KR100537899B1

KR100537899B1 - 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터계측장치

Info

Publication number: KR100537899B1
Application number: KR10-2003-0078604A
Authority: KR
Inventors: 배정효; 김대경; 하태현; 이현구; 하윤철
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-12-21
Also published as: US20050127891A1; US7221137B2; KR20050044062A

Abstract

본 발명은 지하철과 전력선으로부터의 누설전류와 지중 금속매설물의 관대지 전위를 동시에 측정하여 분석하는 것이 가능하도록 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치를 제공한다. 이를 위해 본 발명은, 지하철과 전력선에 의한 누설전류와, 지중 금속매설물의 관대지 전위(Pipe To Soil)를 각각 측정하기 위한 계측 장치에 있어서, 상기 지하철과 전력선, 지중 금속 매설물의 측정지점으로 이동 및 설치가 가능하도록 모듈화되고서, 상기 지하철과 전력선에 의한 누설전류와 지중 금속매설물의 관대지 전위를 동시에 측정하고, 그 측정 데이터를 저장함과 더불어 원격으로 전송하는 계측 수단과, 상기 계측 수단으로부터 누설전류와 관대지 전위의 측정 데이터를 원격으로 수신받아 측정 데이터의 분석을 위한 데이터베이스화 및 그래픽 표시를 수행하는 분석용 컴퓨팅 수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치{DATA LOGGER APPARATUS FOR MEASUREMENT STRAY CURRENT OF SUBWAY AND POWER LINE}

본 발명은 지하철과 전력선에 의한 누설전류와 지중 금속매설물의 관대지전위(Pipe to Soil)를 동시에 측정할 수 있는 스탠드 얼론 타입(Stand Alone Type)의 계측장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지하철에 의한 누선전류의 크기와, 이 누설전류에 의한 지중 매설물의 관대지전위와의 상관관계를 분석함과 더불어, 한전 전력선(송전 및 배전선로)에 의한 누선전류의 크기와 이 누설전류에 의한 지중 매설물의 관대지전위와의 상관관계를 동시에 분석할 수 있도록 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치에 관한 것이다.

일반적으로, "부식"이라 함은 "물질이 주위환경과 반응하여 물질자체가 변질되거나 혹은 물질의 특성이 변질되는 것"으로 정의되는 바, 이러한 부식은 대부분 전자의 이동에 의한 전기 화학적 반응 때문에 발생하므로 전기 화학적 부식이라 부른다.

이러한 전기 화학적 부식은 금속구조물이 전해질내에서 주위 환경과 반응하게 되면 부식 전지상태가 되어 부식전류를 발생시키게 되고, 부식전지가 형성되면 더욱 액티브(active)하고 전위가 낮은 쪽이 양극이 되어 부식된다. 부식전지는 양극(anode), 음극(cathode), 전류 경로(electric path) 또는 금속 경로(metallic path), 이온 경로(ionic path) 또는 전해질(electrolyte)의 4가지 조건으로 이루어진다.

상기 부식을 감시하는 방법으로는, 음향을 반사시킨 다음에 어레이 센서(array sensor)와 다채널 감시장치를 이용하여 음향을 수신하고 이를 분석·처리하여 금속의 균열 및 이상 지점을 찾아내는 음향반사법과, 금속의 부식으로 인해 줄어든 금속의 두께 변화를 감시하여 부식유무를 점검하는 초음파법, 전도성 유동체내에 시험용 탐침을 삽입시켜 선형 분극을 측정함으로써 순간적인 부식율을 알아내는 순시 부식율 측정법, 장시간 동안 부식으로 인한 저항변화를 감시함으로써 부식율을 알아내는 저항측정법, 전해질내의 금속표면에서 금속의 전기화학적 전위를 측정하여 부식진행 유무를 판단하는 전기 화학적 전위 측정법 등이 개발되어 적용되고 있는 바, 최근에 가장 많이 사용되는 방법은 전기 화학적 전위 측정법이다.

상기 전기 화학적 전위 측정법은 부식검사 대상물인 금속 구조물의 기준전극(유산동 기준전극(Cu/CuSO4))에 대한 자연전위를 측정하는 방법으로서, 전압을 측정할 수 있는 계기의 (-)단자에 방식(防蝕) 대상물을 연결하고, (+)단자에 기준전극을 연결하여 기준전극을 방식 대상물의 직상부 지표면에 접촉시켜 전위값을 읽고 그 값에 (-) 부호를 취한 것이다. 이렇게 읽혀진 값은 방식기준과 비교하여 금속구조물이 방식상태에 있는 지를 판정하며, 방식기준으로 -850[mV/CSE] 기준(아연 기준전극을 사용할 경우: 250[mV/Zn]을 사용할 경우 금속구조물의 전위가 유산동 기준전극에 대하여 -850mV 이하(예를 들면, -1000mV)로 유지시켜 주면 금속구조물은 방식됨을 의미하고, 그 이상인 경우에는 부식되고 있음을 의미한다.

