KR20210096745A - 나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노 자성유체 및 광도파(광섬유)로 기반의 직접형 광 전류센서에 관한 것으로서 상세하게는, 산업의 고도화 및 첨단화에 따른 전력소비가 매년 증가함에 따라 전력설비의 대용량화 및 최신장비 교체가 필요하나 현재 사용 중인 설비의 전면적인 교체 및 설비 확충이 쉽지 않다.
따라서 본 발명은 현재 전력계통을 안정적으로 운영하고 사고를 예방할 수 있는 안전진단용, 특고압 및 대전류(수천V 이상) 측정이 가능한 전류 센서를 제공하고자 한다.

Description

나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서{shed Current sensor}

본 발명은 나노 자성유체 및 광도파(광섬유)로 기반의 직접형 광 전류센서에 관한 것으로서 상세하게는, 산업의 고도화 및 첨단화에 따른 전력소비가 매년 증가함에 따라 전력설비의 대용량화 및 최신장비 교체가 필요하나 현재 사용 중인 설비의 전면적인 교체 및 설비 확충이 쉽지 않다.

따라서 본 발명은 현재 전력계통을 안정적으로 운영하고 사고를 예방할 수 있는 안전진단용, 특고압 및 대전류(수천V 이상) 측정이 가능한 전류 센서를 제공하고자 한다.

일반적으로 사용되고 있는 전류감지센서는 대부분 변류기(Current Transformer)이다. 변류기는 자성체 코어를 사용함으로써 자기 포화와 측정 범위 대 크기의 한계로 인하여 규정 오차 범위 내에서 측정할 수 있는 전류 범위는 극히 제한되어 있다. 또한, 전류의 수십~수백 배에 이르는 사고 전류를 정확히 검출하기는 불가능하다.

그리고, 현재의 전력기기는 전력 전자와 펄스 파워 기술의 발달로 수 ㎐에서 수백 ㎑에 이르는 주파수 범위를 갖는 전류를 사용하는 예가 많으나 CT는 상용 주파수 전류 이외에 주파수 전류를 측정하는 데는 한계가 있다.

이러한 문제들로 인하여 현재 로고스키 코일(rosowski coil)이 많이 사용되고 있다.

로고스키 코일은 일반적으로 전류가 흐르는 도체 주위에 트로이달 형태의 공심 코어에 코일을 감아 입체적인 구조로 제작된다.

이러한 로고스키 코일은 인버터 용접기, 기중차단기, 가스 절연 차단기, 모터 컨트롤 모니터링, 원격 용접기, 전기 모터, 발전기의 전류계측, 전자식 전력량계 등에 많이 활용되며 특히 전력 변환기와 전자식 전력량계의 전류 측정 센서로 활용 가능성이 매우 높다.

그러나, 종래의 로고스키 코일은 측정 전류가 적을 경우 선형도가 저하되는 문제점이 있다.

또한, 원형으로 감겨진 코일 중간으로 측정 전류가 흐를 경우 고유의 출력값에 대한 선형도를 유지할 수 있으나, 측정 전류가 흐르는 도체의 위치가 다를 경우 선형도는 저하되는 문제점이 있다.

한편, 정확한 전류의 양을 특정하는 문제는 가정이나 공장이나 경제적인 문제와 바로 직결되고, 사용 전류에 따른 전력의 양을 정확히 검침하는 전력량계는 전류 센서의 성능에 좌우된다.

-로고스키 코일이 저전류 부분에서 비선형을 나타내는 현상을 극복하면서도 IEC에서 요구하는 정밀도 수준을 만족할 수 있는 전류감지센서의 개발이 요구되기도 한다.

특히, 대전류가 흐르는 도체의 경우 이 전류값을 감지할 수 있는 전류감지센서의 개발이 요구되고 있다.

그리고 참고로, 전류의 양을 측정하는 방법으로서 자기 증폭기형, 자기 멀티바이브레이터형, 홀소자(이하 "홀센서(Hole Sensor)"라 한다.)등의 센서를 이용하는 방법 등이 알려져 있는데, 이 중에서도 비접촉식인 홀센서를 이용하는 방법이 널리 알려지고 또한 사용되고 있다.

