KR100726197B1 - 광섬유 케이블을 이용한 전력 부스 덕트의 실시간 열화감시 시스템 및 감시방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대전류라서 케이블로는 처리가 불가능한 곳이나, 또는 열이 많이 발생되는 지역을 통과해야만 하는 경우에 사용하는 전력 부스 덕트(Bus Duct)에서 발생되는 이상 열화를 조기에 검출하고, 공장 등의 전력 계통사고를 미연에 방지하는 한편, 부스 덕트에 유기되는 온도 상황을 상시적으로 모니터링 가능하게 함으로써, 이에 따른 점검 비용 절감과 장비의 작동정지로 인한 인적, 물적 손실을 사전에 방지할 수 있도록 하는 광 케이블을 이용한 부스 덕트 이상 열화 검출 장치와 그를 이용한 이상 열화 감시 시스템에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은 부스 덕트의 금속체 보호구에 결합된 광섬유 케이블의 일측 끝단이 연결되는 측정장비에 있어서, 부스 덕트의 기본온도 정보 및 수시로 측정되는 각 지점의 온도, 소정의 온도 이상이 되면 경보를 발생시키기 위한 경보온도를 입력하여 저장하는 온도 저장부와; 상기 광섬유 케이블의 반사파의 소요시간을 통해 부스 덕트 각 지점의 온도를 파악하며, 소정의 상승율을 연산하기 위한 연산부와; 상기 연산된 각 지점의 온도 및 상승율을 미리 설정한 경보온도에 해당하는지 비교하는 비교부와; 상기 비교부에 의해 비교된 각 지점의 온도 및 상승율이 기 설정한 경보온도 범위를 벗어나면 경보를 발생시키는 경보부;로 구성되는 것을 특징으로 하며, 광섬유 케이블을 전력 부스 덕트 외부 금속체에 열적으로 밀착 부착하고 이를 측정장비와 연결하여, 부스 덕트에 유기되는 온도 상황을 실시간으로 검출하고 감시함으로써, 이에 따른 점검 비용 절감과 인적, 물적 손실을 사전에 방지할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

부스덕트, 광섬유 케이블, 이상과열, 라만 산란광, 사고예방

Description

광섬유 케이블을 이용한 전력 부스 덕트의 실시간 열화 감시 시스템 및 감시방법{Method and system for realtime monitoring of bus duct}

도 1은 본 발명에 따른 부스덕트의 개념도

도 2는 본 발명에 따른 부스덕트의 금속체 보호구를 분리한 상태를 도시한 개념도

도 3은 본 발명에 따른 부스덕트의 감시 시스템을 개략적으로 도시한 블럭도

도 4는 본 발명에 따른 부스덕트의 감시방법을 도시한 플로우챠트

도 5는 본 발명에 따른 부스덕트 열화 감시 시스템에 의해 나타난 온도변화를 도시한 예시도

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10 : 부스덕트 20 : 광섬유 케이블

30 : 측정장비 31 : 저장부

32 : 연산부 33 : 비교부

34 : 경보부 35 : 평균온도 산출부

36 : 랭킹부

본 발명은 대전류라서 케이블로는 처리가 불가능한 곳이나, 또는 열이 많이 발생되는 지역을 통과해야만 하는 경우에 사용하는 전력 부스 덕트(Bus Duct)에서 발생되는 이상 열화를 조기에 검출하고, 공장 등의 전력 계통사고를 미연에 방지하는 한편, 부스 덕트에 유기되는 온도 상황을 상시적으로 모니터링 가능하게 함으로써, 이에 따른 점검 비용 절감과 장비의 작동정지로 인한 인적, 물적 손실을 사전에 방지할 수 있도록 하는 광 케이블을 이용한 부스 덕트 이상 열화 감시 시스템과 그를 이용한 감시방법에 관한 것이다.

일반적으로 전력 부스 덕트는 안정성이 높고 대용량의 전력을 공급할 수 있다는 장점으로 인해 최근 반도체, 자동차 등 첨단 제품 공장이나, 양질의 전원을 필요로 하는 인텔리전트 빌딩 등에 널리 사용되고 있는 배전 방식으로써, 금속제 덕트 내부에 난연성과 절연성을 확보한 도체인 부스 바를 넣어 제작되고 있으며, 계통의 단순화로 인해 유지 보수 및 이설, 증설이 쉬워 기존의 케이블을 대신하여 애용되고 있다.

