[논문]풍력발전기 나셀 내부 화재 조기감지 및 화재 위치 판별 방법

김다희; 임종환

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.12.935

풍력발전기 나셀 내부 화재 조기감지 및 화재 위치 판별 방법
Methods for Early Fire Detection and Fire Position Determination Inside the Nacelle of Wind Turbine Generator System 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.12 = no.363, 2015년, pp.935 - 943

김다희 (제주대학교 대학원 풍력공학부) , 임종환 (제주대학교 메카트로닉스공학과)

초록
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본 논문에서는 풍력발전기 나셀 내부의 화재 조기감지 및 화재발생위치를 판단하는 방법을 제안한다. 화재감지 변수로는 온도와 공기 혼탁도 상승률을 이용하는데, 이것은 온도와 혼탁도의 절대 값과 상관이 없이 화재를 감지할 수 있기 때문에 비화재보를 최소화 할 수 있는 방법이다. 화재발생위치는 다수의 화재감지 센서들의 거리에 따른 화재감지 시간차를 이용하였다. 또한 다양한 실험을 통하여 개발된 방법의 성능을 테스트하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a method for early fire detection and fire position determination inside the nacelle of wind turbine generator system. The rising temperature and obscuration rates inside the nacelle were used as parameters for fire detection, which can minimize the possibility of a fire detection malfunction because these rising rates do not depend on the absolute values of temperature and obscuration. The fire position was determined using the time difference among various sensor positions for fire detection. The performance of the method was tasted using sets of experiments in a nacelle simulator.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 외부 빛이 차단된 환경에서는 화재발생 변수로 조도가 가장 효과적이지만 너셀 환경과 같이 외부빛이 유입되는 환경에서는 조도의 최대 값 및 조도 상승률이 커 초기 화재에 의한 조도 및 조도상승률과 구별이 쉽지 않기 때문에 화재 조기감지 변수로 적합하지 못하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 비화재보를 최소화하기 위해서 안정적인 온도와 탁도의 상승률을 화재감지 변수로 선정하여 이를 바탕으로 화재 조기감지 및 화재위치 판별방법을 연구하였다.
즉, 화재 발생 시에 열기나 연기는 화재발생위치로부터 거리가 멀어질수록 전달이 늦어지기 때문에 화재발생위치에 가장 가까운 센서가 가장 먼저 감지하며 거리 순으로 감지 시간이 늦어진다. 따라서 화재감지가 가장 빠른 위치를 화재발생위치로 판단하며 거리에 따른 감지 시간차는 실험을 통하여 규명한다.
본 논문에서는 나셀 내부의 화재조기 감지법과 화재발생위치 판별 방법을 제안한다. 이를 위해 나셀 내부 환경을 모니터링하고 그 결과를 분석하여 화재감지에 적합한 환경 파라메타를 선정하고 이를 바탕으로 화재 조기 감지 및 화재위치판별 방법을 도출한다.
화재가 발생하면 변화하는 변수는 크게 온도, 산소농도, 연기농도, 그리고 조도 등이다. 본 연구에서는 2절에 분석한 너셀 내부 환경 특성결과를 이용하여 화재를 조기에 감지하기 위한 변수를 선정하였다. Table 3은 분석된 너셀 내부 환경변수특성을 나타낸다.
본 연구에서는 풍력 터빈 나셀 내부의 환경특성을 분석하여 온도 및 탁도 상승률을 기반으로 화재를 조기에 감지하고, 화재 위치를 판단하는 방법에 관하여 연구하였다. 개발된 조기감지방법을 시뮬레이션으로 검증한 결과 화재 조기 감지가 가능함을 확인하였다.

