[논문]수배전반 진단을 위한 통합형 센서모듈

차상욱; 차현규; 박대원; 박희철; 길경석

수배전반 진단을 위한 통합형 센서모듈
An Integrated Sensor Module for Diagnosis of Closed Switchboards 원문보기

차상욱 (한국해양대학교, 전기전자공학부) , 차현규 (한국해양대학교, 전기전자공학부) , 박대원 (한국해양대학교, 전기전자공학부) , 박희철 (부산교통공사, 운영본부 차량검수팀) , 길경석 (한국해양대학교, 전기전자공학부)

According to the statistical report from National Emergency Management Agency (NEMA) in Korea, the accident rate of closed switchboards in power systems occupies over 40%. In this paper, an integrated sensor module for monitoring the condition of closed switchboards is described. The sensor module monitors electro-magnetic (EM) wave, ultra-violet (UV) ray, heat and smoke generated by electrical discharges or insulation breakdown. The effective detection ranges were decided from experiment results; 100 kHz~10 MHz for EM wave, 220 nm~395 nm for UV ray and 0~$150^{\circ}C$ for heat, respectively. The prototype sensor module includes all functions above-mentioned in one device.

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문제 정의

본 논문에서는 배전반에 설치되어 있는 전력설비의 온라인 진단 기술 개발을 위한 기초연구로써, 절연파괴 및 방전에 의한 이상신호들을 검출하기 위해 통합 감시 모듈 센서를 설계 및 제작하여 이를 분석하고 적용하였다.
본 연구에서는 배전반의 실시간 상태 감시 진단을 위하여 비접촉 방식의 측정 기술을 적용한 통합형 모듈을 설계 및 제작하였다. 선행 연구결과로부터 아크 및 코로나 방전에 의해 발생하는 전자파의 주파수 대역과 자외선 파장대역을 선정하였으며 전자파의 검출대역은 100 kHz ~ 10 MHz, 자외선 파장의 검출대역은 210 nm ~ 395 nm이다.

