KR20240037769A - 광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서 - Google Patents

광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공송전선로에서 사고 고장을 일으키는 환경적 외란에 의해 발생하는 진동과 케이블 처짐에 따른 구부림을 상시 모니터링 하고 전력 케이블 상태 진단이 가능한 광섬유 기반 센서 시스템의 구조 및 측정 기술에 관한 것으로 가공전선로의 케이블 처짐과 진동 신호를 동시 모니터링이 가능한 것이다.

Description

광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서{Vibration and bending sensors using an optic engine for the Overhead Transmission lines}
본 발명은 가공송전선로에서 사고 고장을 일으키는 환경적 외란에 의해 발생하는 진동과 케이블 처짐에 따른 구부림을 상시 모니터링 하고 전력 케이블 상태 진단이 가능한 광섬유 기반 센서 시스템의 구조 및 측정 기술에 관한 것이다.
1990년 이후부터, 광섬유 격자는 광통신 분야와 다양한 광섬유 센서로 상업적으로 응용되고 연구되어 왔다. 센서 분야에 있어서 광섬유격자는 하나의 광섬유 라인에 여러 개의 광섬유 격자를 직렬로 연결하여 개별 센서로 사용함으로써 동시에 여러 부위의 물리량 측정이 가능하며, 센서로써 사용되는 부위가 광섬유 격자의 길이에 한정되므로 넒은 범위의 다중 점 센서 측정이 가능한 장점이 있다. 또한, 광섬유 격자의 반사 파장은 온도와 스트레인의 변화에 거의 선형적으로 반응하므로, 광섬유 격자의 파장 변화를 검출하면, 가해진 온도, 스트레인, 구부림과 같은 정적인 변화와 진동, 충격과 같은 동적 변화를 측정 할 수 있다.
광섬유 격자는 파장 검출 트랜스듀서를 조합하여 다양한 물리량을 측정하는 센서를 제작하기 적합하며, 이를 위해 광섬유 격자의 반사 파장을 효율적으로 복조할 수 있는 연구가 수행되어 왔다. 광섬유 격자 반사 파장을 복조하는 방법으로 Fabry-perot 가변 필터, 마하젠더 간섭계, edge필터 등이 제안되었으며, 그중에 edge 파장 필터를 적용하는 방식은 신호 처리가 용이하고, 구조가 간단하여 저가형 센서 제작이 가능한다.
가공송전선로에서 지중에 설치되는 선로에 비해 외부에 노출되어 바람, 눈, 비, 낙뢰 등 환경적 외란에 피해 받게 된다. 가공송전선로에 지속적인 진동이 발생시 전선의 마모, 단선, Ball Pin 파손, 현수애자 파손, Ball Crabis 손상, 현수 U Bolt 파손, 키퍼 파지력 불량, 클램프 마모, 스페이서 파손 등이 발생된다. 또한 가공전력케이블은 계절적인 온도변화, 낙뢰, 케이블 열화, 전신주의 노후화에 따른 처짐 현상이 발생한다. 따라서 전력케이블의 과도한 진동과 처짐 현상은 전력 사고를 유발하기 때문에 상시 모니터링을 통한 감시체계 구축 및 케이블 상태 추이 분석을 통한 사고 예측 및 케이블 건전성 유지를 위한 센서 시스템이 요구된다.
대한민국 특허등록 제1944282호
본 발명은 환경적 요인에 따라 가공선로에서 발생하는 진동 및 전력케이블 처짐에 따른 사고를 사전에 방지하기 위하여 광섬유 격자 어레이와 AWG 칩기반 광학엔진을 사용하여 진동 및 구부림을 동시에 측정이 가능한 센서 장치 및 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다. 또한 본 발명에서는 광섬유 격자 센서를 가공 전력케이블에 쉽게 고정 및 탈거 할 수 있는 클램프 구조의 센서 외함 장치 구조를 제공하는 데 목적이 있다.
광원부와;
광원부로 부터 광원을 선로측으로 전송하고, 선로측에서 역으로 센싱된 광을 수신부로 전송하는 서큘레이터;
상기 서큘레이터에 접속되어 가공전선로에 설치되는 선로광섬유
상기 서큘레이터에서 전송된 광원을 선로광센서부로 분배하는 광스위치;
상기 광스위치로 분배되는 광원을 가공전선로 처음, 중간, 끝부분에 각각 위치하여 가공전선로의 변화를 측정하는 선로광센서부;
상기 서큘레이터에서 입사된 광원을 상기 광스위치로 전송하고 파장오차를 보상하여 하기 위한 기준광센서부;
센싱된 광을 검출 및 측정하는 수신부;로 구성하고,
상기 수신부는 선로광센서부로 부터 각 위치별로 신호를 검출하는 센싱광검출부와,
상기 기준광센서부로 부터 신호를 검출하는 기준광검출부와, 상기 센싱광검출부 및 기준광검출부에서 검출된 신호를 위치별로 물리량을 측정하는 측정제어부로 구성하며,
상기 선로광섬유,선로광센서부,기준광센서부를 1개 광센서채널로 하여 다수개 광센서채널로 구비하고, 상기 광스위치는 각각의 광센서채널로 광원을 분배하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 선로광센서부는 가공전선로와 근접한 측부에서 선로광섬유 및 선로광센서를 설치하고, 타측부에 고정클램프가 삽입되는 클램프공이 양끝단에 각각형성되는 광섬유센서외함과, 상기 클램프공에 삽입되어 가공전선로의 외연을 조여고정하는 고정클램프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센싱광검출부는 구부림 신호검출을 위한 로우패스필터와 진동 신호검출을 위한 하이패스필터를 포함한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구성에 따르면 가공 선로에 광섬유 격자 센서 어레이를 설치하고, AWG 기반 광모듈을 이용하여 케이블 처짐과 진동 신호를 동시 측정이 가능한 장점이 있다. 또한, 본 발명에서 제안하고 있는 광섬유 격자 센서 어레이를 고정 및 탈거가 용이한 클램프 구조의 함체를 이용하면 센서어레이 설치 작업의 시간을 단축할 있는 이점이 있다.
도면 1은 본 발명에 따른 광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서의 가공전송선로의 진동 및 쳐짐 현상을 실시간 상시모니터링 할 수 있는 수신부의 검출모듈의 개요도.