현재 방식분야에서의 부식점검은, 가스배관이나, 송유관, 상하수도관, 석유화학단지의 각종 탱크, 기타 지하 금속매설물 등과 같은 방식 대상물을 소유하고 있는 소유자가 자체 혹은 방식관련 업체에 의뢰하여 방식 대상물에 대한 부식 유무와 관련하여 부식 점검활동을 비정기적 혹은 정기적으로 실시함으로써 이루어지고 있다.

상기한 부식감시는, 아날로그 메타(즉, 테스터기(tester)) 혹은 휴대용 기록계(Strip Chart Recorder, EPR) 등을 사용하여 단속적으로 수작업에 의해 이루어지고 있으며, 이 경우 부식 전위측정용 단자함(Test Box)내에 측정리드선( -에는 배관, +에는 기준전극)을 연결하고 측정이 용이한 지점으로 이동하여 일정시간 부식전위를 측정해야 하므로, 측정에 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있다.

따라서, 최근에는 본 발명의 출원인에 의해 개발된 부식 전위측정용 단자함내에 인입되는 부식감시장치가 이용되고 있다.

일반적으로, "방식"이라 함은 상기한 다양한 부식의 요인들 중에서 하나 이상의 조건을 제거 또는 억제하는 것을 칭하고 있는 바, 방식분야에서는 부식의 조건을 완전히 제거하기는 현실적으로 어렵고, 부식 억제제(inhibitor), 절연판 또는 기타 방법을 사용하여 양극 또는 음극반응을 억제하거나 전자 또는 이온의 흐름을 차단하는 방법들을 채택하고 있다. 이중에서 가장 널리 사용하는 방법은 양극반응을 억제하는 방법의 일종인 음극방식(cathodic protection)법으로, 일반적으로 전기 방식법이라고 통용하고 있다.

상기 전기 방식법의 원리를 살펴보면, 금속의 부식은 금속표면에서 전해질을 통하여 전류가 유출되는 부분에 발생하므로 전해질을 통하여 금속표면에 직류전류(방식전류)를 인위적으로 유입시키면 금속표면에서 음극반응이 일어나게 되어 부식이 방지되는 원리이다.

현재, 방식분야에서 가스배관이나, 송유관, 상·하수도관, 기타 지하금속구조물 등과 같은 방식 대상물의 부식을 방지하기 위한 전기방식 설비로 정류기가 사용되고 있다. 이 방식용 정류기는 방식 대상물이 부식하지 않도록 하기 위해, 방식 대상물의 전위를 일정한 기준치 -850 [mV/CSE] 이하로 낮추도록 일정한 직류전류를 토양(전해질)을 통하여 방식 대상물에 흘려주는 장치이다. 즉, 지중(地中)에 매설된 방식 대상물의 전위와 기준전극의 기준전위를 단자함을 통하여 아날로그 메타 혹은 휴대용 기록계 등을 사용하여 수작업에 의해 측정하고, 이 측정된 전위를 방식기준과 비교하여 낮은 값이면, 방식 전류기로부터 소정의 방식 전류가 지중에 매설된 불용성 양극[High Silicon Cast Iron(HSCI)] 및 토양을 매개로 방식 대상물에 흐름에 따라 방식 대상물의 전위가 기준전극에 대하여 -850mV 이하(예를 들면, -1000mV)로 유지시켜 줌으로써, 방식 대상물이 방식되도록 하고 있다.

상기한 부식전위 측정에 있어 지하철 혹은 전력선의 누설전류에 의한 간섭이 발생하면 도 6에 도시된 바와 같이 관대지전위가 심하게 변하게 되거나, 도 7에 도시된 바와 같이 제 3고조파가 측정되게 된다. 여기서 누설전류(Stray Current)에 대해서는 일반적으로 지하철의 누설전류가 도 8에 도시된 바와 같이, 지하철 변전소에서 출발하여 급전선을 통해 지하철 객차로 공급되어 지하철을 구동시킨 후, 다시 레일을 통해 지하철 변전소로 귀환하도록 설계되어 있다.

그러나, 상기 레일 부분에서 레일이 가지고 있는 길이방향의 저항과, 레일과 대지사이의 불완전한 절연으로 인해, 원래 설계된 귀환회로를 벗어나 레일로부터 대지로 전류의 일부가 유출하게 되는 바, 이 때 대지로 유출하는 전류를 누설 전류 또는 표유 전류라고 부른다.

이 누설전류는 양호한 도체의 역할을 하는 지중 금속구조물(가스배관, 송유관,상·하수도관 등)에 유입되어 구조물을 따라 흐른 후 국부지점, 즉 토양의 비저항이 낮은 지점이나, 지하철의 전원 공급부의 (-)극 가까이에서 대지로 유출된 후 전원공급부의 (-)극으로 귀환하게 되며, 이 유출 부분에서 부식이 집중적으로 발생하게 된다.

이와 같이 지하철에서 발생한 누설전류에 의한 부식을 미주전류 부식(Stray Current Corrosion) 혹은 전해 부식(Electrolysis)라 하며, 전해 부식을 줄여서 일반적으로 전식이라고 부른다. 현재 관련 분야에서는 이러한 전식 대책을 마련하기 위하여 지중 금속물의 관대지 전위만 측정하여 간섭의 크기와 간섭지점 등을 분석하고 있다.

