유병열 김찬오 * 서울과학기술대학교에너지환경대학원 * 서울과학기술대학교안전공학과 (2011. 11. 7. 접수 / 2012. 2. 15. 채택 ) A Study on the Safety Diagnosis for Power Systems Using a UV Camera Byeong Yeol Yu Chan O Kim * Graduate School of Energy and Environment, Seoul National University of Science and Technology * Department of Safety Engineering, Seoul National University of Science and Technology (Received November 7, 2011 / Accepted February 15, 2012) Abstract : This paper describes the diagnosis techniques using UV images taken in the field under energized condition of power equipments in order to figure out and analyze the abnormal states on the terminals of power equipments. To classify the features of the terminals, the counted No. of the corona generated at the terminals is defined. According to the result detected, the No. of corona detected on the power equipments installed inside a building is less than that installed outside a building, and it strongly depends on the environment and installed condition. Thus, the environmental condition needs enhanced, and stable operation by the periodic inspection under energized condition of the power equipments is required. Especially, the event counting technique using UV camera is useful for the power equipments apart more than 20 m to apply, and there can be an error due to the features of the sensing techniques when the distance between the user and the objects is close less than 15 m. Therefore, the experimental result shows that event counting technique is employed in the case of the distance more than 15 m. The electrical safety can be ensured by using the UV detection technique and the criteria. Key Words : diagnosis techniques, UV image, power equipment, terminal, No. of the corona 1. 서론 * 산업사회의급속한발달에따라전력수요량이증가하고이로인해전력설비의사용전압및시설용량은계속높아져가고있는추세이다. 각종전력기기의초고압화, 대용량화가진행되어왔으며, 이에따른전력계통의안전성및신뢰성향상등을통하여고품질의전력을공급하고자절연물상호간의절연협조, 절연물의건전성평가등과같은사전예방진단시스템에대한많은연구가활발히진전되어왔다. 그러나송배전선로, 애자및각종금구류등이제작및설치불량, 염분이나온습도등의환경조건에의한훼손및노후등으로인한결함요인으로아크방전, 단락, 지락등의사고로인한대형정전사고가국내외적으로지속적으로발생하고있다. 