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문제 정의
- 이러한 일반적인 고려 인자 이외에 배전기자재의 절연저항 성능저하에 직접적으로 연관되는 인자를 찾아서 그 인자를 제거할 수 있는 방법이나 혹은 그로 인한 절연저항 저하의 상태를 정량적으로 규명할 수 있다면 배전기자재의 설비 진단에 새로운 방법으로 활용할 수 있을 것이다. 따라서 염해 뿐만 아니라 진해오염이라고 알려진 공업오손에 있어서도 오손의 인자가 배전기자재의 절연저항을 저하시키는 요인으로 작용할 것 이라는 가정하에 각 오손 인자와 절연저항 저하의 관계를 규명하기 위한 화학분석 및 기초 실험을 실시하고자 한다. 이 실험의 결과로서 진해 오염인자도 염해와 마찬가지로 배전 기자재의 절연저하 성능에 영향을 미친다는 사실을 확인하게 되면 이를 검출하기 위한 코로나 검출기를 제작하여 절연저항과 코로나 발생의 수치적 연관성을 입증 하고자 하였다.
- 따라서 일반 태양광의 자외선에는 반응하지 않게 된다. 이 센서는 산업체에서는 주로 화재감지기의 센서로 사용하고 있으나 본 연구에서는 전기적 설비의 절연저항이 저하될 때 발생하는 코로나가 이 영역의 파장을 가지는 것에 착안하여 코로나 검출기를 설계 제작하였다. 절연저항이 저하된 배전용 애자에서 발생되는 코로나를 검출하는 검출기를 제작하기 위하여 코로나발생시의 자외선에 반응하는 센서를 구매하였고 이 센서에서의 반응을 코로나 발생의 강약에 부응하도록 센서의 반응 회수를 계수하는 카운트 회로 등 각종 기능이 탑재된 회로 기판을 설계 제작하였다.
- 따라서 염해 뿐만 아니라 진해오염이라고 알려진 공업오손에 있어서도 오손의 인자가 배전기자재의 절연저항을 저하시키는 요인으로 작용할 것 이라는 가정하에 각 오손 인자와 절연저항 저하의 관계를 규명하기 위한 화학분석 및 기초 실험을 실시하고자 한다. 이 실험의 결과로서 진해 오염인자도 염해와 마찬가지로 배전 기자재의 절연저하 성능에 영향을 미친다는 사실을 확인하게 되면 이를 검출하기 위한 코로나 검출기를 제작하여 절연저항과 코로나 발생의 수치적 연관성을 입증 하고자 하였다.
제안 방법
- 이때 수거된 각종 애자에 실지 온도 및 습분을 모사하기 위해서는 애자오손 실험용 챔버를 사용하였다. (그림 3) 실험용 시료인 배전용 애자에 실지 전압(22.9 kV)을 가하기 위한 내전압 시험기(그림 4)와 애자의 전기적 특성의 평가를 위해서 절연저항 측정기 등 각종 계측기(그림 5)를 활용하였다. 또한 배전애자의 절연저항과 코로나 발생의 관계를 규명하기 위하여 건전한 배전애자에 분석된 화학성분으로 오손시켜 절연저항 값을 최저 50 ㏁부터 최대 500 ㏁ 까지 단계적으로 조절한 시료 12개를 준비 하였다.
- 2. 절연저항과 코로나 발생사이의 연관성을 제작한 코로나 검출기에서의 수치값의 대소로 직접 표현하였다.
- 3. 배전설비에 대한 건전성 진단의 새로운 기법으로 개발하여 현장에 적용하였다.
- 이 검출기를 이용하여 거리를 일정하게 고정한 뒤 절연저항의 정도를 인공적으로 조절하여 검출기의 지시값과 절연저항과의 연관성을 분석하는 실험을 수행하였다. 또한 공업지역에서의 배전애자 진해오염에 대한 기준 및 방법의 정립과 코로나 발생과 절연저항과의 연관성의 정량적 검증을 위해 각종 애자에 대한 이력을 기록하였으며, 지상에서 배전 선로상 LP애자를 향하여 검사를 수행할 경우의 최단거리가 14 m인 점을 감안하여 14 m 위치에서 검출하기 위한 레이져 거리계 등을 사용하였고 열화 손상된 배전애자 확인 및 진단을 위해 열화상 카메라도 활용하였다.