제안 방법

나셀에서 주로 발생하는 화재인 전기화재와 유류화재를 발생시켜 감지 및 위치판단 실험을 실시하였다. 전기화재는 0.
화재조기 감지는 온도 상승률만으로도 가능 하지만 나셀 내부에는 고가의 장치가 다수 설치되어 있기 때문에 비화재보가 발령될 경우 화재가 아님에도 불구하고 방제액이나 가스를 분출함으로 인해 장비에 막대한 손실을 유발 할 수 있다. 따라서 화재감지의 신뢰성을 높이이고 비화재보를 최소화하기 위해 온도 상승률 및 탁도 상승률을 화재변수로 동시에 고려하여 Table 4와 같은 화재 조기 감지 알고리즘을 설정하였다.
이를 위해 나셀 내부 환경을 모니터링하고 그 결과를 분석하여 화재감지에 적합한 환경 파라메타를 선정하고 이를 바탕으로 화재 조기 감지 및 화재위치판별 방법을 도출한다. 또한 나셀 화재 특성을 분석하여 화재 유형별로 실제 실험을 통하여 조기 감지 및 화재위치판별 성능을 분석한다.
는 Table 3의 나셀 환경 특성 결과와 화재 예비실험 결과로부터 설정하였다. 이 기준값들은 나셀 내부 환경의 비 화재 시 최대 온도 상승률 및 탁도 상승률 보다 크고 화재 시 최소 온도 및 연기농도 상승률보다는 작은 값일수록 감지시간이 빠르겠지만 전술한 바와 같이 비화재보에 의한 장비손실을 최소화하기 위해서 화재시 최소 온도상승률 및 연기농도 상승률 최소 값보다는 약간 높도록 온도상승률은 3℃/s, 탁도 상승률은 4.5%/(ft∙s)로 설정하였다.
본 논문에서는 나셀 내부의 화재조기 감지법과 화재발생위치 판별 방법을 제안한다. 이를 위해 나셀 내부 환경을 모니터링하고 그 결과를 분석하여 화재감지에 적합한 환경 파라메타를 선정하고 이를 바탕으로 화재 조기 감지 및 화재위치판별 방법을 도출한다. 또한 나셀 화재 특성을 분석하여 화재 유형별로 실제 실험을 통하여 조기 감지 및 화재위치판별 성능을 분석한다.
풍력 터빈 나셀의 환경을 분석하기 위하여 환경 특성 변수를 조도, 공기 혼탁도(이하 탁도) 및 온도로 설정하여 센서를 풍력 터빈 나셀 내부에 설치하였다. 설치위치는 실제 화재 발생 사례 및 유럽 화재 가이드라인을 참고하여 화재가 발생하기 쉬운 부분인 발전기, 브레이크디스크, 기어박스 및 요(yaw) 부분에 설치하였다.

대상 데이터

나셀 화재를 시뮬레이션하기 위하여 Fig. 11과 같은 가로 0.8m, 세로 1.8m, 높이 0.9m의 화재발생 시뮬레이터를 제작하였다. 시뮬레이터 내부에 화재발생용 소형 가스버너가 설치되어있으며 외부의 컨트롤러에 의해 화재를 발생시킨다.
너셀 내부의 화재를 조기에 감지하기 위해서는 무엇보다도 응답특성이 양호한 센서의 선정이 중요하다. 본 연구에서는 다양한 온도 및 연기농도 센서 중 응답속도가 가장 빠른 센서를 화재감지 센서로 선정하였다.
나셀에서 주로 발생하는 화재인 전기화재와 유류화재를 발생시켜 감지 및 위치판단 실험을 실시하였다. 전기화재는 0.2m 길이의 PVC 전선2.5x10^-4m³을 가스버너로 발화시켜 실험하였고, 유류화재는 윤활유를 묻힌 0.4m x 0.04m의 종이를 가스버너로 점화시켜 실험하였다.

이론/모형

조도센서는 CDS센서로 GL5549모델을 사용하였고, 탁도 센서는 이온화식 센서로 DS-SD-003모델을, 온도센서는 삼선식 PT100Ω을 사용하였다.
7 은 100℃로 끓는 물을 이용한 온도 센서의 응답특성을 나타낸다. 화재감지를 위한 탁도 센서로는 DS-SD-003 모델을 사용하였다. 이 공기탁도 센서는 이온화식 으로서 공기에 포함된 부유물에 의한 이온전류 변화를 검출하여 동작하게 된다.