홀센서는 도선에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자기장을 이용하면 전류를 측정할 수 있다는 암페어의 오른손 나사법칙에 기초하는 것으로써 고리형의 페라이트 또는 퍼멀로이계로 이루어진 자기코어의 끝단에 형성된 일정한 간격 사이에 홀센서를 설치하고, 이 홀센서를 전류가 흐르는 도선 주위에 설치하면 전류에 의해 생성된 자속에 비례하여 전압이 출력되고, 이 출력된 전압을 다시 전류로 환산하면 전류를 측정할 수 있다.

그리고, 광학 방식의 CT(CURRENT TRANSFOMER)를 이용한 전류 측정 방식이 있다. 전류측정용 광센서의 원리는 광섬유를 따라 진행해 나아가는 광파의 편광 상태가 인접한 자기장의 영향으로 인해 변하게 되는 것을 측정하는 것이며, 자기장에 의한 편광 상태 변화 현상을 패러데이 효과 (Faraday effect) 라고 한다.

광 CT는 전류원에 의해 발생된 자기장의 세기에 비례하여 빛의 편광축이 회전하는 페러데이 효과를 이용하는 것으로, 자기 포화나 잔류 자속이 없고 소형 경량 구조가 가능하며 2차 개방 등의 위험이 없어 초고압 시스템의 전류 측정에 매우 좋은 특성을 지니고 있다. 광 CT는 센서 매질에 따라 광섬유를 이용하는 광섬유형과 강자성체인 YIG, RIG 결정 등을 이용하는 벌크형으로 구분된다.

광섬유를 구성하는 실리카 재료의 패러데이 효과는 매우 미약하므로 전선의 주변을 둘러싼 광섬유를 통해 빛을 진행하게 만들어 작은 패러데이 효과가 증폭이 되도록 만들어 주게 된다. 미약한 자계를 측정하는 경우에는 전선 주변에 광섬유를 10바퀴 이상 감아서 패러데이 효과가 진행 거리에 비례하여 크게 증폭되도록 만들어 준다.

전류측정용 광센서는 전계(electric field)에 의한 편광 변화만을 일으키는 것이 이상적이나, 주변 온도의 변화나 광섬유의 진동에 의해서도 편광 변화가 유발된다는 문제점을 지니고 있다.

이를 보완하기 위하여 편광유지 광섬유를 이용하는 형태의 센서가 최근 활발히 연구되고 있다. 그러나 이와 같은 편광유지 광섬유를 이용한 전류 센서는 편광 상태를 조절해주기 위한 선편광변환기, 원편광 변환기를 비롯하여 광결합기, 위상 변조기 등의 부가적인 광부품에 편광유지 광섬유가 필수적으로 포함되어야 하며 이들로 인해 시스템이 복잡해지고 가격이 상승하는 문제점을 내포하고 있다.

광 섬유형 CT는 폐루프를 구성하기가 용이하여 출력이 안정적이며, 민감도와 측정 범위 조절이 용이한 장점을 가지지만 광섬유에 잔존하는 선형 복굴절에 의한 센서 출력의 왜곡이 실용화의 큰 어려움이 있다. 선형 복굴절 영향을 최소화하기 위한 방법으로 twisted 광섬유, annealed 광섬유, low-birefringence 광섬유 등 특수한 광섬유를 이용하는 방법들이 최근 연구되고 있다.

본 발명은 기존 전자계 전류 센서들이 갖고 있던 문제점인 측정 범위의 한계, 외부 한경 의존도, 헌팅현상, 대형화 장비의 측정 한계, 설치 및 시운전의 어려움 등의 해결함과 동시에 고가의 광 부품으로 구성된 전류측정용 광센서의 저가격화와 소형화된 차세대 전류 센서 개발이 필요함에 따라, 본 발명은 전력 설비를 비롯한 다양한 설비제어 및 안전 진단 모니터링을 위한 나노 자성 유체 및 광도파로 소자를 이용한 자기 검출 소자 기반의 전류 감지 광센서 모듈에 관한 것이다.

본 발명에서의 전류 감지용 광센서는 나노 자성 유체의 자장에 의한 굴절율 변화 특성을 집적형 광도파로에 접목하여 기존의 평광 상태 변화 현상을 이용한 광섬유 전류 센서의 문제점을 보완할 수 있는 새로운 전류 측정용 광센서 모듈이다.

전류 감지용 광센서의 기본적인 동작 원리는 전류량에 의한 유도 자기장의 변화에 따른 나노 자성 유체의 유효굴절율 변화가 발생한다. 이런 굴절율 변화량에 의한 광손실을 광도파로 기반의 소자를 통해 비교, 분석하여 인가된 전류값을 측정하는 원리이다.

