[논문]뇌방전에 의한 유도전압의 측정에 대한 기초적 연구

이복희; 조성철; 엄주홍; 이우철

문제 정의

검출할 수 있다. 본 실험에서는 능동성 적분기CLM7171)를 통한 적분과 DAQ 7.0 프로그램 내에서의 수치적인 적분을 동시에 시도해보았다. 자장 신호검출 역시 A/D 컨버터를 통한 측정값의 신뢰도를 높이기 위해서 오실로스코프로 동일하게 실험을 하였으며, 그림 9는 두 가지 경우의 측정 파형을 보여주고 있다.
이에 본 연구에서는 뇌 방전 시에 발생하는 유도전압 및 자장의 변화를 관측할 수 있는 루프형 자장 센서를 포함한 측정계를 설계. 제작할 목적으로, A/D컨버터를 통한 디지털신호를 컴퓨터로 처리하고 분석을 하여 보다 신뢰도 높은 신호를 얻고자 하였으며, 측정계의 응답 특성과 감도를 파악하기 위한 교정실험과 뇌 임펄스전류에 의한 적용실험을 수행하여 측정신호에 대한 정확도를 평가하고, 그 결과에 대하여 분석하였다.

제안 방법

(3) 임펄스 전류를 인가시켜 입력전류 파형, 유도전압 파형, 검출자장파형을 컴퓨터로 측정. 분석한 결과, 디지털 신호로도 충분히 신호의 외곡과 감쇠 없이 측정할 수 있음이 입증되었다.
의 조건을 만족해야 한다. (6) 의 조건을 만족시키는 넓은 주파수대역의 미분형 센서를 만들기 위해서 센서 출력단에 저항을 연결하여 실험하였다. 출력저항의 변화에 따른 정현파 입력에 대한 자장센서의 응답 전압의 특성을 그림 2에 나타내었다.
7 [us] 임펄스전류 파형을 자속이 서로 쇄교되지 않게끔 전선간 거리를 충분히 유지한 모의실험 계에 인가하고, 루프형 자장 센서를 50 [cm] 떨어진 곳에 위치시킨 후 임펄스전류에 의하여 발생되는 유도전압과 자장을 측정하였다. A/D 컨버터를 통한 측정값의 신뢰도를 높이기 위해서 오실로스코프로 동일 실험을 반복하여 임펄스전류와 유도전압을 측정하였다. 그림 8은 두 가지 경우의 측정 파형을 보여주고 있다.
계측 장치로서의 기본특성인 주파수대 역과 응답 감도를 파악하기 위하여 사각도 체에 정현파 전류 및 구형파 전류를 인가시켜 입력전류의 파형에 대한 자장 측정계의 출력 파형을 측정하고 검토하였다.
균등 자장을 발생시키기 위하여, 기하학적으로 구조가 간단한 사각도체를 사용하였다. 따라서 사각도체(1.
대전류 발생 장치에 의하여 발생되는 921.7 [us] 임펄스전류 파형을 자속이 서로 쇄교되지 않게끔 전선간 거리를 충분히 유지한 모의실험 계에 인가하고, 루프형 자장 센서를 50 [cm] 떨어진 곳에 위치시킨 후 임펄스전류에 의하여 발생되는 유도전압과 자장을 측정하였다. A/D 컨버터를 통한 측정값의 신뢰도를 높이기 위해서 오실로스코프로 동일 실험을 반복하여 임펄스전류와 유도전압을 측정하였다.
된다. 따라서 본 연구에서는 루프형 자장 센서, 차동증폭기, 능동성 적분기로 이루어지는 측정계를 구성하여 출력신호는 입력된 실신 호로 출력되도록 하였다.
사각도체를 사용하였다. 따라서 사각도체(1.5 M X 1.5 [讪)에 변류기를 관통 시켜 입력전류를 측정하고, 센서를 포함한 측정계의 출력전압을 측정하는 방법으로 센서의 응답 특성을 파악할 수 있는 교정실험 계를 구성하였다.
또한, 직각 파 입력에 대한 출력파형의 감쇠 시정 수와 상승 시간을 적용하여 주파수 대역을 결정하는 것은 그 주파수대역 내에서 비선형적인 요소와 공진현상이 나타나지 않는 경우에 한하여 적용되므로 본 연구의 교정실험에서는 정현파 자속의 입력에 대한 응답 특성을 측정하였다.
본 연구에서는 뇌 방전에 의해서 발생되는 유도 전압과 과도자장을 검출할 수 있는 자장 측정계를 구성하여 교정실험과 적용실험을 통하여 측정 장치의 성능을 평가한바 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 연산증폭기를 이용한 하드웨어적인 적분과 Labview를 이용한 소프트웨어적인 적분을 시도하였다.
본 유도전압측정시스템에서는 능동성 적분기를 통한 신호를 과도신호검출기(Nicolet Pro.30)로 데이터를 취득하여 자장을 관측한 기존의 시스템과 미분 된 신호를 직접 W 컨버터로 받아들여 유도전압의 분석과 함께 Labview 프로그램 내부의 수치적인 적분을 하여 자장 신호를 분석하는 새로운 측정 방식을 사용했다.
자장 센서에 의하여 감지된 미분 신호를 증폭과 동시에 적분시킬 수 있는 능동성 적분회로를 구성하였다. 미지의 시변성 자장이 센서에 의하여 검출되어 출력되기까지의 전체 측정시스템을 그림 3에 나타내었다.
자장측정시스템의 하한 주파수대역은 최대웅답의 1/^2 (3dB)배 이내의 범위로 결정하였으며, 상한 주파수대역은 A/D 컨버터의 제한된 샘플링속도로 인한 신호의 정확도를 떨어뜨리는 범위를 한계점으로 1 [MF丑]로 결정을 했다. 따라서 본 자장 측정계의 주파수 대역은 400 [Hz]~l [MHz] 로 산출되었다.
포함한 측정계를 설계. 제작할 목적으로, A/D컨버터를 통한 디지털신호를 컴퓨터로 처리하고 분석을 하여 보다 신뢰도 높은 신호를 얻고자 하였으며, 측정계의 응답 특성과 감도를 파악하기 위한 교정실험과 뇌 임펄스전류에 의한 적용실험을 수행하여 측정신호에 대한 정확도를 평가하고, 그 결과에 대하여 분석하였다.