일반적으로고압이상전력설비의아크 To whom correspondence should be addressed. kimco@seoultech.ac.kr 방전, 단락, 지락등의사고는항복전압에도달한절연상태가붕괴되어발생하며, 갑작스런기계적물리적원인에의한사고이외제품결함및시공불량, 환경조건등의영향에의한점진적인절연파괴는공기중의임계전압이초과하는시점의코로나방전현상이선행될수있다. 또한전기설비절연저하의초기단계인코로나방전개소에대하여원인과향후영향분석을통한사전교체및보수처리의필요성이대두되어왔다. 이를위해시각적관찰, 초음파를활용하는방법, 자외선및적외선센서식카메라를이용하는방법등이코로나방전개소검출방법으로산업현장에서응용되고있으나 1-3), 경제성, 검출결과의신뢰성, 활선검출작업시의편이성및안전성등과관련하여여러가지문제점이제기되고있다 4). 전기설비의송배전설비등의예방진단은사고발생시그위험성이매우높고사고로인한전력전송의차질에따른경제적손실이막대하므로상시감시가용이한개개의설비를대상으로열화를진단하는방법이주로사용되고있다 5-7), 7
유병열, 김찬오 이러한설비의수명은열적인열화와절연재료에발생하는서지등의이상전압또는외부단락등의전기적, 기계적스트레스에의한열화로결정되고파괴할위험도가증대할시점에대한열화문제를고려하는것이예방보수차원에서매우중요하다. 설비와부품의열화가진전되면기계적손상과함께코로나와같은부분방전열화가진행되며결과적으로설비와부품의전기적성능과기계적성능이저하되며절연파괴로인한단락까지도진전되기도한다. 기존에는초음파, UHF 안테나등이주를이루었으며, 대상물의위치에서정확한사고발생지점을찾기는매우어려웠다. 그러나자외선검출장치를이용하여이러한단점을쉽게극복할수가있다. 가장큰특징으로는사고발생지점을정확하게확인할수있으며, 전문가가아니더라도쉽게이해하고접근할수있는이미지분석이가능하다. 따라서본논문에서는다양한방전검출기법중최근활용도가증가하고있는자외선코로나검출장비를사용하여주요검출사례와진단기술의정확도를높이고자한다. 2. 이론적배경 2.1. 코로나발생과방전 전자기의기본원리는변화하는전기장이자기장을생성시키고이를통해다시전기장을생성시키는과정을반복한다. 그리고전기장또는자기장을변화시켜전자기파동을형성한다. 전자기파동은음파와는다른파동으로파동을전달할수있는매질이필요없다. 따라서어떠한공간에서도전파가가능하다. 전자기파동의특징중하나는전대역에있어서인간의눈으로는관찰할수없고단지일부만감지할수있다는데있다. 현재의기술로는 0 에서 10 23 [Hz] 까지측정기기를이용하면감지가가능하고원리상이보다큰진동수가가능할것으로추정되고있다. 주파수의범위는일정범위에따라특정이름이지정되어있으나실제로일정하지는않다. Table 1 은전자기파동을나타낸것으로인간의눈으로관측이가능한범위는 7.5 10 14 [Hz] 까지전체적으로보면진동수의범위가그다지넓지않음을알수있다. 전기에너지는운동에너지, 열에너지등다양한에너지변환이가능하고이동, 저장등이용이하다. 전기사고에의해열에너지로전환되는과정은각설비의조건에따라달라지며, 고전압으로갈수록절연파괴에의한방전사고가많아진다. Table 1. Electromagnetic wave waves frequency Hz feature remarks γ ray 10 19 ~10 23 nuclear transfer - X ray 10 16 ~10 19 osmotic thermal radiation breakdown UV 7.5 10 14 ~10 16 (atomic transfer) daylight visible light 4.9 10 14 ~7.5 10 14 thermal visible check IR 10 11 ~4.3 10 14 vibration - micro wave 10 9 ~10 11 huge charge - radio wave 10 4 ~10 9 acceleration - 2.2. 전력설비의코로나방전고전압이상의선로, 애자등과같은전력설비의충전부와절연체에인접한공기의절연성이부분적으로파괴되어빛과잡음을내는현상을송배전및수변전시설의코로나방전현상이라한다. 이와같은방전현상은인접공기중의전기장이국부적으로임계값을넘어서면나타나기시작하는데, 이를코로나발생의임계전압또는파열극한전위경도 ( 공기의절연한도 ) 라하며코로나발생임계전압 [kv] 의수식 8) 은식 (1) 과같다. E 0 =24.3 m 0 m 1 δ d log [kv] (1) 여기서 m 0 : 전선의표면상태에의해서정해지는계수 ( 잘다듬어진단선 :1, 표면이거친단선 :0.98~ 0.93, 7개연선 : 0.87~0.83, 19~61개연선 : 0.85~0.80) 이며 m 1 : 일기에관계하는계수로서공기의절연내력의저하도를나타내고맑은날 1.0, 우천시 ( 비, 눈, 안개등 ) 는 0.8로잡고있다. δ : 상대공기밀도로서 기온 t[ ] 에서의기압을 b[mmhg] 로하면 δ = 로표시된다. 