KR20060005200A

KR20060005200A - Bulk type optical current/potential sensor

Info

Publication number: KR20060005200A
Application number: KR1020040054088A
Authority: KR
Inventors: 김영근; 박정남; 이한신
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-01-17
Also published as: KR100662744B1

Abstract

본 발명은 광 대전류/고전압 센서에 관한 것으로, 종래에는 고전압, 대전류를 측정하기 위해서는 측정되는 전압, 전류의 크기에 비례하여 변성기의 크기 또한 커져야 하고, 변성기가 설치되는 전력기기 또한 그 크기와 무게에 의해 영향을 받게 되는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 감안한 본 발명은 광을 출력하는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드의 출력광에서 수직 방향으로 진동하는 광을 여과하여 출력하는 편광기와; 상기 편광기를 통과한 광의 편광 방향을 자계의 세기에 따라 회전시키고, 전류 량에 비례하는 수직으로 편광된 광성분만을 여과하여 출력하는 광 대전류 센서와; 상기 광 대전류 센서의 출력광을 입력받아 전기 신호로 바꾸고 증폭 연산하여 그에 대응한 전류 값을 측정하는 전류 검출부와; 상기 편광기를 통과한 광을 전계의 세기에 따라 타원 편광시키고, 고전압에 비례하는 수직으로 편광된 광성분만을 여과하여 출력하는 광 고전압 센서와; 상기 광 고전압 센서의 출력광을 입력받아 전기 신호로 바꾸고 증폭 연산하여 그에 대응한 전압 값을 측정하는 전압 검출부로 구성되어 광 대전류/고전압 센서의 크기를 소형으로 구성하므로 전력기기에서 전압, 전류 센서가 차지하는 공간이 줄어들고, 설치가 간편해지는 효과가 있다.The present invention relates to an optical high current / high voltage sensor. In the related art, in order to measure high voltage and high current, the size of the transformer should also be increased in proportion to the magnitude of the voltage and current to be measured. There was a problem that was affected by. In view of the above problems, the present invention provides a light emitting diode including a laser diode; A polarizer for filtering and outputting light vibrating in the vertical direction from the output light of the laser diode; An optical high current sensor which rotates the polarization direction of the light passing through the polarizer according to the intensity of the magnetic field and filters and outputs only the vertically polarized light component proportional to the amount of current; A current detector which receives the output light of the optical high current sensor, converts the light into an electrical signal, amplifies a result, and measures a current value corresponding thereto; An optical high voltage sensor for elliptically polarizing the light passing through the polarizer according to the intensity of the electric field, and filtering and outputting only the vertically polarized light component proportional to the high voltage; It consists of a voltage detector which receives the output light of the optical high voltage sensor, converts it into an electrical signal, amplifies, and measures a voltage value corresponding thereto, so that the size of the optical high current / high voltage sensor is compact. The space taken up is reduced, and the installation is easy.

Description

Optical High Current / High Voltage Sensors {BULK TYPE OPTICAL CURRENT / POTENTIAL SENSOR}

도 1은 종래 변류기, 변압기, 변성기를 보인 예시도.1 is an exemplary view showing a conventional current transformer, a transformer, a transformer.

도 2는 종래 전자기 유도형 센서의 원리를 설명하는 예시도.Figure 2 is an exemplary view illustrating the principle of a conventional electromagnetic inductive sensor.

도 3은 본 발명 광 대전류/고전압 센서의 구성을 보인 블록도.Figure 3 is a block diagram showing the configuration of the optical high current / high voltage sensor of the present invention.

도 4는 본 발명 광 대전류/고전압 센서의 외형을 보인 예시도.Figure 4 is an exemplary view showing the appearance of the optical high current / high voltage sensor of the present invention.

도 5는 도 3의 광 대전류/고전압 센서의 광 대전류 센서의 구성을 보인 블록도.FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of an optical high current sensor of the optical high current / high voltage sensor of FIG.

도 6은 도 3의 광 대전류/고전압 센서의 광 고전압 센서의 구성을 보인 블록도.FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of an optical high voltage sensor of the optical high current / high voltage sensor of FIG. 3.

도 7은 본 발명 광 대전류/고전압 센서에서 이용하는 광원 및 출력광의 신호 처리부의 구성을 보인 블록도.7 is a block diagram showing a configuration of a signal processing unit of a light source and an output light used in the optical high current / high voltage sensor of the present invention;

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **

20 : 광 대전류 센서 22 : 패러데이 소자20: optical large current sensor 22: Faraday element

30 : 광 고전압 센서 32 : 포켈스 소자30 optical high voltage sensor 32 Pockels element

본 발명은 광 대전류/고전압 센서에 관한 것으로, 특히 광학 소자를 이용하여 대전류와 고전압을 동시에 측정할 수 있게 한 광 대전류/고전압 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to optical high current / high voltage sensors, and more particularly, to optical high current / high voltage sensors that enable the simultaneous measurement of large currents and high voltages using optical elements.

종래 전력기기에서 철심과 권심으로 구성된 계기용 변압기(PT: Potential Transformer)와 변류기(CT: Current Transformer)는 고전압, 대전류를 측정하지만, 그 크기가 대형이고 노이즈 등에 의한 간섭에 취약한 단점을 가지고 있다.In the conventional power equipment, an instrument transformer (PT) and a current transformer (CT) composed of iron cores and cores measure high voltage and large current, but have a large size and are vulnerable to interference due to noise.

