케이블 보호를 위한 광섬유 센싱 기술 기반의 케이블 감시 시스템에 관한 연구 A study on the optical fiber sensing technology - based cable monitoring system for the protection of cable원문보기
현재 국내 전력계통은 AC 송전선로를 기반으로 최근에는 HVDC 시스템이 적용되어 해남∼제주, 진도∼제주 구간 HVDC 송전선로가 준공되어 운용중이다. 또한 민원 및 환경요인 등으로 가공송전선로와 병행하여 지중송전선로 건설도 활발히 진행 중이다. 이에 케이블을 보호하기 위한 여러 가지 방안이 모색되었으나 대부분 케이블의 제작결함 및 시공오류 등에 대한 해결방안으로 국한되어 있어, 본 논문에서는 케이블 보호를 위해 기존의 통신관로를 이용한 광섬유 ...
현재 국내 전력계통은 AC 송전선로를 기반으로 최근에는 HVDC 시스템이 적용되어 해남∼제주, 진도∼제주 구간 HVDC 송전선로가 준공되어 운용중이다. 또한 민원 및 환경요인 등으로 가공송전선로와 병행하여 지중송전선로 건설도 활발히 진행 중이다. 이에 케이블을 보호하기 위한 여러 가지 방안이 모색되었으나 대부분 케이블의 제작결함 및 시공오류 등에 대한 해결방안으로 국한되어 있어, 본 논문에서는 케이블 보호를 위해 기존의 통신관로를 이용한 광섬유 센싱 기술 기반의 케이블 감시 시스템을 연구하였다. 먼저 설치된 케이블에 손상을 입힐 수 있는 건설공사의 유형을 조사하였다. 건설공사 중 기초공사, 지반정지공사, 콘크리트공사 등의 주요공종에서 사용되는 건설기계를 이용한 작업 중 케이블을 손상시킬 수 있으며, 이러한 건설기계는 자체엔진을 동력으로 작동되기 때문에 소음을 동반하며 소음은 정상소음, 변동소음, 충격소음, 간헐소음, 분리충격소음, 준정상 충격소음으로 분류할 수 있다. 또한 건설기계의 소음 주파수를 분석하면 20Hz ∼ 2,000Hz 범위에서 건설기계별로 일정한 주파수 특성을 가지고 있다. 이어 광케이블 및 광섬유에 대해 조사하였다. 광케이블은 외부 재킷, 보강재, 완충 재킷, 광섬유의 구조로 되어있으며 광섬유는 코팅, 클래딩, 코어로 이루어져 있다. 광섬유에 입사되는 빛은 대부분 통과하지만 일부는 반사되어 돌아오는데 이를 후방산란광이라고 한다. 후방산란광은 라일레이 산란광, 라만 산란광, 브릴루인 산란광으로 나뉘게 된다. 라일레이 산란광은 후방산란광의 95%를 차지하며, 빛의 유사한 파장의 성분으로 큰 진폭을 가지고 있으며, 광섬유의 고유특성 및 손실측정에 이용된다. 라만 산란광은 분자의 진동과 신호의 크기에 따라 변하는데 환경 온도의 영향을 받는다. 브릴루인 산란광은 광섬유의 밀도 변화에 기초를 두며 변형률과 온도의 영향을 받는다. 광섬유 센싱의 원리는 후방산란광으로부터 외부 이상신호를 감지하는 신호를 추출하여 이를 증폭한 후 측정된 값의 평균값으로 환산하여 데이타를 확정하는 것이다. 광섬유 센싱 기반의 온도 측정 시스템은 후방산란광의 라만 산란광과 브릴루인 산란광을 이용하여 분석측정기기인 OTDR을 통해 온도 데이타를 분석하는 것이다. 이 시스템은 케이블을 비롯한 전력시설물을 보호하거나 대규모 설비의 화재 감시용으로 활용되고 있다. 광섬유 센싱 기반의 음향 측정 시스템은 후방산란광의 라일레이 산란광을 이용하여 분석기기인 OTDR과 C-OTDR을 통해 음향 데이타를 분석하는 것이다. 이 시스템은 석유나 가스의 원료를 추출하거나 이송시 음향을 분석하여 작업의 이상 유무를 확인하는데 사용하고 있다. 이에 광섬유 센싱 기반의 음향 측정 시스템으로 도로 하부에 건설된 전력케이블을 감시할 수 있는지를 시험하였다. 모의시험은 크게 3가지 측면에서 진행하였다. 첫 번째는 지중송전선로의 깊이, 거리에 따른 음향 감지 변화량을 측정하였다. 두 번째는 음향의 감지범위를 측정하기 위해 백호우 등을 이용한 건설공사로부터 해머작업에 이르는 다양한 작업을 실시하였다. 세 번째는 매질에 따른 음향 감지 변화량을 측정하기 위해 콘크리트 도로, 아스팔트 도로, 보호철판을 설치하였다. 모의시험 결과 모든 모의시험에서 음향의 감지 시간 및 감지 위치가 실시간으로 정확하게 측정되었다. 또한 건설기계별 측정한 음향 주파수를 소음특성과 비교한 결과 매우 유사한 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 광섬유 센싱 기반의 온도 측정 시스템은 사고발생 이후 고장요인 파악 등에 활용되고 있으나 신뢰성을 높여 적용분야를 확대해 나가야 할 것이며 광섬유 센싱 기반의 음향 측정 시스템은 금번 모의시험을 통해 모니터링 시스템에 활용 가능한 것을 확인하였다. 금번 모의시험 결과를 토대로 모니터링 시스템에 대한 전반적인 검토가 필요하므로 국가 전력 계통운영기관 및 제작업체간 공동업무 수행이 필요하다. 또한 광섬유 센싱 기반의 음향 측정 시스템의 신뢰성을 높이기 위한 알고리즘 연구도 추가로 진행되어야 할 것이다.