표준기압 b = 760 [mmhg], 표준기온 t=20[ ] 의경우 δ =1로된다. b의값은토지의높이에따라달라지는데, 표고 0[m]:760[mmHg], 표고 500 [m] : 711 [mmhg] 이다. 식 (1) 에서알수있듯이전선의굵기가커지면코로나의임계전압이높아져서코로나의발생은억제된다. 반대로전선이가늘어지면코로나의임계전압이내려가서코로나가일어나기쉬어진다. 또한임계전압이높을수록코로나발생이적으며, 코로나방전에직접적인영향을미치는요소는대기압, 온도, 습도등이다. 대기압이낮으면임계전압이또한낮아지면서코로나는증가하게되고높은습도는코로나방전을지속적으로유지시키게되며온도가높아지면낮은대기압, 낮 8 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 1, 2012
Fig. 1. Potential gradient. 은임계전압으로인한높은코로나방전현상을발생시킨다. 공기는보통절연물이라고취급하고있지만실제에서는그절연내력에한계가있다. 즉, 기온기압의표준상태 20 [ ] 760 [mmhg] 에있어서는직류에서약 30 [kv/cm], 교류에서약 21.1 [kv/cm] 실효값의전위경도를가하면절연이파괴되는데이것을파열극한전위경도라한다. 예를들어평면전극간에전압을인가할경우에는평면전극이기때문에양극간의전위경도가균일하므로인가전압이상기의한도를초과하면그공간내의절연성이상실되어불꽃방전이발생한다. 송전선로의전선표면의근방에서처럼전극간의일부분에서만전위의경도가위의한계값을넘을때에는그부분에서만의공기의절연이파괴되어전체로서는섬락에까지이르지않는다. 전선표면으로부터거리에따른선로의전위경도는 Fig. 1 과같이표현된다. 전위경도가높은범위에서는전위차에따른공기중의분자가에너지이탈과안정을반복하게된다. 이때전자는불안정된에너지준위로이동하고다시복위되는과정에서특정주파수와빛을발생시킨다. 이때전자적파괴의일부가가시광선영역에서발생하는것이아니라전자적파괴가발생하는자외선범위에서발생한다는것이다. 3. 코로나검출및탐지방법 3.1. 자외선검출카메라 본연구에사용한자외선검출카메라 (UV detection camera, ofil, dacor2, 제작국, Israel) 를이용하여전력설비에서발생하는코로나를검출하였다. 휴대용 Porter 용장비로서형식은 DayCorr Superb 이며, UV 렌즈종류및시야각은광학 5 3.75, 최소 UV 민감도 3 10-18 [Watt/Cm 2 ], 최소방전전하량감지는 8 [m] 이내에서 1.5~2 pc, 초점거리최소 3 [m] 이상무한이며, 최소감광도는 1 [lux] 이다. Fig. 2. UV camera for corona detection. 3.2. 코로나방전의검출방법전기사고에의해열에너지로전환되는과정은각설비의조건에따라달라지며고전압으로갈수록절연파괴에의한방전사고가많아진다. 특히고전압이상의전력설비열화사고에대해서는적외선열화상카메라를이용하여전기설비의과부하, 절연파괴등에의해발생되는열에너지를효과적으로검출함으로써사고를미연에방지하는데큰역할을해오고있었으나, 열화상카메라에의한열화개소는이미재료의열화로인한설비의오염이상당량진행되었을가능성이높기때문에열화시점보다이전단계인미소한누설전류에의한코로나방전개소에대한검출또한중요하게다루어지고있다. 기존코로나검출장비는초음파를집음하여확인하는방법으로안테나와증폭장치등이있었으나, 대상물의코로나발생위치를정확하게분석할수없으며, 검사자의주관에따라 target이벗어난경우코로나검출이실패할수도있는단점이있다. 그러나최근코로나방전현상검출의신기술로대두되어확대보급되고있는코로나카메라는초기방전현상에서발생되는자외선을검출하여영상으로보여주는특징이있으며, 최근국내 B연구소에서도코로나카메라를도입하여기존초음파에의한검출장비에비해정확한방전위치를검출할수있게되었다. Table 2는기존의코로나측정장비와장단점을비교하여나타낸것이다. Table 2에서도알수있듯이자연계에서방출되는자외선영역이아니라코로나발생시에만나타나는자외선영역중특정대역을검출함으로써획기적으로노이즈를없앨수있다는장점을가지고있다. 지구상의복사측정자료를보면대기권에도달하는에너지는대부분가시광선영역으로되어있음을알수있으며코로나방전은 230~405 [nm] 파 한국안전학회지, 제 27 권제 1 호, 2012 년 9