이러한 단점을 보완하기 위해 광을 이용한 고전압, 대전류 측정이 주목받고 있다. 광을 이용한 고전압, 대전류 측정은 센서를 절연물로 구성하고, 비접촉 방법을 이용하고, 그 크기가 소형이므로 설치가 간단하고, 주변 전자장에 의한 영향을 배제할 수 있다. 그리고, 2차측으로 1차측의 고전위가 출력되지 않으므로 신뢰성 향상이 가능하고, 직류에서 수 ㎓의 고주파에 이르는 광범위한 주파수 영역에서도 측정이 가능하다.In order to make up for these drawbacks, high voltage and high current measurements using light have attracted attention. High voltage and high current measurement using light consists of an insulator, a non-contact method, and its small size makes installation simple and eliminates the influence of surrounding electromagnetic fields. In addition, since the high potential of the primary side is not output to the secondary side, reliability can be improved, and measurement can be performed in a wide frequency range ranging from direct current to several high frequencies.

도 1은 종래 변류기, 변압기, 전류/전압 변성기를 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 24㎸용 변류기의 외형(도 1의 (a)), 24㎸용 변압기의 외형(도 1의 (b)), 24㎸용 변성기의 외형(도 1의 (c))을 설명한다.1 is an exemplary view showing a conventional current transformer, a transformer, a current / voltage transformer, as shown in the appearance of the current transformer for 24 kW (Fig. 1 (a)), the appearance of the transformer for 24 kW (b) ), And the outer shape (Fig. 1 (c)) of the transformer for 24 kHz.

종래 변류기, 변압기, 전류/전압 변성기는 전자기 유도 효과를 이용하여 규소 강판이나 퍼멀로이, 페라이트 등의 자성 재료로 구성된 성층 철심에 1차 코일과 2차 코일을 감은 구조를 갖는다.Conventional current transformers, transformers, current / voltage transformers have a structure in which a primary coil and a secondary coil are wound around a stratified iron core made of a magnetic material such as silicon steel sheet, permalloy, or ferrite using an electromagnetic induction effect.

전자기 유도 효과는 1차 코일의 전자기가 2차 코일에 유도되는 현상을 말한다. 도 2는 종래 전자기 유도형 센서의 원리를 설명하는 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 1차 코일과 2차 코일은 자성 재료로 구성된 철심 위에 각각의 권선수가 N1, N2이 되도록 설치됨을 설명한다.The electromagnetic induction effect refers to a phenomenon in which electromagnetic of the primary coil is induced to the secondary coil. 2 is an exemplary view illustrating the principle of a conventional electromagnetic inductive sensor, and as shown therein, the primary coil and the secondary coil will be installed such that the number of windings of each of the windings is N1 and N2 on an iron core made of a magnetic material.

1차 코일의 전압이 V1이고, 2차 코일의 전압이 V2일 때, V1과 V2의 관계는 V2=V1*N2/N1이 된다. 그리고, 1차 코일의 전류가 I1만큼 흐를 때 2차 코일에 유도되는 전류는 I2=I1*N1/N2가 된다.When the voltage of the primary coil is V1 and the voltage of the secondary coil is V2, the relationship between V1 and V2 becomes V2 = V1 * N2 / N1. When the current of the primary coil flows by I1, the current induced in the secondary coil becomes I2 = I1 * N1 / N2.

1차 코일과 2차 코일 사이의 절연에는 여러 가지 절연 방법이 이용되고 있지만, 그 중에서도 에폭시 등의 합성수지를 사용한 몰드형이 가장 보편적이다. 그러나, 1차 코일과 2차 코일에 절연물이 삽입될 경우 전류/전압 변성기의 무게는 수㎏ ~ 수십㎏까지 증가한다. 또한, 측정해야 할 전압과 전류의 크기가 커질수록 변류기, 변압기, 전류/전압 변성기의 크기 또한 커지게 되므로 고전압, 대전류 전력기기에서 변류기, 변압기, 전류/전압 변성기를 사용할 때 크기와 무게에 문제가 있다.Various insulation methods are used for insulation between a primary coil and a secondary coil, but the mold type using synthetic resins, such as an epoxy, is the most common among them. However, when an insulation is inserted into the primary coil and the secondary coil, the weight of the current / voltage transformer increases from several kilograms to several ten kilograms. In addition, as the voltage and current to be measured increase, the size of the current transformer, transformer, and current / voltage transformer also increases, which causes problems in size and weight when using current transformers, transformers, and current / voltage transformers in high voltage and high current power equipment. have.

