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문제 정의
- 이에 본 논문에서는 자계를 이용하여 지중 배전선로의 활선 여부를 검출할 수 있는 장치 개발하기 위해 자계검출센서 및 센서 모듈을 개발을 위한 연구를 하였다. 개발 방향은 을 저가형이며 휴대가 가능한 구조를 목표로 자계센서를 탐색코일타입으로 적용하였으며 [2-4], 센서로부터 검출된 신호를 필터 및 증폭을 통해 선로 주변의 신호만을 검출할 수 있도록 제작하였다.
제안 방법
- 이에 본 논문에서는 자계를 이용하여 지중 배전선로의 활선 여부를 검출할 수 있는 장치 개발하기 위해 자계검출센서 및 센서 모듈을 개발을 위한 연구를 하였다. 개발 방향은 을 저가형이며 휴대가 가능한 구조를 목표로 자계센서를 탐색코일타입으로 적용하였으며 [2-4], 센서로부터 검출된 신호를 필터 및 증폭을 통해 선로 주변의 신호만을 검출할 수 있도록 제작하였다. 탐색코일 센서는 전자유도작용을 이용한 것으로 주변 교번 자계에 대한 유도기전력을 최적으로 구성하기 위해 턴 수의 변화를 주어 검출 감도를 조사하였다.
- 개발 방향은 을 저가형이며 휴대가 가능한 구조를 목표로 자계센서를 탐색코일타입으로 적용하였으며 [2-4], 센서로부터 검출된 신호를 필터 및 증폭을 통해 선로 주변의 신호만을 검출할 수 있도록 제작하였다. 탐색코일 센서는 전자유도작용을 이용한 것으로 주변 교번 자계에 대한 유도기전력을 최적으로 구성하기 위해 턴 수의 변화를 주어 검출 감도를 조사하였다. 검출된 신호를 60 Hz 밴드패스필터와 LPF (low pass filter) 를 적용하여 선로에 흐르는 상용전원 주파수 성분만을 검출할 수 있는 시스템을 제작하여 실제 자계검출기 (Gauss Meter)와 개발 시스템과의 검출값을 비교하여 개발 시스템의 안정화를 검증하고자 한다.
- 탐색코일 센서는 전자유도작용을 이용한 것으로 주변 교번 자계에 대한 유도기전력을 최적으로 구성하기 위해 턴 수의 변화를 주어 검출 감도를 조사하였다. 검출된 신호를 60 Hz 밴드패스필터와 LPF (low pass filter) 를 적용하여 선로에 흐르는 상용전원 주파수 성분만을 검출할 수 있는 시스템을 제작하여 실제 자계검출기 (Gauss Meter)와 개발 시스템과의 검출값을 비교하여 개발 시스템의 안정화를 검증하고자 한다.
- 그러나 자계는 60 Hz의 극저주파로 차폐되지 않고 외부로 방출되며, 이러한 극저주파 자계의 측정을 위해 진폭범위와 주파수 범위 및 휴대성, 가격, 안정성 등이 우수한 코일형 자계 센서를 제작하였다 [7]. 또한 배전선로의 경우 수백 mA에서 수백 A의 전류가 흐르고 있으므로, 최소 수백 mA이상을 검출할 수 있는 구조로 제작하였다.
- 코일은 Φ0.06 mm 동선을 이용하였으며, IMPEDANCE METER (DELICA)를 이용하여 120 ㎐에서 턴수 변화에 따른 임피던스를 측정하였다.
- 센서 모듈 및 필터 회로를 구성하기 위해 Pspice와 Multisim을 이용하여 회로에 대한 시뮬레이션을 실시하였으며, 전류변화에 따른 개발 센서의 자속 특성을 조사하기 위하여 그림 2와 같이 선로의 일부분에 지중케이블을 삽입하고, 중성선을 묶어 접지시킨 후 부하를 변화시켰다. 이때 흐르는 전류 및 지중케이블 주변의 자속을 밀리가우스메터를 이용하여 측정하였으며, 개발 센서 및 센서모듈을 통해 전압을 측정하였다.
- 센서 모듈 및 필터 회로를 구성하기 위해 Pspice와 Multisim을 이용하여 회로에 대한 시뮬레이션을 실시하였으며, 전류변화에 따른 개발 센서의 자속 특성을 조사하기 위하여 그림 2와 같이 선로의 일부분에 지중케이블을 삽입하고, 중성선을 묶어 접지시킨 후 부하를 변화시켰다. 이때 흐르는 전류 및 지중케이블 주변의 자속을 밀리가우스메터를 이용하여 측정하였으며, 개발 센서 및 센서모듈을 통해 전압을 측정하였다. 측정방법은 부하를 증가 또는 감소시켜 출력값을 측정하였으며, 센서모듈 전원은 3V DC 배터리로 독립적으로 공급하였다.