첨부도면에 의해 구성을 살펴보면,

하우징(50), 상기 하우징(50) 내측을 관통하는 특고압회로(10)와

상기 특고압회로(10) 측면에 상기 특고압회로(10)의 길이방향으로 설치되는 광도파로 또는 광섬유 (20), 상기 광도파로와 광섬유(20) 양단에 수광부(21)와 발광부(22)가 서로 정대항이 되도록 설치되게 구성된다.

상기 특고압회로(10)와 상기 특고압회로(10) 측면에 상기 특고압회로(10)의 길이방향으로 제2수광부(31)와 제2발광부(32)가 서로 정대항이 되도록 설치되는 구성이다.

상기 특고압회로(10)에 홀센서(40)를 설치하여 저전류(수천v 이하)가 흐르는 경우 그 저전류를 감지하는 구성이다.

본 발명은 현재 전력계통을 안정적으로 운영하고 사고를 예방할 수 있는 안전진단용 특고압 및 대전류(수천v 이상) 측정이 가능한 전류 광센서를 간단한 구조로 제공하게 된다.

전류 측정용 광센서는 전류가 흐르는 전기 회로의 특성을 전혀 변화시키기 않고 비접촉식으로 전류를 측정할 수 있는 특징을 가지고 있다. 전류 측정용 광센서는 비접촉 측정 방식 센서로 많이 이용되고 있는 전자계 전류센서에 비해 고전류를 사용하는 시스템의 주변에 항상 존재하는 전자기파로 인한 간섭 현상을 방지하고 정확한 전류를 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 종래 전류측정용 광센서는 그 구성요소인 광부품들의 가격이 높기 때문에 이상의 장점에도 불구하고 특정 분야에만 적용되고 있는 상태이다. 광통신 기술의 발전과 함께 많은 종류의 광부품들이 개발되어 시장에서 저가 판매되고 있으나, 전류측정용 광센서를 구성하는데 필요한 부품은 여전히 고가를 유지하고 있다.

이에 따라 본 발명에서는 나노자성유체 및 광도파로 기반의 광센서 모듈을 개발하여 새로운 전류 측정용 전류 센서를 구현하고자 한다. 이에 광도파로는 임프린트 공정을 통한 광센서 모듈을 개발하고자 한다.

제안하고자 하는 광전류 센서는 기존 센서가 갖는 측정 대상의 규모 및 장거리 전송의 한계를 극복할 수 있으며, 기존의 광 네트워크 인프라를 활용할 수 있어 제어 및 감시 시스템의 고도화에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

도 1은 본 발명의 나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서의 나노 자성 유체와 광전류센서 기반의 집적형 광전류 검출 시스템 개략도,
도 2은 본 발명의 나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서의 나노 자성 유체와 광도파로 또는 광섬유 기반의 집적형 광전류 모듈의 개략도,
도 3은 본 발명의 나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서의 고전류, 저전류 동시 측정이 가능한 광 전류센서 사시도,
도 4은 본 발명의 나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서의 전류에 의한 나노자성 유체의 변화.
도 5, 6 는 본 발명의 나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서의 광전류 센서 구성도 및 측정 알고리즘.

도면에 의해 구성을 제차 살펴보고 그에 따른 실시예를 살펴본다.

하우징(50), 상기 하우징(50) 내측을 관통하는 특고압회로(10)와

상기 특고압회로(10) 측면에 상기 특고압회로(10)의 길이방향으로 설치되는 광도파로 또는 광섬유(20), 상기 광도파로 또는 광섬유(20) 양단에 수광부(21)와 발광부(22)가 서로 정대항이 되도록 설치되게 구성된다.

상기 특고압회로(10)는 전류가 수천V 이상 흐르는 회로를 말한다.

그리고 상기 광섬유(20) 내부에 자성유체가 충전된다.

상기 수광부(21)와 발광부(22)를 제1센서(20a)라 한다.

상기 구성의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 광섬유에 구성되는 자성유체(Ferrofluid)에 대해 설명하면,

- Nano 자성 미립자 : 입자직경이 5nm~15nm 정도의 자성 초미립자임,

-계면 활성제 : 입자 표면에 계면활성제를 흡착시킴으로써 Base 액체안의 입자는 응집되지 않고 안정된 콜로이드 액체가 됨.