종래 전류와 전압을 측정하는 변성기는 1차 코일의 전류로 인하여 철심에 유도되는 자속을 이용한 것으로 감도를 좋게 하고 신뢰성을 높이기 위해 철심의 재료로 자성체를 사용한다. 그러나, 자성체는 자기 포화 곡선을 그리는 특성이 있으므로 일정 한계 이상이 될 경우 전류, 전압 측정이 불가능하다. 따라서, 고전압, 대전류를 측정하기 위해서는 측정되는 전압, 전류의 크기에 비례하여 변성기의 크기 또한 커져야 하고, 변성기가 설치되는 전력기기 또한 그 크기와 무게에 의해 영향을 받게 되는 문제점이 있다.Conventional transformers that measure current and voltage use a magnetic flux induced by the iron core due to the current of the primary coil, and use a magnetic material as a material of the iron core to improve sensitivity and increase reliability. However, since the magnetic material has a characteristic of drawing a magnetic saturation curve, it is impossible to measure current and voltage when it exceeds a certain limit. Therefore, in order to measure high voltage and large current, the size of the transformer should also be increased in proportion to the magnitude of the measured voltage and current, and the power device in which the transformer is installed is also affected by its size and weight.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 자계와 전계에 반응하는 광학 소자를 이용하여 전력기기의 대전류, 고전압을 측정하고, 광학 소자의 절연 특성으로 인해 전기적으로 안정한 특성을 갖도록 한 광 대전류/고전압 센서를 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and measures the large current and the high voltage of a power device by using an optical element reacting to a magnetic field and an electric field, and has an electrically stable characteristic due to the insulation characteristics of the optical element. The object is to provide an optical high current / high voltage sensor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광을 출력하는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드의 출력광에서 수직 방향으로 진동하는 광을 여과하여 출력하는 편광기와; 상기 편광기를 통과한 광의 편광 방향을 자계의 세기에 따라 회전시키고, 전류 량에 비례하는 수직으로 편광된 광성분만을 여과하여 출력하는 광 대전류 센서와; 상기 광 대전류 센서의 출력광을 입력받아 전기 신호로 바꾸고 증폭 연산하여 그에 대응한 전류 값을 측정하는 전류 검출부와; 상기 편광기를 통과한 광을 전계의 세기에 따라 타원 편광시키고, 고전압에 비례하는 수직으로 편광된 광성분만을 여과하여 출력하는 광 고전압 센서와; 상기 광 고전압 센서의 출력광을 입력받아 전기 신호로 바꾸고 증폭 연산하여 그에 대응한 전압 값을 측정하는 전압 검출부로 구성한 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, and a laser diode for outputting light; A polarizer for filtering and outputting light vibrating in the vertical direction from the output light of the laser diode; An optical high current sensor which rotates the polarization direction of the light passing through the polarizer according to the intensity of the magnetic field and filters and outputs only the vertically polarized light component proportional to the amount of current; A current detector which receives the output light of the optical high current sensor, converts the light into an electrical signal, amplifies a result, and measures a current value corresponding thereto; An optical high voltage sensor for elliptically polarizing the light passing through the polarizer according to the intensity of the electric field, and filtering and outputting only the vertically polarized light component proportional to the high voltage; And a voltage detector configured to receive the output light of the optical high voltage sensor, convert the light into an electrical signal, and amplify and measure a voltage value corresponding thereto.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명 광 대전류/고전압 센서의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 입력광(레이저 다이오드(52)로부터의 레이저 광)에서 수직 방향으로 진동하는 광만을 제2편광기(12)로 입사시키는 제1편광기(11)와; 상기 제1편광기 (11)로부터 출력된 수직 진동성분 광을 전류센서 즉, 광 대전류 센서(20)와 전압센서 즉, 광 고전압 센서(30)에 각각 편광시켜 출력하는 제2편광기(12)와; 상기 제2편광기(12)를 통과한 광의 편광 방향을 자계의 세기에 따라 회전시키고, 대전류에 비례하는 수직으로 편광된 광성분만을 여과하여 출력하는 광 대전류 센서(20)와; 상기 제2편광기(12)를 통과한 광을 전계의 세기에 따라 타원 편광시키고, 고전압에 비례하는 수직으로 편광된 광성분만을 여과하여 출력하는 광 고전압 센서(30)로 구성된다.FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the optical high current / high voltage sensor of the present invention. As shown therein, only the light vibrating in the vertical direction in the input light (laser light from the laser diode 52) is shown in the second polarizer 12. A first polarizer (11) incident on the light source; A second polarizer 12 for polarizing and outputting the vertical vibration component light output from the first polarizer 11 to a current sensor, that is, an optical high current sensor 20 and a voltage sensor, that is, an optical high voltage sensor 30, respectively; An optical high current sensor 20 rotating the polarization direction of the light passing through the second polarizer 12 according to the intensity of the magnetic field and filtering and outputting only the vertically polarized light component proportional to the large current; The light passing through the second polarizer 12 is elliptically polarized according to the intensity of the electric field, and consists of an optical high voltage sensor 30 for filtering and outputting only the vertically polarized light components proportional to the high voltage.

광 대전류 센서(20)와 광 고전압 센서(30)에서 핵심소자는 자계와 전계에 반응하는 패러데이 소자(22)와 포켈스 소자(32)이다. 패러데이 소자(22)는 Bi:RIG(Bismuth Rare Earth Iron Carnet, (BixGdy Y)₃-(X+Y)Fe₅O₁₂)로 구성되고, 포켈스 소자(32)는 BSO(Bismuth Silicon Oxide, Bi₁₂SiO₂₀)로 구성된다. 이외의 광학 소자는 Si를 주 구성물질로 구성된다. 따라서, 본 발명에서의 구성 부품은 모두 절연물로 구성되어 있으므로 전기적으로 안정한 특성을 갖는다.In the optical high current sensor 20 and the optical high voltage sensor 30, the core elements are a Faraday element 22 and a Pockels element 32 which respond to magnetic and electric fields. The Faraday element 22 is composed of Bi: RIG (Bismuth Rare Earth Iron Carnet, (BixGdy Y) _3- (X + Y) Fe ₅ O ₁₂ ), and the Pockels element 32 is BSO (Bismuth Silicon Oxide, Bi). ₁₂ SiO ₂₀ ). Other optical elements consist of Si as the main constituent material. Therefore, since all the component parts in this invention are comprised from the insulator, it has an electrically stable characteristic.

