피뢰기 진단을 위한 휴대용 누설전류 검출장치의 개발
한주섭* 송재용** 김일권** 길경석*** 한문섭† 장동욱††
서 론 1.
현재는 전력수요의 급증에 따라 안정된 전력공급이 요구되고 있으며 예상하지 못한 전력공급의, 차질로 인한 경제적 손실도 상당히 크기 때문에 안정적인 전력공급을 위하여 전력설비에 대한 신 뢰성 확보가 아주 중요하다 전력계통에서 발생하는 이상전압에 대한 대책으로 전압 전류의 비선. - 형 저항특성이 우수한 ZnO 피뢰기를 기기 또는 선로에 병렬로 설치하고 있다 그러나. ZnO 피뢰 기도 제조시의 결함이나 사용 환경에서의 흡습 이상전압에 대한 반복되는 보호동작으로 열화가, 진전되며 열화된 피뢰기가 계통에 설치되어 있으면 정상운전전압에서도, 1선 지락과 같은 사고를 유발시킬 수 있다 그러므로 전력계통에 설치된 피뢰기의 열화정도를 상시 관측하여 열화된 피뢰. 기를 사전에 제거함으로써 피뢰기로 인한 사고를 예방하기 위한 진단기술의 개발이 필요하다, .
현재까지 발표된 열화진단기술에는 피뢰기의 제한전압 방전전류 손실전력 누설전류 정전용량, , , , 등을 측정하는 것이 있으며 그 중에서 운전 중에 피뢰기의 누설전류를 측정하여 열화를 진단하는, 방법이 광범위하게 사용되고 있다 누설전류를 기준으로 피뢰기를 진단하는 방법은 열화진전에 따. 른 저항분 누설전류의 증가분을 대신하여 전체 누설전류의 실효값과 최대값 제, 3조파 누설전류 성분의 최대값에 의하여 판단한다.
본 연구에서 제작한 장치는 주변 전자계에 의한 영향을 받지 않도록 누설전류 검출센서와 주장 치 본체 사이의 신호 전송에 광신호 전송회로( ) (optical linker)를 사용하였다 차동증폭회로 광전. ,
책임저자 한국해양대학교 정회원
* : Post-doc.,
한국해양대학교 박사과정 정회원
** ,
한국해양대학교 부교수 정회원
*** ,
† 한국철도기술연구원 선임연구원 정회원,
†† 한국철도기술연구원 주임연구원 정회원,
송회로 및 신호처리회로로 구성되며, 측정장치의 주파수 대역과 유효 측정범위는 각각 이다 제작한 휴대용 누설전류 검출장치의 유용성을 확인하기 9[Hz]~850[Hz], 50[㎂]~1.5[mA] .
위하여 전철용 피뢰기에 대하여 적용 평가를 수행하였다.
설계 및 제작 2.
피뢰기를 흐르는 전체 누설전류는 저항분 누설전류와 용량분 누설전류로 구분되고 열화진전에 따라 저항분 누설전류가 증가하며 이를 이용하여 열화진단에 이용하고 있다 그러나 정상상태의. 피뢰기에서는 저항분 누설전류는 전체 누설전류의 10[%] 이하범위로 크기가 작기 때문에 측정과 분석에 복잡한 회로의 구성과 알고리즘이 요구되어 현장 적용에 있어서는 저항분 누설전류를 직, 접 측정하지 않는다 따라서 저항분 누설전류와 동일한 변화 경향을 나타내는 고조파 누설전류의. 크기를 열화진단의 지표로 사용하고 있다.
검출장치의 구성 2.1
본 논문에서 설계한 누설전류 검출장치의 시스템 구성도와 사진을 그림 1에 나타내었다 클램. 프형 영상변류기 증폭회로 및 전기 광신호 변환회로로 구성되어 있는 누설전류 검출센서와 프린, - 터를 내장한 검출장치 본체의 사진이다 검출장치는 누설전류 검출센서와 검출장치 본체로 구분되. 며 본체에는 광 전기신호 변환기, - (optical to electrical converter), 신호처리 및 분석 회로 액정, 표시장치 통신장치 출력장치로 구성되어 있다, , .
