KR101542538B1 - 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템에 관한 것으로서, 상기 하우징의 내부공간 온도 및, 상기 하우징 내부의 설비에서의 접촉온도를 검출하는 적어도 하나의 광섬유 루프센서로 구성된 센서부; 및, 상기 센서부에서 검출된 아크 플래시의 빈도에 기초하여 상기 하우징 내부의 부분 방전 상태를 진단하고, 진단된 상기 하우징 내의 부분 방전 상태 정보에 따라 상기 하우징의 내부 상태를 제어하거나 알람 신호를 발생하는 감시장치를 포함하고, 상기 광섬유 루프센서는, 아크 검출용 광신호와 아크에 의해 변환된 광신호를 전송하기 위한 광섬유 케이블, 상기 광섬유 케이블을 통해 전송된 아크 검출용 광신호를 반사시키고, 아크가 발생할 경우 상기 발생한 아크에 의해 변형된 아크 검출용 광신호를 반사시키는 반사소자를 구비한 렌즈부, 및, 상기 아크 검출용 광신호를 광섬유 케이블로 송신하고, 상기 광섬유케이블의 측면을 통해 수신한 아크 플래시 광신호 및 상기 렌즈부에서 반사된 아크 플래시 광신호와 상기 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출수단을 포함하고, 상기 광섬유 케이블의 측면 상에는 스크래치되어 스크래치 패턴이 형성되고 밴드패스 필터로 구성되는 다수의 광입사부가 형성되는 구성을 마련한다.
상기와 같은 방법에 의하여, 광섬유 루프센서를 이용함으로써, 광섬유의 길이방향을 따르는 측면에 구비된 광입사부 마다 서로 다른 밴드패스 필터를 구비하여, 단일 광섬유로 아크 플래시가 발생되는 광입사부의 위치를 검출할 수 있다.

Description

광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템 { An arc monitoring system for a distributing board with the optic fiber loop sensor }

본 발명은 수전반, 배전반, 전동기 제어반, 고압반, 저압반, 분전반 중 적어도 하나를 포함하는 전력제어반 내에 광섬유 라인센서를 설치되어, 전력제어반 내에 발생되는 아크 플래시를 감지하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 광섬유 루프센서는 광섬유의 길이방향을 따라 측면에서 아크 플래시를 수광할 수 있도록 가공 처리된 광입사부를 다수 구비하되, 각 광입사부에 아크 파장 대역 중 특정 파장 대역만을 입력되도록 하는 광학 밴드패스 필터를 구비하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템에 관한 것이다.

현재 지속적으로 전기 사용량이 증가함에 따라 전력설비의 대용량화 및 교체가 필요하나, 현재 사용 중인 설비의 즉각적인 교체 및 설비 확충이 쉽지 않기 때문에 현재 전력시스템의 편익을 극대화해야 한다. 이러한 상황에서 전력 설비 운영 중 아크플래시 등 사고 발생 가능성이 더욱 높아지며, 단 몇 초간의 전기 공급 중단으로 말미암은 손해는 막대하다. 따라서 작은 전기 사고라도 간과해서는 안 되며 큰 사고로 번질 가능성을 차단하기 위해서, 원활한 전력설비 운용과 안정성/신뢰성 확보는 현대 전력 시스템에서 매우 중요한 이슈 중 하나이다. 그래서 이를 모니터링하고 차단할 수 있는 센서 안전제어 시스템 적용이 필수이다.

통상적으로 전기재해 중 전기화재의 주요원인은 합선, 과전류, 아크, 누전 등이다. 또한 사용자의 주위 시설 환경(침수상태, 가스, 온도, 홈아울렛 접속불량)에 의한 경우도 주요원인이 되고 있다. 특히, 기존 수배전반에서는 내부의 부품 고장 및 절연 열화 등으로 인하여 예고 없이 정전 및 전기사고 등이 자주 발생되고 있다. 왜냐하면, 기존의 수배전반에서는 정전 및 전기사고를 미연에 방지할 수 있도록 수배전반에서 아크 및 부분 방전을 검출하기 위한 방안이 전무한 상태에 있었다.

이러한 안전사고의 발생을 방지하기 방안으로서, 아크 플래시 감지를 통한 전력 차단 기능을 가지는 수배전 설비가 하기 특허문헌 1에 개시되었다. 상기 특허문헌 1에 따른 수배전 설비는 접근 센서를 통해 작업자의 접근 거리를 감지하고, 아크 센서를 통해 아크를 감지하고, 전류 센서들을 통해 부하의 사용 전류량을 측정하고, 이들 감지 및 측정된 자원과 분전반 내의 공간 등을 고려하여 아크 플래시 사고 에너지 레벨을 산출하고, 산출된 아크 플래시 사고 에너지 레벨에 따라 차단기의 트립 코일에 제어 신호를 선택적으로 인가하여 전력의 공급/차단 여부를 제어할 수 있다.

한편, 수배전 설비는 그 주변에서 운용되는 용접기 또는 금속 등을 용융하는 전기로와 같은 아크를 이용하는 장비에도 지속적으로 전력을 공급할 수 있다. 이러한 아크 이용 장비에서 발생되는 아크 플래시는 상기 수배전 설비 내에서 발생될 수 있는 아크 플래시와 동일 또는 유사한 파장을 가질 수 있다. 그런 만큼, 상기 수배전 설비 내의 아크 센서는 정상적인 발생 요인에 따른 정상적인 아크 플래시(즉, 외부의 아크 플래시)를 사고 또는 절연 열화 등에 의해 수배전 설비의 내부에서 발생하는 아크 플래시로 감지할 수 있다. 그로 인하여, 상기 특허문헌 1에 따른 수배전 설비는 차단기를 불필요하게 구동시키거나 위험 경보를 불필요하게 발령할 수 있다. 이러한 불필요한 정전은 수배전 설비의 유지 관리에 혼선을 야기할 수 있을 뿐만 아니라 부하의 정상적인 운용을 어렵게 만들 수도 있다.

상기 특허문헌 1에 따른 수배전 설비에서의 문제점을 해결하기 한 예로서, 아크 플래시의 발생 위치를 정확하게 감지할 수 있는 아크 플래시 센서를 구비한 수배전 설비가 하기 특허문헌 2에 개시되었다. 상기 특허문헌 2에 따른 수배전 설비는 상기 아크 플래시 센서가 광파이버 및 형광필터를 포함하게 구성되게 하여 센서로 유입될 수 있는 불필요한 자외선이 차단한다. 다시 말하여, 상기 수배전 설비는 내부의 아크 발생 가능 영역으로부터 아크 플래시만이 상기 아크 플래시 센서에 의해 감지될 수 있게 하였다. 이를 통하여, 상기 특허문헌 2에 따른 수배전 설비는 유지 보수 작업의 편의성을 도모하려 하였다.