도 4는 본 발명 광 대전류/고전압 센서의 외형을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 도 1의 변류기, 변압기, 전류/전압 변성기의 크기와 비교했을 때 광 대전류/고전압 센서의 크기가 상대적으로 작음을 설명한다.Figure 4 is an exemplary view showing the appearance of the optical high current / high voltage sensor of the present invention, the size of the optical high current / high voltage sensor relative to the size of the current transformer, transformer, current / voltage transformer of FIG. Explain the smallness.

도 5는 도 3의 광 대전류/고전압 센서의 광 대전류 센서의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 입력광에서 수직 방향으로 진동하는 광을 1/2 파장판으로 입사시키는 제2편광기(12)와; 상기 제2편광기(12)를 통과한 수직방향 진동 광의 편광 방향을 45도 회전시키는 1/2 파장판(21)과, 상기 45도 회전된 광을 전류검출대상, 전력기기의 전류에 따른 자계의 세기에 따라 편광 방향을 회전시키는 패러데이 소자(22)와, 상기 패러데이 소자(22)의 출력광에서 수직으로 편광된 광성분만을 여과하여 출력하는 제3편광기(23)로 구성된다.FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of an optical high current sensor of the optical high current / high voltage sensor of FIG. 3. As shown in FIG. 5, a second polarizer for injecting light oscillating in the vertical direction from the input light into a half wave plate ( 12); 1/2 wave plate 21 for rotating the polarization direction of the vertically vibrating light passed through the second polarizer 12 by 45 degrees, and the light rotated by 45 degrees for the current detection target and the magnetic field according to the current of the power device. The Faraday element 22 which rotates a polarization direction according to the intensity, and the 3rd polarizer 23 which filters and outputs only the optical component polarized perpendicularly from the output light of the Faraday element 22 are comprised.

광 대전류 센서(20)는 자기 광학 효과를 이용한다. 자기 광학 효과는 광학 결정에 자계를 인가한 상태에서 자계 방향과 평행하게 직선 편광된 광을 입사시키면 편광 상태가 변하는 현상을 말한다. 자기 광학 효과 중에서도 선형 편광된 광이 인가된 자계와 동일한 방향으로 매질에 입력되면 진동 면이 회전하는 현상을 패러데이 효과라 한다. 이러한 패러데이 효과를 가지는 매질을 패러데이 소자라 한다.The optical high current sensor 20 utilizes a magneto-optical effect. The magneto-optical effect refers to a phenomenon in which the polarization state changes when a linearly polarized light is incident in parallel with the magnetic field direction while a magnetic field is applied to the optical crystal. Among the magneto-optical effects, the phenomenon that the vibration plane rotates when the linearly polarized light is input to the medium in the same direction as the applied magnetic field is called a Faraday effect. A medium having such a Faraday effect is called a Faraday element.

광 대전류 센서(20)는 도선에 전류가 흐를 때 패러데이 소자(22)를 통과하는 광이 자계의 영향을 받아 편광면이 회전했을 때 그 회전각을 측정하여 그에 비례하는 전류 값을 측정한다.The optical large current sensor 20 measures the rotation angle when the polarization plane rotates when the light passing through the Faraday element 22 is affected by the magnetic field when a current flows in the conductive wire, and measures a current value proportional thereto.

광 대전류 센서(20)의 입사광(A)은 레이저 다이오드에서 발생하여 제1편광기를 거쳐 제2편광기(12)로 입사하고, 광 고전압 센서의 입사광(B)은 상기 제2편광기(12)에서 나누어져 광 고전압 센서로 입사하고, 광 대전류 센서의 출력광(C)은 광 대전류 센서(20)를 거쳐 외부로 출력된다. 그리고, 자계 방향(D)은 광 대전류 센서(20)에 인가되는 전류측정 대상 전력기기에 흐르는 전류량에 따른 자계의 인가 방향을 나타낸다.The incident light A of the optical high current sensor 20 is generated by the laser diode and enters the second polarizer 12 through the first polarizer, and the incident light B of the optical high voltage sensor is divided by the second polarizer 12. The incident light enters the high optical voltage sensor, and the output light C of the optical high current sensor is output to the outside via the optical high current sensor 20. The magnetic field direction D indicates a direction in which the magnetic field is applied according to the amount of current flowing through the current measuring target power device applied to the optical high current sensor 20.

레이저 다이오드의 출력광이 제2편광기(12)에 입사하면 제2편광기(12)는 자계 방향(D)과 평행한 방향으로 진행하는 성분 중에서 수직 방향으로 진동하는 성분 만을 1/2 파장판(21)으로 입사시킨다.When the output light of the laser diode is incident on the second polarizer 12, the second polarizer 12 includes only the half-wave plate 21 that vibrates in the vertical direction among the components traveling in the direction parallel to the magnetic field direction D. Incident).