광 전기신호 변환회로는 고안정 포토 다이오드와 전치증폭기가 내장되어 있는 일체형 광소자를- 사용하였다 전송된 아날로그 신호는 마이크로프로세서에 내장되어 있는 수직분해능. 10bit의 아 날로그 디지털 변환기- (A/D converter)를 사용하였으며 측정데이터의 출력과 관리를 위하여 키입, 력장치 메모리 프린터 및, , RS-232C 포트로 구성하였다 배터리를 내장하여 현장 측정이 가능하. 도록 구성하고 전원연결시 검출장치의 사용과 배터리 충전이 가능하도록 충전회로를 내장하였다.
체계적인 피뢰기의 진단과 관리를 위하여 개인용 컴퓨터에서 사용가능한 데이터 관리 프로그램을 작성하였다.
구성 (a)
누설전류 검출센서 (b)
본체 (c)
그림1. 누설전류 검출장치
그림 2는 누설전류 검출장치의 동작 흐름도를 나타낸 것이다 데이터의 관리 분석을 위하여 초. 기상태 설정모드에서는 현재시각을 설정하여 데이터의 측정시각이 기록되도록 하였다 측정 후 전. 체 누설전류의 크기와 누설전류 분석을 위한 각 고조파(3, 5, 7, 9)의 크기는 내부메모리에 저장되 고 내장프린터와 액정표시장치를 이용하여 측정하거나 저장된 데이터를 나타내도록 구성하였다, .
그림2. 검출장치의 동작 흐름도
누설전류 검출장치의 특성 2.2
정상운전전압에서 피뢰기의 누설전류를 측정하기 위하여 그림 1에 나타낸 클램프형의 누설전류 검출센서를 이용하였다 관통형 변류기 저잡음 연산증폭기를 이용한 증폭회로와 전기 광신호 변. , - 환기(electrical to optical converter)를 포함하며 본체와는 광파이버로 연결하여 주변 전자계에, 대한 영향을 최소화할 수 있는 구성이다.
검출센서의 전기 광신호 변환기는 응답특성이 빠르고 선형성이 우수한- GaAsP계의 발광다이오 드를 사용하였다 전기 광신호 변환기에 사용한 발광다이오드는. - pn 접합의 단방향 특성이므로 정 또는 부 극성을 갖는 교류신호를 전송하기 위해서 초기 상태에서 발광다이오드에 정 의
(+) (-) (+)
바이어스 전류를 일정 수준 흐르게 함으로써 1개의 발광다이오드로 양극성 신호전송이 가능하도 록 하였다 바이어스 전류가 너무 낮거나 높으면 일정한 크기에서 신호의 왜곡이 발생하여 정상적. 으로 교류신호를 전송할 수 없다.
송 변전용 및 배전용 피뢰기· (ZnO 피뢰기 에 있어서는 전체 누설전류는 제조사에 따라 차이가) 있지만 신품의 경우 150～400[㎂], 열화가 진전함에 따라 650[㎂ ～] 2[㎃] 정도이다 철도용 피.
뢰기(ZnO 피뢰기 의 경우 전력계통에서 사용하는 피뢰기들과 기본적인 구조의 차이는 없으며 피) 뢰기의 설치환경에 따라 전체 누설전류의 차이는 존재하지만 전체 누설전류의 범위는 유사할 것, 으로 판단된다 본 누설전류 검출장치는 피뢰기 열화진단에 충분한 감도와 측정범위를 갖는다 또. . 한 전력계통전압에는 다수의 고조파가 함유되어 있으며 이들 고조파 전압의 함유율에 따라 피뢰, 기의 누설전류도 변화하기 때문에 누설전류 검출기의 주파수 대역이 검토되어야 한다.
본 논문에서는 누설전류 검출센서에 접지선을 관통시키고 함수발생기에 의해 일정전류가 흐르 도록 설정한 상태에서 인가전원의 주파수를 5[㎐]에서 3[k㎐]까지 가변하면서 본체에 있는 증폭 회로 출력전압의 측정으로부터 입력 출력의 선형성과 주파수 특성을 분석하였다- .