또한, 특허문헌 3에는, 아크 플래시 검출기가 광 감쇠 필터, 광센서 및 논리 회로를 포함하고, 주위 광이 사전 결정된 비율로 대기 광을 감쇠시키는 광 감쇠 필터에 입력되면, 감쇠된 주위 광(아크 플래시)은 광 감쇠 필터에서 광센서로 전달되고, 감쇠된 주위 광이 광 센서를 포화시키기에 충분한 강도이라면, 광센서는 출력 신호를 논리 회로로 출력하며, 논리 회로는 광 센서의 출력 신호를 평가하고, 아크 플래시 이벤트가 발생된 것으로 결정된다면 그 자체의 출력 신호를 발생하며, 논리 회로의 출력 신호는 아크 플래시를 정지시키고, 조작자에게 알리고 다른 행동을 취할 수 있도록 다른 장치에 의해 사용되는 아크 플래시 검출기에 대해 개시되어 있다.

한편, 아크검출 방식으로는 전자기적 간섭이 없는 광섬유 센서를 이용한 아크플래시 센서가 기술적으로 가장 진보한 형태이다. 특허문헌 4에는, 아크 플래시를 검출하기 위한 라인 센서 및 루프 센서의 광학계를 구비한 아크 플래시 검출장치 및 그 검출방법이 개시되고 있다. 상기 특허문헌 4는, 아크 검출용 광신호와 아크에 의해 변환된 광신호를 전송하기 위한 광섬유 케이블, 상기 광섬유 케이블을 통해 전송된 아크 검출용 광신호를 반사시키고, 아크가 발생할 경우 상기 발생한 아크에 의해 변형된 아크 검출용 광신호를 반사시키는 반사소자를 구비한 렌즈부, 상기 아크 검출용 광신호를 광섬유 케이블로 송신하고, 상기 광섬유케이블의 측면을 통해 수신한 아크 플래시 광신호 및 상기 렌즈에서 반사된 아크 플래시 광신호와 상기 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출수단을 구비한다.

또한, 특허문헌 5에는, 복수의 광 감지소자에 의해 검출하도록 하여 검출 정확도를 높이고, 아크 플래시가 발생된 위치를 표시하도록 하는 아크 플래시 감지 및 차단 시스템이 개시되고 있다. 상기 특허문헌 5는, 부하에 전력을 공급하는 전도체 또는 전력소자에서 발생하는 아크플래시의 광을 감지하는 광센서를 구비하는 센서부; 상기 센서부로부터의 감지결과에 따라 상기 아크플래시가 발생하는 것으로 판단되면, 차단기의 트립을 위한 트립출력을 출력하도록 제어신호를 생성하는 연산부; 상기 연산부로부터의 제어신호에 따라 상기 차단기의 트립을 위한 릴레이 제어신호를 출력하는 트립코일출력부를 가지는 출력부; 및 상기 트립코일출력부로부터 제어신호에 따라 차단기 트립코일을 동작시켜 상기 차단기를 트립시키는 릴레이로 구성된다.

또한, 특허문헌 6에는, 광섬유의 길이방향을 따르는 측면에 센싱 포인트 마다 스크래치 패턴을 갖게 가공 처리한 구조로 되어 있어, 단일 광섬유로 다수의 센싱 위치에 대한 아크 플래시 발생여부를 검출할 수 있는 기술이 제시되고 있다. 특허문헌 6은, 전력 제어반 내에 설치되며 길이방향을 따라 측면에 아크 플래시를 수광할 수 있도록 가공 처리된 측면 가공형 광섬유를 포함하는 수광부와, 측면 가공형 광섬유를 통해 수신된 광을 검출하는 광검출부로 구성된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1194708호(2012.10.19. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1197021호(2012.10.29. 등록) 대한민국 공개특허공보 제2011-0001943호(2011.01.06. 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-1397946호(2014.05.27. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1306965호(2013.09.03. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1419507호(2014.07.08. 등록) 대한민국 공개특허공보 제2011-0123937호(2011.11.16. 공개)