1/2 파장판(21)은 다시 편광 방향을 45도 회전시킨다. 45도 편광된 광은 광의 진동 방향에 따라 x축과 y축 성분으로 나눌 수 있다. 45도 편광된 광은 패러데이 소자(22)에 입사한다.The half wave plate 21 again rotates the polarization direction by 45 degrees. 45 degree polarized light can be divided into x-axis and y-axis components according to the vibration direction of the light. The 45 degree polarized light is incident on the Faraday element 22.

자계가 패러데이 소자(22)에 가해진 상태에서 패러데이 소자(22)는 상기 45도 편광된 광을 인가되고 있는 자계의 세기에 따라 편광 방향을 변화시켜 출력한다. 패러데이 소자(22)의 출력광은 제3편광기(23)로 입사한다. 제3편광기(23)는 패러데이 소자(22)의 출력광에서 수직 방향으로 진동하는 성분만을 여과시켜 출력한다.In the state where the magnetic field is applied to the Faraday element 22, the Faraday element 22 changes the polarization direction according to the intensity of the magnetic field to which the 45-degree polarized light is applied and outputs it. The output light of the Faraday element 22 is incident on the third polarizer 23. The third polarizer 23 filters and outputs only components that vibrate in the vertical direction from the output light of the Faraday element 22.

도 6은 도 3의 광 대전류/고전압 센서의 광 고전압 센서의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 입력광에서 수직 방향으로 진동하는 광을 1/4 파장판으로 입사시키는 제2편광기(12)와; 상기 제2편광기(12)를 통과한 광의 x축 방향으로 진동하는 광을 90도 위상 지연시키는 1/4 파장판(31)과, 상기 1/4 파장판(31)에 의해 원 편광된 광을 전압검출대상의 전력기기의 도체로부터 인가되는 전계의 세기에 따라 서로 다른 위상 지연을 발생시켜 타원 편광을 출력하는 포켈스 소자(32)와, 상기 포켈스 소자(32)에 전압검출대상의 전력기기의 도체 및 그 접지부로부터 인가되는 전계에 비례한 전압을 각각 인가하는 전계 인가부와, 상기 포켈스 소자(32)의 출력광에서 수직으로 편광된 광성분만을 여과하여 출력하는 제4편광기(33)로 구성된다.FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of an optical high voltage sensor of the optical high current / high voltage sensor of FIG. 3, and as shown in FIG. 6, a second polarizer for injecting light oscillating in a vertical direction from an input light into a quarter wave plate ( 12); A quarter wave plate 31 for phase retarding the light oscillating in the x-axis direction of the light passing through the second polarizer 12 by 90 degrees, and light circularly polarized by the quarter wave plate 31. A Pockels element 32 for generating an elliptical polarization by generating different phase delays according to the strength of an electric field applied from a conductor of a power device to be detected voltage, and a power device to be detected on the Pockels element 32 An electric field applying unit for applying a voltage proportional to an electric field applied from the conductor and its ground part, and a fourth polarizer 33 for filtering and outputting only the light components vertically polarized from the output light of the Pockels element 32. It is composed of

광 고전압 센서(30)는 전기 광학 효과를 이용한다. 전기 광학 효과는 광학 결정이 전계 내에서 굴절률 및 방위각의 변화에 의해 편광이 발생하는 현상을 말한다. 포켈스 소자는 결정을 이루는 축이 x축(fast 축)과 y축(slow 축)으로 구성된다. 전계가 포켈스 소자(32)에 인가되면 동일한 굴절률이었던 성분이 변화를 일으켜 각 축의 굴절률에 차이가 발생한다. 따라서, 포켈스 소자(32)를 통과하는 광의 각 축의 속도는 굴절률의 변화에 따라 서로 달라진다. 즉, x축, y축으로 각각 진동하는 광에 있어서, slow 축을 통과하는 y축 진동 성분의 광보다 fast 축을 통과하는 x축 진동 성분의 광이 더 빠르게 포켈스 소자(32)를 통과한다.The optical high voltage sensor 30 utilizes an electro-optic effect. The electro-optic effect refers to a phenomenon in which an optical crystal is polarized by a change in refractive index and azimuth angle in an electric field. In the Pockels device, the crystal axes consist of the x-axis (fast axis) and the y-axis (slow axis). When an electric field is applied to the Pockels element 32, components that were the same refractive index change, and a difference occurs in the refractive index of each axis. Thus, the velocity of each axis of light passing through the Pockels element 32 varies with the change in refractive index. That is, in the light oscillating on the x-axis and the y-axis, respectively, the light of the x-axis vibration component passing through the fast axis passes through the Pockels element 32 faster than the light of the y-axis vibration component passing through the slow axis.