- 절연저항이 저하된 배전용 애자에서 발생되는 코로나를 검출하는 검출기를 제작하기 위하여 코로나발생시의 자외선에 반응하는 센서를 구매하였고 이 센서에서의 반응을 코로나 발생의 강약에 부응하도록 센서의 반응 회수를 계수하는 카운트 회로 등 각종 기능이 탑재된 회로 기판을 설계 제작하였다. 또한 발생된 코로나의 검출시 방향성을 부여하기 위하여 검출기의 자외선 검출부(센서주위)를 진직성이 있는 기존의 상품화된 반사경을 활용하여 제작하였다. 설계 제작된 회로 기판을 보호하고 현장에서 코로나를 검출하기위한 검출기의 외형을 설계 제작하였다.
- 따라서 현재 사용되고 있는 기존의 방식과는 달리 전기적 결함에 민감하고 전기적 단락의 위험을 쉽게 검출 할 수 있는 진단 기법의 개발이 필요한 실정이다. 배전 기자재(애자, 접속개소 등)의 건전성 진단 및 평가를 위해서 손상된 배전설비에서 발생하는 코로나를 검출하여 이를 설비 진단에 활용하고자 휴대용 코로나 검출기를 설계 제작하였다. 코로나 검출기의 기기구성은 감지부, 변환부, 처리부 등 3개 부분으로 되어있다.
- 이를 위해 사전에 지역별 특성을 고려하여 염해와 염진해 및 진해오염지역으로 분류된 각 구역을 선정하였다. 선정된 각 구역별 해안지역(애자 염해오손 가능지역) 및 내륙지역에서 수거한 배전 애자에 대하여 부착된 화학성분을 정밀 분석하였으며 분석된 화학성분을 토대로 하여 각 화학성분과 애자의 절연저항과의 연관성을 측정하였다 (표 2, 표 3). 이때 수거된 각종 애자에 실지 온도 및 습분을 모사하기 위해서는 애자오손 실험용 챔버를 사용하였다.
- 또한 발생된 코로나의 검출시 방향성을 부여하기 위하여 검출기의 자외선 검출부(센서주위)를 진직성이 있는 기존의 상품화된 반사경을 활용하여 제작하였다. 설계 제작된 회로 기판을 보호하고 현장에서 코로나를 검출하기위한 검출기의 외형을 설계 제작하였다. 제작된 검출기는 검출장치 및 변환장치, 처리장치, 표시장치 등으로 구성되어 있다.
- 처리장치는 변환부에서 코로나의 크기를 정형화한 데이터를 수신 및 연산하고 결과 값으로 전압의 최대 및 순시 값과 기타 알람 기능 및 배터리 충⦁방전 상태를 LCD 모니터 창에 나타내어 준다. 여기서 기타 알람은 표시창의 값이 50 mV(절연저항 500㏁이하)이상일 경우 경고로서 완급한 경보음을 내게 되며 표시값이 100 mV을 넘으면 급한 톤의 경보음을 내도록 해 검사시 불량 애자를 쉽게 찾아낼 수 있도록 설계 제작하였다. 그림 6, 그림 7은 각각 코로나 검출기의설계도 및 시작품이다.
- 염해지역이 아닌 공업오손 지역에서 발생하는 진해오염의 오손 인자도 배전 기자재의 절연저항을 낮추는 원인을 제공할 것이라는 가정하에 이를 규명하기 위하여 공업오손 지역의 애자를 철거하여 오손인자를 분석하였다. 이를 위해 사전에 지역별 특성을 고려하여 염해와 염진해 및 진해오염지역으로 분류된 각 구역을 선정하였다.