최근 전력 설비의 효율적인 운용과 고 신뢰성 확보에 있어서, 설비 상시 감시 및 이상 예지관리 시스템 구축이 강하게 요구되고 있으며 특히, 설비가 장(長) 거리이고, 넓은 지역에 분포되어 있는, Bus Duct나 전력구 송전 설비는 선로의 길이 방향으로 다량의 감시 정보를 일괄 수집 가능하고, 전자 유도 장해를 받지 않는 신뢰성 높은 센싱 시스템(Sensing System)이 필요하게 된다.

따라서, 최근에는 각종 센서 기술의 발전에 따라, 광 기술을 응용한 센서가 개발되고 있으나, 그 대부분은 국부적인 부분의 온도만 측정할 수 있는 Point Sensor로써 장 구간이나, 광범위한 곳을 검출하기 위해서는 다수의 Sensor를 배치하고, 전원 및 전송 장치 등이 필요하기 때문에, 현실적으로 전체를 Sensing하는 일은 불가능하다.

이에, 대부분의 기업은 전기담당 요원이나, 협력업체 인력을 이용하여 월간 또는 분기 단위로 정기적인 육안 점검을 실시하고 점검 Sheet에 수 작업으로 기록하고 있다. 그러나 기기 설비는 매일 열화가 진행되는 것으로 내용수명 혹은 기대수명에 도달하면 그 기능을 다하게 된다. 따라서, 설비의 점진적인 열화 특성을 고려할 때, 정기적인 설비 점검만으로는 상시 감시를 할 수 없으며, 사람에 의한 노동 집약적인 점검은 최근 기업의 '소수정예 요원에 의한 설비관리 Paradigm', '경쟁력 갖춘 고급 엔지니어'로 변화될 수 없다.

또한, 전력 설비는 일반 기계와는 달리, 한번의 고장이 대형 사고를 동반할 수 있는 중대한 사고로 연결될 수 있는 특성이 있으며, 전력 부스 덕트는 관리가 어렵고 한번의 사고가 생산 및 품질에 미치는 파급 영향도가 매우 큰 특징이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 부스 덕트의 이상 열화를 조기에 감지하여 대형사고를 방지함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 소정의 기간동안 측정된 온도가 소정 상승율 이상으로 상승되는 경우 경보를 발생하도록 함으로써, 정확성을 높이는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 위해 부스 덕트의 금속체 보호구에 결합된 광섬유 케이블의 일측 끝단이 연결되는 측정장비에 있어서, 부스 덕트의 기본온도 정보 및 수시로 측정되는 각 지점의 온도, 소정의 온도 이상이 되면 경보를 발생시키기 위한 경보온도를 입력하여 저장하는 온도 저장부와; 상기 광섬유 케이블의 반사파의 소요시간을 통해 부스 덕트 각 지점의 온도를 파악하며, 소정의 상승율을 연산하기 위한 연산부와; 상기 연산된 각 지점의 온도 및 상승율을 미리 설정한 경보온도에 해당하는지 비교하는 비교부와; 상기 비교부에 의해 비교된 각 지점의 온도 및 상승율이 기 설정한 경보온도 범위를 벗어나면 경보를 발생시키는 경보부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 저장부에는 부스 덕트 각 지점의 온도를 소정의 주기마다 평균을 산출하여 저장하는 평균온도 산출부를 더 구비하고, 상기 비교부에서는 평균온도 산출부에서 산출된 평균온도의 상승율이 소정의 범위를 벗어나면 경보부에 경보를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 평균온도 산출부에서 산출된 각 지점의 평균온도 상승율에 대하여 순위를 정하는 랭킹부를 더 구비하고, 상기 랭킹부의 순위에 따라 각 지점을 관리하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 광섬유 케이블이 결합된 전력 부스덕트의 기본온도 정보를 입력하고, 경보온도를 설정하는 단계와; 측정장비와 연결된 광섬유 케이블에 의해 부스덕트의 온도 및 온도 상승율 변화를 측정하는 단계와; 상기 측정된 온도 및 온도 상승율을 비교부에 의해 경보온도 이상인지를 비교하는 단계와; 측정된 온도가 경보 온도 이상으로 판단되면 경보를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 광섬유 케이블에 의해 측정된 부스덕트의 온도를 측정하는 단계에서, 측정된 온도를 소정의 주기 단위로 평균값을 산정하여 저장하고, 상기 평균값이 소정의 상승율 이상이 되면 경보를 발생시키도록 하는는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은 상기 부스덕트 각 지점의 평균값 상승율에 따라, 순위를 설정하고, 그 순위에 따라 부스덕트를 관리하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 부스덕트의 감시 시스템을 개략적으로 도시한 블럭도이며, 도 4는 본 발명에 따른 부스덕트의 감시방법을 도시한 플로우챠트이며, 도 5는 본 발명에 따른 부스덕트 열화 감시 시스템에 의해 나타난 온도변화를 도시한 예시도이다.