그리고, 전력선에 의한 누설전류는 용량성 유도나, 유도성 유도 및 저항성 유도 등과 같은 다양한 유도에 의해 간섭을 받지만, 상기 장치가 주로 적용되는 곳에서는 저항성 유도에 의한 AC 유도전압이 주종을 이루고 있다.

한편, 상기 저항성 유도(Resistive Induction) 원리로는, 동일한 전해질(토양)을 공유하고 있는 전력 계통의 접지구조와 지중 구조물 사이에는 저항성 결합 효과(抵抗性結合效果; Resistive Coupling Effect)에 의해 교류 전류 혹은 전압의 형태로 에너지를 전달할 수 있다. 즉, 접지된 중성선을 가진 전력계통에서 계통의 불평형으로 인해 중성선에 불평형 전류가 흐르거나 또 계통의 3n(n=정수)차 고주파가 중성선에 흐르면, 이 에너지는 접지지점에서 토양을 통해 인접하는 지중 금속구조물로 전달되며, 이때 지중 금속구조물이 절연물에 의해 코팅되어 있는 경우에는 구조물과 대지 사이에 저항성 유도 전압을 발생시킨다.

도 9에 도시된 바와 같이, 전력계통의 접지도체를 반경이 r인 반구로 가정하고, 균일한 저항율(??)를 가진 대지에 전류(I)가 유입될 때, 반구의 중심(O)으로부터 x 지점의 유도전압(V)를 계산하는 과정은 아래와 같다.

즉, Ohm의 법칙에 따라,

v = IR

여기서,

R = ∫dR = ∫ρ(dr/2πr2) 이므로,

v = ρI/2πx

이 된다.

즉, 대지로 전류(I)를 흘리는 접지도체로 부터 x 거리만큼 이격된 배관에는 상기 수학식 2와 같이 계산되는 전압이 유도된다.

상기 수학식 2에 나타난 바와 같이, 접지를 통해 대지로 유출되는 전류가 일정할 경우에 배관에 유도되는 저항성 유도 전압의 크기는 대지의 저항율과, 접지도체와 배관사이의 이격거리에 따라 좌우된다.

현재 국내에서 문제가 되는 AC 표유전류는 22.9kV의 중성점 다중접지선에 의한 것이고, 국내의 배전계통은 1차 전압이 22,900[V]로서, 도 10에 도시된 바와 같이 3상 4선식을 사용하고 있으며, 중성점 다중접지방식을 쓰고 있다.

상기 3상 4선식 중에서 제 4선의 중성선은 일정한 간격으로 대지에 접지 되어 있으며, 정상 상태에서는 중성선에 60[Hz]의 전류가 흐를 수 없도록 설계되어 있다. 그러나, 부하의 불평형 등으로 인해 제 3고조파 성분이 발생할 경우, 이 제 3고주파의 일부는 중성선을 통해 흐르고, 일부는 접지를 따라 대지를 통해 흐르게 된다.

이때, 대지로 흐르는 제 3고조파는 지하배관이 양호한 접지도체이므로 저항성 결합 효과에 의해 배관에 유입되기 쉽다. 일단 유입된 제3고조파는 배관표면의 분극을 소극시키거나 혹은 Mg 양극 등의 소모율을 증가시킬 뿐만 아니라, 배관 작업자에게 감전으로 인한 위해(危害)를 끼치거나 혹은 누기사고시에 아크 발생으로 인한 대형 폭발사고를 야기할 수도 있다.

따라서, 지중금속 구조물의 소유자들은 시설물에 대한 부식 또는 방식 여부를 아날로그 메타 혹은 휴대용 기록계 등을 사용하거나, 최근 본 발명의 출원인에 의해 개발된 부식전위 측정용 단자함 내에 인입되는 부식감시장치를 이용하여 주기적으로 관대지 전위을 측정하여 점검하고 있다.

그러나, 종래에는 부식 또는 방식을 측정하는 장치로는 누설전류를 직접 측정할 수 있는 계측기능이 없으므로 누설전류 분석을 하지 못하고 있는 실정이다.

다만, 필요시 기존의 오실로스코프(Oscilloscope)를 이용하여 누설전류를 측정할 수 있으나, 이 경우에는 지하철의 레일에 흐르는 전류를 측정하기 위해 지하철이 운행하지 않은 시간을 택하여 계측기를 설치하였다가 지하철이 운행되는 다음날 저장된 데이터를 수거하여야 한다.

그러나, 이러한 오실로스코프와 같은 장비는 고가의 장비일 뿐만 아니라, 크기가 비교적 커서 지하철 레일 주변에 설치하기가 용이하지 않고, 다수 개소의 측정지점에 동시에 설치하여야 하지만 그러한 고가의 장비를 동시적으로 설치한다는 것은 현실적으로 불가능하다는 문제점이 있다.

게다가, 현재 지중금속 구조물에 대한 부식감시 방법에서는 아날로그 메타와 부식 전위측정용 단자함 내에 인입되는 부식감시장치를 이용하여 단순히 관대지 전위만을 분석하고 있어 지하철과 전력선에 의한 누설지점과 그 크기를 알 수 없게 됨에 따라, 그에 대한 종합적인 대책을 세우기가 매우 어렵도록 되어 있다는 문제점이 있다.