도면 2는 본 발명에 따른 광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서의 선로광센서부의 A는 측면을 B는 평면을 C는 저면을 나타낸 도면.
도면 3 내지 6은 본 발명에 따른 광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서의 선로광센서부가 설치된 모습을 보인 도면.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
광원부(110)와;
광원부(110)로 부터 광원을 선로측으로 전송하고, 선로측에서 역으로 센싱된 광을 수신부(140)로 전송하는 서큘레이터(120);
상기 서큘레이터(120)에 접속되어 가공전선로에 설치되는 선로광섬유(153)
상기 서큘레이터(120)에서 전송된 광원을 선로광센서부(152)로 분배하는 광스위치(130);
상기 광스위치(130)로 분배되는 광원을 가공전선로 처음, 중간, 끝부분에 각각 위치하여 가공전선로의 변화를 측정하는 선로광센서부(152);
상기 서큘레이터(120)에서 입사된 광원을 상기 광스위치(130)로 전송하고 파장오차를 보상하여 하기 위한 기준광센서부(151);
센싱된 광을 검출 및 측정하는 수신부(140);로 구성한다.
여기에서 상기 수신부(140)는 선로광센서부(152)로부터 각 위치별로 신호를 검출하는 센싱광검출부(141)와,
상기 기준광센서부(151)로 부터 신호를 검출하는 기준광검출부(142)와, 상기 센싱광검출부(141) 및 기준광검출부(142)에서 검출된 신호를 위치별로 물리량을 측정하는 측정제어부(143)로 구성한다.
상기 기준광센서부(151)는 광원부(110)의 광원 출력의 변화와 온도변화에 따른 센서 측정오차를 보정한다.
상기 선로광섬유(153),선로광센서부(152),기준광센서부(151)를 1개 광센서채널로 하여 다수개 광센서채널로 구비하고, 상기 광스위치(130)는 각각의 광센서채널로 광원을 분배한다.
상기 광원부(110)의 광원은 광섬유 격자의 파장 검출을 위한 광폭 광원을 사용한다.
상기 선로광섬유(153)는 광섬유 격자 어레이를 사용한다. 상기 광섬유 격자 어레이는 광섬유 코어에 Ge(germainum)과 같은 불순물을 첨가한 후 자외선 레이저를 조사하여 주기적으로 굴절률의 변화시킴으로 써 격자를 새겼으며, 주기적으로 변조된 굴절률의 경계면에서는 소량의 빛이 반사되며, 광섬유 코어에 새겨진 수 만개의 격자에서 일어나는 다중 반사와 간섭 현상에 의해서 일정한 파장 범위를 반사시키는 광학 소자이다.
상기 수신부(140)는 예컨대 PLC 기반의 AWG칩과 4채널 Pin PD 어레이로 내장된 광학엔진으로 구성하여서, 4채널 PLC AWG칩을 광섬유 격자 센서의 파장 검출 필터로 사용한다.
또한, 상기 선로광센서부(152)는 가공전선로와 근접한 측부에서 선로광섬유(153) 및 선로광센서(1521)를 설치하고, 타측부에 고정클램프(1523)가 삽입되는 클램프공(1524)이 양끝단에 각각 형성되는 광섬유센서외함(1522)과, 상기 클램프공(1524)에 삽입되어 가공전선로의 외연을 조여고정하는 고정클램프(1523)를 포함한다.
본 발명 일실시예를 따른 광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서의 동작은 다음과 같다.
진동과 구부림 측정을 위해서 광원부(110)에서 광원은 서큘레이터(120)로 입사하여
기준광센서부(151)를 통과 후 광스위치(130)를 통해 선로광센서부(152)로 입사한다. 기준광센서부(151)는 외부의 선로광섬유(153)의 온도변화에 따른 파장오차를 보상을 위해 사용한다. 선로광센서부(152)에서 반사된 센싱 광원은 서큘레이터(120)를 다시 거친 뒤, 수신부(140)의 4채널 AWG광학모듈부로 입사한다. 채널당 1개의 기준광센서부(151)와 3개의 센싱광검출부(141)를 기준광검출부(142)와 각 센싱광검출부(141)를 통해서 파장 검출을 하여 PLC 기반의 AWG칩을 적용한 광학 엔진이 포함된 측정제어부(143)가 파장 검출 신호를 전기신호로 변환한다.
써큘레이터 뒤에 설치된 광스위치(130)는 3채널 선로광센서부(152)의 센서 수를 확장하기 위해 사용하였다. 광스위치(130)는 채널개수에 따른 출력 포트 수만큼 선로광센서부(152)의 확장이 가능하다.
수신부(140)에서는 선로광센서부(152)의 신호를 2개로 나누어 가공전선로의 케이블의 구부림 측정을 위해 DC와 AC신호를 모두수집하는 DC 커플링과 로우패스필터를 이용하여 신호를 취득하고, 케이블 진동 신호를 검출하기 위해 DC신호를 제거하고 AC신호를 입력받는 AC 커플링과 하이 패스 필터를 이용할 수 있다. 3개의 광섬유 격자 센서를 실시간으로 가공전송선로의 진동과 구부림을 모니터링이 가능하게 된다.
도면 2는 전력케이블에 광섬유 격자 센서를 설치 및 탈거가 쉽게 가능하도록 제안한 광섬유 격자 센서 외함 구조도이다. 광섬유 격자 센서 외함의 측면에서 확인이 가능한 바와 같이 광섬유 격자 센서 외함을 케이블에 고정하기 위해 바닥면에 클램프용 홀을 배치하였으며, 상단면에는 광섬유와 광섬유 격자 센서가 전력케이블과 밀착이 되도록 홈과 에폭시를 이용하여 외함에 고정한다.
도면 5와 같이 4개의 선로광센서부(152)의 광섬유센서외함(1522)을 설치하면, 전력케이블의 진동이나 구부림의 방향을 확인이 가능한 장점이 있다.
도면 6에서 와 같이 3개의 선로광센서부(152)를 송전탑 사이 전력케이블에 설치하면 광섬유 격자 센서의 파장 변화에 따른 가공 전력케이블의 쳐짐 정도와 진동을 실시간으로 측정이 가능하다.
110 : 광원부
120 : 서큘레이터
130 : 광스위치
140 : 수신부
141 : 센싱광검출부
142 : 기준광검출부
143 : 측정제어부
151 : 기준광센서부
152 : 선로광센서부 1521 : 선로광센서
1522 : 광섬유센서외함 1523 : 클램프공
1524 : 고정클램프
153 : 선로광섬유