- 이때 흐르는 전류 및 지중케이블 주변의 자속을 밀리가우스메터를 이용하여 측정하였으며, 개발 센서 및 센서모듈을 통해 전압을 측정하였다. 측정방법은 부하를 증가 또는 감소시켜 출력값을 측정하였으며, 센서모듈 전원은 3V DC 배터리로 독립적으로 공급하였다. 오실로스코프의 접지단자는 독립전원의 (-) 단자와 연결하여 계측기의 자체 접지에 의한 오동작을 최대한 제거하였다.
- 오실로스코프의 접지단자는 독립전원의 (-) 단자와 연결하여 계측기의 자체 접지에 의한 오동작을 최대한 제거하였다. 측정횟수는 각각 30회 이상을 측정하였으며, 부하로는 가정에서 주로 사용되는 실제 부하를 적용하였다.
- 증폭기는 부귀한 반전증폭기를 적용하였으며, OP Amp의 전원을 DC전원으로 사용하므로 인해 측정신호의 반주기가 제거되는 것을 막기 위해 기준전위를 이동시켜 센서로부터 검출된 신호의 변형을 억제하는 구조로 설계하였다.
- 또한 220 mA에서 검출되는 자장은 4.9 mG로 센서의 측정시 80 uV의 값을 나타내므로 100배 이상의 증폭이 필요하였으며, 이를 위해 2단 증폭기를 적용하였으며, 1차 증폭에서 5배, 2차 증폭에서 20배로 조정하였다. 그림 6은 증폭기의 구조를 나타낸 것으로 시뮬레이션은 Multisim의 virtual 소자를 이용하여 실제 구현시 문제점이 없음을 확인하였다.
- LPF는 센서 필터를 통해 들어오는 신호 일부와 회로 노이즈로부터 발생된 고주파 성분을 제거하기 위해 최종 증폭신호를 60 Hz 이상 차단 회로를 구성하였다. 차단회로의 선택도 (Q)는 1.
성능/효과
- 그림 5는 센서 필터에 의해 검출된 자장신호를 나타낸 것이다. 센서 필터는 그림 5(b)에서 보는 바와 같이 검출파형과 함께 존재하는 고주파 성분을 모두 제거하여 고주파성분에 의한 피크변화가 안정적으로 나타남을 확인할 수 있었다.
- 표 2는 Multisim을 이용하여 실제 구현 시 주파수 특성을 시뮬레이션 한 것으로 100 Hz부터 출력값이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 실제 구현 시 회로에 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
- 그림 7은 부하전류에 따른 측정값을 나타낸 것으로 신호이득을 100배로 설정한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 220 mA에서는 가우스메터의 측정값이 3 mG가 더 크게 나타났으나, 450 mA 이상에서는 가우스메터 측정값이 개발 제품의 검출값과 유사한 값으로 나타남을 확인할 수 있었다. 실제 지중 배전선로의 경우 수백 mA이상의 전류가 흐르므로 본 개발제품의 적용은 큰 문제가 없을 것으로 생각된다.
- 또한 부하를 높일 때와 낮출 때를 비교하면 부하를 높일 때는 220 mA에서 낮출 때에 비해 큰 값이 나왔으며, 부하를 낮출 때는 710 mA에서 높일 때보다 높은 출력값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 초기 측정시 센서의 반응이 시작되어 높은 값을 표현하기 때문이라고 생각되며, 이를 위해 초기 값에 대한 신뢰성을 보완해야 할 것으로 생각된다.
- (1) 센서는 자체 인덕턴스로 인해 커패시턴스의 병렬 연결만으로 측정 신호 주파수 보정이 용이하였다.
- (2) 턴 수의 증가는 자속에 의한 유기기전력을 키우는 효과가 있었지만, 노이즈에 대한 응답성도 같이 향상되어 최적의 5,000턴의 탐색코일이 지중 케이블 자장 검출센서로 가장 적절한 것으로 확인할 수 있었다.
- (3) 실제 자속과 센서 유기기전력은 턴 수가 5,000턴 및 100배 증폭 시 실제 자속과 동일한 출력값이 나타남을 확인할 수 있었다.
- (4) 개발 제품의 오차율은 5%이내였으며, 제품의 안정화를 위해 일정시간이 소요됨을 확인할 수 있었다.
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