[논문]UV 센서를 이용한 절연애자의 코로나 방전 측정 및 자외선 이미지의 비교

김영석; 최명일; 김종민; 방선배; 송길목

doi:10.5370/kiee.2011.60.4.899

UV 센서를 이용한 절연애자의 코로나 방전 측정 및 자외선 이미지의 비교
Comparison of UV images and Measurement of the Corona Discharge from Insulators using the UV Sensor 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.4, 2011년, pp.899 - 904

김영석 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 최명일 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 김종민 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 방선배 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 송길목 (한국전기안전공사 전기안전연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Inspections and diagnoses of corona discharge are important in order to prevent electrical faults of external insulation in power systems. This paper studies a measurement of ultra-violet rays(UV) strength of corona discharges on insulators using a UV sensor with an optic lens. The data has been compared with the images of a UV camera. The UV sensor estimated that DC voltage needed to be set at 700V for accurate data analysis of the properties of UV detected during corona discharge. UV was generated at 60kV when the corona discharge occurred. UV strength and images of UV increased at a high voltage. The image area of the UV using a UV camera and the detection of UV using a UV sensor have shown, that the polymer insulator mounted on a live part must be checked when the applied voltage on the good polymer insulator is greater than 37.5% of its breakdown voltage.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

22.9kV 특고압 설비에 많이 사용되는 폴리머애자를 대상으로 UV 센서를 이용하여 측정시스템을 구축하고 자외선 세기를 측정하였다. 또한 UV 센서를 통한 자외선 세기와자외선 카메라를 이미지 크기 및 형태를 비교하였다.
그림 4는 UV R9533 센서를 이용하여 코로나 방전 시의자외선 세기를 검출한 결과이다. 각 센서별 특성을 조사하기 위해 측정거리는 5m로 일정하게 두고, 자외선 센서의 직류 전압별에 따른 센서의 검출특성을 살펴보았다. 그림 4에서 고전압이 증가할 수 록 자외선 세기가 급격하게 증가하는 현상을 관찰할 수 있다.