전력을 공급하는 부스 덕트(10)의 금속체 보호구(11) 상부에 광섬유 케이블(20)을 열 전달율이 우수한 접착제(실리콘 본드 등)로 부착시켜, 이 광섬유 케이블(20)이 상기 부스 덕트 금속체 보호구(11)와 일체화 되도록 구성하고, 상기 광섬유 케이블(20)의 일측 끝단은 측정장비(30)에 연결한다.

그리고, 측정장비(30)에는 저장부(31) 및 연산부(32), 비교부(33), 경보부(34)를 구비하는 바, 상기 저장부(31)는 부스 덕트(10)의 기본온도 정보 및 수시로 측정되는 각 지점의 온도, 경보를 발생시키기 위한 경보온도 및 경보온도 상승율을 입력하여 저장한다(S110)(S120).

또한, 상기 연산부(32)는 광섬유 케이블(20)을 통해 입력되는 반사파를 분석하여 각 지점의 온도를 연산 측정하고(S130), 연산 측정된 온도를 소정의 주기로 평균값을 산출하며(S140), 각 평균값의 상승율을 연산하는 역할을 하며, 비교부(33)에서는 각 지점의 온도를 미리 설정한 경보온도와 비교함과(S150) 동시에, 각 지점의 온도 상승율을 비교하여(S160) 경보를 발생시켜야 하는지를 판단하여(S170)(S180) 경보부(34)에 경보를 발생시킨다(S190).

따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 부스 덕트(10)에 이상 열화가 발생하게 되면, 광섬유 케이블(20)이 부스 덕트 금속체 보호구(11)에 부착되어 기동을 같이 하므로, 광섬유 케이블(20)에 입사된 입사광이 열화가 발생한 위치측에서 반사하는 반사파를 측정장비(30)가 측정하여 부스 덕트(10)의 이상 열화를 검출하게 된다.

이러한 검출은 공지의 방법에 의해 이루어지는데 이를 구체적으로 설명하면, 광섬유 케이블(20)에 광을 입사 시키면, 입사광은 석영 분자에 흡수되어 열 진동의 횡파 모드를 발생 시킨 후, 재 발광(다시 빛을 내어)하여 광 에너지를 잃으면서 입사광 보다 장파장(긴 파장을 갖는)의 스토크스(Stokes) 광(λs)으로 변환되고, 한편으로는 횡파 모드를 흡수하고 재 발광하여 에너지를 얻은 입사광보다 파장이 짧 은 단파장의 안티-스토크스(Anti-Stokes) 광(λs)으로 변환된다.

이때, 광섬유 케이블(20) 내의 Glass 격자(SiO2)들에 의해 산란, 흡수 등의 현상이 발생하는데, 이 산란광 중에는 입사광과 동일한 파장 성분의 레이리(Rayleigh) 산란광과, 다른 파장 성분의 산란광이 존재하며, 다른 파장의 성분들은 파장 전이에 따라서 명칭이 다른데, 그 중에 구성물질의 격자 열 진동 중에서 횡파 모드와 상호 작용으로 인한 산란광을 라만(Raman) 산란광이라 부른다. 이 라만 산란광은 석영 분자가 가지는 다양한 진동 상태 사이에 존재하는 멕스웰-볼츠만(Maxwell-Boltzmann) 에너지 분배로 인하여 강한 온도 종속성을 보이게 된다. 즉, 온도에 따라서 특성이 변한다.

따라서, 상기와 같은 원리를 이용하여 식에 빛의 속도와 산란광이 되돌아온 시간을 측정하여 대응시키면, 광섬유 케이블(20) 내부에 산란광이 발생한 위치를 간단하게 계산할 수 있다.