데이터처리

또한, 다른 방향의 자장 센서에서 나오는 미분신호는 A/D 컨버터를 이용하여 아날로그신호를 디지털 신호로 변환한 후 Labview 프로그램을 이용하여 수학적으로 적분을 하여 그 값을 실시간으로 출력한다. 측정하고자 하는 신호에 A/D 컨버터로 들어오는 구간까지의 노이즈 영향만 없다면 하드웨어적으로 적분기를 구성해서 실신 호를 얻는 방법보다 신뢰도가 더 높다고 볼 수 있다.

이론/모형

루프형 자장 센서는 미국 LLP사 낙뢰 위치 표정 장치의 방향탐지기(direction finder : DF)를 센서로 사용하였다. 이 센서는 동-서, 남-북 방향의 두 개의 센서가 직교하며, 각각의 센서는 2턴과 6턴으로 서로 다른 응답 감도를 가지고 있어서 측정하고자 하는 뇌 방전의 거리를 고려하여 적합한 턴 수의 센서를 선택할 수 있다.
루프형 자장 센서의 원리는 식 (1) 의 맥스웰 전자방정식을 기초로 한다.

성능/효과

(1) PC 기반의 새로운 측정시스템을 구축하여 하드웨어적 측정시스템의 신호와 비교 분석한 바 거의 동일한 결과를 얻었다.
(2) 자장 측정계 의 주파수대 역 400 [Hz]~l [MHz], 응답감도 2.2 [mv/nT]로 뇌방전에 의한 광대역이며 미약한 유도전압과 자장의 측정이 가능함을 확인했다.
1 [Jis]로, 인가한 임펄스전류파형과 거의 일치하였다. 또한 적분회로 출력의 크기를 보았을 때, 인가전류의 약 5배 정도의 크기로 확인이 되는 것으로 보아 증폭기의 기능도 잘 수행하는 것으로 보인다.
분석한 결과, 디지털 신호로도 충분히 신호의 외곡과 감쇠 없이 측정할 수 있음이 입증되었다.

후속연구

하지만 파두장의 길이가 조금 더 짧아지는 요인을 찾아 보정을 해야 하며, 알맞은 적분 dt의 선정으로 기준이 되는 크기를 설정해야 한다. 또한 매우 조그만 DC 성분이라도 A/D 컨버터 내부로 인가된다면 적분된 값에 큰 영향을 주기 때문에 오프셋을 가장 최소화하는 회로를 구성함과 동시에 AQ컨버터 내부회로의 보상도 신경을 써야 할 것으로 판단된다.
또한 우리나라에서 발생되는 뇌방전의 계절적 빈도, 극성, 강도 등의 통계적인 파악이 가능하게 되면 뇌과전압의 발생 양상이나 특성의 해석이 가능하므로 전력계통의 절연설계를 비롯하여 피뢰기, 가공지선, 보호설비의 설정 등 뇌사고 방지에 큰 역할을 하게 될 것이다.

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