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광섬유 루프센서는 광섬유의 길이방향을 따라 측면에서 아크 플래시를 수광할 수 있도록 가공 처리된 광입사부를 다수 구비하되, 각 광입사부에 아크 파장 대역 중 특정 대역만을 입력되도록 하는 광학 밴드패스 필터를 구비하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 아크 대역을 다수의 대역으로 분할하고, 각 광입사부의 밴드패스 필터의 통과대역을 분할된 대역 중 하나로 설정하여, 광입사부에서 통과하는 아크의 파장이 서로 다를 수 있도록 하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 수전반, 배전반, 전동기 제어반, 고압반, 저압반, 분전반 중 적어도 하나의 전력제어반을 내부에 포함하는 하우징의 아크 플래시를 검출하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템에 관한 것으로서, 상기 하우징의 내부공간 온도 및, 상기 하우징 내부의 설비에서의 접촉온도를 검출하는 적어도 하나의 광섬유 루프센서로 구성된 센서부; 및, 상기 센서부에서 검출된 아크 플래시의 빈도에 기초하여 상기 하우징 내부의 부분 방전 상태를 진단하고, 진단된 상기 하우징 내의 부분 방전 상태 정보에 따라 상기 하우징의 내부 상태를 제어하거나 알람 신호를 발생하는 감시장치를 포함하고, 상기 광섬유 루프센서는, 아크 검출용 광신호와 아크에 의해 변환된 광신호를 전송하기 위한 광섬유 케이블, 상기 광섬유 케이블을 통해 전송된 아크 검출용 광신호를 반사시키고, 아크가 발생할 경우 상기 발생한 아크에 의해 변형된 아크 검출용 광신호를 반사시키는 반사소자를 구비한 렌즈부, 및, 상기 아크 검출용 광신호를 광섬유 케이블로 송신하고, 상기 광섬유케이블의 측면을 통해 수신한 아크 플래시 광신호 및 상기 렌즈부에서 반사된 아크 플래시 광신호와 상기 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출수단을 포함하고, 상기 광섬유 케이블의 측면 상에는 스크래치되어 스크래치 패턴이 형성되고 밴드패스 필터로 구성되는 다수의 광입사부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 방법에 있어서, 상기 다수의 광입사부는 상기 광섬유 케이블의 길이방향을 따라 상호 이격되게 형성되고, 상기 광입사부의 밴드패스 필터는 아크 플래시의 파장 대역 이내의 빛을 통과시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 방법에 있어서, 각 광입사부는 아크 플래시 파장 대역 내에서 서로 다른 대역의 밴드패스 필터로 구성되고, 상기 감시장치는 아크 플래시의 광신호를 상기 센서부로부터 수신하여, 광신호의 파장을 통해 아크 플래시가 검출되는 광입사부의 위치를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 방법에 있어서, 상기 각 광입사부의 밴드패스 필터는 동일한 크기의 대역 필터로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 방법에 있어서, 상기 다수의 광입사부를 다수의 그룹으로 분할하고, 동일한 그룹 내의 광입사부는 동일한 대역의 밴드패스 필터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 방법에 있어서, 동일한 그룹 내에서 각 광입사부의 스크래치 패턴은 광검출수단으로부터 거리가 멀어질수록 스크래치 패턴의 수광영역이 점진적으로 넓거나 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 방법에 있어서, 동일한 그룹 내에서 각 광입사부의 스크래치 패턴은 광검출수단으로부터 거리가 멀어질수록 스크래치 패턴의 식각 깊이가 순차적으로 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템에 의하면, 광섬유의 길이방향을 따르는 측면에 구비된 광입사부 마다 서로 다른 밴드패스 필터를 구비하여, 단일 광섬유로 아크 플래시가 발생되는 광입사부의 위치를 검출할 수 있는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 루프센서의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 광섬유 구성 물질 및 구조도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 내 도파 조건에 대한 설명도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광집속을 위한 개구수(NA) 계산에 대한 설명도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 아크플래시 수광 효율을 높이기 위한 플라스틱 광섬유의 조건을 나타낸 표.
도 7은 본 발명에 따른 아크플래시 감지 광섬유 센서 개요도.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 흡광물질의 도포층 구조를 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 광검출수단에 마련된 광 전송기의 블록도.
도 10은 본 발명에 따른 아크 플래시 루프센서에서 광 전송기의 회로도.
도 11은 본 발명에 따른 광섬유 측면 수광 검출용 포토 다이오드를 구비한 측면 수광 수신기의 블록도.
도 12는 본 발명에 따른 아크 플래시 루프센서의 광 수신기의 회로도.
도 13은 본 발명에 따른 아크 플래시 라인 센서부의 회로도.
도 14는 본 발명에 따른 발란스 검출기(Balanced detector)를 이용한 아크 플래시 광섬유 센서 기본 구성도.
도 15는 도 14에 도시된 발란스 검출기를 이용한 광 아크 검출 알고리즘을 나타내는 흐름도.
도 16은 본 발명에 따른 감시장치의 구성을 나타낸 블록도.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템의 구성에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템은 수배전반 하우징(10)에 설치된 센서부(20), 감시 장치(30), 및, 원격 서버(40)로 구성된다. 추가적으로, 감시장치(30)의 부하율을 모니터링 하는 부하율 모니터링 장치(50)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 부하율은 변압기의 용량 대비 현재의 부하전력의 백분률로 구한다.

센서부(20)는 광섬유 루프센서로 구성된다. 광섬유 루프센서는 수배전반 하우징(10) 내부에 구비된 설비(11)의 근접 설치되어 아크 플래시를 검출한다.

또한, 수배전반 또는 전력제어반은 대용량의 전력을 사용하는 건축물 또는 공장 등지에 설치되는 것으로서, 그 용도에 따라 수전반, 배전반, 분전반 등으로 구분되며, 하우징(10)의 내측에 전력을 분배하고 안정적으로 공급하기 위한 다양한 전력장비들이 설치된다.

수배전반 하우징(10)의 내부에 설치되는 기기 또는 설비(11)는 부스바, 진공차단기(VCB), 계기용변압기(PT), 전력량계량기(MOF), 부하개폐기(LBS), 부싱소자 등과 같이, 각종 몰드형 절연기기와 기기 연결 부품 및 절연 열화 예측이 요구되는 구성품 등이다. 예컨대, 본 발명의 아크 감시 시스템은 수배전반 내부의 저압측 구성장치인 배선용차단기(MCCB: Molded Case Circuit Breaker), 각종 배전 라인 등의 설비를 감시하는 장치로서 응용하여 사용할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 수배전반의 아크 감시 시스템은 이러한 하우징(10) 내의 각각의 기기 상태를 감지하기 위한 감지 수단을 마련하여 수배전반의 열화 상태를 감지하는 것이다.

한편, 센서부(20)와 감시 장치(30), 감시 장치(30) 및 원격 서버(40)는 각각 네트워크에 의해 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 바람직하게는, 센서부(20) 및 감시 장치(30)는 UDP 프로토콜에 의한 인터넷으로 연결되고, 감시 장치(30) 및 원격 서버(40)는 TCP 프로토콜에 의한 인터넷으로 연결된다.

센서부(20)는 앞서 설명한 바와 같이 부스바, 차단기, MOF, CT, PT 및 변압기 등의 고압기기를 포함하는 수배전반 하우징 내에 있는 구성 설비(11)에서 발생하는 아크 플래시를 감지하는 광섬유 센서로 구성된다. 바람직하게는, 센서부(20)는 광섬유 루프센서로 구성되어, 아크 플래시로 인하여 발생되는 빛을 한 가닥의 광섬유(21)로 검출한다. 특히, 광섬유(21)의 측면에 길이 방향을 따라 스크래치와 광학 밴드패스 필터 등으로 형성된 다수의 광입사부(22)가 구비된다. 즉, 아크 플래시로 인하여 발생되는 빛이 광입사부(22)를 통해 광섬유(21) 내부 코어로 들어오고, 들어온 빛을 검출하여 아크 플래시의 발생을 검출한다.

다음으로, 감시 장치(30)는 센서부(20)로부터 센싱된 광 신호(또는 아크 플래시에 의한 광신호)를 수신하고, 수신된 광신호를 분석하여 수배전반의 이상 유무를 판단한다. 감시 장치(30)는 수배전반 하우징(10) 내부 영역 또는 각 설비(11)에서 아크 플래시 등을 모니터링하고, 기준치와 비교하거나 아크 플래시의 발생 횟수나 빈도 등을 구하여 전체, 또는, 설비 구성별로 이상 유무를 판단한다. 또한, 감시 장치(30)는 측정된 내부 또는 설비의 아크 플래시 발생 정도를 영상으로 디스플레이에 표시하거나, 이상 유무를 감지하면 감지 사항을 알람으로 관리자 등에 알린다.

즉, 감시장치(30)는 센서부(20)에서 검출된 내부 또는 각 설비의 아크 플래시의 발생강도나 빈도에 기초하여 상기 하우징 내부의 이상 상태를 추론하여 진단하고, 진단된 상기 하우징 내의 이상 상태 정보에 따라 상기 하우징의 내부 상태를 제어하거나 알람 신호를 발생한다.