제안 방법

또한 100 kHz ∼ 10 MHz 주파수 대역을 나타내는 안테나와 이온화 연기센서 및 온도센서를 각각 적용하였으며 전자파 검출부의 증폭회로는 TI사의 THS-3001 연산증폭기를 사용하였고 이득은 40 dB로 설계하였다.
상기 검출대역을 갖는 안테나와 UV센서를 적용하여 검출회로를 구성하였으며 온도 및 연기센서를 적용하여 수배전반 내부의 상태를 진단할 수 있도록 통합형 센서모듈을 제작하였다. 모의 실험계를 구성하여 직렬아크 및 코로나 방전의 발생을 모의하였으며 이 때 발생된 전자파와 자외선을 검출하였다. 실험결과, 제작된 통합형 센서모듈은 직렬아크 및 코로나 방전과 같이 수배전반 내부에서 발생하는 이상상태와 온도, 연기를 검출할 수 있으므로 수배전반의 상태진단에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
선행 연구결과로부터 아크 및 코로나 방전에 의해 발생하는 전자파의 주파수 대역과 자외선 파장대역을 선정하였으며 전자파의 검출대역은 100 kHz ~ 10 MHz, 자외선 파장의 검출대역은 210 nm ~ 395 nm이다. 상기 검출대역을 갖는 안테나와 UV센서를 적용하여 검출회로를 구성하였으며 온도 및 연기센서를 적용하여 수배전반 내부의 상태를 진단할 수 있도록 통합형 센서모듈을 제작하였다. 모의 실험계를 구성하여 직렬아크 및 코로나 방전의 발생을 모의하였으며 이 때 발생된 전자파와 자외선을 검출하였다.
온도센서의 검출특성을 평가하기 위하여 그림 5와 같이 온도조절장치 표면에 센서를 부착하여 실험계를 구성하였으며, 온도변화에 따른 센서의 출력전압을 측정하였다. 실험결과, 온도센서는 측정 온도범위 0 ∼ 150 ℃에서 10 mV/℃의 감도를 가지며, 그림 6에 나타낸 것과 같이 150 ℃까지 선형적인 출력특성을 나타내었다.
센서모듈에 사용된 UV센서는 210 ∼ 395 nm 검출범위를 가지고 1 mV/nW 응답특성을 나타낸다. 자외선 검출부의 증폭회로는 OP77 연산증폭기를 사용하였고, 이득 20 dB로 설계하였으며 주파수응답은 신호발생기로 60 Hz에서 50 MHz까지 정현파 입력전압에 대한 출력전압의 비율로써 분석하였다. 또한 100 kHz ∼ 10 MHz 주파수 대역을 나타내는 안테나와 이온화 연기센서 및 온도센서를 각각 적용하였으며 전자파 검출부의 증폭회로는 TI사의 THS-3001 연산증폭기를 사용하였고 이득은 40 dB로 설계하였다.
직렬아크 발생시, 광 스펙트럼을 분석한 결과를 바탕으로 자외선을 검출하기 위한 UV센서를 선정하였다. 400 nm이상의 파장대역은 설치환경에서 태양광, 형광등, 백열등 등 일반적으로 쉽게 사용하는 가시광선에 의해 동작할 수 있으므로 측정파장대역에서 제외하였으며 210 nm ~ 395 nm 파장대역을 측정 대상으로 하였다.
직렬아크 발생에 의한 광 스펙트럼을 분석하기 위해 그림 1과 같이 실험계를 구성하였으며 200 nm ∼ 1100 nm의 측정대역을 갖는 광학분석기를 사용하였다.
직렬아크와 코로나 방전을 발생시키기 위한 전극계와 측정 안테나 사이의 이격거리는 3 m이며, 주파수 대역 30 MHz~2 GHz인 Ultra Log Antenna(HL562)와 주파수 대역 150 kHz ∼ 2 GHz의 EMI Test Receiver를 사용하여 전파암실(15 m × 28 m × 10 m)에서 실험을 수행하였다.

대상 데이터

직렬아크 발생시, 광 스펙트럼을 분석한 결과를 바탕으로 자외선을 검출하기 위한 UV센서를 선정하였다. 400 nm이상의 파장대역은 설치환경에서 태양광, 형광등, 백열등 등 일반적으로 쉽게 사용하는 가시광선에 의해 동작할 수 있으므로 측정파장대역에서 제외하였으며 210 nm ~ 395 nm 파장대역을 측정 대상으로 하였다.
본 연구에서는 배전반의 실시간 상태 감시 진단을 위하여 비접촉 방식의 측정 기술을 적용한 통합형 모듈을 설계 및 제작하였다. 선행 연구결과로부터 아크 및 코로나 방전에 의해 발생하는 전자파의 주파수 대역과 자외선 파장대역을 선정하였으며 전자파의 검출대역은 100 kHz ~ 10 MHz, 자외선 파장의 검출대역은 210 nm ~ 395 nm이다. 상기 검출대역을 갖는 안테나와 UV센서를 적용하여 검출회로를 구성하였으며 온도 및 연기센서를 적용하여 수배전반 내부의 상태를 진단할 수 있도록 통합형 센서모듈을 제작하였다.
직렬아크 및 코로나 방전을 모의하고, 측정된 방사전자파의 주파수 스펙트럼을 분석한 결과, 그림 4와 같은 스펙트럼 분포를 얻을 수 있었으며 센서모듈에 적용하기 위하여 100 kHz~10 MHz 대역을 측정 대상으로 선정하였다[7].

후속연구

모의 실험계를 구성하여 직렬아크 및 코로나 방전의 발생을 모의하였으며 이 때 발생된 전자파와 자외선을 검출하였다. 실험결과, 제작된 통합형 센서모듈은 직렬아크 및 코로나 방전과 같이 수배전반 내부에서 발생하는 이상상태와 온도, 연기를 검출할 수 있으므로 수배전반의 상태진단에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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