[논문]UV 센서 어레이를 이용한 폴리머 애자의 코로나 방전 신호분석 연구

최명일; 김재철

doi:10.5207/jieie.2014.28.4.016

[국내논문] UV 센서 어레이를 이용한 폴리머 애자의 코로나 방전 신호분석 연구
A Study on the Signal Analysis of Corona Discharge on the Polymer Insulator using UV Sensor Array 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.28 no.4, 2014년, pp.16 - 20

최명일 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 김재철 (숭실대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To prevent any accident in electric power utilities, many researches for inspection and diagnosis deteriorations occurring by corona discharges have been continuously studying. Inspection and diagnosis of electric power utility is very important to prevent an accident. This paper studies a measurement of ultra-violet(UV) ray of corona discharges on polymer insulators using an UV sensor array with an optic lens. The detection of an UV signal begins at 60kV, which is about 37.5% of the breakdown voltage of the polymer insulator and the stronger the high voltage increased to the polymer insulator was. It can be determined that the polymer insulator mounted on a live part must be examined when the discharge risk exceeds approximately 40%. In conclusion, the status of power utilities can be checked using an UV sensor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 전력설비의 노출 충전부에 사용되고 있는 고분자 절연 애자에서 발생하는 코로나 방전을 UV 센서를 통해 검출하는 방법과 판별방법에 대하여 연구하였다.
본 연구에서는 광학렌즈가 부착된 자외선 센서 어레이를 이용한 폴리머 애자의 코로나 방전 신호분석과 판별방법에 대하여 실험을 실시하였다.

제안 방법

실제 현장에서 자외선 카메라를 이용하여 고전압 설비에서 발생하는 코로나 방전 이미지를 촬영한 것을 그림 1에 나타냈다. 그림에서 볼 수 있듯이 설비상태의 열화에 의해 자외선 이미지가 선명하게 보이는 것을 알 수 있으며, 또한 이를 이용하여 이득(gain)값에 따른 이미지 면적과 방전량을 이용하여 전력설비의 열화 상태를 판단해 주는 연구를 수행하였다[1-3]. 하지만 현재 이스라엘에서 출시한 자외선 카메라는 제작사에서 제공하는 방전 카운트로 이상유무를 판별하지만, 거리별 이득값 및 방전카운트에 대한 측정영역도 한정되어 있어 현장에서 사용하기에는 많은 제약이 따르며, 진단장비의 가격이 너무 비싸다는 단점도 있다.
렌즈에 의해 후단부에 형성되는 이미지 상면에 UV R9533 센서를 위치하도록 하였으며, 센서의 구동전압은 400V이상으로 하였다. 또한 자외선의 변화를 측정하기 위하여 레코더를 설치하여 출력되는 펄스 신호를 카운트하고 신호파형을 관찰하였다. 고전압 인가 실험은 IEEE Std.
렌즈의 재질은 UV대역에서 투과도가 우수한 UV급 fused silica로 정하고, 렌즈의 초점거리는 200mm, 렌즈의 직경은 100mm, 화각(FOV)은 10°로 초기조건을 선정한 후 중심파장 250nm에 대해서 UV 집광 비구면렌즈의 최적화를 실시하였다.
이때 실험실 온도는 5℃, 습도는 65%를 유지하였다. 측정거리는 5m로 고정하였으며, 측정치는 10회 이상 축적된 자료를 평균으로 하였다. 코로나 발생 대상물은 현재 국내에서는 22.
코로나 발생 시의 검출되는 자외선은 크기가 작기 때문에 UV 광을 검출하기 위해 투과형 광학 렌즈를 설계하여 적용하였다. 그림 3은 광학렌즈를 이용하여 자외선을 감지하는 시스템을 개략화하여 나타낸 것이다[5].
폴리머 애자에서 발생되는 코로나 방전 시, 자외선 신호(펄스 카운트)를 이용하여 고전압 설비의 이상 유무를 판별하는 방법에 대해 분석하였다. 그림 6은 자외선 펄스 카운터에서 획득한 데이터를 이용하여 비주얼 이미지로 보여주는 방법을 나타낸다.