따라서, 현재에는 지하철의 누설전류를 레일 임피던스 본드에서 간편하게 측정하고 각 지점의 레일에 흐르는 전류를 측정하여, 누설 전류를 정상적으로 분석할 수 있는 소형이면서 저가형인 스탠드 얼론 타입(stand Alone Type)의 저장형 계측장치에 대한 개발이 절실하게 요구되는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 지하철과 전력선으로부터의 누설전류와 지중 금속매설물의 관대지 전위를 동시에 측정하여 분석하는 것이 가능하도록 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 다수 개소에서 동시적으로 수행하는 것이 가능하면서, 원격 감시 기능이 가능하고 누설전류 정보의 저장 및 분석이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 지하철과 전력선에 의한 누설전류와, 지중 금속매설물의 관대지 전위(Pipe To Soil)를 각각 측정하기 위한 계측 장치에 있어서, 상기 지하철과 전력선, 지중 금속 매설물의 측정지점으로 이동 및 설치가 가능하도록 모듈화되고서, 상기 지하철과 전력선에 의한 누설전류와 지중 금속매설물의 관대지 전위를 동시에 측정하고, 그 측정 데이터를 저장함과 더불어 원격으로 전송하는 계측 수단과, 상기 계측 수단으로부터 누설전류와 관대지 전위의 측정 데이터를 원격으로 수신받아 측정 데이터의 분석을 위한 데이터베이스화 및 그래픽 표시를 수행하는 분석용 컴퓨팅 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치를 제공한다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

즉, 도 1은 본 발명에 따른 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치에 대한 전체구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 계측장치는, 계측 모듈(100)과, 충전 및 통신모듈(200) 및, 분석용 컴퓨터 단말(300)로 구성된다.

상기 계측 모듈(100)은 지하철 변전소에 설치된 컨버터(10)로부터 연장되어 전차 레일(20)과 연결되는 급전선에 대해 탈착이 가능하도록 연결된 클램프 온 타입(Clamp On Type)의 전류 센서(114; 도 2 참조)를 이용하여 누설전류를 측정하도록 되어 있는 바, 이는 도 4a에 도시된 바와 같이 지하철의 급전선의 소정 부위를 전류센서가 클램프시킨 상태에서 직류를 인가하여 감지되는 전류의 변화를 통해서 누설전류를 측정하도록 되어 있다. 여기서, 상기 계측 모듈(100)이 지하철의 누설전류를 측정하는 지점은 레일의 임피던스 본드와 컨버트 부극선에 해당된다.

또한, 상기 계측 모듈(100)은 상기 지하철 변전소에 설치된 컨버터(10)로부터 션트 저항(Shunt Resistance)을 매개로 하여 전압신호를 입력받아 누설전류를 측정할 수 있도록 되어 있는 바, 이는 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 컨버터(10)로부터 인출되는 전력선 간에 션트 저항을 직렬로 접속하고서, 그 션트 저항의 양단에 대해 병렬 접속된 전압계(V)를 통해서 전압이 측정되도록 하고, 그 측정된 전압신호에 의해 누설전류가 측정될 수 있도록 되어 있다. 여기서, 상기 계측 모듈(100)이 전력선의 누설전류를 측정하는 지점은 배전선로의 중성선 접지선에 해당된다.

상기 계측 모듈(100)은 부식전위 측정용 단자함에 해당되는 테스트 박스(30)로부터, 도 4b에 도시된 바와 같이 션트 저항을 이용한 방식과 동일한 방식으로 부식전위 측정을 위한 전압신호를 입력받아 관대지 전위를 분석할 수 있도록 되어 있다.

또, 상기 계측 모듈(100)은 지하철에 전력을 공급하는 전력선과는 별도로 통상적인 전력선 및 접지선(25)에 대해, 도 4a에 도시된 바와 같이 클램프 온 타입의 전류 센서를 이용한 방식과 동일한 방식으로 전력선의 누설전류를 측정할 수 있도록 되어 있다.

상기 충전 및 통신 모듈(200)은 상기 계측 모듈(100)에서 사용되는 전원을 충전함과 더불어, 상기 계측 모듈(100)과 상기 분석용 컴퓨터 단말(300)과의 데이터 통신을 위한 통신 포트가 구비되어 있다.

여기서, 상기 충전 및 통신 모듈(200)은 교류 220V/60Hz의 전원을 사용하여 총 4개의 충전 포트를 통해서 4개의 계측 모듈(100)에 대해 충전전원을 동시적으로 공급할 수 있도록 하고, 4개의 USB로 이루어진 통신 포트를 구비하여 동시에 4개의 계측 모듈(100)과 분석용 컴퓨터 단말(300)과의 통신이 가능하도록 하는 한편, 각 충전포트에 대해 충전완료/충전중임을 나타내는 표시램프가 갖추어져 있다.