X=v*t/2

(v:광섬유 내에서의 빛의 전송 속도, t :산란광이 되돌아 오는데 걸리는 시간)

즉, 광이 입사되어 되돌아온 시간을 측정하고, 이를 2로 나눈 후 빛의 속도(2 x 10E8m/sec)를 곱하면 산란광이 발생한 위치가 파악되는 것이다.

또한, 이상 열화가 발생한 특정 지점의 온도는 산란되어 되돌아온 광 신호 중에서 온도에 따라 진폭이 달라지는 라만 산란광을 측정하여 계산하는데, 라만 산란광은 입력 측으로 되돌아 오는 산란 광 중에서 입력광의 파장과 다른 파장의 성분을 가지므로, 이 두 파장의 비를 측정하여 광섬유 케이블(20)의 유기되는 절대 온도를 계산할 수 있다.

< Rayleigh 산란광과 Raman 산란광의 스펙트럼 >

즉, 아래 식에 의해 Stokes 광과 anti-Stokes 광의 강도 비를 측정하며,

<h, k = Planck 상수와 Boltzmann 상수

c = 진공 중의 광속도

T = 산란광을 수신한 광섬유 구간에서 코어의 절대온도

ν = 입사 광 의 주파수>

광섬유 케이블 주위의 온도는 아래 식에 의해 구한다.

<tr = 기준점(분포 온도 센서 내부에 있는 기준용 광섬유) 절대 온도

r = 기준 광섬유 내에서 기준 위치

AS[j] = Anti-stokes광의 가산치, S[j] = stokes광의 가산치

K1, K2, K3 = 상수 값>

따라서, 광섬유 내의 Stokes광과 anti-Stokes광의 역 산란광 비를 측정하면, 광 강도나 입사 조건, 광섬유의 구조, 재질의 조성에 상관없이 매체의 절대온도를 계측할 수 있으나, 실제 시스템에서는 Stokes와 anti-Stokes 파장 사이의 광섬유 감쇄 차가 있고, 파장 차이로 인해 광섬유 내에서의 빛의 진행 속도가 다르므로, 광섬유 케이블 전송 특성 및 기계적 특성, 시공상의 특성을 고려하지 않으면 안된다.

한편, 상기 측정된 부스 덕트(10)의 특정 부분마다 온도를 측정한 후, 경보온도에 해당하지 않으면, 모든 측정 데이타를 저장부(31)에 저장한 후, 각 지점의 온도를 1시간, 1일, 1주일, 1개월 등의 주기로 평균값을 산출하는 평균온도 산출부(35)를 구비하여, 산출된 평균온도를 저장부(31)에 저장하고, 다시, 이 평균값보다 현재 측정한 부스덕트의 온도가 관리기준으로 설정한 소정의 범위 밖의 온도이거나, 그 상승율이 소정의 범위 밖으로 상승 또는 하강하는지를 비교부(33)에서 비교한 후, 경보부(34)를 통해 경보를 발생시키고, 이를 이력으로 저장하여(S200) 관리하는 것도 바람직하다. 물론, 이렇게 이력으로 저장된 데이타를 일일 또는 주간 및 월간 등의 보고서를 작성하는(S210) 것도 바람직하다.

또한, 상기와 같이 저장부(31)에 저장되는 각 부스덕트(10)의 온도 측정값을 데이터화화여 각 지점마다 산출된 온도 또는 상승율에 따라 순위를 설정하고, 이 순위에 따라 각 지점을 관리하기 위한 랭킹부(36)를 더 구비한다.

따라서, 부스덕트(10)의 각 지점의 이상과열을 감시하는 것은 물론, 각 지점의 부근의 현장 사정으로 인한 이상과열 또는 이상급냉도 감시함으로써, 사전에 조치를 치할 수 있도록 한다. 이는, 광섬유 케이블(20)을 통해 반사되는 반사파를 연산부(32)에서 각 지점의 온도를 계산하고, 이렇게 계산된 각 지점의 온도가 타 지점과 달리 급변하는 경우에는 이를 평균온도 산출부(35)에서 산출을 하고, 랭킹부(36)에서 순위를 정하여 그래프 등의 다양한 방법으로 제시함에 따라, 급격하게 순위가 변동되거나, 타 지점의 온도와 차이가 심할 경우에는 현장 시찰하여 원인을 파악하고 문제를 해결한다.