- Base 액체 : 자성유체가 응용될 용도 또는 사용될 환경을 고려하여 탄화수소계유, 에스테르계유, 불소계유를 Base액체로 사용됨,

특징은

- 자기포화도가 나타나지 않음(초상자성)

- 외부 자기장이 없을 때는 나노입자간 자기적 상호 작용이 거의 없어 안정된 콜로이드 상태를 유지하지만, 외부 자기장에 의해서는 일정한 방향으로 배열되며 이로 인해 굴절율 변화가 발생함.

- 나노 입자가 base 용액에 분산 후에는 농도량에 따라 선형적으로 굴절율 증가함.

따라서 광섬유(20)을 특고압회로(10)의 근접부분에 위치한 후 특고압회로(10)에 전류가 흐르면 흐르는 용량에 따라 도면 3의 a)~d)와 같이 외부 자기장에 의해서 일정한 방향으로 배열되며 이로 인해 굴절율 변화가 발생한다.

이처럼 변화가 발생하면 발광부(22)에서 발광한 광원이 수광부(21)에 이르는 광원 변동이 발생한다.

즉, 자기장에 따라 빛이 통과하는 탁도가 다른 것이다.

따라서 후술로 이어지는 변화의 설명을 편의상 탁도라 표현한다.

그리고 제1,2 센서를 필요에 따라 탁도센서라 한다.

상기한 바와 같이, 수광부(21)는 발광부(22)에서 발광된 빛이 직진하는 범위를 벗어나서 산란하는 빛을 수광할 수 있도록 한다.

상기 산란은 탁도에 따라 다르게 산란하는 것이다.

상기 발광부(22)에서 발광된 많은 양의 빛이 광섬유를 투과하여 수광부(21)에 수광되거나 발광부(22)에서 발광된 적은 양의 빛이 광섬유를 투과하여 수광부(21)에 수광되는 경우를 연산하여 특고압회로(10)에서 흐르는 전력량을 연산한다.

이처럼 연산처리된 처리값을 이용하여 특고압회로(10)에서 흐르는 전력값을 계산하는 것이다.

예를들어, 미리 탁도의 기준을 설정해둔 상태에서 탁도량이 10(이용자가 설정한 숫자)에 해당하는 경우 특고압회로(10)에 흐르는 전력값이 2000V라 설정하고

탁도량이 20에 해당하는 경우 전력값이 1000V라 설정한다.

이와 같이 미리 기준을 정해둔 다음 그 기준에 해당하는 탁도일 경우 그 전력값을 표시창(미도시)에 출력하는 것이다.

다음 구성을 설명하면 다음과 같다.

상기 특고압회로(10)와 상기 특고압회로(10) 측면에 상기 특고압회로(10)의 길이방향으로 제2수광부(31)와 제2발광부(32)가 서로 정대항이 되도록 설치되는 구성이다.

상기 구성의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

여기서는 제2수광부(31)와 제2발광부(32)가 탁도를 감지하는 것이 아니라 제2발광부(32)와 제2수광부(31) 사이에 특고압회로(10)의 자기장에 영양을 받지 않는 공간부(30)에 해당한다.

여기서는 상기 제2수광부(31)와 제2발광부(32)의 구성을 제2센서(30a)라 한다.

이처럼 하는 이유는,

제2수광부(31)는 제2발광부(32)에서 발광된 빛이 직진하는 범위 내에서 산란하지 않은 빛을 수광할 수 있도록 함으로써

수광부(21)와 발광부(22)에서 산란된 상태의 빛의 량과 비교하여 측정하는 것이다.

상기와 같이 제1센서(20a)와 제2센서(30a)로부터 감지한 광원량을 비교하여 전류량을 측정하는 구성이다.

이처럼 측정하게되면, 상기 제2센서(30a)가 기준값이되고 상기 제1센서는 상기 제2센서(30a)의 기준값에서 산란값을 뺀 값이 산란값이 된다.

즉 예를들어, 제2센서(30a)에서 이용자가 미리정한 탁도량이 2에 해당하고

제1센서(20a)에서 탁도량이 12에 해당하면 산란값은 10이 된다.

이와 같은 10이 상기 특고압회로(10)에서 흐르는 전력값 이므로

앞에서 설명 한바와 같이 전력값은 2000V가 된다.

다음은 또 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다.