측정거리는 5m, 7m, 10m로 하였으며, 측정치는 10회 이상 축적된 자료를 평균으로 하였다. 고전압발생장치(Hipotronics, 0～200kV)를 이용하여 기중 절연파괴가 될 때 까지 10kV씩 전압을 상승시키며 그 때 발생되는 자외선을 검출하였다. 또한 코로나 방전 발생 시, 폴리머애자의 절연파괴 전압은 160kV를 나타내었다.
따라서 본 논문에서는 22.9kV 특고압 설비에 많이 사용되는 폴리머애자를 대상으로 코로나 방전 시 발생하는 자외선의 세기를 UV 센서를 이용하여 측정하고, 기존 자외선 코로나 카메라 이미지와 비교하였다.
9kV 특고압 설비에 많이 사용되는 폴리머애자를 대상으로 UV 센서를 이용하여 측정시스템을 구축하고 자외선 세기를 측정하였다. 또한 UV 센서를 통한 자외선 세기와자외선 카메라를 이미지 크기 및 형태를 비교하였다. UV 센서를 통한 검출시스템 통해 직류전압 700V에서 자외선 세기를 측정하는 것이 데이터 취득과 분석에 활용되는 것이 좋은 것으로 판단되며, UV R2868 센서보다는 UV R9533 센서를 이용하여 방전에 따른 자외선 세기 측정이 쉬울 것으로 판단된다.
렌즈의 초점거리는 200㎜, 렌즈의 직경은 100mm, 화각(FOV)은 10°로 초기조건을 선정한 후 중심파장 250nm에 대해서 자외선 집광 비구면 렌즈의 최적화를 실시하였다. 렌즈에 의해 후단부에 형성되는 이미지 상면에 자외선 센서가 위치하도록 하였다. 자외선 감지는 레코더를 설치하여 출력되는 펄스 신호를 카운트하고 신호파형을 측정하였으며, 문턱전압(Threshold)은 5V를 기준으로 하였다.
그림 2는 광학렌즈를 이용하여 자외선을 감지하는 시스템 개략도를 나타낸다. 렌즈의 재질은 자외선대역에서 투과도가 우수한 Fused silica로 정하고, 경통구조의 지지물을 제작하였다. 렌즈의 초점거리는 200㎜, 렌즈의 직경은 100mm, 화각(FOV)은 10°로 초기조건을 선정한 후 중심파장 250nm에 대해서 자외선 집광 비구면 렌즈의 최적화를 실시하였다.
렌즈의 초점거리는 200㎜, 렌즈의 직경은 100mm, 화각(FOV)은 10°로 초기조건을 선정한 후 중심파장 250nm에 대해서 자외선 집광 비구면 렌즈의 최적화를 실시하였다.
본 논문에서 구축한 UV 측정 시스템과 기존 자외선 코로나 카메라와의 특성을 비교하였다. 폴리머애자와 측정거리는 5m로 하였다.
렌즈에 의해 후단부에 형성되는 이미지 상면에 자외선 센서가 위치하도록 하였다. 자외선 감지는 레코더를 설치하여 출력되는 펄스 신호를 카운트하고 신호파형을 측정하였으며, 문턱전압(Threshold)은 5V를 기준으로 하였다.
그림 6은 폴리머애자와 자외선 측정시스템과의 측정거리에 따른 자외선 세기 특성을 나타낸다. 측정거리는 5m, 7m, 10m로 설정하였으며, 직류전압별로 코로나 방전 시의 자외선 세기를 검출한 결과를 나타낸다. 그림에서 Vm은 인가 고전압을 나타내며, V_bd는 폴리머애자의 절연파괴 전압을 나타낸다.
이때, 실험실 온도는 5℃, 습도는 65%를 유지하였다. 측정거리는 5m, 7m, 10m로 하였으며, 측정치는 10회 이상 축적된 자료를 평균으로 하였다. 고전압발생장치(Hipotronics, 0～200kV)를 이용하여 기중 절연파괴가 될 때 까지 10kV씩 전압을 상승시키며 그 때 발생되는 자외선을 검출하였다.
폴리머애자의 코로나 방전 발생 시, 광학렌즈가 장착된 자외선 센서를 통해 자외선 신호를 검출하고 이를 자외선이미지와 비교하였다. 검출되는 자외선 세기는 펄스카운트(pulse count)로 출력되며, 폴리머애자의 절연파괴 전압은 160kV였다.

