1. 서 론

ESS (Energy Storage System)를 포함한 전기 설비의 화재 예방을 위한 안전성 평가 기술은 지속해서 개발되고 있다. 특히 안전 감시를 위한 검출기는 휴대성, 전력 효율성 및 비용 절감이 필요하다. ESS의 경우, 배터리와 PCS (Power Conversion System)가 복합적으로 작동하기 때문에, 시스템 설비의 내부를 검사할 수 있는 기술도 필요하다. 코로나 방전은 고전압이나 불꽃에 의해 자외선을 방출하는 현상이다. 열화상 카메라와 달리 자외선만을 감지하므로 온도가 상승하기 전에 이상징후를 사전에 판단할 수 있는 장점이 있다 ⁽¹⁾-⁽³⁾. 현재까지 자외선 검출 기술은 영상을 측정하여 고전압을 사용하는 송·배전선 등의 전력 설비에 코로나 방전이 발생하면 초음파와 함께 자외선이 발생하는 것을 영상으로 촬영하여 검출하는 방식이 이용되고 있다 ⁽¹⁾, ⁽²⁾. 코로나 방전 검출을 위한 자외선 카메라는 일반적으로 광학 렌즈, UV 감지 센서, 제어장치로 구분된다. 전기 설비 진단을 위해 높은 광학 배율, UV 감도 및 시야각이 요구되며, 일반적으로 가시광선, 열화상 및 자외선 카메라를 복합적으로 제공하고 있다. 또한, 운영 소프트웨어와 모니터링을 위한 디스플레이 패널을 포함하여 100 g 이상의 중량과 100 mm 이상의 크기로 소비전력은 수십 와트 (W) 정도이다 ⁽⁴⁾. 본 논문에서는 285 nm에서 375 nm의 파장 범위의 UV를 감지할 수 있는 1/2.3인치 크기의 CMOS 센서와 25 mm f/2.8 렌즈를 조합하여 개발된 4.4 W 미만의 소비전력의 자외선 카메라를 이용한 ESS 안전 감시용 소프트웨어를 개발하였다.

본 논문에서 개발된 저전력 UV 카메라의 검출 소프트웨어는 전기 설비의 내부 감시가 가능하여 더욱 정확한 진단과 감시에 활용될 것으로 기대된다.

2. 본 론

2.2 저전력의 소형 UV 카메라 구성 방법

그림 1에 본 논문에서 제안한 UV 카메라의 구조와 사진을 각각 나타내었다. 카메라의 구조는 직사각형으로 C-mount 구조이며 38 mm x 29 mm x 29 mm의 크기이다. 렌즈는 33 g, 30 x 25.4 mm로 구성된다. UV 카메라의 소비 전력은 4.4 W, 해상도는 8.1 MP 2848 (H) x 2848 (V)로 40 g 이다. CMOS 센서를 이용하며 2/3로 픽셀사이즈는 2.74 μm x 2.74 μm이다. UV

Fig. 1. Configuration of the UV camera and BPF filter

Lens는 Quartz Glass로 직경 30 mm, FL (Focal Length)는 25 mm이며 입력 파장은 230 nm 에서 800 nm 이다. 대역필터는 코로나 방전 검출기의 입력 파장을 선별하기 위해 태양광에 둔감하도록 320 nm 이하의 영역에서가 검출이 가능한 UV filter 를 사용하였다.