현재 국내 전력계통은 AC 송전선로를 기반으로 최근에는 HVDC 시스템이 적용되어 해남∼제주, 진도∼제주 구간 HVDC 송전선로가 준공되어 운용중이다. 또한 민원 및 환경요인 등으로 가공송전선로와 병행하여 지중송전선로 건설도 활발히 진행 중이다. 이에 케이블을 보호하기 위한 여러 가지 방안이 모색되었으나 대부분 케이블의 제작결함 및 시공오류 등에 대한 해결방안으로 국한되어 있어, 본 논문에서는 케이블 보호를 위해 기존의 통신관로를 이용한 광섬유 센싱 기술 기반의 케이블 감시 시스템을 연구하였다. 먼저 설치된 케이블에 손상을 입힐 수 있는 건설공사의 유형을 조사하였다. 건설공사 중 기초공사, 지반정지공사, 콘크리트공사 등의 주요공종에서 사용되는 건설기계를 이용한 작업 중 케이블을 손상시킬 수 있으며, 이러한 건설기계는 자체엔진을 동력으로 작동되기 때문에 소음을 동반하며 소음은 정상소음, 변동소음, 충격소음, 간헐소음, 분리충격소음, 준정상 충격소음으로 분류할 수 있다. 또한 건설기계의 소음 주파수를 분석하면 20Hz ∼ 2,000Hz 범위에서 건설기계별로 일정한 주파수 특성을 가지고 있다. 이어 광케이블 및 광섬유에 대해 조사하였다. 광케이블은 외부 재킷, 보강재, 완충 재킷, 광섬유의 구조로 되어있으며 광섬유는 코팅, 클래딩, 코어로 이루어져 있다. 광섬유에 입사되는 빛은 대부분 통과하지만 일부는 반사되어 돌아오는데 이를 후방산란광이라고 한다. 후방산란광은 라일레이 산란광, 라만 산란광, 브릴루인 산란광으로 나뉘게 된다. 라일레이 산란광은 후방산란광의 95%를 차지하며, 빛의 유사한 파장의 성분으로 큰 진폭을 가지고 있으며, 광섬유의 고유특성 및 손실측정에 이용된다. 라만 산란광은 분자의 진동과 신호의 크기에 따라 변하는데 환경 온도의 영향을 받는다. 브릴루인 산란광은 광섬유의 밀도 변화에 기초를 두며 변형률과 온도의 영향을 받는다. 광섬유 센싱의 원리는 후방산란광으로부터 외부 이상신호를 감지하는 신호를 추출하여 이를 증폭한 후 측정된 값의 평균값으로 환산하여 데이타를 확정하는 것이다. 광섬유 센싱 기반의 온도 측정 시스템은 후방산란광의 라만 산란광과 브릴루인 산란광을 이용하여 분석측정기기인 OTDR을 통해 온도 데이타를 분석하는 것이다. 이 시스템은 케이블을 비롯한 전력시설물을 보호하거나 대규모 설비의 화재 감시용으로 활용되고 있다. 광섬유 센싱 기반의 음향 측정 시스템은 후방산란광의 라일레이 산란광을 이용하여 분석기기인 OTDR과 C-OTDR을 통해 음향 데이타를 분석하는 것이다. 이 시스템은 석유나 가스의 원료를 추출하거나 이송시 음향을 분석하여 작업의 이상 유무를 확인하는데 사용하고 있다. 이에 광섬유 센싱 기반의 음향 측정 시스템으로 도로 하부에 건설된 전력케이블을 감시할 수 있는지를 시험하였다. 모의시험은 크게 3가지 측면에서 진행하였다. 첫 번째는 지중송전선로의 깊이, 거리에 따른 음향 감지 변화량을 측정하였다. 두 번째는 음향의 감지범위를 측정하기 위해 백호우 등을 이용한 건설공사로부터 해머작업에 이르는 다양한 작업을 실시하였다. 세 번째는 매질에 따른 음향 감지 변화량을 측정하기 위해 콘크리트 도로, 아스팔트 도로, 보호철판을 설치하였다. 모의시험 결과 모든 모의시험에서 음향의 감지 시간 및 감지 위치가 실시간으로 정확하게 측정되었다. 또한 건설기계별 측정한 음향 주파수를 소음특성과 비교한 결과 매우 유사한 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 광섬유 센싱 기반의 온도 측정 시스템은 사고발생 이후 고장요인 파악 등에 활용되고 있으나 신뢰성을 높여 적용분야를 확대해 나가야 할 것이며 광섬유 센싱 기반의 음향 측정 시스템은 금번 모의시험을 통해 모니터링 시스템에 활용 가능한 것을 확인하였다. 금번 모의시험 결과를 토대로 모니터링 시스템에 대한 전반적인 검토가 필요하므로 국가 전력 계통운영기관 및 제작업체간 공동업무 수행이 필요하다. 또한 광섬유 센싱 기반의 음향 측정 시스템의 신뢰성을 높이기 위한 알고리즘 연구도 추가로 진행되어야 할 것이다.
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