- 아울러서 특정 절연저항의 상태에서 22,900 V로 가압될 때 발생하는 코로나의 정도를 정량적으로 표기할 수 있는 코로나 검출기를 설계하여 그 표시 값을 RMS(Root Mean Square)로 나타내도록 제작하였다. 이 검출기를 이용하여 거리를 일정하게 고정한 뒤 절연저항의 정도를 인공적으로 조절하여 검출기의 지시값과 절연저항과의 연관성을 분석하는 실험을 수행하였다. 또한 공업지역에서의 배전애자 진해오염에 대한 기준 및 방법의 정립과 코로나 발생과 절연저항과의 연관성의 정량적 검증을 위해 각종 애자에 대한 이력을 기록하였으며, 지상에서 배전 선로상 LP애자를 향하여 검사를 수행할 경우의 최단거리가 14 m인 점을 감안하여 14 m 위치에서 검출하기 위한 레이져 거리계 등을 사용하였고 열화 손상된 배전애자 확인 및 진단을 위해 열화상 카메라도 활용하였다.
- 염해지역이 아닌 공업오손 지역에서 발생하는 진해오염의 오손 인자도 배전 기자재의 절연저항을 낮추는 원인을 제공할 것이라는 가정하에 이를 규명하기 위하여 공업오손 지역의 애자를 철거하여 오손인자를 분석하였다. 이를 위해 사전에 지역별 특성을 고려하여 염해와 염진해 및 진해오염지역으로 분류된 각 구역을 선정하였다. 선정된 각 구역별 해안지역(애자 염해오손 가능지역) 및 내륙지역에서 수거한 배전 애자에 대하여 부착된 화학성분을 정밀 분석하였으며 분석된 화학성분을 토대로 하여 각 화학성분과 애자의 절연저항과의 연관성을 측정하였다 (표 2, 표 3).
- 이 센서는 산업체에서는 주로 화재감지기의 센서로 사용하고 있으나 본 연구에서는 전기적 설비의 절연저항이 저하될 때 발생하는 코로나가 이 영역의 파장을 가지는 것에 착안하여 코로나 검출기를 설계 제작하였다. 절연저항이 저하된 배전용 애자에서 발생되는 코로나를 검출하는 검출기를 제작하기 위하여 코로나발생시의 자외선에 반응하는 센서를 구매하였고 이 센서에서의 반응을 코로나 발생의 강약에 부응하도록 센서의 반응 회수를 계수하는 카운트 회로 등 각종 기능이 탑재된 회로 기판을 설계 제작하였다. 또한 발생된 코로나의 검출시 방향성을 부여하기 위하여 검출기의 자외선 검출부(센서주위)를 진직성이 있는 기존의 상품화된 반사경을 활용하여 제작하였다.
- 따라서 일반적인 배전용 애자의 건전성 기준이 되는 500 ㏁ 이상인지 어떤지 하는 점검은 코로나 측정을 통한 절연저항의 관리가 가장 효과적인 관리 방법이라고 할 수 있다. 제작한 코로나 검출기를 이용하여 절연저항과의 연관성을 거리별 절연저항별로 측정하는 실험을 수행하여 아래와 같은 연관성을 입증하였다[3]. 현장에서 코로나 검출장치를 이용하여 애자의 절연저항 저하 상태를 검출할 때 지상에서 코로나 검출기와 LP 애자와의 거리를 레이져 거리계로 측정한 결과 최대거리가 14m 인 점을 감안하여 이 거리를 측정 기준기리로 선정하였다.
- 6 cm인 3차 시작품의 검출기가 1, 2차 시작품 보다 정밀성이 높고 오차폭이 작은값을 가져 신뢰성 측면 에서 우수한 것으로 나타나 절연저항과 코로나 특성 분석을 위한 본 실험용 검출기로 선정되었고 성능시험 결과는 표 1과 같다. 표 1에서 보는 바와 같이 똑같이 제작한 3개의 시작품을 가지고 절연저항의 변화에 따른 변환값의 일련성을 분석하여 본결과 이 중에서 가장 절연저항의 변화에 대해 비례적으로 표시값을 나타낸 3번을 선정하고 회로 제작시 선정된 값으로 각종 소자의 기준값을 정하였다.