대상 데이터

그림 2에서 볼 수 있듯이 본 논문에서는 코로나 방전 시 발생하는 자외선을 검출하기 위해 자외선 감지센서인 UV Tron R9533(하마마쯔(사),일본)을 사용하였다. 그림 2 (a)의 R9533은 전면에 애노드 및 캐소드가 설치되어 있다.
렌즈의 재질은 UV대역에서 투과도가 우수한 UV급 fused silica로 정하고, 렌즈의 초점거리는 200mm, 렌즈의 직경은 100mm, 화각(FOV)은 10°로 초기조건을 선정한 후 중심파장 250nm에 대해서 UV 집광 비구면렌즈의 최적화를 실시하였다. 렌즈에 의해 후단부에 형성되는 이미지 상면에 UV R9533 센서를 위치하도록 하였으며, 센서의 구동전압은 400V이상으로 하였다. 또한 자외선의 변화를 측정하기 위하여 레코더를 설치하여 출력되는 펄스 신호를 카운트하고 신호파형을 관찰하였다.
측정거리는 5m로 고정하였으며, 측정치는 10회 이상 축적된 자료를 평균으로 하였다. 코로나 발생 대상물은 현재 국내에서는 22.9kV 배전선로에 이용되고 있는 정상적인 폴리머애자(Silicone A type)이며, 공급전압은 고전압발생장치(Hipotrinics, 0～200kV, 60Hz, USA)를 이용하여 기중 절연파괴가 될 때까지 10kV씩 전압을 상승시키며 그때 발생되는 자외선을 검출하였다.

이론/모형

고전압 인가 실험은 IEEE Std. 436에 근거한 실험구성이 이루어졌으며, IEC, ASTM STP 669에서 권장하는 시험법을 선택하였다.
실험 조건은 KS C IEC 60060-1(2006)에 의해 정의된 고전압 발생장치를 이용하여 전력 설비를 평가하는 방법을 활용하였다. 이때 실험실 온도는 5℃, 습도는 65%를 유지하였다.

성능/효과

그림 5는 R9533 센서를 이용하여 2×2로 배열하여 코로나 방전시의 자외선 신호를 검출한 결과를 나타낸다. 그림에서 60kV이상에서 코로나 방전에 의한 UV광이 검출되는 것을 확인하였으며, 센서 1과 2번에서 펄스 카운트가 3번과 4번 센서에 비해 높게 나타났다. 하지만 자외선 펄스 카운트는 그림 4에 비해 작은 것을 알 수 있다.
이때 폴리머애자의 절연파괴 전압은 160kV이었으며, 센서의 DC 구동 전압은 700V로 하였다. 그림에서 절연파괴 전압의 약 37.5%에 해당하는 60kV이상에서 부터 확실하게 코로나 방전에 의한 UV 신호가 검출되는 것을 방전 펄스 카운트로 확인하였으며, 폴리머 애자에 인가되는 고전압의 세기가 증가함에 따라 점차 UV 센서에서 검출되는 펄스의 수도 점차적으로 증가 되는 것으로 확인할 수 있었다.
5%에 해당하는 60kV에서 자외선 신호가 확실하게 검출되는 것을 확인하였다. 또한 자외선 발생 위치를 검출하기 위해 멀티형태로 배열하여 실험한 결과, 각 센서마다 자외선 센서 신호의 검출량이 다르게 측정되었으며, 광학계의 spot 면적을 크게 하고 센서 개수를 늘려준다면 코로나 방전이 나타나는 위치를 정확하게 감지할 수 있을 것으로 판단된다.
전력 설비 노출 충전부의 코로나 방전 발생 시의 자외선 특성은 자외선 센서와 광학렌즈를 이용하여 빛을 집광함으로서 자외선 신호를 검출할 수 있었으며, 폴리머 애자의 절연파괴 전압의 37.5%에 해당하는 60kV에서 자외선 신호가 확실하게 검출되는 것을 확인하였다. 또한 자외선 발생 위치를 검출하기 위해 멀티형태로 배열하여 실험한 결과, 각 센서마다 자외선 센서 신호의 검출량이 다르게 측정되었으며, 광학계의 spot 면적을 크게 하고 센서 개수를 늘려준다면 코로나 방전이 나타나는 위치를 정확하게 감지할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

