2.1 검출시스템 구성

본 논문에서 제안한 이상 상태 검출시스템 구조를 그림 1에 나타내었다 ⁽⁶⁾. 검출시스템은 이상 상태모니터링을 위한 전류 이외에 다양한 센서의 연동을 통해 신호를 검출할 수 있도록 다양한 I/O 모듈이 가능한 Real-time 컨트롤러가 적용되었다. 특히 다양한 센서의 데이터 획득을 위한 모듈 장착이 가능한 16bit 분해능의 I/O 모듈을 이용하였다. 검측시스템 구성을 위한 시스템 소프트웨어는 NI linux Real-time LabVIEW FPGA(Field- programmable gate array) 모듈로 구성하였다. 이상 상태모니터링은 전류를 이용하여 검출하기 때문에 34W x 64H x 45t의 ±12V CT를 이용하였고, ± 250 A 검출이 가능하다. 검출 결과는 무선기반으로 사용자에 검출 결과를 감시할 수 있도록 구성하였다. 본 논문에서 사용된 모니터링장치는 전차선의 상태감시를 위해 사용된 검출시스템과 같은 구조로 보고 된 바 있다. ⁽⁷⁾.

Fig. 1. Picture of system configuration for abnormal status monitoring

2.2 열화 특성검출 시스템의 신뢰도 평가

전기설비는 운전 중 활선 상태에서 전기적 결함이 발생하기 때문에 열화 또는 상태 이상으로 발생하는 전류 파형을 검출하기 위해 센서의 절연을 위해 다양한 기술이 활용되고 있다 ⁽⁸⁾. 그러나 전류가 높고 전차선과 같이 5 m 이상의 높이에 설치되는 전력 설비의 이상 결함을 노이즈 없이 감지하기 위해서는 센서의 신호를 디지털로 변환이 필요하다 ^(6,7). 또한 ± 250 A의 고전류가 인가되는 활선 상태에서 노이즈 없이 검출하기 위해 센서의 신호를 디지털로 변환한 이후에 사용자에게 전달하는 무선기반 시스템을 구성하였다. 고전압 상태에서 시스템의 데이터 수신 신뢰성을 확인하기 위하여 그림 2와 같이 시험하였다. 시험은 상용주파 내전압 시험(KS R IEC 60077-1[75kV])과 같도록 AC 75 kV, 60 Hz 전원을 1분간 인가하며 이때 무선으로 데이터를 수신을 받을 수 있도록 구성하였다 ⁽⁶⁾.

Fig. 2. Picture of experimental configuration for noise detection during 75 kV power supply

시험 중 온도는 18.7℃, 습도는 63%였고, 전압 인가에 따른 데이터 송수신 시험을 위한 센서는 350 Ω의 무유도 스트레인 게이지와 변위계를 사용하였으며, 각각의 센서를 가압 구간에 설치하여 측정한 결과는 그림 3과 같다. 75 kV 전압 공급 후 잡음의 크기가 급격하게 향상되었다. 이러한 특성은 고압의 전압과 다양한 주파수 성분 유입에 따른 것으로 보이며 신호 왜곡에 대한 대책이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서 나타낸 변위계의 신호 왜곡은 수 mm로 나타나고 있으며, 이와 같은 무선 기반 시험장치는 본 시험이 필요한 것으로 이전 논문에서 보고하였다 ⁽⁶⁾.

Fig. 3. Experimental results of sensor noise signal during 75 kV power supply

전기결함 발생에 따른 전압과 전류특성을 분석을 위해 팬터그래프와 전차선 간의 이선 모의시험 장치를 참고문헌의 방법을 이용하여 시험하였다 ⁽⁹⁾. 전기결함은 250 V의 전압 인가 후 접촉식 집전장치에 전압을 공급하는 시험기기를 구성하여 수행하였고 전류와 용량은 각각 20 A 및 2.5 kW이다. 모의시험 장치를 이용한 전기결함 발생에 따른 전류특성은 그림 4와 같다. 기계적으로 비접촉상태에서 발생하는 아크에 따라 전압과 전류의 진폭변화와 60 Hz 이외의 다양한 주파수 성분 유입되었다. 기계적 비접촉에 의해 발생하는 전류특성은 0점에 수렴하는 특성을 나타내는 것으로 보고되고 있다 ⁽¹⁰⁾. 비접촉에 의해 발생하는 아크는 초기 불안정 접촉상태에서 전류의 주파수와 크기가 달라지며 비접촉상태로 바뀌어 전류는 0에 수렴하며 접촉 이후 이전 상태를 복원하게 된다 ⁽¹¹⁾. 이러한 특성을 이용하여 전류 신호의 크기인 power를 시간에 따라 분석하여 식 (1)에 따라 분석할 수 있으며, 아크의 발생시간을 검출하는 연구가 진행된 바 있다 ⁽¹²⁾.

여기서 Ⅴ($i$)는 전류의 분산값, $i$는 현재의 전류값 이다.

논문에서는 전류의 크기가 0에 수렴하지는 않으나 아크 발생 후 비접촉상태에서 전류의 크기가 일정 시간 변화가 없는 것을 실험적으로 나타내었으며 이때의 시간을 이용하여 전기결함의 접촉율(%)을 나타낼 수 있다. ⁽¹²⁾. 식 (1)과 같이 아크 검출을 위해 신호의 크기 변화를 추적할 수 있고 현재 신호의 시간을 $i$라고 하면 현재 위치 $i$를 중심으로 전·후 변화를 검출하여 아크 발생시간을 추정할 수 있다.

그림 4의 (b)는 아크 플래시 발생 중 전류와 UV 대역의 아크광을 각각 검출한 결과이다. UV 대역의 아크 플래시는 이선아크 검출장치로 검출하였으며 검출장치는 225 ㎚ 중심파장으로 100 ㎲의 응답속도의 특성이 있다 ⁽¹³⁾. 약 7.67 ms 의 총 아크가 발생 되었다. 전차선의 집전상태 알고리즘 관련 연구결과에 따르면 아크 검출시간은 광학적 검출 결과보다 다소 길게 검측되고 있다. 이는 분석 시간, 아크의 발생 빈도 및 크기에 따라 달라져 발생하는 것으로 판단되며, 추가적인 연구는 필요한 것으로 보인다 ⁽¹³⁾.

Fig. 4. Results of current and arc flash characteristics in accordance with occurrence of electrical faults