대상 데이터

그림 1은 본 실험에 사용된 자외선 센서의 개략도와 사양을 나타낸다. 본 논문에서는 코로나 방전 시 발생하는 자외선을 검출하기 위해 자외선 감지센서(UV Tron R9533, Hamamatsu)을 사용하였으며, 파장응답범위는 185nm 에서 260nm의 좁은 대역의 감도 특성을 가진다. 자외선 센서 중 R2868 모델은 애노드 및 캐소드가 옆면에 설치되어 있고 R9533 모델은 전면에 애노드 및 캐소드가 설치되어 있다.

이론/모형

그림 3은 고전압 인가에 따른 자외선 세기 측정 개략도를 나타낸다. 고전압 인가 실험은 KS C IEC 60060-1(2006)[9]에 의해 정의된 고전압 발생장치를 이용하여 전력 설비를 평가하는 방법을 활용하였다. 이때, 실험실 온도는 5℃, 습도는 65%를 유지하였다.

성능/효과

또한 UV 센서를 통한 자외선 세기와자외선 카메라를 이미지 크기 및 형태를 비교하였다. UV 센서를 통한 검출시스템 통해 직류전압 700V에서 자외선 세기를 측정하는 것이 데이터 취득과 분석에 활용되는 것이 좋은 것으로 판단되며, UV R2868 센서보다는 UV R9533 센서를 이용하여 방전에 따른 자외선 세기 측정이 쉬울 것으로 판단된다. 구축한 측정시스템을 이용하여 폴리머애자의 자외선 세기를 측정한 결과, 폴리머애자와 측정시스템과의 거리가 멀어질수록 검출되는 자외선 세기는 감소하는 것으로 나타났으며, 폴리머애자 절연파괴 전압의 약 37.
UV 센서를 통한 검출시스템 통해 직류전압 700V에서 자외선 세기를 측정하는 것이 데이터 취득과 분석에 활용되는 것이 좋은 것으로 판단되며, UV R2868 센서보다는 UV R9533 센서를 이용하여 방전에 따른 자외선 세기 측정이 쉬울 것으로 판단된다. 구축한 측정시스템을 이용하여 폴리머애자의 자외선 세기를 측정한 결과, 폴리머애자와 측정시스템과의 거리가 멀어질수록 검출되는 자외선 세기는 감소하는 것으로 나타났으며, 폴리머애자 절연파괴 전압의 약 37.5%에 해당하는 60kV이상에서부터 확실하게 코로나 방전에 의한 자외선 세기가 검출되는 것을 확인하였다. 또한 폴리머 애자에 인가되는 고전압의 세기가 증가함에 따라 UV 센서에서 검출되는 자외선의 세기도 점차적으로 증가되는 것으로 확인할 수 있었다.
그림 5는 UV R2868센서를 이용하여 코로나 방전 시의 자외선 세기를 검출한 것을 나타낸다. 그림 4의 결과와 동일하게 절연파괴전압의 약 37.5%에 해당하는 60kV이상에서부터 코로나 방전에 의한 자외선 광이 검출되는 것을 확인하였으며, 인가되는 고전압이 증가함에 따라 UV 센서에서 검출되는 자외선의 세기도 점차적으로 증가되는 것으로 확인할 수 있었다. 하지만, 그림 4의 결과와 다르게 그림 (a)와 (c)의 DC 600V, 800V에서는 고전압 인가에 따라 출력되는 자외선 세기는 크게 증가하지 않고 포화되는 경향을 나타내었다.
DC 700V에서는 자외선 세기가 증가하는 특성을 나타내었다. 따라서 자외선 센서의 공급전압은 그림 4의 결과와 유사하게 약 700V로 하는 것이 데이터를 취득하여 분석하는데 유리한 것으로 나타났다. 이는 광학렌즈를 이용하여 출력되는 자외선 세기를 최대로 확보할 수 있기 때문이다.
5%에 해당하는 60kV이상에서부터 확실하게 코로나 방전에 의한 자외선 세기가 검출되는 것을 확인하였다. 또한 폴리머 애자에 인가되는 고전압의 세기가 증가함에 따라 UV 센서에서 검출되는 자외선의 세기도 점차적으로 증가되는 것으로 확인할 수 있었다.
자외선 카메라를 이용한 이미지 크기와 자외선 세기를 비교해 보면, 동일하게 절연파괴전압의 약 37.5%에서 자외선 이미지와 세기가 검출되었으며, UV 센서를 통한 자외선 세기 측정으로 폴리머 애자의 이상 유무를 판별할 수 있을 것으로 판단되어 UV 센서를 이용한 저가의 자외선 측정 시스템의 개발이 가능할 것으로 생각된다.
그림 4에서 고전압이 증가할 수 록 자외선 세기가 급격하게 증가하는 현상을 관찰할 수 있다. 즉, 폴리머애자의 절연파괴전압인 160kV의 약 37.5%에 해당하는 60kV이상에서부터 자외선 신호가 검출되었으며, 이때부터 코로나 방전이 시작하는 것임을 알 수 있다. 그림 (a)의 600V인 경우보다 그림 (b)의 700V에서 폴리머 애자에 인가되는 고전압의 증가함에 따라 자외선 센서에서 검출되는 자외선 세기도 점차적으로 증가되는 것으로 확인할 수 있었지만, 그림 (c)의 800V에서는 그림 (b)의 700V에서 검출된 자외선 세기와 거의 유사하게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
그림 6에서 UV 센서의 직류 전압별로 구분하였지만, 모두 폴리머애자와 측정시스템과의 거리가 멀어질수록 검출되는 자외선 세기는 감소하는 것으로 나타났다. 폴리머애자 절연파괴 전압의 약 37.5%에 해당하는 60kV이상에서부터 확실하게 코로나 방전에 의한 자외선이 검출되는 것을 확인하였으며, 폴리머 애자에 인가되는 고전압의 세기가 증가함에 따라 점차 UV 센서에서 검출되는 자외선의 세기도 점차적으로 증가되는 것으로 확인할 수 있었다. 그림에서 DC 700V의 구동전압에서 자외선 세가가 가장 강했으며, 그림 (a)와 (b), (c)를 비교해보면, 거리 5m에서는 절연파괴 전압의 약 37.

