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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 외국 진단장비의 수입에 대체할 수 있는 자외선 코로나 카메라를 개발에 중점을 두었으며, UV 필터를 통한 투과율 향상, 레이저 거리측정 기능을 추가하여 진단의 신뢰성을 높이고자 하였다.
- 본 논문에서는 UV 필터를 통한 투과율 향상, 레이저 거리측정 기능의 추가를 통한 높은 신뢰성의 자외선 코로나 카메라 개발에 중점을 두었다. 자외선 코로나 카메라의 핵심기술은 광학설계, 자외선 필터기술, 자외선 이미지 처리 기술, 자외선 및 실영상 합성 등 있으며, 자외선 필터는 태양광 중 240∼280 ㎚ 파장대역(UV-C 대역)만 통과하고 나머지 파장대역 부분은 12 OD이상 차단하는 필터 기술이 필요하다.
- 따라서 개발된 자외선 코로나 카메라에서는 기술기준에 근거하여 “Sunflower”, “Jellyfish”, “Ameba” 형태로 출력되게 되고 이와 같은 형태의 이미지가 발견되면 해당 전력설비는 “요주의”로 판단하게 된다. 본 논문에서는 자외선 코로나 카메라 개발에 중점을 두었으며, 전력설비의 이상여부 판별방법에 대한 것을 추후 자세하게 보고할 예정입니다.
제안 방법
- 그림 3은 광학계의 필터 구조체 중 가시광선 대역을 차단하는 기능을 갖는 UG 5에 대한 투과율과 황산니켈 필터에 대한 투과율을 나타낸다. UG 5는 유리의 렌즈로 되어 있기 때문에 두께를 조절하여 투과율을 개선하였으며, 너무 얇을 경우, 필터 기능을 확보할 수 없기 때문에 두께가 최소한 10 ㎜ 이상이 되도록 설계, 제작하였다. 제작한 결과, 투과율은 250 ㎚～280 ㎚ 사이에서 67 %를 나타냈었다.
- 하지만, 전력설비에서 발생하는 자외선 신호가 작기 때문에 자외선 신호를 증폭해야만 하며, 영상증폭관의 증폭률을 조정해주는 UV게인 조정 모듈은 증폭률의 단계를 최대 128단계로 세분화 하여 자외선 영상 증폭관에 공급하고 있다. UV 광학계의 영상 초점은 직류 모터를 사용하여 전기적으로 조정하는데 영상의 초점은 실영상을 기준으로 하여 실영상 카메라 렌즈의 위치를 통신을 통하여 획득한 다음 이에 맞는 UV 카메라의 포커스를 UV포커스 드라이버 모듈을 사용하여 조절하였다. 사용자의 키 입력을 받아들이는 키보드, 영상을 나타내는 LCD모듈이 있으며 저장된 영상을 외부로 백업할 수 있게끔 해주는 메모리카드 및 컴퓨터의 USB 장치와 인터페이스 할 수 있는 기능도 가지고 있다.
- 표 4는 솔라블라인드 UV 필터 조립체의 투과율 및 차단율을 나타낸다. UV 카메라를 구성하는 필터들의 투과율 및 차단율을 조합하여 솔라블라인드 UV 필터 조립체의 투과율 및 차단율을 계산하였다. 가장 중요한 250 ㎚～280 ㎚사이의 투과율은 흡수필름에 대한 투과율 12.
- 윈도우에서의 투과율은 약 88 %을 성능을 나타내었다. 기타 반사경코팅 및 테이퍼 투과율 및 효율을 적용하여 UV 필터의 투과율을 개선하였다.
- 또한 개발된 자외선 코로나 카메라에서는 2011년 개정된 전기설비 기술기준의 판단기준에 의하면 코로나 형태에 대한 모양을 가지고 위험도를 판정하는 것으로 되어 있으므로 개발된 자외선 카메라에서도 위 기준에 의거 위험에 대한 판정을 하도록 소프트웨어를 개발 하였다. 본 논문에서 간략하게 소개하면, 우선 패턴을 인식하기 위하여 사용된 방법은 획득한 자외선 영상을 기준으로 가장 큰 이미지를 기준으로 주변 이미지 3개의 형태를 기준으로 판정하며 이미지 형상이 되는 최소 자외선 크기는 4×4 즉 16 픽셀을 기준으로 판단하도록 개발하였다.
- 또한 본 논문에서 개발한 카메라의 특징 중 하나인 거리측정기(LRF)를 부착하여 거리측정을 통해 전력설비의 이상 여부를 확인할 수 있는 안전진단 소프트웨어를 추가하였으며, 이는 이미지 처리 기능의 DSP 모듈에서 수행한다.