바람직하게는, 감시 장치(30)는 수배전반 하우징(10)에 부착하여 설치될 수 있다. 예를 들어, 센서부(20)는 수배전반 하우징(10) 내부에 설치되거나 각 설비(11)에 부착되어 설치되고, 수배전반 하우징(10) 외부에 감시 장치(30)를 설치할 수 있다. 이때, 내부에 설치된 광섬유 루프센서로부터 내부 또는 설비의 아크 플래시를 검출하고, 감시 장치(30)가 검출된 아크 플래시를 분석하여 수배전반 하우징(10) 내부의 이상 유무를 판단할 수 있다.

원격 서버(40)는 개인용 컴퓨터(PC) 또는 서버 장치 등 컴퓨팅 처리 기능을 가진 장치로서, 네트워크를 통해 감시 장치(30)와 연결되어, 감시 장치(30)로부터 검출된 아크 플래시 또는 판단된 데이터 등을 수신한다.

원격 서버(40)는 감시 장치(30)와 역할을 분담하여 처리할 수 있다. 예를 들어, 감시 장치(30)는 실시간으로 측정된 아크 플래시를 모니터링하여 간단한 비교만 수행하여 이상 여부를 감시하고, 원격 서버(40)는 과거 아크 플래시 데이터 및 이상 결과를 학습하여 아크 플래시 강도 또는 빈도에 따른 이상유무 규칙 등을 도출하거나, 임계값 등을 설정하거나 관리하는 등의 기능을 수행한다. 특히, 원격 서버(40)는 데이터 저장 용량이나 컴퓨팅 능력 등 뛰어난 성능을 가지고 있고, 감시 장치(30)는 현장에 설비된 장비로서 원견 서버(40)에 비하여 성능이 떨어질 수 있다. 이러한 성능 차를 감안하여, 원격서버(40)와 감시 장치(30) 간의 기능을 분담할 수 있다. 이하에서는, 감시 장치(30)에서 상기 모든 기능을 수행하는 것으로 설명한다.

한편, 원격 서버(40)는 수배전반이 장착된 중앙관제소의 컴퓨터 시스템으로 구현되지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 관리자의 휴대용 통신기기, 예를 들어 스마트폰, PDA 등이어도 좋다.

또한, 감시장치(30)에는 부하율 모니터링 장치(50)가 연결되어, 부하율을 모니터링 한다.

다음으로, 본 발명에 따른 광섬유 루프센서(20)에 대하여 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

도 2에서 보는 바와 같이, 광섬유 루프센서(20)는 아크 검출용 광신호와 아크에 의해 변환된 광신호를 전송하기 위한 광섬유 케이블(21), 상기 광섬유 케이블(21)을 통해 전송된 아크 검출용 광신호를 반사시키고, 아크가 발생할 경우 상기 발생한 아크에 의해 변형된 아크 검출용 광신호를 반사시키는 반사소자를 구비한 렌즈부(23), 및, 상기 아크 검출용 광신호를 광섬유 케이블(21)로 송신하고, 상기 광섬유케이블의 측면을 통해 수신한 아크 플래시 광신호 및 상기 렌즈에서 반사된 아크 플래시 광신호와 상기 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출수단(24)을 포함한다.

광섬유 케이블(21)은 길이방향을 따라 코어층(211)과, 코어층(211)을 감싸는 클래드층(212)으로 되어 있고, 클래드층(212)은 검출대상 위치에 연마 또는 식각에 의해 길이방향을 따라 요철형태의 스크래치 패턴(213) 및 밴드패스 필터(214)를 구비한 광입사부(22)가 이격되게 다수 형성되어 있다.

아크플래시로 인해 발생한 빛을 한 가닥의 광섬유로 검출하기 위해서는 코어 비율이 큰 플라스틱 광섬유가 유리하다. 바람직하게는, 코어/클래딩 크기가 980/1000 μm인 플라스틱 광섬유를 사용한다. 플라스틱 광섬유 구조 및 구성 물질 분류는 도 3과 같으며, 상대적으로 전송송실이 큰 고순도 아크릴 레진(PMMA : Polymethyl methacrylate) 언덕형(Step index profile) 광섬유를 사용한다. 즉, 플라스틱 광섬유로서 고순도 아크릴 레진(PMMA : Polymethyl methacrylate)으로 된 코어와 불소 폴리머(F-PMMA : Fluorine Polymethyl methacrylate)로 만들어진 얇은 클래드층으로 구성되며, 클래드의 굴절율(refractive index)이 코어보다 낮으므로 광섬유의 한쪽 끝단으로부터 들어온 빛은 코어와 클래드의 접속면에서 전반사(Total-Reflection)를 일으켜 코어를 통하여 다른 광섬유 끝단으로 나가며, 측면에서 발광 기능을 갖는 언덕형(Step index profile)을 사용하는 것이 바람직하다.

광섬유 내 빛의 도파 조건과 관련된 변수는 내부전반사와 임계각이다. 내부전반사는 광섬유 내로 입사된 빛이 손실되지 않고 도파하기 위한 조건이고, 임계각은 내부전반사가 일어나는 최소 입사각이다. 한편, 도 4에서 보는 바와 같이, 광섬유 내 빛의 도파조건은 일반적으로 코어가 클래딩보다 굴절률이 높기 때문에 코어와 클래딩 경계에서 전반사를 일으키며 빛이 계속 진행한다.

도 5에서 보는 바와 같이, 개구수(NA, Numerical Aperture)는 광섬유 내의 빛의 전파(傳播)를 좌우하는 입사각을 결정하는 수치로서, 외부의 빛을 광섬유 끝단에 집속하여 광섬유를 통해 전달하기 위해서는 NA 보다 작은 각도로 입사하여야 하며, 이보다 큰 경우 삽입손실로 인한 광손실이 발생한다.

아크플래시 수광 효율을 높이기 위한 플라스틱 광섬유의 조건은 도 6의 표와 같다. NA값이 상대적으로 큰 언덕형(SI, Step Index) 플라스틱 광섬유의 경우, 루프센서 Tx, Rx 구성 시 허용정렬 오차범위가 커서 패키징의 장점이 있으나, 코어/클래드 굴절률 차이로 인한 아크플래시 수광 효율이 Graded Index(GI) 플라스틱 광섬유보다 낮을 수 있다. 또한, 1 km 당 전송손실에서도 GI-POF가 SI-POF보다 상대적으로 작음을 알 수 있으며, 이에 따라 아크플래시 감지용 광섬유로는 SI-POF를 사용하는 것이 더 바람직하다.