광 고전압 센서(30)는 전기 광학 효과 중에서 전계의 1차 값에 편광 회전각이 비례하는 포켈스 효과를 이용한다. 광 고전압 센서(30)는 포켈스 소자(32)를 통과하는 광이 전계의 영향을 받아 편광면이 회전했을 때 그 회전각을 측정하여 그에 비례하는 전압 값을 측정한다.The optical high voltage sensor 30 uses the Pockels effect in which the polarization rotation angle is proportional to the primary value of the electric field among the electro-optic effects. The optical high voltage sensor 30 measures the rotation angle of the light passing through the Pockels element 32 when the polarization plane is rotated under the influence of an electric field, and measures a voltage value proportional thereto.

레이저 다이오드의 출력광은 제1편광기를 거쳐 제2편광기로 입사하고, 광 고전압 센서의 입사광(A)은 상기 제2편광기(12)에서 나누어져 광 고전압 센서로 입사하고, 광 대전류 센서의 입사광(C)은 상기 제2편광기(12)에서 나누어져 광 대전류 센서로 입사하고, 광 고전압 센서의 출력광(B)은 광 고전압 센서(30)를 거쳐 외부로 출력된다. 그리고, 전계 방향(E)은 광 고전압 센서에 인가되는 방향을 나타낸다. 전압 검출대상이 되고 있는 전력기기의 도체는 광 고전압 센서의 입사광(A) 쪽에 위치하고, 전압 검출대상이 되고 있는 전력기기의 접지부는 광 고전압 센서의 출력광(B) 쪽에 위치하여 각각 그 전계를 전계인가부(34), (35)에 인가한다. 전계인가부(34), (35)는 각각 금속판으로 구성된다.The output light of the laser diode enters the second polarizer via the first polarizer, and the incident light A of the optical high voltage sensor is divided in the second polarizer 12 and enters the optical high voltage sensor, and the incident light of the optical high current sensor ( C) is divided in the second polarizer 12 and is incident to the optical high current sensor, and the output light B of the optical high voltage sensor is output to the outside via the optical high voltage sensor 30. The electric field direction E indicates a direction applied to the optical high voltage sensor. The conductor of the power device to be detected is located on the incident light (A) side of the high voltage sensor, and the ground part of the power device to be detected is located on the output light (B) side of the light high voltage sensor. It applies to the application part 34,35. The electric field applying parts 34 and 35 are each comprised from a metal plate.

제2편광기(12)는 광 고전압 센서(30)의 입사광의 전계 방향(E)과 평행한 방향으로 진행하는 성분 중에서 수직 방향으로 진동하는 성분만을 1/4 파장판(31)으로 입사시킨다. 1/4 파장판(31)은 x축으로 진동하는 광과 y축으로 진동하는 광 중에서 x축으로 진동하는 광이 있을 때 x축으로 진동하는 광을 90도 위상 지연시킨다. y축으로 진동하면서 진행하는 광이 사인파의 형태로 진행한다면, 90도 위상 지연된 x축으로 진동하는 광은 코사인파 형태가 된다. 따라서, 두 성분의 합은 원 편광이 된다.The second polarizer 12 injects only the components vibrating in the vertical direction from the components traveling in the direction parallel to the electric field direction E of the incident light of the optical high voltage sensor 30 to the quarter wave plate 31. The quarter wave plate 31 retards the phase by 90 degrees when the light vibrates on the x-axis among the light vibrating on the x-axis and the light vibrating on the y-axis. If the light propagating while vibrating on the y-axis travels in the form of a sine wave, the light vibrating on the x-axis delayed by 90 degrees becomes cosine wave. Therefore, the sum of the two components is circularly polarized light.

전계가 포켈스 소자(32)에 인가되면 포켈스 소자(32)는 원 편광된 광을 위상 지연시켜 타원 편광된 광으로 만들어 출력한다. 제4편광기(33)는 타원 편광된 광에서 수직으로 편광된 광만을 여과시켜 출력한다. 따라서, 광 고전압 센서(30)의 출력광은 전계의 세기에 비례하므로 인가된 전계와 함께 전압은 계산된다.When the electric field is applied to the Pockels element 32, the Pockels element 32 retards the circularly polarized light to output the ellipsoidally polarized light. The fourth polarizer 33 filters and outputs only the light vertically polarized from the elliptically polarized light. Therefore, the output light of the optical high voltage sensor 30 is proportional to the intensity of the electric field, so the voltage is calculated with the applied electric field.

광 고전압 센서(30)는 높은 측정 신뢰성을 얻기 위해 포켈스 소자(32) 양단에 인가되는 전계를 균일하게 분포시킨다. 포켈스 소자(32) 양단에 코팅된 전극막은 전계를 균일하게 분포시키고, 전계 인가부는 전극막에 전압을 인가한다.The optical high voltage sensor 30 evenly distributes the electric field applied across the Pockels element 32 in order to obtain high measurement reliability. The electrode film coated on both ends of the Pockels element 32 distributes the electric field uniformly, and the electric field applying unit applies a voltage to the electrode film.

전계 인가부(34, 35)는 전압측정의 대상이되는 대상물의 도체로서 전계를 인가하는 도체, 전압측정의 대상이되는 대상물의 접지부와 각각 대향하게 설치되며, 전계 인가부(34, 35)과 전극막은 전선(일명, 리드선)(36)으로 연결된다. 이때, 포켈스 소자(32) 양단에 인가되는 전계는 다음과 같다.The electric field applying units 34 and 35 are conductors of an object to be subjected to voltage measurement, and are provided so as to face the conductors to which an electric field is applied and the ground portions of the object to be subjected to voltage measurement, respectively. And the electrode film are connected by an electric wire (aka lead wire) 36. At this time, the electric field applied to both ends of the Pockels element 32 is as follows.

