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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 최적의 자기코어를 선택하고, 가장 우수한 특성을 나타내는 공정으로 자기코어를 제조한 후, 커플러의 구성기술 연구를 통해 2,000 A급 송전용 비접촉식 커플러를 제조하고자 하였으며, 현재 운용중인 가공 송전선에서의 통신실험을 실시하여, 그 적용 가능성을 관찰하였다.
제안 방법
- 커플러의 제조는 자기코어 형상 설정, 케이스 설계, 권선조건 설정, 에폭시 몰딩, 절단 및 에어-갭 크기 설정 등의 순서로 진행되었다. 그리고 가공 송전선은 외부 절연피복이 없으므로 커플러의 외부 금속물질에서 방전사고가 발생할 수 있으므로, 절연 지그를 제작하여 결합하였다.
- 해석결과의 오차율을 최소한으로 제거하기 위해서는 전자장 모의해석의 개념도를 자기코어가 적용되는 전력선 환경과 동일하고 명확하게 고정시킨 다음 이루어져야 한다. 그림의 개념도는 전력선 주위를 자기코어가 둘러싸고 있는 형태이며, 전력선 외경 및 절연체의 두께를 고려하여, 전력선의 전류와 자기코어의 크기(내경 x 외경 x 높이)를 각각 2,000 A와 64 x 100 x 20 mm로 고정한 다음 자기코어에 형성된 에어-갭 크기를 변화시켰다. 그림에서 path 경로를 나타내는 화살표는 자기코어의 외경에서 내경방향으로 모의해석이 이루어졌음을 나타내며, 이때의 자기코어 경로의 길이를 path 길이[(외경-내경)/2]라고 한다.
- 또한 전력선통신 주파수대역(2 ∼ 30 MHz)에서 가장 우수한 신호전송 특성을 나타내는 권선조건을 적용하기 위한 실험이 진행되었고, 신호전송 특성은 삽입손실(insertion loss, S21) 특성을 기준으로 평가하였는데, 이것은 네트워크 분석기(8751A, Agilent)를 이용하여 측정하였다.
- 마지막으로 제작된 비접촉식 커플러의 응용 가능성을 평가하기 위해, 현재 운용중인 154 kV급 가공 송전선에 커플러를 채결하여 통신실험을 진행하였다. 통신실험에 사용된 전력선 모뎀은 Intellon Co.
- 송전선용 비접촉식 커플러 구성에서, 송전선은 최대 2,000 A까지 전류가 유입될 수 있으므로 자기코어가 이 전류에서 포화되지 않도록 설계하는데, 본 연구에서는 Flux 2D 프로그램을 이용하여, 전자장 모의해석을 통해 자기코어의 형상 조건을 설정하였다. 또한 전력선통신 주파수대역(2 ∼ 30 MHz)에서 가장 우수한 신호전송 특성을 나타내는 권선조건을 적용하기 위한 실험이 진행되었고, 신호전송 특성은 삽입손실(insertion loss, S21) 특성을 기준으로 평가하였는데, 이것은 네트워크 분석기(8751A, Agilent)를 이용하여 측정하였다.
- 송전선용 비접촉식 커플러의 제조와 적용연구에서, 자기코어의 제조, 비접촉식 커플러의 구성, 송전선에서의 통신실험의 순서로 진행하였다.
- 그림 5는 커플러가 전력선에 체결되었을 때 환경에서, 전력선을 1회 권선을 가지는 신호선으로 가정하여 구성하여, 커플러의 출력 신호선의 권선수에 따른 삽입손실변화를 나타낸 것이다. 이 때, 본 연구에서 제조된 자기코어를 이용하여 커플러를 제조하였으며, 입력 및 출력 신호선 간의 전기기계 결합계수(kp)를 증가시키기 위해, 출력 신호선은 가능한 높은 비표면적으로 가지도록 박판을 사용하여 구성하였다. 그리고 자기코어에 형성된 에어-갭의 크기는 그림 4의 전자장 모의해석 결과인 7 mm를 적용하였다.
- 그림 7은 본 연구에서 제조된 송전선용 비접촉식 커플러를 이용하여 실시한 전력선 통신 시험 모식도를 나타낸 것이다. 전력선은 154 kV급 송전선이며, 안전성을 고려하여 휴전상태에서 진행하였다. 휴전상태에서는 고전류가 유입되지 않기 때문에 실제 송전선과 비교될 수 있으나, 사용된 커플러의 전류 특성은 그림 6에서 확인되었고, 그 외의 노이즈 및 기타 환경은 동일하기 때문에 통신특성은 실제 고전류가 유입되는 송전선과 동일할 것으로 예상되었다.