한편, 상기 충전 및 통신 모듈(200)은 유선으로 충전전원을 공급하고, 유선 통신 포트를 통해 상기 계측 모듈(100)과 유선 통신이 이루어지도록 구성되지만, 무선의 전원 공급 포트를 복수개로 구비하여 복수개의 계측 모듈(100)에 대해 충전전원을 무선방식으로 동시에 공급할 수 있도록 하고, 예컨대 블루투스(Bluetooth) 등과 같은 근거리 무선 통신장치나 억세스 포인트(Access Point; AP) 등과 같은 무선 랜장치를 내장하여 복수개의 계측 모듈(100)과 동시적인 무선 통신이 가능하도록 하는 것도 얼마든지 가능하다.

상기 분석용 컴퓨터 단말(300)은 상기 충전 및 통신 모듈(200)을 통해 계측 모듈(100)과의 통신을 진행하여 누설전류 측정 데이터와 관대지 전위 측정 데이터를 수집하여 데이터베이스에 저장하고, 누설전류 및 관대지 전위의 상태를 그래픽화하여 가시적으로 표시하게 된다.

다음에, 도 2는 본 발명에 따른 상기 계측 모듈의 상세한 구성을 나타낸 도면으로서, 동 도면에서 상기 계측 모듈(100)은 기능 입력부(102)와, A/D 컨버터(108), DC/DC 컨버터(110), 배터리팩(112), 메인 프로세서 유니트(MPU)(116), 타이머(Serial Real Time Clock; RTC)(118), 메모리(120), 통신 포트(122)로 구성된다.

상기 기능 입력부(102)는 본 발명의 누설전류 및 관대지 전위의 측정을 개시하기 위한 기능입력을 수행하는 작동 스위치(104)와, 그 작동 스위치(104)의 작동 상태를 표시하기 위해 발광표시되는 발광 다이오드를 갖춘 작동 표시램프(106)를 포함하여 구성된다.

상기 A/D 컨버터(108)는 상기 테스트 박스(20)로부터의 관대지 전위를 측정한 결과에 따른 아날로그 형태의 전압신호를 입력받아 예컨대 12비트(Bit)와 같은 특정 비트의 디지털 데이터로 변환하게 되고, 상기 전류센서(114)로부터 감지되는 누설전류에 따른 전류신호를 예컨대 12비트와 같은 특정 비트의 디지털 데이터로 변환한다.

상기 DC/DC 컨버터(110)는 상기 충전 및 통신 모듈(200)로부터 예컨대 3V의 직류(DC)전압을 인가받아 예컨대 ±12V의 직류전압으로 변환하여 출력하게 되고, 상기 배터리팩(112)은 상기 DC/DC 컨버터(110)로부터 직류전압을 인가받아 충전하고서, 해당 계측 모듈(100)의 계측동작에 필요한 전원을 공급함과 더불어, 상기 전류센서(114)의 전류감지에 필요한 전원을 공급한다.

상기 전류센서(114)는 상기 배터리팩(112)으로부터 전원을 공급받은 상태에서 컨버터(10)로부터의 전력선과 전차 레일(20)로부터의 누설전류를 측정하게 된다.

상기 메인 프로세서 유니트(116)는 8비트의 마이크로 콘트롤러(Microcontroller)와, 4K×14워드(Words)의 프로그램 메모리, 256×8바이트(Bytes)의 데이터 메모리(RAM)를 갖추고서, 상기 A/D 컨버터(108)를 통해 디지털 변환된 누설전류 데이터와 관대지 전위의 데이터를 메모리(120)에 저장함과 더불어, 통신 포트(122)를 통해 상기 분석용 컴퓨터단말(300)에 제공하고, 상기 타이머(118)는 상기 메인 프로세서 유니트(116)의 동작을 위한 동작 클럭을 제공한다.

상기 메모리(120)는 초당 100개의 측정 데이터를 입력받을 경우에 적어도 48시간 이상 저장이 가능한 용량인 64메가 바이트(Mbyte) 이상의 저장용량을 갖춘 플래쉬 메모리(Flash Memory)로 이루어지고서, 상기 누설전류와 관대지 전위의 측정 데이터를 저장하게 된다.

상기 통신 포트(122)는 상기 충전 및 통신 모듈(200)을 통해 상기 분석용 컴퓨터단말(300)과 통신이 가능하도록 이루어진 USB 포트로 이루어져서, 해당 계측 모듈(100)에서 측정된 누설전류 및 관대지 전위의 측정 데이터를 상기 분석용 컴퓨터단말(300)에 전송한다.

다음에, 도 3은 본 발명에 따른 상기 분석용 컴퓨터 단말의 상세한 구성을 나타낸 도면으로서, 동 도면에서 상기 분석용 컴퓨터단말(300)은 전원 회로부(301)와, 통신 포트(302), 키입력부(304), 좌표입력부(306), 하드디스크 드라이브(308), 마이크로 프로세서(314), 그래픽 처리부(316), 표시 모니터(318), 출력 포트(320)로 구성된다.

상기 전원 회로부(301)는 해당 분석용 컴퓨터단말(300)에 필요한 동작전원을 공급함과 더불어, 통신 포트(302)를 통해 상기 충전 및 통신 모듈(200)과 연결되어 상기 계측 모듈(200)에 동작전원을 공급할 수 있도록 상기 충전 및 통신 모듈(200)을 충전시키게 된다.