여기서, E는 전계 인가부를 이용하지 않았을 때 포켈스 소자 양단에 인가되는 전계이고, E₁은 전계 인가부로 인해 포켈스 소자 양단에 인가되는 전계이고, d₁은 전계 인가부로 설치한 두 개의 금속판 사이의 거리이고, d₂는 포켈스 소자의 길이이다.Here, E is an electric field applied to both ends of the Pockels element when the electric field applying unit is not used, E ₁ is an electric field applied to both ends of the Pockels element due to the electric field applying unit, and d ₁ is between two metal plates installed by the electric field applying unit. Where d ₂ is the length of the Pockels element.

전계 인가부는 전선(36)을 통하여 포켈스 소자(32) 양단에 전압을 인가한다. 그러나, 전선(36)이 전극막에 전압을 인가할 경우 포켈스 소자의 모서리에만 전압을 인가하므로 불평등 전계가 심화된다. 불평등 전계가 심하게 되면 포켈스 소자(32)의 굴절률이 불평등 전계에 따라 소자의 내부에서도 차이가 발생하게 된다. 따라서, 보다 평등 전계에 가까운 상태로 만들어 주기 위해 포켈스 소자(32)의 양 단면에는 전극막이 코팅된다. 전극막은 평등에 가까운 전계 상태를 만든다. 전극막에는 광을 투과할 수 있으면서 통전 성능이 있는 인듐 틴 옥사이드 (In₂O₃-SnO₂)글라스 (소위 ITO Glass)가 주로 사용된다.The electric field applying unit applies a voltage across the Pockels element 32 through the wire 36. However, when the wire 36 applies a voltage to the electrode film, the voltage is applied only to the edges of the Pockels element, so the inequality of the electric field is deepened. If the unequal electric field becomes severe, the refractive index of the Pockels element 32 may be different from the inside of the element according to the unequal electric field. Therefore, both ends of the Pockels element 32 are coated with an electrode film to make the state closer to the equal electric field. The electrode film makes an electric field state close to equality. Indium tin oxide (In ₂ O ₃ -SnO ₂ ) glass (so-called ITO glass) that is capable of transmitting light and is capable of conducting light is mainly used for the electrode film.

도 7은 본 발명 광 대전류/고전압 센서에서 이용하는 광원 및 출력광의 신호 처리부의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 광 대전류/고전압 센서로 광을 출력하는 레이저 다이오드(52)와; 광 대전류 센서의 출력광(C)을 입력받아 전기 신호로 바꾸고 증폭 연산하여 그에 대응한 전류 값을 측정하는 전류 검출부 와; 광 고전압 센서의 출력광(B)을 입력받아 전기 신호로 바꾸고 증폭 연산하여 그에 대응한 전압 값을 측정하는 전압 검출부로 구성된다.FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a signal processing unit of a light source and an output light used in the optical high current / high voltage sensor of the present invention, and as shown therein, a laser diode 52 for outputting light to the optical high current / high voltage sensor; A current detector which receives the output light C of the optical large current sensor, converts the signal into an electrical signal, amplifies the measured signal, and measures a current value corresponding thereto; It is composed of a voltage detector for receiving the output light (B) of the optical high-voltage sensor, converts it into an electrical signal, amplifies and measures a voltage value corresponding thereto.

레이저 다이오드(52)는 전원의 전기 신호를 광신호로 변환하여 출력한다. 레이저 다이오드의 출력광(A)은 제1편광기로 입력되어 광 대전류/고전압 센서의 입력광이 된다. 광 대전류/고전압 센서의 입력광은 자계, 전계의 세기에 따라 편광 방향이 변화하고 편광기를 거쳐 외부로 출력된다.The laser diode 52 converts an electrical signal of a power supply into an optical signal and outputs the optical signal. The output light A of the laser diode is input to the first polarizer and becomes the input light of the light high current / high voltage sensor. The input light of the optical high current / high voltage sensor changes the polarization direction according to the intensity of the magnetic field and the electric field and is output to the outside through the polarizer.

광 고전압 센서의 출력광(B)은 전압 검출부의 포토 다이오드(61)로 입사하고, 포토 다이오드(61)는 광신호를 전기 신호로 바꾼다. 전압 검출부는 전기 신호를 증폭하고 연산하여 인가 전압을 계산한다. 그리고, 전압 검출부는 위상 보정기(64)와 증폭기(65)를 이용하여 전압의 계산 정밀도를 높인다.The output light B of the optical high voltage sensor is incident on the photodiode 61 of the voltage detector, and the photodiode 61 converts the optical signal into an electrical signal. The voltage detector amplifies and calculates an electrical signal to calculate an applied voltage. Then, the voltage detector increases the calculation accuracy of the voltage using the phase corrector 64 and the amplifier 65.