- 또한 전력선통신 주파수대역(2 ∼ 30 MHz)에서 가장 우수한 신호전송 특성을 나타내는 권선조건을 적용하기 위한 실험이 진행되었고, 신호전송 특성은 삽입손실(insertion loss, S21) 특성을 기준으로 평가하였는데, 이것은 네트워크 분석기(8751A, Agilent)를 이용하여 측정하였다. 커플러의 제조는 자기코어 형상 설정, 케이스 설계, 권선조건 설정, 에폭시 몰딩, 절단 및 에어-갭 크기 설정 등의 순서로 진행되었다. 그리고 가공 송전선은 외부 절연피복이 없으므로 커플러의 외부 금속물질에서 방전사고가 발생할 수 있으므로, 절연 지그를 제작하여 결합하였다.
대상 데이터
- 먼저 자기코어 제조에서, 투자율과 자속밀도가 높고 코어손실이 작은 나노결정립(nanocrystalline) 재료(Fe-Si-B-Nb-Cu)를 사용하였다. 리본 형태의 재료를 권취(winding)한 후, 450 ∼ 530℃의 범위에서 1 시간동안 열처리하여 공기 중에서 냉각시켰다.
성능/효과
- 따라서 에어-갭이 약 6∼7 mm일 때가 2,000 A의 전류에서 가장 효율적으로 동작할 수 있을 것이라 예측되었다.
- 5 dB의 삽입손실이 증가되지만, 약 6 ± 1 dB 정도 삽입손실 특성을 2,000 A까지 안정적인 경향을 나타내었고, 9 mm의 에어-갭에서는 안정적인 전류특성을 유지하면서, 전체적으로 손실이 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 최대 2,000 A의 전류가 유입되는 송전선용 비접촉식 커플러는 7 mm의 에어-갭을 적용할 때, 가장 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
- 반면 에어-갭의 크기가 7 mm 일 경우에는 5 mm일 때보다 평균적으로 약 0.5 dB의 삽입손실이 증가되지만, 약 6 ± 1 dB 정도 삽입손실 특성을 2,000 A까지 안정적인 경향을 나타내었고, 9 mm의 에어-갭에서는 안정적인 전류특성을 유지하면서, 전체적으로 손실이 증가하는 경향을 나타내었다.
- 송전선용 비접촉식 커플러를 제조하기 위한 본 연구에서, 나노결정립 합금재료의 열처리 온도를 최적화하여 자기코어를 제조할 수 있었고, 전자장 모의해석을 통해 대용량의 자기코어의 형상과 에어-갭 조건을 설정할 수 있었다. 또한 출력 권선수, 전류 포화특성 등에 대한 조건을 확립하여 2,000 A급 비접촉식 커플러를 제조할 수 있었다.
- 또한 출력 권선수, 전류 포화특성 등에 대한 조건을 확립하여 2,000 A급 비접촉식 커플러를 제조할 수 있었다. 이 대용량 비접촉식 커플러는 실제 운용중인 송전선에 설치되어 600 meter에서 14 Mbps의 통신 속도를 발휘하여, 전력선 통신 시스템으로의 적용 가능성을 나타내었다.
- 표 3은 송전선에서 실시한 통신시험 결과를 나타낸 것으로서, 통신시험 최대 거리인 800 M까지 통신이 성공하였다. 통신속도는 250 M와 600 M에서 각각 22 Mbps와 14 Mbps의 속도를 나타내었고, 800 M에서 0.3 Mbps로 급격히 감소하였다. 거리증가에 따라 통신속도가 감소하는 것은 통신 신호 레벨에 비해 잡음(Noise)의 레벨이 점점 증가하여 전력선 모뎀에서의 처리속도가 늦어지기 때문인 것으로 분석되며, 특히 800 M에서 통신속도가 급격히 떨어지는 것은 잡음레벨이 신호레벨과 동일한 값으로 증가하였기 때문인 것으로 분석되었다[6,7].
- 전력선은 154 kV급 송전선이며, 안전성을 고려하여 휴전상태에서 진행하였다. 휴전상태에서는 고전류가 유입되지 않기 때문에 실제 송전선과 비교될 수 있으나, 사용된 커플러의 전류 특성은 그림 6에서 확인되었고, 그 외의 노이즈 및 기타 환경은 동일하기 때문에 통신특성은 실제 고전류가 유입되는 송전선과 동일할 것으로 예상되었다. 그리고 통신시험에서 사용된 커플러와 송전선이 서로 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위해 절연 지그를 커플러 외부에 삽입하였다.
후속연구
- 하지만 송전선에서의 전력선 통신 시스템은 500 M 이상의 통신거리와 2 Mbps 이상의 통신속도를 요구하기 때문에 본 연구에서 제작된 비접촉식 커플러는 특성이 우수하고 적용 가능성이 높다고 판단할 수 있다.
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