플라스틱 광섬유 중 2가지 종류의 굴절률 프로파일에 대해서만 고려하였으나, 전송손실이 큰 광섬유일수록 아크플래시 광섬유센서로 적합함에 따라 광섬유 선정에 있어서 전송손실이 큰 플라스틱 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 광섬유 다발에 흡광 특성이 있는 폴리머 재질을 코팅한 특수 제작된 광섬유 루프를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에서는 일반적인 광섬유 한 가닥만을 이용한다.

도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 루프센서는 연속적인 구간에 설치된 광섬유 측면을 통해 입사하는 아크플래시 광신호를 검출하여 릴레이(Relay)에 전달하는 센서이다. 구체적으로, 광섬유를 통하여 광신호가 진행할 때 측면을 통해 미약한 세기의 광신호가 빠져나가게 되며, 루프센서는 이러한 현상을 역으로 활용한 센서이다. 이러한 현상은 플라스틱 광섬유를 통해 극대화 할 수 있으며, 이를 위해, 광섬유 케이블(21)의 측면에 스크래치 패턴(213)을 형성하여 광입사부(22)를 구성한다.

광입사부(22)에 형성된 스크래치 패턴(213)은 단위 수광영역을 형성하는 부분이며, 정상적인 클래드층(212)으로부터 코어층(111)을 향하는 방향으로 두께가 얇아지게 식각되되 표면이 골과 돌기가 반복되는 거칠기를 갖게 요철형태로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 광입사부(22)에 형성된 밴드패스 필터(214)는 일정한 대역의 파장만을 투과시키는 광학 필터이다. 즉, 밴드패스 필터(214)는 광학 필터로서 필름 형태로 되어, 광섬유의 주변을 감싸서 구성된다[특허문헌 7]. 바람직하게는, 밴드패스 필터(214)는 아크 플래시의 파장 대역을 통과시키는 필터로 구성된다. 더욱 바람직하게는, 밴드패스 필터(214)는 아크 플래시의 파장 대역 내의 일부 대역을 통과시키는 필터로 구성된다.

플라스틱 광섬유의 파장별 전송 손실(자외선 흡수 손실, 재료에 의한 손실)도 고려한다. 325 nm, 380 nm, 525 nm 부근 대역의 파장 스펙트럼을 갖는 아크플래시의 경우 광섬유 내 전송손실을 고려하면 525 nm 부근 대역을 감지하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 500nm ~ 550nm 대역을 감지하는 것이 바람직하다. 다만, 센서의 오동작 방지를 위해 부분방전(PD) 윈도우에는 500nm ~ 550nm 대역 파장만 투과하는 필터를 구성하고, 그와 반대로 실내등과 같은 주변광원에는 500nm ~ 550nm 대역의 파장을 차단하는 필터를 구성하는 것이 바람직하다. 따라서 밴드패스 필터(214)는 500nm ~ 550nm 대역의 파장만을 투과하는 필터로 구성되는 것이 바람직하다.

광입사부(22)는 검출대상 위치마다 등간격으로 상호 이격되게 형성될 수 있다. 다른 실시예로서, 광입사부(22)는 검출대상 위치마다 다수가 상호 이격되게 형성될 수 있다.

한편, 바람직하게는, 각 광입사부(22)는 아크 플래시 파장 대역 내에서 서로 다른 대역의 밴드패스 필터(214)로 구성된다. 특히, 바람직하게는, 각 광입사부(22)의 밴드패스 필터(214)는 동일한 크기의 대역 필터로 형성된다. 예를 들어, 도 2에서, 제1 밴드패스 필터(214a)는 500nm ~ 515nm 대역의 필터, 제2 밴드패스 필터(214b)는 510nm ~ 530nm 대역의 필터, 제3 밴드패스 필터(214c)는 530nm ~ 545nm 대역의 필터 등으로 구성할 수 있다.

각 광입사부(22)의 투과 파장 대역을 다르게 설정함으로써, 아크 플래시에 의한 광신호를 검출할 때 파장으로 어느 위치에 있는 광입사부(22)에서 수광되었는지를 판단할 수 있다. 즉, 광입사부(22)의 수광 대역 차이에 따라 광검출수단(24)에서 수신된 광에 대해 어느 광입사부(22)에서 광이 수광됐는지를 확인할 수 있도록 구별이 가능하게 수광 대역의 차이를 부여하는 경우, 각 광입사부(22)에 대해 고유 어드레스를 부여하는 것과 같이 형성할 수 있음은 물론이다.

또한, 다른 실시예로서, 각 광입사부(22)를 인접한 광입사부(22) 끼리 그룹을 형성하게 하고, 같은 그룹 내의 광입사부(22)의 밴드패스 필터(214)의 통과 대역을 동일하게 형성한다. 예를 들어, 광입사부(22)가 30개가 형성된 경우, 광검출수단(24)에서 멀어지는 순서대로, 10개, 10개, 10개를 각각 그룹으로 형성하여, 3개의 그룹을 형성할 수 있다. 이때, 3개의 그룹 각각에는 밴드패스 필터(214)의 통과 대역을 서로 다른 통과대역으로 설정한다. 즉, 제1 그룹의 밴드패스 필터(214a)는 500nm ~ 515nm 대역의 필터, 제2 그룹의 제2 밴드패스 필터(214b)는 510nm ~ 530nm 대역의 필터, 제3 그룹의 제3 밴드패스 필터(214c)는 530nm ~ 545nm 대역의 필터 등으로 구성할 수 있다.

이때, 바람직하게는, 동일한 그룹 내에서 각 광입사부(22)의 스크래치 패턴(213)은 광검출수단(24)으로부터 거리가 멀어질수록 스크래치 패턴(213)의 수광영역이 점진적으로 넓거나 좁아지게 형성될 수 있다. 또한, 다른 실시예로서, 각 광입사부(22)의 스크래치 패턴(213)은 광검출수단(24)으로부터 멀어질수록 식각 깊이가 순차적으로 다르게 형성될 수 있다.

이와 같이, 동일한 그룹 내의 광입사부(22)에서 스크래치 패턴(213)의 식각 깊이를 순차적으로 다르게 적용하거나, 수광영역을 점진적으로 넓거나 좁아지게 하게 되면, 동일한 그룹 내에서 각 스크래치 패턴(113)의 수광 능력을 차별화시킬 수 있다.

즉, 스크래치 패턴(213)의 수광능력 차이에 따라 광검출수단(24)에서 수신된 광에 대해 어느 광입사부(22)에서 광이 수광됐는지를 확인할 수 있도록 구별이 가능하게 수광능력의 차이를 부여하는 경우, 각 광입사부(22)의 광신호의 파장과 수광 능력에 의하여, 각 광입사부(22)에 대해 고유 어드레스를 부여하는 것과 같이 형성할 수 있다.