광 대전류 센서의 출력광(C)은 전류 검출부의 포토 다이오드(71)로 입사하고, 포토 다이오드(71)는 광신호를 전기 신호로 바꾼다. 전류 검출부는 전기 신호를 증폭하고 연산하여 흐르는 전류를 계산한다. 그리고, 전류 검출부는 위상 보정기(74)와 증폭기(75)를 이용하여 전류의 계산 정밀도를 높인다.The output light C of the optical large current sensor enters into the photodiode 71 of the current detection unit, and the photodiode 71 converts the optical signal into an electrical signal. The current detector amplifies and calculates an electrical signal to calculate a flowing current. The current detector increases the calculation accuracy of the current using the phase corrector 74 and the amplifier 75.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 광 대전류/고전압 센서의 크기를 소형으로 구성하므로 전력기기에서 전압, 전류 센서가 차지하는 공간이 줄어들고, 설치가 간편해지는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention has a small size of the optical large current / high voltage sensor, so the space occupied by the voltage and current sensors in the power device is reduced, and the installation is simplified.

또한, 광 대전류/고전압 센서 자체가 절연물로 구성되어 있으므로 전기적으로 안정하고, 전기 신호가 아닌 광 신호를 이용하여 전압, 전류를 측정하므로 보다 높은 신뢰성의 편리한 제품을 구성하는 효과가 있다.In addition, since the optical high current / high voltage sensor itself is composed of an insulator, it is electrically stable and measures voltage and current using an optical signal rather than an electrical signal, thereby making it possible to construct a convenient product with higher reliability.

Claims

A laser diode for outputting light;

A polarizer for filtering and outputting light vibrating in the vertical direction from the output light of the laser diode;

An optical high current sensor which rotates the polarization direction of the light passing through the polarizer according to the intensity of the magnetic field and filters and outputs only the vertically polarized light component proportional to the amount of current;

A current detector which receives the output light of the optical high current sensor, converts the light into an electrical signal, amplifies a result, and measures a current value corresponding thereto;

An optical high voltage sensor for elliptically polarizing the light passing through the polarizer according to the intensity of the electric field, and filtering and outputting only the vertically polarized light component proportional to the high voltage;

And a voltage detecting unit configured to receive the output light of the optical high voltage sensor, convert the light into an electrical signal, amplify, and measure a voltage value corresponding thereto.

The optical high current / high voltage sensor of claim 1, wherein the polarizer divides the output light of the laser diode into two perpendicular to each other and is incident to the optical high current sensor and the optical high voltage sensor, respectively.

The optical high current sensor of claim 1, further comprising: a first polarizer configured to filter and output light vibrating in a vertical direction from input light;

A half wave plate for rotating the polarization direction of the light passing through the first polarizer by 45 degrees;

A Faraday element for rotating the light rotated by 45 degrees according to the intensity of a magnetic field;

And a second polarizer configured to filter and output only the light components vertically polarized from the output light of the Faraday element.

The optical high voltage sensor of claim 1, further comprising: a third polarizer configured to filter and output light vibrating in a vertical direction from input light;

A quarter wave plate for phase retarding the light oscillating in the x-axis direction of the light passing through the third polarizer by 90 degrees;

A Pockels element for generating elliptically polarized light by generating different phase delays of light circularly polarized by the quarter wave plate according to the intensity of an electric field;

An electric field applying unit for applying an electric field to the Pockels element;

And a fourth polarizer configured to filter and output only light components vertically polarized from the output light of the Pockels device.

The electric field applying unit of claim 4, wherein the electric field applying unit comprises: a conductor to which a voltage is applied, and a metal plate configured in parallel with the ground;

Electrode films coated on both ends of the Pockels element;

Optical high current / high voltage sensor, characterized in that consisting of a wire connecting the metal plate and the electrode film.

The photodiode of claim 1, wherein the current detector comprises: a photodiode for converting the output light of the optical high current sensor into an electrical signal;

A calculator for processing the electric signal to calculate a current flowing through the power device;

And a phase corrector configured to correct a phase of the calculated current.

The display device of claim 1, wherein the voltage detector comprises: a photodiode for converting output light of the optical high voltage sensor into an electrical signal;

A calculator for processing the electrical signal to calculate an applied voltage;

And a phase corrector configured to correct a phase of the calculated voltage.

A first polarizer for polarizing and outputting only vertical vibration components from the laser light incident from the light source;

A second polarizer for polarizing and outputting vertical vibration component light output from the first polarizer to a current sensor and a voltage sensor, respectively;

A half-wave plate for rotating and polarizing the vertical vibration component light from the second polarizer by 45 degrees, and a 45-degree rotation polarized light from the half-wave plate is applied in proportion to the current to be detected. A current sensor including a Faraday element for polarizing and outputting the polarized light at different angles according to the intensity of the magnetic field, and a third polarizer for polarizing and outputting only a vertical vibration component from the light from the Faraday element;

A quarter-wave plate for polarizing the vertical vibration component light from the second polarizer into primary light;

A Pockels element that outputs elliptically polarized light by retarding the original light from the quarter-wave plate in proportion to the intensity of the applied electric field;

A voltage applying unit made of a metal plate for outputting a voltage proportional to an electric field applied from a conductor to which voltage is detected and its ground portion to the Pockels element;

Electrode films coated on both ends of the Pockels element in a longitudinal direction such that an output voltage from the voltage applying unit is applied to the Pockels element as an equal electric field;

And a wire connected between the electrode film and the voltage application part to apply a voltage from the voltage application part to the electrode film.