- 메인 보드에서는 각 모듈에 대한 제어와 성능을 나타낸 것이다. 먼저, 측정하고자 하는 전력설비에서 자외선이 발생하면, 자외선 이미지 모듈에서 들어온 자외선 영상을 DSP 모듈에서 이미지 처리를 하여 자외선 영상에 있는 노이즈를 제거하여 선명한 UV 영상을 Main 보드의 영상 합성 모듈(Overlay)에 공급한다. 실영상 카메라 모듈의 실영상도 영상합성 모듈(Overlay)에 영상을 공급하게 되어 있다.
- 본 논문에 사용된 UV 필터는 자체적으로 제작하는 폴리머 흡수 필름, 코팅, UV 필터 Glass(UG5), 황산니켈 결정체 필터를 조합하여 최종 성능을 구현하는 타입으로 제작하였으며 표 2는 목표로 하는 UV 필터의 투과율과 차단율을 나타낸다.
- 본 논문에서 간략하게 소개하면, 우선 패턴을 인식하기 위하여 사용된 방법은 획득한 자외선 영상을 기준으로 가장 큰 이미지를 기준으로 주변 이미지 3개의 형태를 기준으로 판정하며 이미지 형상이 되는 최소 자외선 크기는 4×4 즉 16 픽셀을 기준으로 판단하도록 개발하였다.
- NEMA Standard는 침 전극을 이용하여 고전압 인가에 대한 시험 방법으로서, 여기서는 침 전극의 설치와 고전압 인가 시의 자외선 영상 검출에 사용하였다. 시험방법은 침전극을 설치하고 AC 60HZ의 전압을 서서히 증가시켜 부분 방전이 발생시켰을 때 침 전극으로부터 5 m 거리에 떨어진 곳에 자외선 코로나 카메라를 설치하고 자외선을 검출한 자외선 이미지의 픽셀수가 3개일 때 인가한 전압과 부분방전 값을 기록하였다.
- 그림 8은 자외선 코로나 카메라를 통해 촬영된 이미지를 보고 전력설비의 이상 유무를 판단해 줄 수 있는 분석결과를 나타낸 것이다. 여기서 이미지 영상은 전력설비의 중심에서 발생하는 자외선 영상만을 검출하고 주변 작은 영상들은 노이즈로 간주하여 DSP내에서 유효 픽셀(Pixel)을 계산하는 방법으로 안전진단을 수행하도록 하였다. 즉, DSP내에서 유효 픽셀을 계산하여 방전 이미지에서 발생하는 카운트로 설비의 이상여부를 판단할 수 있도록 하였다.
- 본 논문에서 간략하게 소개하면, 우선 패턴을 인식하기 위하여 사용된 방법은 획득한 자외선 영상을 기준으로 가장 큰 이미지를 기준으로 주변 이미지 3개의 형태를 기준으로 판정하며 이미지 형상이 되는 최소 자외선 크기는 4×4 즉 16 픽셀을 기준으로 판단하도록 개발하였다. 우선 자외선 영상을 획득한 다음 신경망 알고리즘의 일종인 ADA Carte 법을 이용하여 자외선 이미지의 형태를 인식하고 이를 바탕으로 전기안전 연구원에서 제공한 각종 방전 형태의 판정 결과를 학습시키는 방법으로 패턴 형태 인식을 수행하였다. 학습은 개발된 알고리즘을 수행하는 외부 컴퓨터를 이용하여 판단기준 계수를 획득한 다음 개발된 DSP보드 내에서는 단지 판단 기준만이 들어가므로 실시간적으로 돌아가는 속도의 지연이 없이 결과를 표시하게 되어있다.
- 자외선 카메라를 이용하여 전력설비를 진단할 수 있는 범위인 시야각(Field of View, FOV)은 6.4°×4.8°로 설계하였고 UV-C 투과율이 10 % 이상, 기타 차단대역은 12 OD 이상으로 하였다.
- 8 kg(배터리포함)이다. 전면에 자외선 광학계와 거리측정기가 위치해 있으며, 위쪽에 LCD 모니터가 있어 전력설비의 이상여부를 확인할 수 있도록 하였다.
- 8 kg이다. 전면에 자외선 광학계와 거리측정기가 위치해 있으며, 위쪽에 모니터가 있어 전력설비의 이상여부를 확인할 수 있도록 하였다. 또한 NEMA Standard에 의해 침 전극을 설치하고 AC 60 Hz의 전압을 서서히 증가시켜 부분방전이 발생시켰을 때 침 전극으로부터 떨어진 곳에 자외선 코로나 카메라를 시험하였으며, 시험결과 개발된 자외선 카메라는 2.
- 여기서 이미지 영상은 전력설비의 중심에서 발생하는 자외선 영상만을 검출하고 주변 작은 영상들은 노이즈로 간주하여 DSP내에서 유효 픽셀(Pixel)을 계산하는 방법으로 안전진단을 수행하도록 하였다. 즉, DSP내에서 유효 픽셀을 계산하여 방전 이미지에서 발생하는 카운트로 설비의 이상여부를 판단할 수 있도록 하였다.