또한, 렌즈부(23)는 광섬유 케이블(21)의 선단 즉, 광검출수단(24)과 대향되는 부분 반대편에 있는 부분에 형성되어, 외부광의 유입을 차단하며 스크래치 패턴(213)을 통해 수광된 광중 광검출수단(24)를 향하는 방향과 반대방향으로 진행되는 광을 반사시킬 수 있도록 내측면에 고반사율을 갖는 소재로 형성되어 있다.

한편, 본 발명에 따른 아크 플래시 검출장치에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 자외선 흡광물질을 이용한 아크 플래시 감도를 향상시키기 위해 상기 광섬유의 클래딩의 부분에 자외선 흡광 물질이 도포된 도포층(215)을 마련하여도 좋다. 특히, 바람직하게는, 광입사부(22)의 광섬유 케이블(21) 또는 클래드층(212)에 도포층을 형성한다. 더욱 바람직하게는, 도 8과 같이, 스크래치 패턴(213) 부분 또는 밴드패스 필터(214) 부분에 자외선 흡광물질의 도포층(215)을 형성한다.

일반적으로 폴리머의 분자에 광이 쪼이면 이 에너지를 분자가 흡수하게 되고, 분자가 회전하거나 원자 간 결합이 공명 진동하는 등 전자 운동이 일어난다. 이와 같은 전자 운동이 일어나면 광이 흡수되기 때문에 투과성이 저하된다.

이러한 광의 흡수는 자외선영역에서 일어나는 '전자천이흡수'와 적외선영역에서 보이는 '분자진동흡수'로 크게 나누어진다. 아크 플래시의 경우, 전자천이흡수가 잘 일어나는 물질을 플라스틱 광섬유에 코팅하게 되면 감지 효율을 더 높일 수 있다.

상기 전자천이흡수에 대해 부가적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 광학재료는 태양광을 이용하는 경우가 많기 때문에 우선 가시광영역에서의 투과성이 중요하다. 그것은 주로 전자의 광여기에 기초로 한 자외흡수, 즉, '전자천이흡수'에 지배되며, '전자천이흡수'는 재료를 구성하는 원자 간의 결합 강도에 좌우된다.

결합이 강한 δ 전자에 기반한 단일결합으로 이루어진 폴리머계는 상호적으로 전자가 속박되어 있기 때문에 전자운동이 일어나기 어렵고 광의 흡수는 작다. 그러나 π 전자로부터 된 결합이 약한 이중결합을 분자사슬 중에 갖는 폴리머계는 광이 쪼이면 전자운동이 일어나고 전자의 에너지 준위가 변화하기 때문에 흡수가 보인다.

대표적인 것은 벤젠고리, azo기 등 이중결합에 의한 π→π* 천이, CO기에 의한 n →π*천이, 그리고 SH결합에 근거로 한 n→δ* 등이 있다.

또한 자외선 파장의 구분으로 UV-A 400 ~ 320㎚, UV-B 320 ~ 280㎚, UV-C 280㎚ 이하로 나누어진다.

또한, 아크 플래시 스펙트럼 파장은 325㎚, 380㎚, 525㎚ 부근이다.

이와 같은 센서 코팅에 사용될 수 있는 자외선 흡수 물질로서는 Benzophenone 계, Benzotriazole 계, Salicylate 계, Cyanoacrylate 계, Oxanilide 계, 기타 Hindered amine 계, 금속착염계 광안정제 등이 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 아크 감시 시스템에 적용되는 광검출수단(24)의 구성을 도 9 내지 도 13에 따라 설명한다.

본 발명에 따른 광검출수단(24)은 광섬유 케이블이 연결되어 광섬유 끝단에서 아크를 검출하는 라인 또는 루프 센서부 및 연속적인 구간에 설치된 광섬유 케이블의 측면을 통해 입사하는 아크 플래시 광신호를 검출하여 릴레이에 전달하는 루프 센서부를 포함한다.

센서 채널당 하나의 센서로 구성된 아크 센서로서 광검출기로만 구성된 포인트 센서와 광섬유가 연결되어 광섬유 끝단에서 아크를 검출하는 라인 센서(또는 루프센서)가 있지만, 본 발명에서는 전자기적 영향을 고려할 때 배전반 내부 설치의 경우 루프 센서를 적용한다.

상기 루프센서는 광섬유를 통하여 광신호가 진행할 때 측면을 통해 미약한 세기의 광신호가 빠져나가게 되는 현상을 역으로 활용한 센서이다. 이러한 현상은 플라스틱 광섬유를 통해 극대화할 수 있으며, 본 발명에서는 루프센서에 적합한 광섬유를 선정하였다. 또한, 종래의 기술에서는 광섬유 다발에 흡광 특성이 있는 폴리머 재질을 코팅한 특수 제작된 광섬유 루프를 사용하고 있으나, 본 발명에서는 클래딩에 비해 코어가 큰 플라스틱 광섬유의 한 가닥만을 이용하였다.

도 9는 본 발명에 따른 광검출수단에 마련된 광 전송기의 블록도 이고, 도 10은 아크 플래시 루프센서에서 광 전송기의 회로도이다.

광케이블은 플라스틱 광섬유를 사용하며 가시광영역에 형성된 아크의 광세기를 검출하도록 구성하도록 루프센서 광트립을 위한 광 전송기를 제작하였다.

특히, 도 10의 회로도는 TO-CAN type LD 구동 회로이다.

도 9 및 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 제어부(미도시)에서 단자(CON4)를 통해 레이저 광다이오드(LD) 구동신호가 입력되면, 전압-전류 변환부(241)(R16, R17)를 통해 동작 상태 표시용 LED 또는 동작상태 표시부(243)(D10) 및 레이저 다이오드(242)(D9)에 동작 전류가 공급된다. 이와 같은 동작 전류의 공급에 따라 동작 상태 표시용 LED(D10)가 ON되어 광 전송기의 동작 상태를 표시하게 되고, 레이저 다이오드(D9)는 동작 전류에 대응하는 광을 광 섬유 케이블(21)로 전송한다.