- 제작한 코로나 검출기를 이용하여 절연저항과의 연관성을 거리별 절연저항별로 측정하는 실험을 수행하여 아래와 같은 연관성을 입증하였다[3]. 현장에서 코로나 검출장치를 이용하여 애자의 절연저항 저하 상태를 검출할 때 지상에서 코로나 검출기와 LP 애자와의 거리를 레이져 거리계로 측정한 결과 최대거리가 14m 인 점을 감안하여 이 거리를 측정 기준기리로 선정하였다. 그림 9에서 가로축은 거리이며 세로축은 코로나 건의 표시창의 rms 값이다.
대상 데이터
- 9 kV)을 가하기 위한 내전압 시험기(그림 4)와 애자의 전기적 특성의 평가를 위해서 절연저항 측정기 등 각종 계측기(그림 5)를 활용하였다. 또한 배전애자의 절연저항과 코로나 발생의 관계를 규명하기 위하여 건전한 배전애자에 분석된 화학성분으로 오손시켜 절연저항 값을 최저 50 ㏁부터 최대 500 ㏁ 까지 단계적으로 조절한 시료 12개를 준비 하였다. 아울러서 특정 절연저항의 상태에서 22,900 V로 가압될 때 발생하는 코로나의 정도를 정량적으로 표기할 수 있는 코로나 검출기를 설계하여 그 표시 값을 RMS(Root Mean Square)로 나타내도록 제작하였다.
- 시작품을 1, 2, 3차로 추가 제작하였고 그 각각을 제작할 때 회로상의 이득을 최대치로 하기위한 몇가지 소자 및 센서의 선정을 틀리게 하여 그 성능을 시험한 결과 센서의 감지 범위는 360°, 반사판의 반경은 2.6 cm인 3차 시작품의 검출기가 1, 2차 시작품 보다 정밀성이 높고 오차폭이 작은값을 가져 신뢰성 측면 에서 우수한 것으로 나타나 절연저항과 코로나 특성 분석을 위한 본 실험용 검출기로 선정되었고 성능시험 결과는 표 1과 같다.
- 설계 제작된 회로 기판을 보호하고 현장에서 코로나를 검출하기위한 검출기의 외형을 설계 제작하였다. 제작된 검출기는 검출장치 및 변환장치, 처리장치, 표시장치 등으로 구성되어 있다. 검출장치는 코로나 발생시의 자외선을 검출하는 센서와 이 센서를 동작시키는 회로부품으로 구성되어 있다.
데이터처리
- 또한 배전애자의 절연저항과 코로나 발생의 관계를 규명하기 위하여 건전한 배전애자에 분석된 화학성분으로 오손시켜 절연저항 값을 최저 50 ㏁부터 최대 500 ㏁ 까지 단계적으로 조절한 시료 12개를 준비 하였다. 아울러서 특정 절연저항의 상태에서 22,900 V로 가압될 때 발생하는 코로나의 정도를 정량적으로 표기할 수 있는 코로나 검출기를 설계하여 그 표시 값을 RMS(Root Mean Square)로 나타내도록 제작하였다. 이 검출기를 이용하여 거리를 일정하게 고정한 뒤 절연저항의 정도를 인공적으로 조절하여 검출기의 지시값과 절연저항과의 연관성을 분석하는 실험을 수행하였다.
성능/효과
- 1. 염해 뿐만 아니라 공업지역의 오손에 의한 진해오염도 염해와 마찬가지로 배전설비의 절연저항 저하에 관계가 있음을 확인하였다.(표 2, 표 3)
- 4. 코로나 검출기 활용으로 배전설비의 절연저항 실시간 진단이 가능하였다.