Claims (3)

  1. 광원부와;
    광원부로 부터 광원을 선로측으로 전송하고, 선로측에서 역으로 센싱된 광을 수신부로 전송하는 서큘레이터;
    상기 서큘레이터에 접속되어 가공전선로에 설치되는 선로광섬유
    상기 서큘레이터에서 전송된 광원을 선로광센서부로 분배하는 광스위치;
    상기 광스위치로 분배되는 광원을 가공전선로 처음, 중간, 끝부분에 각각 위치하여 가공전선로의 변화를 측정하는 선로광센서부;
    상기 서큘레이터에서 입사된 광원을 상기 광스위치로 전송하고 파장오차를 보상하여 하기 위한 기준광센서부;
    센싱된 광을 검출 및 측정하는 수신부;로 구성하고,
    상기 수신부는 선로광센서부로 부터 각 위치별로 신호를 검출하는 센싱광검출부와,
    상기 기준광센서부로 부터 신호를 검출하는 기준광검출부와, 상기 센싱광검출부 및 기준광검출부에서 검출된 신호를 위치별로 물리량을 측정하는 측정제어부로 구성하며,
    상기 선로광섬유,선로광센서부,기준광센서부를 1개 광센서채널로 하여 다수개 광센서채널로 구비하고, 상기 광스위치는 각각의 광센서채널로 광원을 분배하는 것을 특징으로 하는 광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 선로광센서부는 가공전선로와 근접한 측부에서 선로광섬유 및 선로광센서를 설치하고, 타측부에 고정클램프가 삽입되는 클램프공이 양끝단에 각각 형성되는 광섬유센서외함과, 상기 클램프공에 삽입되어 가공전선로의 외연을 조여고정하는 고정클램프를 포함하는 광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 센싱광검출부는 구부림 신호검출을 위한 로우패스필터와 진동 신호검출을 위한 하이패스필터를 포함하는 광학 엔진을 적용한 가공송전선로 진동 및 구부림 센서.
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