유병열, 김찬오 Table 2. Features of UV camera objective of corona corona location analysis technique noise applications ultrasonic, UHF antenna etc. ultrasonic, electromagnetic wave wide range subjective by user's experience sensitive to environment most equipments Fig. 3. Solar Blind Filter and solar radiation. UV detection UV precise location objective by image analysis scarcely affected by detecting specific bands of UV power equipments and their accessaries 장대역의자외선을방출하게되며자외선검출장치는 230~280 [nm] 의파장대역에있는자외선영역을검출하게된다. Fig. 3 은 Solar Blind 필터의코로나방전탐지영역을나타낸것이다. 코로나발광, 방출되는빛의대부분이자외선이며 400 [nm] 정도의파장이야간이나빛이차단된실험실에서볼수있는가시광선이다. 한편낮에는태양빛에완전히가려진다. 또한태양에서방출되는자연적인자외선범위를벗어난것으로노이즈를최소화할수있고불꽃방전이전상황을검출함으로서사고발생추이를주기적으로점검할수있다는장점이있다. 이장비는일정공간내에서코로나의발생횟수를측정하며자외선의양을정량화할수가있다. 또한액정화면에나타나는이미지를실화상, 자외선이미지, 자외선이미지와실화상을동시에나타나게하는기능도있다. 이와같이장비를사용하면쉽게하루중어느시간대나어떤날씨조건에도송전설비곳곳에서발생하는방전현상을원거리에서발견할수있어전력설비의상태를점검하는것이가능하며, 탐지방법은장비유형에따라지상순찰, 차량탑재, 항공기장착등으로활용하여측정할수있다. Table 3. Criteria of determination of corona risk UV corona(counted No. / min) > 1,000, criteria for 1,000 5,000 < 5,000 determination normal warning abnormal * Criteria of density(counted No.) suggested by EPRI and manufacturer 3.3. 자외선카메라와코로나검출의상관성코로나는대기의이온화로인해발광하는부분방전을말하며저기압과습도그리고고온에의해더욱증가하므로여름철비가오거나안개가있는기후에더욱강하게나타나며이러한코로나방전활동은전기설비에부정적인영향을미치게된다. 2003년미국캘리포니아주대정전사태에서나타난문제점을해결하기위한방안의하나로제시된활선진단으로자외선카메라를이용한코로나방전검출이제시되었다. 자외선검출카메라를이용하여현장의데이터를수집하고분석하는방식으로 Table 3에서의단계별판단법을제시하였다 9). 코로나방전은단순히발광만으로그치는것이아니라부식성이매우심한물질을생성시키는데오존, 산화질소, 질산염등의물질을생성시켜전기설비와부품들의성능저하를가져오게한다. 이러한산화성물질들은전기부품들의물리적피해를유발함은물론심각한청각노이즈도유발하고라디오와 TV의간섭과도유발하게된다. 전기설비에부분방전과코로나현상이탐지되면부식성물질생성이가속화되며또다시코로나방전과아크방전을강화시키는긍정적인피드백작용으로발전하게된다. 자기절연체의시멘트부분의침삭이나금속부의파괴로인해절연체의절연기능의고장과단락을유발시키며결국에는심각한사고까지도연결될가능성이있다. 이러한코로나방전의탐지로인해여러가지가능성을알아낼수가있다. 설비에내재된가능성있는결함과전력설비의설치오류및설계오류와같은하드웨어상의오류와오염, 부식과침식, 접지불량, 단락, gap 방전등다양한원인을암시하며이러한문제점에대한후속조치로설비의신뢰성을유지할수가있다. 3.4. 코로나방전에의한자외선발생과검출검증코로나검출에대한정의는해당실험을검증한자료 10,11) 에의해확인된다. 고전압발생장치에의해발생하는코로나를거리별카메라의게인에의한자외선방전크기로구분하여진단에대한신뢰성을확보한자료를이용하였다. 10 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 1, 2012