- 일반적으로 애자의 절연저항 저하는 기계적, 전기적, 환경적 요인에 의해 발생되고 있다. 전기적 특성 시험결과 절연저항을 낮추는 요인으로는 화학적, 전기적, 물리적 결함(제작결함. 충격 등)이 복합적으로 작용 하는 것으로 확인되었다.
- 전력설비중 배전선로에서 전력선을 지지하고 대지로부터의 절연을 유지하는 LP애자 등 절연설비에 대하여 오손물질이 절연저항 저하에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 실험 및 고찰을 통해 아래와 같은 결과를 도출하였다.
- 그림 8에서 가로축은 코로나 검출기 표시창에 표시되는 rms 값이며 세로축은 배전용 애자의 절연저항이다. 즉 본 검출기를 통한 실험결과 코로나 검출기에 표시되는 전압은 절연저항이 낮은 애자를 사용하여 실험을 수행하면 코로나 검출기의 전압이 높게 나타나며 절연저항이 높은 애자에 대한 시험시에는 코로나 검출기의 전압 값이 낮게 표시되는 것을 나타낸다. 즉 절연저항이 높을수록 코로나 검출기의 지시값이 낮아지는 경향을 가지는 것을 보여준다.
- 표 2 및 표 3의 시료 1의 경우처럼 일부 각각의 인자의 부착농도 순이 아니라 양이온 및 음이온이 서로 복합적으로 작용하여 절연저항을 낮추는 요인이 됨을 알 수 있다. 즉 진해오염의 주요인자에 대한 화학분석 결과 양⦁음 이온 성분들이 염의 형태로 애자에 부착되어 절연저항을 저하시키는 메카니즘으로 작용됨을 확인하였다. 일반적으로 애자의 절연저항 저하는 기계적, 전기적, 환경적 요인에 의해 발생되고 있다.
- 화학분석/절연저항 시험결과 염해뿐만 아니라 진해 오염 시에도 애자에 부착된 음이온 및 양이온의 복합적 작용으로 인해 배전용 애자의 절연저항이 저하됨을 확인하였으며(표2 및 표 3) 이는 현장수거 배전용 애자에 대한 화학분석 결과 진해 오염이 절연저항을 감소시키고 코로나(Corona)를 발생시켜 섬락 (Flash Over)발생의 원인이 됨을 확인한 결과이다. 표 2는 현장에서 교체한 배전용 애자에 부착된 오염인자 중 음이온 4개 요소에 성분 분석표이다.
후속연구
- 이와 같이 배전기자재의 절연저항 저하로 인해서 섬락에 까지 이르게 되면 바로 일시 정전으로 이어지며 해당 배전기자재의 교체 이전에는 브레이크나 차단기 동작으로 사고를 막을 수 없기 때문에 사전에 진단 및 교체 하는 것이 정전예방에 중요하다. 또한 애자로 인한 정전발생의 메커니즘에서 살펴본 바와 같이 절연저항이 저하되는 초기 단계에서 불꽃방전 등의 코로나가 발생되기 때문에 배전설비에서 발생하는 코로나를 검출하고 이를 정량적으로 진단하는 기법을 개발함으로서 배전설비에 대한 건전성 진단의 유용한 도구로 사용할 수 있을 것이다.
- 이러한 일반적인 고려 인자 이외에 배전기자재의 절연저항 성능저하에 직접적으로 연관되는 인자를 찾아서 그 인자를 제거할 수 있는 방법이나 혹은 그로 인한 절연저항 저하의 상태를 정량적으로 규명할 수 있다면 배전기자재의 설비 진단에 새로운 방법으로 활용할 수 있을 것이다. 따라서 염해 뿐만 아니라 진해오염이라고 알려진 공업오손에 있어서도 오손의 인자가 배전기자재의 절연저항을 저하시키는 요인으로 작용할 것 이라는 가정하에 각 오손 인자와 절연저항 저하의 관계를 규명하기 위한 화학분석 및 기초 실험을 실시하고자 한다.
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