상기 통신 포트(302)는 상기 충전 및 통신 모듈(200)과 데이터 통신 및 전원공급이 가능하도록 연결되어 있는 USB 포트로 이루어져서, 상기 충전 및 통신 모듈(200)을 통해 상기 계측 모듈(100)로부터의 누설전류 및 관대지 전위의 측정데이터를 수신받게 된다.

여기서, 상기 통신 포트(302)는 상기 충전 및 통신 모듈(200)과 무선으로 데이터 통신 및 전원 공급이 이루어지게 되면, 무선 전원충전 포트 및 무선 통신용 포트로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 키입력부(304)는 지하철과 전력선에 의한 누설전류와 지중 금속매설물의 관대지 전위의 측정 데이터의 분석 조작을 위한 키입력을 수행하도록 되어 있고, 상기 좌표입력부(306)는 소위 "마우스 장치"로 통칭되는 것으로서, 상기 누설전류와 관대지 전위의 측정 데이터를 분석하기 위한 조작명령의 좌표를 입력하기 위한 것이다.

상기 하드디스크 드라이브(308)는 예컨대 윈도우즈(Windows)와 같은 멀티미디어 전용의 운영 프로그램이 내장되고서, 지하철과 전력선에 의한 누설전류와 지중 금속매설물의 관대지 전위의 측정 및 분석을 위한 응용 프로그램(310)이 저장되고, 상기 계측 모듈(100)로부터 주기적으로 제공되는 누설전류 및 관대지 전위의 측정 데이터를 검색이 가능하게 저장하는 데이터베이스(312)가 구축되어 있다.

상기 마이크로 프로세서(314)는 예컨대 윈도우즈와 같은 멀티미디어 전용 운영 프로그램의 동작 하에서 상기 하드디스크 드라이브(308)로부터 제공되는 응용 프로그램(310)을 구동하여 데이터베이스(312)에 저장되어 있는 다수의 누설전류 및 관대지 전위의 측정 데이터를 그래픽화하여 표시하기 위한 데이터 처리를 수행한다.

상기 그래픽 처리부(316)는 상기 마이크로 프로세서(314)의 응용 프로그램 구동에 의한 데이터 처리에 따라, 누설전류 및 관대지 전위의 측정 데이터를 다양한 그래픽 형태로 표시 모니터(318) 상에 표시하기 위한 그래픽 처리를 수행한다.

상기 출력 포트(320)는 외부의 프린터 기기나 외부의 데이터 저장장치 또는 대형 표시기기 등과 연결되고서, 데이터베이스화된 측정 데이터를 레포트 형태로 프린트 출력이 가능하도록 하거나, 외부 데이터 저장장치를 통한 측정 데이터의 장기간의 저장이 가능하도록 하고, 다수의 사용자가 그래픽화된 측정 데이터 화면을 대형 표시기기를 통해 분석할 수 있도록 한다.

상기한 구성을 갖춘 본 발명의 분석용 컴퓨터단말(300)에서는 누설전류 및 관대지 전위의 데이터 분석을 위한 응용 프로그램(310)을 구동함에 의해, 상기 계측 모듈(100)이 각 지하철 구간 별로 복수개가 설치된 경우에, 각 계측 모듈(100) 별로 구분이 가능하게 부여되는 ID를 통해 검색이 가능하도록 되어 있고, 각 계측 모듈의 설치위치(Station), 개시 시간(Start_time), 종료 시간(End_time), 샘플링 시간(Sampling time) 등을 설정할 수 있도록 하는 한편, 상기 개시 시간(Start_time)과 종료 시간(End_time)은 윤년을 고려한 정확한 날짜 표시가 되어야 한다.

또한, 상기 분석용 컴퓨터단말(300)에서는 하드디스크 드라이브(308)의 데이터베이스(312)에 저장된 측정 데이터의 소거(CLEAR) 기능이 가능하도록 되어 있고, 각 측정 데이터를 상기 계측 모듈(100)로부터 다운로드할 때와 변환(Conversion)할 때 진행상황을 백분율(%)로 표시할 수 있도록 되어 있으며, 상기 하드디스크 드라이브(308)에 구축된 데이터베이스(312)에는 각 측정 데이터를 날짜, 계측 모듈의 ID, 및 설치위치(Station) 별로 구분하여 검색이 가능함과 더불어, 파형의 전반적인 분석이 가능하도록 되어 있다.

상기 분석용 컴퓨터단말(300)에서 측정 데이터 분석용 응용 프로그램(310)을 구동한 상태에서는 상기 데이터베이스(312)에 저장된 측정 데이터를 그래픽화하여 상기 키입력부(304) 또는 좌표입력부(306)의 사용자 조작에 따라 줌인(Zoom In), 줌아웃(Zoom Out) 기능과 함께 부분 확대 기능이 가능하도록 하고, 스크롤 기능을 두어 확대시 전부분이 표시되도록 하는 한편, 줌인(Zoom In) 표현 이후에 리세트 줌(Reset Zoom) 기능으로 원상태 복귀가 가능하도록 되어 있다.