- 그림에서와 같이 자외선 광학계는 실제 전력설비를 촬영하는 실영상 카메라와 동일 광축을 구성하였다. 즉, 자외선의 영상과 실영상의 매칭 시 오차를 최소화하기 위해 매칭(Overlay)의 정확도를 1 mrad 이하가 되도록 설계하였으며, 이를 위해 자외선 광학계 앞쪽에 반사경을 두었다. 자외선이 렌즈를 통해 통과하면 UV 필터에서 240～280 ㎚의 UV-C 대역의 자외선만 통과하고 나머지 파장대역은 모두 제거하게 되며, 영상 증폭관(MCP)에서는 자외선 신호를 수천～수만 배 증폭하게 되어 최종적으로 자외선 이미지를 볼 수 있게 된다.
대상 데이터
- 개발된 자외선 코로나 카메라의 크기는 263 ㎜×288 ㎜×180 ㎜(W×L×H) 이며 무게는 약 3.8 kg이다.
- 카메라의 크기는 263 ㎜×288 ㎜×180 ㎜(W×L×H) 이며 무게는 약 3.8 kg(배터리포함)이다.
이론/모형
- 자외선 코로나 카메라에 대한 성능시험 기준은 전 세계적으로 제시된 것은 없다. 다만, 기존 자외선 코로나 카메라의 성능확인을 위해 제시된 방법 중 하나인 NEMA Standard No. 107-1987[9], IEC 60270[10]에 의해 개발된 자외선 코로나 카메라의 성능을 시험하였다.
성능/효과
- 5 %×88 %×98 %)를 나타냈다. UV-C 투과율은 설계값 및 기존 투과율의 10 %보다 우수한 11 %의 값을 나타내었으며, 차단율 성능은 목표 사양 대비 370～400 ㎚ 대역에서 좋은 성능을 보였다.
- 가장 중요한 250 ㎚～280 ㎚사이의 투과율은 흡수필름에 대한 투과율 12.5 %, 윈도우의 투과율 88 %, 기타 필터 조립체의 투과율 98 %를 조합하여 전체적인 투과율은 11 %(12.5 %×88 %×98 %)를 나타냈다.
- 하지만, 시험장소의 여건 상 5 m 이상의 거리에서는 측정이 불가능하였다. 개발된 자외선 코로나 카메라는 세계 최고 수준의 카메라(1.3 pC, 10 m)와 비교하여 감도가 낮게 측정되었지만, 전력설비 진단에는 문제가 발생하지 않을 것으로 판단된다.
- 전면에 자외선 광학계와 거리측정기가 위치해 있으며, 위쪽에 모니터가 있어 전력설비의 이상여부를 확인할 수 있도록 하였다. 또한 NEMA Standard에 의해 침 전극을 설치하고 AC 60 Hz의 전압을 서서히 증가시켜 부분방전이 발생시켰을 때 침 전극으로부터 떨어진 곳에 자외선 코로나 카메라를 시험하였으며, 시험결과 개발된 자외선 카메라는 2.5 pC의 부분방전이 발생시켰을 경우, 5 m 거리에서 측정이 가능하며, 그때 최소 RIV 검출은 3.6㏈㎶ @1㎒ 의 값을 가졌다. 폴리머애자를 통해 전력설비의 이상여부를 확인하는 데는 크게 문제가 되지 않았다.
- 그림 7은 시험장면과 자외선 카메라에서 검출된 영상을 나타내며, 표 5는 시험 결과를 나타낸다. 시험결과 개발된 자외선 카메라는 2.5 pC의 부분방전이 발생시켰을 경우, 5 m 거리에서 측정이 가능하며, 그때 최소 RIV(Radio Influence Voltage) 검출은 3.6 ㏈㎶@1㎒ 의 값을 가졌다. 하지만, 시험장소의 여건 상 5 m 이상의 거리에서는 측정이 불가능하였다.
- 자외선 코로나 카메라를 구성하는 필터들의 투과율 및 차단율을 조합하여 솔라블라인드 UV 필터 조립체의 투과율 및 차단율을 계산한 결과, 전체적인 투과율은 11%(12.5 %×90 %×98 %)를 나타냈으며, 차단율 성능은 목표 사양 대비 370～400 ㎚ 대역에서 좋은 성능을 보였다.
- UG 5는 유리의 렌즈로 되어 있기 때문에 두께를 조절하여 투과율을 개선하였으며, 너무 얇을 경우, 필터 기능을 확보할 수 없기 때문에 두께가 최소한 10 ㎜ 이상이 되도록 설계, 제작하였다. 제작한 결과, 투과율은 250 ㎚～280 ㎚ 사이에서 67 %를 나타냈었다. 그림 b)의 황산니켈 필터는 350～420 ㎚ 및 600 ㎚ 이상의 파장대역을 흡수하는 기능을 가지고 있으며, 250 ㎚～280 ㎚사이에서는 83 %의 UV 투과율을 나타내었다.
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