성능/효과

본 연구에서는 풍력 터빈 나셀 내부의 환경특성을 분석하여 온도 및 탁도 상승률을 기반으로 화재를 조기에 감지하고, 화재 위치를 판단하는 방법에 관하여 연구하였다. 개발된 조기감지방법을 시뮬레이션으로 검증한 결과 화재 조기 감지가 가능함을 확인하였다. 또한 거리에 따른 화재감지 시간차를 이용한 화재 위치 판별 방법으로 화재의 위치를 조기에 판단 할 수 있음을 확인하였다.
조도의 경우는 온도 및 탁도와는 달리 그 절대값 및 상승률의 변화 폭이 매우 클 뿐만 아니라 잦은 변화를 보이는 특징을 나타낸다. 따라서 외부 빛이 차단된 환경에서는 화재발생 변수로 조도가 가장 효과적이지만 너셀 환경과 같이 외부빛이 유입되는 환경에서는 조도의 최대 값 및 조도 상승률이 커 초기 화재에 의한 조도 및 조도상승률과 구별이 쉽지 않기 때문에 화재 조기감지 변수로 적합하지 못하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 비화재보를 최소화하기 위해서 안정적인 온도와 탁도의 상승률을 화재감지 변수로 선정하여 이를 바탕으로 화재 조기감지 및 화재위치 판별방법을 연구하였다.
개발된 조기감지방법을 시뮬레이션으로 검증한 결과 화재 조기 감지가 가능함을 확인하였다. 또한 거리에 따른 화재감지 시간차를 이용한 화재 위치 판별 방법으로 화재의 위치를 조기에 판단 할 수 있음을 확인하였다.
온도 상승률은 여름철보다 겨울철의 일교차가 크기 때문에 겨울철이 더 높게 나타났다. 또한 나셀내부의 발전기나 증속기 등에서 열이 발생하기 때문에 운전 시에는 겨울철에도 나셀 내부는 20℃ 이상을 유지하는 것으로 분석되었다.
2초임을 나타낸다. 실제 너셀에 센서를 설치할 경우 센서간의 거리차가 본 연구에서의 거리차인 0.5m보다 클 것이므로 센서 간에 감지되는 시간차가 더욱 클 것으로 예상되기 때문에 화재위치판별 역시 신뢰성이 클 것으로 판단된다.
Table 6은 유류화재 10회 실험결과를 나타낸다. 유류화재 실험결과 감지기 1위치에서의 화재경보는 평균 2.7초였고, 화재감지 시간은 최소 2.5초, 최대 5.9초, 그리고 평균 3.9초였다. 또한 1위치와 2위치의 화재 감지시간 차는 최소 0초, 최대 4초, 그리고 평균 2.
6초였다. 유류화재는 전기화재와는 달리 탁도 상승률이 빨라 거리에 따른 화재주의 및 화재 감지 시간차이가 비슷하였으며 거리가 가장 먼 4위치의 센서에서도 전기화재시보다 화재 감지가 빨랐다.
이 방법은 나셀 내부의 환경 특징을 최대한 반영한 것으로 화재 감지의 신뢰성이 높고, 비화재보의 가능성을 최소화할 것으로 사료된다. 또한 화재다발구역에 센서들을 설치하여 거리에 따른 감지 시간차 실험결과를 적용하여 화재 위치를 판별함으로써 발생한 화재 위치에 국소적인 조기 화재진압이 가능하여 대형화재로 발전하기 전에 초기에 진압이 가능할 것으로 사료된다.
이후 7.6초 후에 나머지 화재감지 변수인 탁도상승률이 S_f에 도달하여 센서 2에서도 화재가 발령 되었고 동시에 센서 3위치에서 온도상승률이 T_f에 도달하여 화재주의를 발령하였다. 이후 8.
6초 후에 나머지 화재감지 변수인 탁도상승률이 S_f에 도달하여 센서 2에서도 화재가 발령 되었고 동시에 센서 3위치에서 온도상승률이 T_f에 도달하여 화재주의를 발령하였다. 이후 8.5초에 3 위치의 센서에서 측정된 탁도 상승률이 T_f에 도달하여 3위치에 화재감지를 발령하였으며, 10.2초에 4 위치에서 온도상승률이 T_f에 도달하여 화재주의를, 11.0초에 탁도 상승률이 S_f에 도달하여 4위치에서도 화재를 발령하였음을 나타낸다. 또한 전기화재의 경우는 온도상승률이 탁도 상승률보다 먼저 기준 값 도달하는 경향이 있었다.
화재주의(warning)는 온도상승률이나 탁도 상승률이 최초로 기준 값에 도달하기까지의 시간을 나타내며, 화재경보(fire)는 나머지 변수가 화재 발생 기준값에 도달한 시간을 나타낸다. 전기화재 실험결과 감지기 1위치에서의 화재경보는 평균 2.6초였고, 화재감지 시간은 최소 2.2초, 최대 4.2초, 그리고 평균 3.1초였다. 또한 1위치와 2위치의 화재 감지시간 차는 최소 2.
Table 2는 풍력 터빈에서 발생한 화재의 위치를 나타낸다. 총 17건의 화재 중에서 발전기 부분이 4건으로 가장 많았고, 디스크브레이크와 컨트롤박스 부근이 3건, 로터 블레이드와 기어박스 2건이 있었고, 발화 위치를 파악하기 어려운 사고는 3건이 발생하였다.
실선은 탁도 상승률, 점선은 온도상승률을 나타내며 괄호 안의 숫자는 센서 위치를 나타낸다. 화재발생 이후 2.5초 후에 센서 1에서 온도상승률과 탁도 상승률이 동시에 T_f와 S_f에 도달하여 화재 주의와 화재발생을 동시에 발령하였으며, 6.8초 후에 센서 2위치에서 온도상승률이 T_f에 도달하여 화재 주의를 발령하였다.
Table 7은 전기화재 및 유류화재를 통합한 각 위치에서의 화재감지 시간 특성을 나타낸다. 화재발생위치(1위치)에서의 최소 감지시간은 2.2초, 최대 5.9초, 그리고 평균 3.3초로서 제안된 방법으로 화재를 감지할 경우 화재발생 5.9초 이내에 화재를 감지할 수 있음을 나타낸다. 실제 풍력발전기 너셀은 화재 시뮬레이터보다 공간이 넓기 때문에 화재감지 시간이 더 길어질 수 있으나 나셀 내부에 화재다발 지역 직 상단에 센서를 설치할 경우 실제 화재발생 위치와 센서 위치사이의 거리가 대략 0.