또한, 상기 분석용 컴퓨터단말(300)에서는 상기 응용 프로그램(310)의 구동 하에서 그래픽화된 측정데이터에 대해 좌표기능을 두어 좌표 입력부(306)의 동작에 다른 커서(Cursor) 이동시에 측정 데이터의 값이 가시적으로 표시되도록 되어 있고, 데이터베이스화된 측정데이터는 사용자가 보기 쉽게 그리드(Grid) 형태로 구성되고, 데이터베이스의 위치를 움직일 때마다 ID, 설치위치(Station), 개시 시간(Start_time) 등이 표출될 수 있도록 하는 한편, 복수개의 측정 데이터를 동시에 하나의 그래프에 표시할 수 있는 것이 가능하다.

상기 그래픽화된 측정 데이터는 전류, 전압을 변환하여 표시가 가능하하도록 되어 있고, 그래프의 X-축이 시간으로 표현되도록 하되 '시:분:초'에서 '1/128'초까지 1/N초 단위까지 표시될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 전류 센서(114)를 통하여 지하철과 전력선에 의한 누설전류가 감지되면, 그 누설전류를 A/D 컨버터(108)를 통해 디지털 변환시킨 다음에 메모리(120)에 저장한다.

상기 누설전류의 측정지점은 지하철인 경우에 전차 레일(20)의 임피던스본드와 컨버트 부극선이며, 전력선인 경우에는 배전선로 중성선 접지선 지점에 해당된다. 상기 메모리(120)에 저장된 누설전류 데이터는 메인 프로세서 유니트(116)의 데이터 처리에 따라 통신 포트(122)를 통하여 미리 정해진 통신 프로토콜에 의해 충전 및 통신 모듈(200)을 매개로 분석용 컴퓨터단말(300)의 하드디스크 드라이브(308)에 데이터베이스화하여 재 저장되게 된다.

그리고, 지중 금속매설물의 임의 지점에서 테스트 박스(30)에 의해 관대지 전위(Pipe to Soil)가 측정되면, 그 관대지 전위의 전압신호가 A/D 컨버터(108)에 의해 디지털 변환되어 메모리(120)에 저장된 다음에, 통신 포트(122)를 통하여 분석용 컴퓨터단말(300)의 하드디스크 드라이브(308)에 데이터베이스화되어 저장된다.

여기서, 상기 측정된 누설전류와 관대지 전위의 데이터는 응용 프로그램(310)의 동작 하에서 타임 싱크로나이즈(Time Synchronize)가 되어 있어서 동일 시각대의 누설전류 파형과 관대지 전위 파형이 동시에 분석될 수 있도록 되어 있는 바, 측정된 관대지 전위 파형을 분석하여 전류파형과 동상(同相)인지 역상(逆相)인지를 분석하게 된다.

만일, 지하철 혹은 전력선의 접지선으로부터 나온 누설전류가 지중 금속매설물에 유입되거나 그 반대이면서 간섭을 일으키면, 파형은 서로 역상이면서 같이 동조하여 움직이는 것을 볼 수 있다. 그 분석 결과에 따라, 누설지점과 지중 금속매설물간의 절연을 높이는 등의 전식대책을 강구할 수 있게 하는 중요한 수단으로서 사용되게 된다.

본 발명에 적용되는 계측 모듈(100)은 야외에 설치할 수 있도록 되어 있으므로 방수 등의 내환경에 적합하게 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 지하철과 전력선에 의한 누설전류와 지중 금속매설물의 관대지 전위를 동시에 측정함과 더불어, 그 누설전류와 관대지 전위와의 상관관계를 동시에 분석하는 것이 가능하도록 함에 따라, 저렴한 비용으로 다수의 측정지점에 대한 누설전류와 관대지 전위를 동시에 측정하는 것이 가능하고, 지하철에 의한 누설전류과 이에 의한 지중 금속구조물의 관대지 전위와의 상관관계를 용이하게 분석 할 수 있다는 각별한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치에 대한 전체구성도,

도 2는 도 1에 도시된 계측 모듈의 상세한 구성을 나타낸 도면,

도 3은 도 1에 도시된 분석용 컴퓨터 단말의 상세한 구성을 나타낸 도면,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 지하철의 급전선에서 전류 센서를 통해 누설전류를 측정하는 상태와, 지하철 변전소로부터 누설전류 측정을 위해 전압신호를 입력받는 상태를 에시적으로 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전류 센서를 통하여 지하철에 의한 누설전류를 측정하는 상태를 예시적으로 나타낸 도면,

도 6는 지하철 또는 전력선의 누설전류에 의한 간섭에 의해 관대지 전위가 심하게 변하는 상태를 나타낸 도면,

도 7은 부하의 불평형에 의한 제 3고조파 발생상태를 나타낸 그래프 도면,

도 8은 지하철의 누설전류에 의한 간섭 메카니즘을 나타낸 도면,

도 9은 전력선의 누설전류에 의한 저항성 유도 메카니즘을 나타낸 도면,

도 10는 3상4선식의 배전계통을 나타낸 도면,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:컨버터, 20:전차 레일,

25:전력선 및 접지선, 30:테스트 박스,

100:계측 모듈, 102:기능 입력부,

108:A/D 컨버터, 110:DC/DC 컨버터,

112:배터리팩, 114:전류 센서,

116:메인 프로세서 유니트(MPU),118:클럭타이머,

120:메모리, 122:통신포트,

200:충전 및 통신 모듈, 300:분석용 컴퓨터 단말,

302:통신 포트, 304:키입력부,

306:좌표입력부, 308:하드디스크 드라이브,

310:응용 프로그램, 312:데이터베이스,

314:마이크로 프로세서, 316:그래픽 처리부,

318:표시모니터.

