구하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 광파이버를 이용한 전류 및 전압 동시측정방법.