상기 특고압회로(10)에 홀센서(40)를 설치하여 저전류(수천V 이하)가 흐르는 경우 그 저전류를 감지하는 구성이다.

상기 구성의 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

홀센서(40)는 일반적으로 전류를 감지하는 것과 같다.

이렇게 하는 이유는 대전류과 저전류를 겸용으로 감지하기 위함이다.

상기 홀센서의 작용은 등록번호 20-0364371호에 상세하게 설명되어 있다.

다음 구성의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 제1센서(20a)는 하우징(50)과, 하우징(50)에 내장되어 광을 발산하는 발광부(22)와, 광을 검출하는 수광부(21) 및 수광부(21)에서 출력되는 신호를 처리하는 제어유니트(60)를 구비한다.

광원은 890nm 대역의 근적외선에서 470nm 대역의 가시광선 영역의 광을 출사하는 레이저 다이오드 또는 발광다이오드가 적용되는 것이 바람직하다.

광원의 파장은 측정 대상 시료수의 특성에 따라 적용하는 파장을 적절하게 적용할 수 있다.

광검출기(70)는 수광부(21)를 통해 입사되는 광을 수신하고, 수신된 광에 대응되는 전기적 신호를 제어유니트(60)에 출력한다.

제어유니트(60)는 수광부(21)의 광검출기(70)에서 출력되는 신호를 처리하여 시료수의 탁도 정보를 산출한다.

제어유니트(60)는 하우징(50) 내부 또는 외부에 마련된 회로기판(80)에 마련되어 있다.

제어유니트(60)는 광원 구동부(61), 전류-전압 변환기(I/V)(62), 제1증폭기(63), 필터(64), 제2증폭기 (65), A/D변환기(66), 제어부(67) 및 인터페이스부(68)를 구비한다.

광원 구동부(61)는 제어부(68)에 제어되어 광원을 구동한다.

전류-전압 변환기(I/V)(62)는 광검출기(70)에서 출력되는 전류 신호를 전압신호로 변환한다.

제1증폭기(63)는 전류-전압 변환기(I/V)(62)에서 출력되는 전압신호를 설정된 이득만큼 증폭시킨다.

필터(64)는 제1증폭기에서 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거한다.

제2증폭기(63)는 필터를 통해 출력되는 신호를 설정된 이득으로 증폭시켜 출력한다.

A/D변환기(66)는 제2증폭기(65)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하여 제어부(68)에 출력한다.

도시된 예와 다르게 전류-전압 변환기(I/V)(66)에서 출력되는 신호를 바로 디지털 신호로 변환하여 제어부 (68)에 출력하도록 구축되거나, 하나의 증폭기만 적용할 수 있음은 물론이다.

제어부(68)는 A/D변환기(66)에서 출력되는 신호로부터 탁도를 산출한다.

제어부(68)는 A/D변환기(66)에서 출력되는 신호에 대응되는 탁도값이 미리 실험에 의해 구해져 기록된 룩업테이블(미도시)이 내장되게 구축될 수 있다.

이 경우, 제어부(68)는 A/D변환기(66)에서 출력되는 신호에 대응되는 탁도값을 룩업테이블을 통해 산출하면 된다.

인터페이스부(68)는 제어부(68)에 의해 산출된 탁도값을 외부 기기로 전송하는데 이용할 수 있도록 제어부 (68)와 외부기기와의 인터페이스를 담당한다.

Claims (3)

1. 하우징(50), 상기 하우징(50) 내측을 관통하는 특고압회로(10)와
   상기 특고압회로(10) 측면에 상기 특고압회로(10)의 길이방향으로 설치되는 광도파로 또는 광섬유(20), 상기 광도파로 또는 광섬유(20) 양단에 수광부(21)와 발광부(22)가 서로 정대항이 되도록 설치되게 구성을 포함한 것을 특징으로 하는 나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서.
   
2. 제 1항에 있어서
   특고압회로(10)와 상기 특고압회로(10) 측면에 상기 특고압회로(10)의 길이방향으로 제2수광부(31)와 제2발광부(32)가 서로 정대항이 되도록 설치되는 구성을 특징으로 하는 나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서.
3. 제 1항에 있어서
   특고압회로(10)에 홀센서(40)를 설치하여 저전류가 흐르는 경우 그 저전류를 감지하는 구성을 특징으로 하는 나노 자성유체 및 광도파로 기반의 직접형 광 전류센서.
   

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