후속연구

이 방법은 나셀 내부의 환경 특징을 최대한 반영한 것으로 화재 감지의 신뢰성이 높고, 비화재보의 가능성을 최소화할 것으로 사료된다. 또한 화재다발구역에 센서들을 설치하여 거리에 따른 감지 시간차 실험결과를 적용하여 화재 위치를 판별함으로써 발생한 화재 위치에 국소적인 조기 화재진압이 가능하여 대형화재로 발전하기 전에 초기에 진압이 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력 터빈의 화재에서 나셀의 소화가 어려워 전소되는 이유는 무엇인가?	Caithness Windfarm Information Forum의 조사 결과에 따르면 풍력 터빈의 화재사고는 80년대부터 2014년까지 보고된 풍력 터빈 사고 1662건 중 241건으로 이는 블레이드 고장 사고 309건에 이어 두 번째로 빈번히 발생하는 사고이다.(4) 풍력 터빈의 화재는 일반적으로 기계 장치들이 집약되어 있는 나셀에서 발생할 가능성이 높으며 나셀은 지상으로부터 높은 위치에 있기 때문에 화재가 발생하면 발생장소까지 진입이 불가능하기 때문에 소화가 어려워 전소된다.
	기존의 화재감지기가 가지는 한계는 무엇인가?	기존에 온도, 연기 및 불꽃감지기 등 다양한 종류의 화재감지기가 개발되어있다. 그러나 불꽃감지 방식은 나셀 환경이 자연광이 유입되므로 조도 편차가 커 화재감지 신뢰성이 떨어지며 기존 온도감지기는 주변 환경의 온도 편차가 크지 않아야 할 뿐만 아니라 감지속도도 비교적 느리며 서로 다른 감지기를 복합적으로 연동시키기가 어렵기 때문에 나셀 환경에서의 화재조기 감지기로는 적합하지 않다.
	80년대부터 2014년까지 보고된 풍력 터빈의 화재사고 건수의 수준은 어떠한가?	(1~3) 이에 따라서 풍력 터빈의 사고도 증가하고 있다. Caithness Windfarm Information Forum의 조사 결과에 따르면 풍력 터빈의 화재사고는 80년대부터 2014년까지 보고된 풍력 터빈 사고 1662건 중 241건으로 이는 블레이드 고장 사고 309건에 이어 두 번째로 빈번히 발생하는 사고이다.(4) 풍력 터빈의 화재는 일반적으로 기계 장치들이 집약되어 있는 나셀에서 발생할 가능성이 높으며 나셀은 지상으로부터 높은 위치에 있기 때문에 화재가 발생하면 발생장소까지 진입이 불가능하기 때문에 소화가 어려워 전소된다.

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저자의 다른 논문 :

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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