본연구에서는학술적으로실험검증된연구가현장적용화측면에서명확한결과를나타내는지에대한현장연구의내용을중심으로기술하였다. 따라서미국 EPRI 에서제시되고있는이벤트카운트에대한내용을현장에서측정하고분석하였다. 4.1. 몰드변압기접속부 4. 현장실측및진단 자외선검출장비를사용하여서울 W 경기장에설치사용중에있는몰드변압기를무정전방법으로측정하였다. Fig. 6 은주위온도가 26.5 [ ] 에서촬영한몰드변압기 TR-304/300 [kva] 로몰드변압기의접속부의측정결과자외선코로나 COUNT RATE : R 상 (144 / min), S 상 (144 / min), T 상 (144 / min) 로나타났다. 몰드변압기의각상측정결과이상이없는것으로판정되었다. 판정방법을살펴보면코로나발생빈도 (1 분당카운터수 ) 는첫번째빈도 1,000 이면적합이며, 두번째로 1,000 < 빈도 < 5,000 이면요주의, 세번째빈도 5,000 이면부적합으로판정을한다. 판정기준 은미국 EPRI 및제조사에서코로나강도 ( 카운터수 ) 를제시한기준값이다. 4.2. PT 와 PT panel 코로나측정 Fig. 7 은 1 차전압 22,900 [V] 를수전하는 PT 와 PT panel 을자외선검출카메라로 2 [m] 이격거리에서각상별로측정해본결과자외선코로나 COUNT RATE : R 상 (63 / min), S 상 (26 / min), T 상 (3 / min) 로나타났다. PT 와 PF panel 의각상측정결과특별한이상징후또는이상방전현상이없는것으로판정되었다. (a) image on phase R of mold transformer Fig. 4. The schematics in according to lab test. (b) image on phase S of mold transformer Fig. 5. Breakdown voltage vs. UV diameter curves. (c) image on phase T of mold transformer Fig. 6. UV images on terminals of mold transformer. 한국안전학회지, 제 27 권제 1 호, 2012 년 11
유병열, 김찬오 (a) image on phase R of PT and PF panel Fig. 8. Supporting insulators exposed by external environment. (b) image on phase S of PT and PF panel Fig. 9. Corona generated around supportinginsulator with warning level. 주의에 해당되는 것을 볼 수 있다. 요주의일 때의 전 력설비는 정전계획을 세우고 overhaul 기간에 수리 또는 교체를 하는 것이 전력설비를 안정적으로 운영 하는 데 효과적이다. (c) image on phase T of PT and PF panel Fig. 7. UV images on terminals of PT and PF panel. 4.3. 지지애자 부분에서의 자외선 검출 외부환경에 전력설비가 노출된 경우에는 앞서 건 물 내부에 위치한 전력설비보다 많은 환경적 위험 에 노출되기 쉽다. 특히, 전력케이블을 지지하는 애 자의 경우에는 바람이나 산화부식, 빙해 등에 의해 접속부에서 코로나 발생이 나타날 수 있다. Fig. 8 은 외부환경에 노출된 애자를 촬영한 것이다. Fig. 9는 R상의 지지애자 접속부에서 자외선이 발 생하는 것을 확인한 것이다. 접속부 부분에서 하얀 영상은 자외선이 센서에 검출되어 이미지로 보여주 는 것이다. 이때 이벤트 카운트는 약 4,031로써 요 12 4.4. 22.9 kv 케이블 LP애자에서의 코로나 발생과 비교 Fig. 10은 국내 설비 중 약 70 [%]에 해당하는 배 전선로의 OC 전선 LP애자에서 발생하는 코로나를 자외선 검출 카메라에 의해 검출한 것이다. 이벤트 카운트는 약 22,774로 기준치의 5,000보다 훨씬 많은 양의 카운트가 나타났으며, 이때 지지애 Fig. 10. Linepost insulator for 22.9kV class power cables. Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 1, 2012