2.4 저전력의 소형 UV 카메라의 프로그램 구성

그림 2에 본 논문에서 제안한 UV 카메라의 운영을 위한 소프트웨어 구성 내용을 나타내었다. 본 논문에서는 코로나 방전 검출을 위해 LabVIEW를 이용하여 Windows 환경에서 동작할 수 있도록 하였다. UV 카메라로부터 영상을 축출하여 나타내는 이미지 뷰어는 USB 3.0을 통해 연결된 UV 카메라 영상을 실시간으로 현시한다. 다양한 각도에서의 이미지 분석을 위해 PC의 입력 장치인 마우스를 이용한 확대, 축소, 각도 변형을 제어할 수 있도록 하였다. UV 카메라의 노출, 게인 및 영상 크기 조절을 위한 제어 화면을 각각 나타내었다. UV 카메라가 빛에 노출되는 시간을 조절하는 노출 (Exposure Time)은 카메라의 센서에 들어오는 빛의 양을 조절할 수 있다. 게인(Gain Value)은 카메라 센서의 신호 증폭을 제어 및 다양한 각도와 거리에서 검출할 수 있도록 다양한 필터 기능을 추가하였다. 이미지 처리를 위한 필터는 주변 픽셀의 합을 출력으로 사용하여 새로운 픽셀값을 얻는 Around Sum, 임펄스 잡음을 제거하는 Median filter, 균일한 잡음을 제거하는 Average filter를 각각 이미지 뷰어에 적용할 수 있다. 이미지 뷰어에 나타난 영상 및 이미지를 저장하기 위해 영상 및 이미지 저장 기능을 추가하였다.

Fig. 2. Configuration of the Software for Operation of the UV Camera

3. 측정 및 분석결과

본 논문에서 제안한 UV 카메라와 프로그램은 PC 기반으로 USB 3.0 기반의 실시간 영상 현시와 저장을 할 수 있다. 그림 3에 실시간 검출에 따른 UV 카메라의 응답속도 검증을 위한 시험장치 사진을 나타내었다. 시험장치는 150 W 제논램프와 최대 20 kHz 제어되는 광학 초퍼로 구성되어 UV 카메라의 실시간 반응을 검증할 수 있다. 제논 램프는 185 nm 부터 2000 nm 이므로 25 mm 직경의 중심파장 222 nm BPF (Band Pass Filter)를 지그를 이용하여 고정하였다 ⁽⁶⁾.

Fig. 3. Configuration of UV Detection Test

Fig. 4. Results of the UV Camera exposure adjustment

식 (2)에 광학 초퍼의 제어 주파수에 따른 원형디스크의 슬릿의 계산식을 나타내었다. 광학 초퍼의 주파수가 5kHz일 때 식 (2)에 따라 광학 초퍼의 주기는 200 μs이다. 상승시간과 하강시간을 고려하지 않을경우 식 (3)에 따라 펄스의 펄스폭은 100 μs 이다.

그림 4에 응답 시간에 따른 UV 카메라의 노출값 조정에 따른 반응 속도 결과표를 각각 나타내었다. 반응 속도 검출을 위해 UV 카메라는 초당 30개의 이미지를 획득할 수 있도록 고정하였으며 gain은 0으로 설정하여 감도를 고정 하였다. 광학 초퍼의 주파수는 5 kHz로 고정하여 주기는 200 μs 이다. 노출값이 30일 경우 영상을 생성하는 시간이 광학 초퍼의 주파수보다 작어 깜빡거림이 발생하였고 노출값이 200을 넘으면 빛을 충분히 감지하여 깜빡거리지 않는 정상적인 영상이 나타났다. 향후 카메라의 화각 및 거리에 따른 검출 강도 등 추가적인 시험을 통해 본 논문에서 개발된 저전력 UV 카메라의 검출 소프트웨어는 더욱 정확한 진단과 감시에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

4. 결 론

본 논문에서는 ESS 설비의 안전 감시를 위한 저전력 UV 카메라와 소프트웨어를 개발하였다. 개발된 UV 카메라는 285 nm에서 375 nm의 파장 범위의 UV를 감지할 수 있으며, 소비전력은 4.4 W 미만으로 휴대성이 높고 PC 기반으로 복잡한 구조에 대해 내부 감시까지 가능하다. UV 카메라 운영 소프트웨어는 실시간 영상 현시 및 저장, 노출값 조절, 필터링 기능이 가능하도록 구성하였다. ESS의 코로나 방전은 외함을 포함하여 다양한 장치가 연결되어 방전 부위가 직접 노출되지 않아 본 논문에서 제안한 소형의 UV 카메라를 이용하여 내부와 다양한 각도에서의 검출이 가능할것으로 판단된다. 향후 연구 방향으로는 카메라의 화각 및 거리에 따른 검출 강도 등 추가적인 시험을 통해 검출 성능을 향상시키고, 다양한 환경에서의 검출 성능을 평가하여 실용화를 위한 연구가 필요하다.