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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 기존에 고정형 기반의 유중 가스분석장치를 사용함으로서 발생하는 직간접적인 문제를 해소하기 위하여 광음향 분방법(photoacoustic spectroscopy : PAS)기반의 소형화된 휴대용 유중가스 분석장치를 제안한다. 제안된 장치는 유중가스분석을 위해 절연유 내에 함유된 미량의 가스를 추출하여 전력 기기내의 비정상적인 열적 스트레스에 대한 정보를 검출한다.
제안 방법
- 제안된 장치는 유중가스분석을 위해 절연유 내에 함유된 미량의 가스를 추출하여 전력 기기내의 비정상적인 열적 스트레스에 대한 정보를 검출한다. 검출된 정보는 정보처리과정에 의해 분석되어 전력기기의 안정성을 평가하게 한다. 본 장치는 기존의 해외 의존 장비와 달리 실시간 정보처리를 하여 전력기기의 안정성을 현장에서 바로 판단할 수 있게 하였다.
- 먼저 주된 방식에 있어서 GC기반이 아닌 광음향 효과를 활용한 PAS 기반을 선정함으로서 GC기반에서 요구되는 많은 장치들을 배제하였다. 그리고 소형화 설계를 통해 장치의 규모를 최소화함으로서 이동성을 확보 하였다.
- 실험방법은 시스템 전체에 대한 평가를 위해 최대 측정치의 50%이내의 농도 분포로 용해된 혼합가스 절연류 시료를 제작하고, 제작된 시료에 대하여 유중가스분석 실험을 시행하였다. 그리고 현재 유중가스분석에 사용되고 있는 고정형 타입의 GC방식 장비를 비교장비로 채택하고 동일 시료에 대한 분석을 시행하여 그 결과를 비교하였다. 비교 실험에서는 저농도 시료와 중농도 시료에 대하여 비교실험을 수행하였다.
- 먼저 주된 방식에 있어서 GC기반이 아닌 광음향 효과를 활용한 PAS 기반을 선정함으로서 GC기반에서 요구되는 많은 장치들을 배제하였다. 그리고 소형화 설계를 통해 장치의 규모를 최소화함으로서 이동성을 확보 하였다.
- 본 논문에서는 전력기기 열화평가를 위한 광음향 분광법을 이용한 휴대용 유중가스분석기를 제안하고, 이를 검증하기 위하여 저농도, 중농도의 절연유 제조하여 실험을 실시하였고 , 기존에 사용되고 있는 GC 방식의 유중가스분석기(GC-2014)와 제안한 분석기를 동일한 시료에 대하여 측정을 수행하고 그 결과를 비교하였다.
- 그리고 현재 유중가스분석에 사용되고 있는 고정형 타입의 GC방식 장비를 비교장비로 채택하고 동일 시료에 대한 분석을 시행하여 그 결과를 비교하였다. 비교 실험에서는 저농도 시료와 중농도 시료에 대하여 비교실험을 수행하였다. 비교장비에서의 분석은 1회만 수행하였으며, 연구장비에 대하여서는 2회 이상의 측정을 통해 반복성 여부를 함께 평가하였다.
- 비교 실험에서는 저농도 시료와 중농도 시료에 대하여 비교실험을 수행하였다. 비교장비에서의 분석은 1회만 수행하였으며, 연구장비에 대하여서는 2회 이상의 측정을 통해 반복성 여부를 함께 평가하였다. 측정가스의 측정 범위는 아래 표 2와 같다.
- 실험방법은 시스템 전체에 대한 평가를 위해 최대 측정치의 50%이내의 농도 분포로 용해된 혼합가스 절연류 시료를 제작하고, 제작된 시료에 대하여 유중가스분석 실험을 시행하였다. 그리고 현재 유중가스분석에 사용되고 있는 고정형 타입의 GC방식 장비를 비교장비로 채택하고 동일 시료에 대한 분석을 시행하여 그 결과를 비교하였다.
- 제안된 유중가스분석장치는 장치 자체의 크기를 소형화하고 종래의 분석장치가 요구하는 시설기반의 구성요소들을 최소화 할 수 있는 모델로 설계하였다. 아울러 고정형 기반을 벗어나 이동형에서도 적용 가능한 모델로 설계하였다.
- 제안된 유중가스 분석장치는 휴대용 측정장비로서 측정을 위해 별도의 부가적인 시스템 없이 본체만으로 측정이 가능하도록 터치스크린 방식의 사용자 인터페이스를 제공한다. 사용자는 터치스크린을 통해 측정 수행 및 중지에 관한 명령을 전달하고 측정의 진행 상황 및 측정 결과를 확인할 수 있다.
- 제안된 유중가스분석장치는 장치 자체의 크기를 소형화하고 종래의 분석장치가 요구하는 시설기반의 구성요소들을 최소화 할 수 있는 모델로 설계하였다. 아울러 고정형 기반을 벗어나 이동형에서도 적용 가능한 모델로 설계하였다.