도면 도 5는 본 발명의 일 실시예의 화면을 캡쳐한 것으로서, 12월 18일까지는 기온변화가 급격하게 변화하였으나, 이러한 원인을 제거한 후인 12월 19일부터는 온도 변화율이 거의 없을 정도로 변한 것을 확인할 수 있다. 즉, 소정 지점의 부스덕트(10)의 기온을 변화시키는 원인, 예를 들어 소정 지점의 부스덕트(10)에 근접한 창문이 개방됨으로 인해 그 부분으로 외기가 유입되는 경우에는 창문을 확실하게 차단함으로써, 온도변화를 줄이고 항상 최적의 상태로 감시함으로써, 장비에 이상이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 광섬유 케이블을 전력 부스 덕트 외부 금속체에 열적으로 밀착 부착하고 이를 측정장비와 연결하여, 부스 덕트에 유기되는 온도 상황을 실시간으로 검출하고 감시함으로써, 이에 따른 점검 비용 절감과 장비의 작동정지로 인한 인적, 물적 손실을 사전에 방지할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

또한, 본 발명의 감시 시스템을 통해 부스 덕트 사용 년 수를 증대하며, 점검비용을 대폭 절감시키는 효과를 가지며, 터널이나 공동구 등의 각 지점 온도를 측정하여 부스덕트 주변의 이상으로 인해 발생하는 케이블의 열화 또는 냉각을 미연에 감지하여 이러한 원인을 미연에 제거함으로써, 장비의 고장을 미연에 방지할 수 있다.

Claims (6)

1. 부스 덕트의 금속체 보호구에 결합된 광섬유 케이블의 일측 끝단이 연결되는 측정장비에 있어서,

   부스 덕트의 기본온도 정보 및 수시로 측정되는 각 지점의 온도가 소정의 온도 이상이 되면 경보를 발생시키기 위한 경보온도를 입력하여 저장하고, 부스 덕트 각 지점의 온도를 소정의 주기마다 평균을 산출하여 저장하는 평균온도 산출부가 구비되는 온도 저장부와;

   상기 광섬유 케이블의 반사파의 소요시간을 통해 부스 덕트 각 지점의 온도를 파악하며, 소정의 상승율을 연산하기 위한 연산부와;

   상기 연산된 각 지점의 온도 및 상승율을 미리 설정한 경보온도와 비교하고, 평균온도 산출부에서 산출된 평균온도의 상승율이 소정 범위 내를 벗어나면, 경보부에 경보를 발생시키는 비교부와;

   상기 비교부에 의해 비교된 각 지점의 온도 및 상승율이 기 설정한 경보온도 범위를 벗어나면 경보를 발생시키는 경보부;

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블을 이용한 전력 부스 덕트의 실시간 열화 감시 시스템.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 평균온도 산출부에서 산출된 각 지점의 평균온도 상승율에 대하여 순위를 정하는 랭킹부를 더 구비하고, 상기 랭킹부의 순위에 따라 각 지점을 관리하는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블을 이용한 전력 부스 덕트의 실시간 열화 감시 시스템.
4. 광섬유 케이블이 결합된 전력 부스덕트의 기본온도 정보를 입력하고, 경보온도를 설정하는 단계와;

   측정장비와 연결된 광섬유 케이블에 의해 부스덕트의 각 지점 온도 및 온도 상승율 변화를 측정하고, 측정된 온도를 소정의 주기 단위로 평균값을 산정하여 저장하고, 상기 평균값이 소정의 상승율 이상이 되면 경보를 발생시키도록 하는 단계와;

   상기 측정된 온도 및 온도 상승율을 비교부에 의해 경보온도에 해당하는지를 비교하는 단계와;

   측정된 온도가 경보 온도 이상으로 판단되면 경보를 발생시키는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블을 이용한 전력 부스 덕트 실시간 열화 감시 방법.
5. 삭제
6. 제 4항에 있어서,

   상기 부스덕트 각 지점의 평균값 상승율에 따라, 순위를 설정하고, 그 순위에 따라 부스덕트를 관리하는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블을 이용한 전력 부스 덕트 실시간 열화 감시 방법.

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