상술한 바와 같은 구조를 마련하는 것에 의해 전송 및 트립을 최적화할 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 광섬유 측면 수광 검출용 포토 다이오드(245)를 구비한 측면 수광 수신기의 블록도 이고, 도 12는 아크 플래시 루프센서의 광 수신기의 회로도이다.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 측면 수광을 위한 광섬유 케이블(21)의 스크래치 패턴(213) 또는 도포층(215)을 통한 수광을 포토 다이오드(PD)(245)를 통해 검출하고, 전류-전압 변환 및 증폭부(246)에서 증폭되어 pd 증폭신호를 출력한다. 상기 전류-전압 변환 및 증폭부(246)는 PWM(펄스폭 변조) 등 펄스형 전원에 따른 전원 안정화 회로(247)와 감도 조절 회로(248)에 의해 증폭 상태가 제어된다.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같은 포토 다이오드의 수신 회로를 마련하는 것에 의해 센서 감도 및 트립 레벨을 최적화할 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 아크 플래시 루프 센서부의 회로도이다.

즉, 도 13의 루프 센서부는 아크 플래시 포토 다이오드 기반 센서로서, TO-CAN PD 윈도우에 UV영역 필터 처리를 통해 325 ~ 450㎚, 또는 500 ~ 550 nm 파장 영역 아크의 광세기를 검출하도록 구성된 광 수신기의 회로도이다.

루프센서는 포인트센서와 달리 광섬유 측면 수광 효율에 대한 의존도가 더 높기 때문에 본 발명에서는 포토 다이오드(PD)의 감도를 최대화한 후 저항값을 변화하며 10 klux에 대한 저항 최소값을 추적하였다.

제작된 루프센서의 감도를 최대화함으로써 10 ~ 45 klux 정도의 넓은 동적 범위 특성을 갖는 것으로 나타났다. 테스트 결과, 제작된 루프센서는 10 ~ 40 klux 조건을 만족하며, 아크 광에 대한 반응이 최대 2.5 msec 이내에 종료되는 것으로 분석되었다. 이와 더불어 광검출소자의 감도를 극대화하는 방법과 플라스틱 광섬유 표면에 스크래치 패턴을 형성하는 방법을 중용할 경우, 매우 효과적이었다.

다음에 본 발명의 또 다른 구성의 예를 도 14 및 도 15에 따라 설명한다.

도 14는 발란스 검출기(Balanced detector)를 이용한 아크 플래시 광섬유 센서 기본 구성도이고, 도 15는 도 14에 도시된 발란스 검출기를 이용한 광 아크 검출 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.

도 14에 도시된 광검출수단은 제1 광검출기 및 상기 제1 광검출기와 위상이 반대인 제2 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉 발란스 검출기를 이용한 아크 플래시 광검출은 노이즈 억제 및 감도 향상 에 효과적이다.

상기 발란스 검출기는 도 14에 도시된 바와 같이, 동일한 특성을 갖는 포토 다이이드로 구성된 Ch+와 Ch-의 출력은 같지만 각각의 위상이 다른 광검출기로서, 노이즈 억제를 통한 작은 크기의 신호 검출에 효과적이다.

이와 같은 발란스 검출기는 아크 플래시에 의해 발생한 광펄스를 멀티모드 광섬유 분배기를 사용하여 50%씩 나누어 각각 채널+, 채널-로 입력한 후 각각의 포토 다이오드로부터의 전기 신호를 중첩하면 노이즈 상쇄 및 그로 인한 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio ; SNR)이 향상된다.

따라서, 광섬유 표면을 통해 입사된 매우 약한 광신호를 APD(avalanche photo diode) 혹은 TIA(transimpedance amplifier)를 통한 증폭과정을 거치지 않고 신호 콘트라스트(contrast)의 향상이 가능하다.

통상 노이즈로 인한 작은 신호 검출이 불가하나, 본 발명에 따른 발란스 검출기의 구성을 채용하는 것에 의해 노이즈 억제가 가능하며, 아크 플래시 발생 유무를 판단하는 문턱 전압 조정 및 신호처리에 효과적이다.

다음에, 도 15에 따라 발란스 검출기를 이용한 광 아크 검출을 설명한다.

도 14에 도시된 발란스 검출기의 각 채널 Ch+와 Ch-의 출력을 측정한다(S10).

그 후, 제어부(미도시)에서는 상기 단계 S10에서 측정된 각 채널 측정값을 비교하고, 차이를 측정한다. 상기 단계 S20에서 측정된 차이값을 출력하고(S30), 미리 설정된 광 수신 감도와 비교하고, 설정된 감도 이상인 경우, 광 아크 발생으로 판단한다(S40).

상기 단계 S40에서 차이값이 미리 설정된 광 감도 이내인 경우 종료한다.

한편, 상기 단계 S40에서 광 아크의 발생으로 판단된 경우, 상기 단계 S10으로 진행하여 상술한 과정을 반복한다.

상술한 바와 같은 발란스 검출기의 구성을 채용하는 것에 의해 아크 플래시 발생 유무를 정밀하고, 신속하게 판단할 수 있다.

다음으로, 감시장치(30)의 구성에 대하여 도 16을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

감시장치(30)는 특정한 지점에서 아크 플래시의 강도나 빈도 등을 분석하고, 알람 설정은 아크 플래시의 강도나 빈도가 위험 범위 임계치 범위 안에서 이루어진다. 아크 플래시가 발생하였을 때 광섬유 루프센서를 통하여 수집된 정보를 데이터베이스에 저장하여 실시간으로 아크 플래시를 검출하고 검출된 아크 플래시의 강도나 빈도와 데이터베이스에 저장된 강도 또는 빈도 정보를 비교하여 분석한다. 또한, 감시장치(30)는 과거의 아크 플래시의 강도 또는 빈도의 자료와 열화상태 결과를 학습하여 추론 규칙을 생성하고, 추론 규칙에 의하여 열화 여부를 추론할 수 있다.

도 10에서 보는 바와 같이, 감시 장치(30)는 센서 수신부(31), 표시부(32), 설정부(33), 이상유무 판단부(34), 및, 저장부(36)로 구성된다. 바람직하게는, 알람부(35)를 추가하여 구성될 수 있다.

센서 수신부(31)는 광섬유 루프 센서부(20)로부터 검출된 아크 플래시의 데이터를 수신한다. 설정부(33)는 아크 플래시의 빈도나 강도, 알람 기준, 알람 형태 등 각종 감시장치의 감시를 위한 변수나 상수, 조건 등을 사전에 설정하는 입력장치이다.

광검출수단(24)는 광섬유 케이블(21)를 통해 수신된 광에 대응되는 전기적 신호를 센서 수신부(31)에 출력한다.

다음으로, 이상유무 판단부(34)는 하우징(10)의 각 설비(11) 또는 주변의 아크 플래시의 강도 또는 빈도 등을 이용하여, 이상 유무를 판단한다. 아크 플래시 외에도, 온도나 습도 등을 측정하여 복합적으로 판단할 수 있다.