Claims

지하철과 전력선에 의한 누설전류와, 지중 금속매설물의 관대지 전위(Pipe To Soil)를 각각 측정하기 위한 계측 장치에 있어서,

누설전류와 관대지 전위의 측정을 위한 기능 입력을 수행하는 기능 입력부와, 상기 지하철과 전력선에 설치된 전류센서로부터 감지된 누설전류를 디지털 변환하고, 지중 금속매설물 측에 설치되는 테스트 박스로부터 측정되는 관대지 전위의 전압신호를 디지털 변환하는 A/D 컨버터, 상기 A/D 컨버터에 의해 디지털 변환된 누설전류와 관대지 전위의 측정데이터를 저장하고 원격으로 전송하기 위한 제어를 수행하는 메인 프로세서 유니트, 상기 누설전류와 관대지 전위의 측정 데이터를 저장하는 메모리 및, 상기 메인 프로세서 유니트의 제어에 따라 누설전류와 관대지 전위의 측정 데이터를 전송하기 위한 통신을 진행하는 통신 포트를 포함하여 구성되어, 상기 지하철과 전력선, 지중 금속 매설물의 측정지점으로 이동 및 설치가 가능하도록 모듈화되고서, 상기 지하철과 전력선에 의한 누설전류와 지중 금속매설물의 관대지 전위를 동시에 측정하고, 그 측정 데이터를 저장함과 더불어 원격으로 전송하는 계측 수단과,

상기 계측 수단으로부터 누설전류와 관대지 전위의 측정 데이터를 원격으로 수신받아 측정 데이터의 분석을 위한 데이터베이스화 및 그래픽 표시를 수행하는 분석용 컴퓨팅 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 계측 수단은 외부로부터의 직류전원을 DC/DC 변환하여 해당 계측 수단의 동작전원 공급과 더불어 상기 전류 센서로 전원을 공급하는 DC/DC 컨버터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전류 센서에 누설전류의 장시간 측정을 위한 배터리팩이 부착된 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치.
제 1 항에 있어서,

상기 통신 포트는 무선 통신용 포트나 유선 통신용 포트 중에 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치.
제 1 항과 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항중 어느 한항에 있어서,

상기 계측 모듈과 분석용 컴퓨팅 수단의 사이에 연결되어 분석용 컴퓨팅 수단으로부터 전원을 공급받아 계측 모듈에 전원을 공급하기 위한 충전 기능을 수행하고, 계측 모듈과 분석용 컴퓨팅 수단 사이의 데이터통신을 연계시키는 충전 및 통신 모듈을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치.
제 6 항에 있어서,

상기 충전 및 통신 모듈은 상기 계측 모듈에 전원을 무선으로 공급하는 무선 전원공급 포트 또는 전원을 유선으로 공급하는 유선 전원공급 포트 중에 어느 하나를 포함하고,

상기 계측 모듈과 분석용 컴퓨팅 수단사이에서 무선 통신을 진행하는 무선 통신용 포트 또는 유선 통신을 진행하는 유선 통신용 포트 중에 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치.
제 1 항에 있어서,

상기 분석용 컴퓨팅 수단은 상기 계측 수단으로부터 제공되는 누설전류와 관대지 전위의 측정 데이터를 날짜와, 계측 수단의 설치위치(Station) 별로 검색이 가능하게 데이터베이스화하여 저장하고,

상기 데이터베이스화된 측정 데이터의 누설전류와 관대지 전위를 동시에 파고분석이 가능하게 그래픽 표시하기 위한 응용 프로그램을 갖춘 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치.
제 1 항에 있어서,

상기 분석용 컴퓨팅 수단은 지하철의 복수의 구간 별로 각각 설치된 복수의 계측 수단에 대해 ID 검색을 통해 구분이 가능하도록 하고, 상기 데이터베이스화된 측정 데이터는 복수의 계측 수단 별로 ID를 통해 검색이 가능하도록 저장하는 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치.
제 1 항에 있어서,

상기 분석용 컴퓨팅 수단은 외부 장치와의 데이터 통신을 위한 출력 포트를 더 구비하고, 상기 출력 포트를 통해 측정 데이터의 프린트 출력이나 외부 저장장치로의 측정 데이터 저장 또는 외부의 대형 표시기기를 통한 측정 데이터의 표시 중에 어느 하나가 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 지하철과 전력선의 누설전류 측정을 위한 저장형 데이터 계측장치.