광섬유 전류센서의 연구개발 과정에서는 △특성의 안정성 △구성의 간소화 △제작비용이 중요한 과제가 되어 왔다. 그 과제들을 달성하기 위해 본 개발에서 이용한 기술 중 주요내용을 이하에 설명한다.
통신용의 석영을 소재로 하는 광섬유를 센서에 이용하면 파이버를 통과하는 빛의 편파가 광탄성에 의한 응력의 영향을 받기 쉽다. 이러한 경우 편파의 변화가 패러데이 효과에 의한 것인지 광탄성에 의한 것인지 구별이 어렵게 된다. 본 개발에서는 광탄성 계수가 작은 납유리를 소재로 한 센서용 광섬유를 개발하여 이 문제를 해결했다.
편파에 관한 또 다른 문제로서 광섬유를 통과하는 빛의 편파 방위가 파이버의 곡선 형태에 의존하는 현상을 들 수 있다. 이 현상이 발생하면 편파의 회전이 패러데이 효과에 의한 것인지 곡선의 변화에 의한 것인지 구별이 불가능하다. 이 문제를 해결하기 위해 파이버의 한쪽 끝에 거울을 설치하는 방법을 개발했다. 이렇게 하면 편파 방위는 곡선형과 무관하게 된다.
변조도의 평균처리라고 하는 신호처리법을 개발했다. 이 처리를 이용하면 △광원 강도의 드리프트 △ 광원에서 수광소자까지 광로의 광량 손실 드리프트 △부품의 편광특성 변동에 따른 광학 바이어스 드리프트 등을 쉽게 보상할 수 있다. 또한, 광원 강도의 리플 등 잡음 제거가 가능하다.
센서헤드는 소형이면서 동시에 온도 등의 가혹한 환경 조건에 견딜 수 있어야 한다. 이러한 요구에 부응하기 위해 광통신 부품의 제조기술을 활용하여 △소형 △특성 안정화 △양산이 가능한 광학계(편/검광자·광학 바이어스부 등)를 가진 센서헤드의 개발에 성공했다.
개발한 센서의 특장점을 변류기 문제와 대조하여 정리해 보면 다음과 같다.
① 센서를 도체에 장착 시 절연확보가 용이하며, 철심이 불필요하다. 또한, 장치의 소형화 및 경량화가 가능하다.
② 유연 광섬유를 도체에 감는 것만으로 계측이 가능하다.
③ 응답의 고속화가 가능하며, 전자잡음의 영향을 받지 않는다. 또 장거리 신호 전송이 용이하며, 전자회로의 설치장소에 제약이 없다.
④ 자기포화에 의한 출력 변형이 없고, 전력계통 사고 시 직류분을 포함한 대전류의 검출에 적합하다.
⑤ 비측정 전류가 흐르는 회로에 대한 교란을 무시할 수 있으며, 전원 파워가 극단적으로 작은 회로의 전류를 정확하게 검출할 수 있다.
이러한 특장점을 살린 전력설비 감시용 장치를 전기제조업체와 공동으로 개발하여 그 실용화 사례를 이하에 소개한다.
지중 송전선용 사고구간 판정장치의 개발(1) 장치의 개요광섬유 전류센서를 응용하여 지중 송전선을 포함한 전력계통에 사고가 발생한 경우 그 사고가 지중 송전선의 범위인지 아닌지의 여부를 판정하는 사고구간 판정장치를 개발했다.
[그림 3]에 그 구성을 나타냈다. 케이블의 양단(점 A. B)에 센서를 장착하여 사고 시의 3상 합성전류(영상전류)를 검출한다. 사고전류에 의해 변조된 센서헤드의 출력광은 신호전송용 광섬유에서 변전소에 설치된 검출반으로 보내진다. 검출반에서는 점A와 점B의 전류치의 차(差)로부터 사고구간을 판정하고 판정신호를 출력한다.
(2) 실용화권선형 변류기로 전류를 검출하는 기존의 방식과 비교하여 이 방식의 특장점은 다음과 같다.
· 센서의 설치장소에 전자회로 및 전원이 불필요하며 구성이 간단하다.
· 최장 20km까지 장거리 신호 전송이 가능하다.
· 기설 선로에의 전류센서 설치가 용이하다.
· 변류기 철심의 자기포화에 기인하는 오동작의 우려가 없다.
지중 송전선용 사고점 표정장치의 개발(1) 장치의 개요지중 송전선의 사고점을 자동적으로 표정(標定)하는 것을 목적으로, 센서를 응용한 사고 「점」 표정장치를 개발했다. [그림 4]에 그 구성을 나타냈다.장치는 케이블의 각 상(相) 양단에 설치한 광섬유 전류센서, 종국(從局), 주국(主局) 및 데이터 전송로로 구성된다. 사고 발생 시 광섬유 전류센서가 사고점으로부터 도착한 서지전류를 검출해 신호를 종국(從局)으로 전송한다. 종국은 GPS 시계에 의해 서지의 도착시각을 정밀하게 계측하고, 주국(主局)에 그 계측치를 전송한다. 주국은 종국에서 받은 서지 도착시각치(値)의 차(差)로 사고점을 구한다.
(2) 실용화정지 중의 275kV 선로 차단기를 투입하는 방법에 의해 표정시험을 실시했다. 그 결과, 표정오차는 케이블 길이 15km에 대해 ±50m 미만의 범위로, 요구사양을 충분히 만족하는 정밀도를 나타냈다. 이 시험결과를 근거로 도쿄전력㈜의 275kV 지중 송전선에 개발 장치를 실용화했다. 이후 도쿄전력 외에서도 실용화가 진행되었다. [그림 5]에 275kV 케이블에 설치한 센서헤드의 외관을 나타냈다.
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