- 따라서 본 논문에서는 기존에 고정형 기반의 유중 가스분석장치를 사용함으로서 발생하는 직간접적인 문제를 해소하기 위하여 광음향 분방법(photoacoustic spectroscopy : PAS)기반의 소형화된 휴대용 유중가스 분석장치를 제안한다. 제안된 장치는 유중가스분석을 위해 절연유 내에 함유된 미량의 가스를 추출하여 전력 기기내의 비정상적인 열적 스트레스에 대한 정보를 검출한다. 검출된 정보는 정보처리과정에 의해 분석되어 전력기기의 안정성을 평가하게 한다.
- 가스추출장치는 절연유 시료로부터 가스 시료를 추출하는 장치이다. 추출 방식으로 실린더에 적재된 일정한 양의 절연유를 회전막대를 이용하여 소용돌이를 일으킨 후, 여기에 기포를 발생시킴으로 가스를 추출한다. 가스의 추출율을 증가시키기 위하여 필요에 따라 히터를 사용한다.
대상 데이터
- 그림 8은 제안된 장치의 신호 처리 몇 제어 보드의 모습으로 신호 처리 및 분석 알고리즘을 위해 TI사의 부동소수점 연산이 가능한 DSP인 TMS320C6713를 사용하였다.
데이터처리
- 본 실험에서 언급한 반복성 편차율과 오차율은 KS 표준(KS A ISO 5727)에 따라 15% 이내로 산정하고 실험을 진행분석 하였다. 수분의 경우 기준장비의 측정 대상이 아니어서 기준장비(G/C)에 의한 수분 측정치가 없으며, 따라서 수분에 대한 비교평가는 반복성 편차율로 판단하였다.
이론/모형
- 본 실험에서 언급한 반복성 편차율과 오차율은 KS 표준(KS A ISO 5727)에 따라 15% 이내로 산정하고 실험을 진행분석 하였다. 수분의 경우 기준장비의 측정 대상이 아니어서 기준장비(G/C)에 의한 수분 측정치가 없으며, 따라서 수분에 대한 비교평가는 반복성 편차율로 판단하였다.
성능/효과
- 결과값을 제외 하고는 상당히 양호한 결과를 보이고 있다. 대체로 10% 이내의 오차율을 보이고 있으며, CO2의 오차율도 저농도 결과와 비교해 볼 때 상대적으로 낮게 나타났다.
- 제안된 가스 검출 장치는 혼합상태의 가스가 혼합상태 그대로 시료로서 사용되는데, 이는 GC방식의 비하여 비교적 단순한 구조로서 구현이 가능하여 컬럼에 의한 가스분리 메커니즘이나 캐리어 가스와 같은 소모성 재료를 필요로 하지 않아 장비 운용 및 유지보수 측면은 물론 소형화에서도 큰 이점을 지닌다. 그리고 입사광에 의한 광음향 신호를 마이크로폰에 의해 취득하는 비파괴적인 방법을 사용함으로서 시료에 대한 손상을 주지않아 해당 가스 시료의 재사용이 가능하므로 추가적인 가스분석에 활용될 수 있다.
- 제안된 분석기의 실험결과 10% 내외의 오차율과 5% 내외의 반복성 편차율을 보였으며 이는 휴대용 장치임을 고려해 볼 때 상당히 양호한 결과로 평가할 수 있다.
- 특히 중농도 시료의 경우 5% 이내의 고른 반복성 편차율이 나타났다. 종합적으로는 10% 이내의 반복성 편차율을 보여서 유중가스를 측정함에 있어 상당한 안정도를 가지는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 제안된 가스 검출 장치는 혼합상태의 가스가 혼합상태 그대로 시료로서 사용되는데, 이는 GC방식의 비하여 비교적 단순한 구조로서 구현이 가능하여 컬럼에 의한 가스분리 메커니즘이나 캐리어 가스와 같은 소모성 재료를 필요로 하지 않아 장비 운용 및 유지보수 측면은 물론 소형화에서도 큰 이점을 지닌다. 그리고 입사광에 의한 광음향 신호를 마이크로폰에 의해 취득하는 비파괴적인 방법을 사용함으로서 시료에 대한 손상을 주지않아 해당 가스 시료의 재사용이 가능하므로 추가적인 가스분석에 활용될 수 있다.
- 따라서 전력기기의 안전성을 일정한 분석 성능을 가지면서 저렴한 기기를 사용함으로 좀 더 많은 분석 수요를 충족시키고, 나아가 개별 전력기기들의 안전성 평가를 통해 사고 예방에 기여할 수 유중가스분석장치 모델이 필요하다.
- 제안된 광음향 분광법을 이용한 휴대용 유중가스 분석기는 전력 기기에서 채취한 절연유를 현장에서 즉시 분석함으로서 유중가스 분석에 소요되는 시간을 단축 할 수 있을 뿐만 아니라, 이상 발견시 신속히 이를 분석 전문기관에 정밀 측정을 의뢰함으로서 장비의 안정성 여부를 확인할 수 있는 등, 정기 검사 주기 사이의 공백기에서의 보조적인 점검 장치로서 적극 활용한다면 전력기기의 안정성 평가 및 유지보수의 신속성을 제공할 수 있으며, 보다 빈번한 점검을 통해 절연유의 열화에 대한 경향을 분석함으로서 전력기기의 안정성 향상을 도모할 수 있을 것이다.
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