자의케이블은 OC 전선의바인드선에의해탄화된것으로확인하였다. 일반적으로바인드선에의해체결된 OC 전선의절연물은부분방전또는외부환경요인중진애, 바람, 하중에의한진동등에의해절연물의탄화가발생하며, 절연물의탄화가진행되어심선에이르면전계가더욱집중되어단선으로이어진다 12). 5. 결론 국내현장에서발생하는전기설비접속개소의고장을해소하고이를정밀하게진단하기위하여직접현장에서측정한자외선이미지를사용한전기설비의무정전진단기법에대하여제시하였다. 접속개소의특징을구분하는방법으로접속개소에서의발생하는코로나의발생량측정에대해정의하였다. 검출결과에의하면, 건물내부환경에위치한설비의경우에는자외선이발생하는환경이매우적으나외부환경에노출된경우에는기후환경이나설치조건에따라발생빈도가많은것으로조사되었다. 1) 초고압전력설비의노출충전부에서발생하는코로나방전유무를이벤트카운트를이용하여방전현상을발견할수있다. 2) 외부환경에대한노이즈개선이요구되나코로나검출에는영상을통해가능하였으며, 측정거리가멀어질수록코로나발생의빈도와이벤트카운트에대한정량적평가가용이하였다. 3) 이벤트카운트에의한전력설비의정전계획또는수리계획을수립하는데매우용이한것으로확인되었다. 따라서외부전력설비설치환경을개선할필요가있으며, 무정전점검을정기적으로수행하여설비를안정적으로운영하는것이바람직할것으로판단된다. 참고문헌 1) T. Oda, and Y. Ito, Studies on Electrostatic Surface Discharges on Corona-Charged Polymer Surfaces, IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 26, No. 4, pp. 656~661, July 1990. 2) P. Blackmore, and D. Birtwhistle, Surface Discharges on Polymeric Insulator Shed Surfaces, IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 4, No. 2, pp. 210~217, April 1997. 3) Y. Zhu et al., Corona Discharge Phenomenon and Behavior of Water Droplets on the Surface of Polymer in the AC Electric Field, Proc. of the 7th Int'l Conf. on Properties and Applications of Dielectric Materials, p. 3~31, pp. 638~641, June, 2003. 4) 유병열, 적외선열화상진단장비 월간전기 7 월호, pp. 76~78, 2008. 5) C. A. Belhadj et al., An experimental measurement of corona discharge using laser Doppler Velocimetry, Conf. Record of the 1998 IEEE Int'l Symp. on Electrical Insulation, pp. 503~506, June, 1998. 6) J. K. Yoon et al, Controllable In-Line UV Sensor Using a Side-Polished Fiber Coupler With Photofunctional Polymer, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 15, No. 6, pp. 837~839, June, 2003. 7) S. W. Jang et al., UV-Sensitive Photofunctional Device Using Wvanescent Field Absorption Between SU- 8 Polymer Optical Waveguide and Photochromic Dye, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No. 1, pp. 82~84, January 2006. 8) 송길영, 신편송배전공학, 동일출판사, pp. 146~ 147. 1992 9) SEVITTECH Co., Ltd. DayCorr II 사용자가이드, pp. 100~101. 10) 송길목, 김영석, 22.9 kv 급애자의표면오염에의한자외선영상과열화판정, 한국조명전기설비학회, Vol. 24, No. 1, pp. 167~174, 2010. 11) 송길목, 김영석, 정진수, 방전모델에서의자외선검출이미지분석과안전기준, 대한전기학회 Vol. 58, No. 3, pp. 566~572, 2009. 12) 황명환, 코로나대전된복합절연재료의표면상태가전위감쇠에미치는영향, 한국산업안전협회지, Vol. 12, No. 2, pp. 65~69, 6 월, 1997. 한국안전학회지, 제 27 권제 1 호, 2012 년 13