이상유무 판단부(34)는 광검출수단(24)에서 출력되는 신호로부터 플래시 아크의 발생여부를 판단하고, 플래시 아크가 발생된 것으로 판단되면 표시부(32)를 통해 플래시 아크 발생상황을 표시한다.

이상유무 판단부(34)는 아크 플래시의 발생에 따라 어느 검출대상 위치에 해당하는 광입사부(22)를 통해 입력된 신호인지를 구별할 수 있도록 각 광입사부(22)마다 앞서 설명된 바와 같이 신호 투과 대역 및 수광능력이 다르게 설정된 경우, 광입사부(22)의 위치별로 대응되는 비교 기준신호들이 광입사부(22) 위치에 대응되게 룩업테이블(미도시)에 기록되어 있고, 룩업테이블의 정보를 이용하여 아크 플래시 발생 위치정보를 판단하고, 판단된 아크 플래시 발생위치 정보도 표시부(32)를 통해 표시처리하도록 구축될 수 있다.

표시부(32)는 아크 플래시 강도나 빈도 등 부분 방전 상태의 데이터를 2차원 디스플레이에 표시한다. 즉, 표시부(32)는 하우징(10)의 내부 설비의 위치 및 해당 설비에서의 검출된 아크 플래시의 빈도를 표시하거나, 추론된 열화 상태 또는 열화 판단 결과를 화면에 표시한다. 특히, 수배전반 배치도 상에서 각 설비 별로 이상 유무를 표시할 수 있다.

저장부(36)는 하우징(10)의 각 설비(11), 또는 설치된 광섬유 루프센서(20)에서의 광입사부(22)의 위치, 검출된 아크 플래시를 연산한 결과 등을 필요한 데이터를 저장한다. 또한, 실시간으로 수집된 검출 값과 비교하기 위한 이력 검출 값 등을 저장한다.

알람부(35)는 판단부(34)에서 이상이 있는 것으로 판단하는 경우, 이상 상태를 알린다. 특히, 이상 상태와, 해당 설비 또는 이상 상태의 설비에 대한 정보를 같이 알린다. 실시간 검출 부분 방전의 상태가 임계치보다 크면 경보가 작동한다. 또는, 열화상태 추론에 의하여 이상상태로 판단되면 해당 이상상태에 대응되는 알람을 발생시킨다.

광섬유 루프센서를 통하여 수집된 정보를 데이터베이스에 저장하고 실시간 측정 부분 방전 상태가 임계치(기준 빈도나 기준 강도 등) 보다 크면 경보가 작동한다. 이때 경보가 발생하면 자동으로 경보 발생 위치를 화면에 나타내어 주어야 하고 문제점을 찾을 수 있도록 한다.

경보 발생 후 임계치를 초과한 부분 방전에 대한 정보와 데이터베이스에 저장된 이력 방전 정보를 자동으로 비교 분석한다. 실시간 측정한 방전 상태 정보와 이력 방전 정보와 비교 분석 후에 경보가 발생한 위치를 확인한다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : 수배전반 하우징 11 : 구성 설비
20 : 센서부 21 : 광섬유 케이블
22 : 광입사부 23 : 렌즈부
24 : 광검출수단
30 : 감시 장치 31 : 센서 수신부
32 : 표시부 33 : 설정부
34 : 이상유무 판단부 35 : 알람부
36 : 저장부 40 : 원격 서버
211 : 코어 212 : 클래드층
213 : 스크래치 패턴 214, 214a, 214b, 214c : 밴드패스 필터
215 : 자외선 흡광물질
241 : 전압전류 변환부 242 : 레이저 다이오드(LD)
243 : 동작상태 표시부 245 : 포토 다이오드(PD)
246 : 전류전압 변환증폭부 247 : 안정화 회로
248 : 감도조절 회로

Claims (7)

1. 수전반, 배전반, 전동기 제어반, 고압반, 저압반, 분전반 중 적어도 하나의 전력제어반을 내부에 포함하는 하우징의 아크 플래시를 검출하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템에 있어서,
   상기 하우징의 내부공간 온도 및, 상기 하우징 내부의 설비에서의 접촉온도를 검출하는 적어도 하나의 광섬유 루프센서로 구성된 센서부; 및,
   상기 센서부에서 검출된 아크 플래시의 빈도에 기초하여 상기 하우징 내부의 부분 방전 상태를 진단하고, 진단된 상기 하우징 내의 부분 방전 상태 정보에 따라 상기 하우징의 내부 상태를 제어하거나 알람 신호를 발생하는 감시장치를 포함하고,
   상기 광섬유 루프센서는,
   아크 검출용 광신호와 아크에 의해 변환된 광신호를 전송하기 위한 광섬유 케이블,
   상기 광섬유 케이블을 통해 전송된 아크 검출용 광신호를 반사시키고, 아크가 발생할 경우 상기 발생한 아크에 의해 변형된 아크 검출용 광신호를 반사시키는 반사소자를 구비한 렌즈부, 및,
   상기 아크 검출용 광신호를 광섬유 케이블로 송신하고, 상기 광섬유케이블의 측면을 통해 수신한 아크 플래시 광신호 및 상기 렌즈부에서 반사된 아크 플래시 광신호와 상기 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출수단을 포함하고,
   상기 광섬유 케이블의 측면 상에는 스크래치되어 스크래치 패턴이 형성되고 밴드패스 필터로 구성되는 다수의 광입사부가 형성되고,
   상기 다수의 광입사부는 상기 광섬유 케이블의 길이방향을 따라 상호 이격되게 형성되고, 상기 광입사부의 밴드패스 필터는 아크 플래시의 파장 대역 이내의 빛을 통과시키고,
   각 광입사부는 아크 플래시 파장 대역 내에서 서로 다른 대역의 밴드패스 필터로 구성되고,
   상기 감시장치는 아크 플래시의 광신호를 상기 센서부로부터 수신하여, 광신호의 파장을 통해 아크 플래시가 검출되는 광입사부의 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 각 광입사부의 밴드패스 필터는 동일한 크기의 대역 필터로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 광입사부를 다수의 그룹으로 분할하고, 동일한 그룹 내의 광입사부는 동일한 대역의 밴드패스 필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템.
   
6. 제5항에 있어서
   동일한 그룹 내에서 각 광입사부의 스크래치 패턴은 광검출수단으로부터 거리가 멀어질수록 스크래치 패턴의 수광영역이 점진적으로 넓거나 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템.
   
7. 제5항에 있어서
   동일한 그룹 내에서 각 광입사부의 스크래치 패턴은 광검출수단으로부터 거리가 멀어질수록 스크래치 패턴의 식각 깊이가 순차적으로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템.
   

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