그림 3에 나타낸 바와 같이 누설전류 검출장치의 주파수대역은 9[㎐]~850[㎐]이며, 50 까지 입출력의 선형성이 그림 과 같으므로 피뢰기의 정상운전전압에서 전체 누설전
[㎂]~1.5[㎃] 3
류의 제 9조파 성분까지 왜곡이나 감쇄없이 검출할 수 있는 특성이다.
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
1 10 100 1000 10000
Frequency[Hz]
Relative mag. [p.u]
-3[dB], 850[Hz]
-3[dB], 9[Hz]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0 500 1000 1500 2000
Input Current[uA]
Response Voltage[mV]
주파수 특성 입출력에 대한 선형성
(a) (b)
그림3. 누설전류 검출장치의 특성
전체 누설전류의 측정을 위하여 저역통과필터를 설계하고 크기를 나타내기 위하여 최대값 검출 회로와 실효값을 직류전압으로 표현하는 실효값 직류 변환회로를 적용하였다 각 고조파를 측정- . 하기 위하여 각 고조파를 중심주파수로 가지는 대역통과필터를 설계하였으며 주파수 특성을 그림, 에 나타내었다 각 대역통과필터의 중심주파수는 각 고조파 주파수에서 의 범위에 있어
4 . 1~2[Hz]
각 고조파의 값을 검출하기에 충분한 특성이다.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 200 400 600 800 1000
Frequency [Hz]
Relative mag. [p.u]
180[Hz] BPF 300[Hz] BPF 420[Hz] BPF 540[Hz] BPF
그림4. 대역통과필터의 주파수 특성
적용 및 평가 3.
그림 5는 철도용 피뢰기의 누설전류를 측정한 데이터를 나타낸 것으로 전체 누설전류와 고조파 의 크기를 나타내고 측정된 시간 및 저장된 데이터의 수를 표현한다 현재 저장된 데이터와 호출, . 된 데이터를 구분할 수 있게 데이터 번호를 나타내었으며 화면에 따라 다르게 키를 사용할 수 있, 도록 화면 하단부에 메뉴를 구성하였다.
검출장치의 화면 프린터 출력
(a) (b)
그림5. 누설전류의 측정 예
그림 6에는 검출장치에 저장된 데이터를 데이터 관리용 프로그램을 이용하여 개인용 컴퓨터로 전송한 데이터의 예를 나타낸 것이며 차량의 유무에 따라 누설전류는 차이를 나타내고 있다 충, . 북지역의 OO전기사무소 관할지역의 터널 입구에 설치된 피뢰기를 측정한 데이터로 측정시각에서 차량의 운행여부에 따른 차이를 보이고 있다.
선로에 차량이 없는 경우 선로에 차량이 있는 경우
(a) (b)
그림6. 데이터 관리 프로그램의 예
결 론 4.
본 논문에서는 피뢰기 진단을 위한 휴대용 누설전류 검출장치에 대하여 기술하였다 전자계에. 대한 영향을 최소화하기 위하여 광파이버를 이용하여 검출센서와 검출장치 본체와 연결하였으며,
누설전류 검출장치의 주파수 대역은 9[Hz]~850[Hz]이고 검출 범위는, 50[uA]~1.5[mA]이다. 피뢰기 진단을 위하여 누설전류에 포함되어 있는 각 고조파를 분석하기 위하여 각 고조파의 검출 을 위한 대역통과필터를 설계하였다.
제작한 누설전류 검출장치의 적용성평가를 위하여 철도선로에 설치된 피뢰기를 대상으로 현장 측정을 수행하였으며 차량의 운행과 주위 환경에 따라 전원고조파가 많은 경우에 대해서도 저역, 통과필터와 각 고조파에 대한 대역통과필터를 적용함으로서 누설전류 측정 및 분석이 가능함을 확인하였다.
감사의 글
본 논문은 한국철도기술연구원 주관 철도기술연구개발사업에 의하여 수행되었으며 관계부처에, 감사드립니다.
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길경석 한주섭 송재용 조한구 한문섭 누설전류의 파고분포 분석에 의한 새로운 피뢰기 진
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