국내 UV Sensing 진단기술의 지속적 개발은 활선 상태에서 전력설비의 열화 상태를 진단하여 전기안전 서비스의 질적 향상과 국가 기술경쟁력 확보에 기여할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자외선 센서는 어떤 특성을 가지는가?	UV 센서는 금속의 광전자 효과와 가스증폭 효과를 이용한 센서로서 자외선 검출 영역은 185～260nm의 좁은 파장 대역 특성을 가진다. 물론 센서 자체적으로는 코로나 방전을 검출하기에는 신호가 미약하지만, 광학렌즈를 부착하여 발생하는 자외선을 집광할 수있으며, DC 전압의 공급에 의해 자외선 검출이 용이할 뿐만 아니라 기존 자외선 카메라의 핵심기술인 MCP에 비해 가격이 저렴하다는 장점도 있다[5].
	전력설비에 고분자 재료가 사용되는 이유는 무엇인가?	최근 전력설비에는 폴리머 애자, 케이블 종단 접속재, 고분자 부싱 등의 전력설비에 경량화, 비용 절감 등의 이유로 고분자 재료가 사용되고 있다. 하지만 고분자 재료는 장기간 외부에 노출이 되면 재료 표면의 경년 열화가 발생하여 수명이 단축되고, 열화에 따른 코로나 방전의 발생으로 지락 사고를 일으키게 된다.
	고분자 재료의 문제점은 무엇인가?	최근 전력설비에는 폴리머 애자, 케이블 종단 접속재, 고분자 부싱 등의 전력설비에 경량화, 비용 절감 등의 이유로 고분자 재료가 사용되고 있다. 하지만 고분자 재료는 장기간 외부에 노출이 되면 재료 표면의 경년 열화가 발생하여 수명이 단축되고, 열화에 따른 코로나 방전의 발생으로 지락 사고를 일으키게 된다. 따라서 전력설비의 사고를 사전에 예방하기 위해서는 코로나 방전을 적절하게 검출하여 진단하는 방법이 시간적 측면과 신뢰성 측면의 우수성으로 주목을 받고 있다.

참고문헌 (5)

K.M. Shong, S.G Kim, W.K Han, Y.S. Kim, J.S. Jung and H.J. Choi, "Recognition and Detection of Corona Discharge on Porcelian Insulators at 22.9kV Distribution Line Using UV-Camera", 15th ISH2007, pp.439, 2007.
Kil-Mok Shong, Young-Seog Kim, Sun-Gu Kim, "Images Detection and Diagnosis of Corona Discharge on Porcelain Insulators at 22.9kV D/L", IEEE SDEMPED2007 Proc. pp.462-466. 2007.
Kil-Mok Shong, Sun-Bae Bang, Chong-Min Kim, Young-Seog Kim, Jin-Su Jung,, "The Characteristics UV Generation Aging Materials in According to Surface Discharge", KIEE, Vol.57, No. 9, pp.1606-1611, 2008.
Kil-Mok Shong, Sun-Bae Bang, Chong-Min Kim, Young-Seog Kim, "The Ultraviolet Generation Characteristics of porcelain and Polymer Insulators by Corona Discharge", KIIEE, Vol. 21, No. 4, pp.147-152, 2008.

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Young-Seog Kim, Myeong-Il Choi, Chong-Min Kim, Sun-Bae Bang, Kil-Mok Shong, Chong-Min Kim, "Comparison of UV images and Measurement of the Corona Discharge from Insulators using the UV Sensor", KIEE, Vol. 60, No. 4, pp.899-904, 2011.

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