[논문]FBG 센서를 활용한 가공 전차선의 스트레인 모니터링

최원석; 고기한; 이경복; 박영; 조용현

FBG 센서를 활용한 가공 전차선의 스트레인 모니터링
Strain monitoring of overhead contact line with FBG sensors 원문보기

최원석 (한밭대학교, 전기공학과) , 고기한 (한밭대학교, 전기공학과) , 이경복 (대전광역시도시철도공사, 차량운영팀) , 박영 (한국철도기술연구원, 전기신호연구본부) , 조용현 (한국철도기술연구원, 전기신호연구본부)

This paper reports on measurement method for the fiber optic strain monitoring of overhead contact line systems of trains. We used fiber Bragg grating (FBG) sensors to measure the strain variation of overhead contact line. FBG sensors were attached on the contact line and connected to the monitering system with optical fibers. The monitering system with FBG sensors showed very good sensitivity to measuring strain variation and this system could be applied to the overhead contact line of KTX.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 FBG 센서를 가공 전차선에 활용하기 위한 사전실험으로 모형의 전차선 환경 속에 발생되는 스트레인 변화와 온도변화를 전차선에 부착한 FBG 센서를 활용하여 실시간 측정하였다.
본 연구에서는 전차선로의 실시간 검측시스템 개발을 위해 구성한 FBG 센서를 활용한 모니터링 시스템에 관하여 기술하였다. FBG 센서는 손쉽게 전차선로에 직렬 또는 병렬로 부착이 가능하고 전기적으로 절연되어 있으며 센서로부터 수십 킬로미터의 거리에서 측정 가능한 센서이기에 고속 철도의 실시간 측정이 가능하다.

제안 방법

그림 2와 같이 구성된 FBG 센서를 활용한 전차선 모니터링 시스템을 모형 전차선에 설치하여 스트레인과 온도변화에 따른 FBG 센서의 동작을 확인하였다. 가공 전차선 재질의 전선의 상단에 FBG 센서를 설치하고 광섬유를 이용 FBGI 시스템에 연결하여 PC를 사용하여 모니터링 하였다. 이러한 시스템을 활용하여 모형 팬터그래프가 가공 전차선에 강하게 접촉할 때 마다 발생하는 스트레인의 변화를 모니터링 시스템을 통해 실시간으로 정확하게 관찰할 수 있었다.
그림 2와 같이 구성된 FBG 센서를 활용한 전차선 모니터링 시스템을 모형 전차선에 설치하여 스트레인과 온도변화에 따른 FBG 센서의 동작을 확인하였다. 가공 전차선 재질의 전선의 상단에 FBG 센서를 설치하고 광섬유를 이용 FBGI 시스템에 연결하여 PC를 사용하여 모니터링 하였다.
설치된 FBG 센서는 차량 운행시 팬터그래프와 전차선의 접촉으로 발생하는 스트레인과 온도의 변화를 실시간으로 측정할 수 있다. 그림과 같이 전차선 윗부분에 FBG 센서들을 설치하였고 센서부로 레이저를 전송하고 반사된 파장을 측정하는 FBGI (Fiber bragg grating interrogation; Fiberpro co., IS7000) 시스템을 센서부에 연결하여 측정된 결과를 PC로 모니터링 할 수 있다. FBG 센서들은 각각 고유의 grating 파장대를 가지고 있기에 외부 환경의 영향으로 발생하는 스트레인과 온도의 변화에 따라 각각의 센서를 통해 수집된 정보를 FBGI 시스템을 사용 PC를 통해 실시간 모니터링이 가능하다.

성능/효과

, 63 IR thermometer)를 통해 인가한 최고 온도가 70℃ 임을 확인할 수 있었다. 실험을 통해 전차선의 온도변화는 가열시와 냉각시에 다른 형태를 나타냄을 확인 할 수 있었다. 즉 가열시엔 고온에서 느리게 온도가 증가하지만 냉각시엔 고온에서 급격히 온도가 하강하고 저온에선 서서히 냉각되는 것을 확인할 수 있었다.
가공 전차선 재질의 전선의 상단에 FBG 센서를 설치하고 광섬유를 이용 FBGI 시스템에 연결하여 PC를 사용하여 모니터링 하였다. 이러한 시스템을 활용하여 모형 팬터그래프가 가공 전차선에 강하게 접촉할 때 마다 발생하는 스트레인의 변화를 모니터링 시스템을 통해 실시간으로 정확하게 관찰할 수 있었다.
실험을 통해 전차선의 온도변화는 가열시와 냉각시에 다른 형태를 나타냄을 확인 할 수 있었다. 즉 가열시엔 고온에서 느리게 온도가 증가하지만 냉각시엔 고온에서 급격히 온도가 하강하고 저온에선 서서히 냉각되는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

빠른 속도로 데이터가 처리 가능하며 측정범위가 광범위하기 때문에 실제 선로의 미세한 변화와 사고를 신속히 모니터링 가능하다는 장점을 가진다. 본 연구에서 FBG 센서는 스트레인의 변화와 온도변화에 민감하게 반응하였으며, 이러한 시스템은 향후 실제 고속철의 실시간 모니터링 시스템에 충분히 사용가능하리라 기대된다.

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