후속연구

5%에서 자외선 이미지가 검출되었다. 새로 개정된 전기설비기술기준의 판단기준의 자외선 카메라를 이용한 자외선 이미지 크기, 형태를 이용하여 폴리머 애자의 상태를 진단해 보면, 절연 파괴의 위험 정도가 약 37.5%를 넘어서게 되면 노출 충전부에 설치된 폴리머 애자의 점검이 필요하다는 것을 추측해 볼 수 있으며, UV 센서를 통한 자외선 세기 측정으로 폴리머 애자의 이상 유무의 판별이 가능하며, UV 센서를 이용한 저가의 자외선 측정 시스템의 개발이 가능할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 자외선 코로나 카메라의 단점은?	기존의 자외선 코로나 카메라는 광증배관(Multi Channel Plate) 기술을 이용하여 코로나 방전 시 발생하는 자외선을 수 천배 증폭하여 가시광선 영역의 이미지로 출력하지만, 광증배관 자체가 수천만 원대로 가격이 비싸다는 단점이 있다. 본 논문에서 제안 되는 자외선(UV) 센서는 내부 방전전극의 광전효과와 가스증폭 기술을 이용하여 자외선을 감지하는 센서로서, 기존 자외선 코로나 카메라의 센서인 광증배관 보다 가격($US 100)이 저렴하고, 코로나 방전에서 발생하는 자외선 파장(UV-C) 대역인 260nm 이하의 파장을 측정할 수 있어 광학렌즈와 일정한 DC 전압을 인가하게 되면 쉽게 코로나 방전 현상을 검출 할 수 있다[7-8].
	자외선(UV) 센서란?	기존의 자외선 코로나 카메라는 광증배관(Multi Channel Plate) 기술을 이용하여 코로나 방전 시 발생하는 자외선을 수 천배 증폭하여 가시광선 영역의 이미지로 출력하지만, 광증배관 자체가 수천만 원대로 가격이 비싸다는 단점이 있다. 본 논문에서 제안 되는 자외선(UV) 센서는 내부 방전전극의 광전효과와 가스증폭 기술을 이용하여 자외선을 감지하는 센서로서, 기존 자외선 코로나 카메라의 센서인 광증배관 보다 가격($US 100)이 저렴하고, 코로나 방전에서 발생하는 자외선 파장(UV-C) 대역인 260nm 이하의 파장을 측정할 수 있어 광학렌즈와 일정한 DC 전압을 인가하게 되면 쉽게 코로나 방전 현상을 검출 할 수 있다[7-8].
	UV R2868센서를 이용하여 코로나 방전 시의 자외선 세기를 검출한 실험에서 자외선 센서의 공급전압은 약 700V로 하는 것이 데이터를 취득하여 분석하는데 유리한 것으로 나타난 이유는?	따라서 자외선 센서의 공급전압은 그림 4의 결과와 유사하게 약 700V로 하는 것이 데이터를 취득하여 분석하는데 유리한 것으로 나타났다. 이는 광학렌즈를 이용하여 출력되는 자외선 세기를 최대로 확보할 수 있기 때문이다. 또한 UV R2868 센서보다는 UV R9533 센서를 이용하는 것 역시 자외선 세기를 최대로 확보 할 수 있는 방법으로 판단된다.

참고문헌 (9)

EPRI, "Guide to Corona and Arcing Inspection of Overhead Transmission Lines", EPRI Report 1001910, 2002
Kil-Mok Shong, Sun-Gu Kim, Woon-Ki Han, Young-Seok Kim, Jin-Su Jung and Hyoung-Jun Choi, "Recognition and Detection of Corona Discharge on Porcelain Insulators at 22.9kV Distribution Line Using UV-Camera", XVth International Symposiumon High Voltage Engineering,2007
정종만, 곽현관, 김한홍, "자기 현수애자의 누설전류 불량판정기준", 대한전기학회 전기설비부문회 추계학술대회 논문집, pp. 413-418, 2010
지식경제부, "전기설비기술기준의 판단기준", 2011 개정 고시
김영석, 송길목, 방선배, 김종민, 최명일, "광학렌즈가 부착된 자외선 센서 어레이를 이용한 폴리머 애자의 코로나 방전신호 분석과 판별방법 연구", 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp.2165-2166, 2010
김영석, 최명일, 김종민, 방선배, 송길목, "노출 충전부의 코로나 방전에 따른 자외선 특성 분석", 한국조명전기설비학회 춘계학술대회, pp.39-40, 2010.
Y. K. Su, S.J.Chang ,C.H.Chen, J.F.Chen, G.C.Chi, J.K.Sheu, W.C.Lai, and J.M.Tsai, "GaN Metal-Semiconductor-Metal Ultraviolet Sensors With Various Contact Electrodes", IEEE SENSORS JOURNAL,VOL.2, NO.4, pp.366-371, 2002

상세보기
Alexandre R. Pauchard, Dragan Manic, Adrian Flanagan, Pierre A.Besse, RadeS. Popovic, "A Method For Spark Rejection in Ultraviolet Flame Detectors", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 47, NO. 1, pp. 168-174, 2000.

상세보기
KSC IEC 60060-1(High voltage test techniques-Part 1 : General definitions and test requirement), 2006.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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