KR100782601B1 - 금속과 기체에서의 음파 속도 차를 이용한 아크의 방전위치 측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동축 전송선상에서 방전이 일어나는 위치를 측정하는 장치 및 측정방법에 관한 것으로, 동축 전송선의 방전 위치 측정장치는 동축 전송선상의 방전 위치로부터 외부금속을 따라 전달되는 방전 신호를 측정하는 제1 센서부와, 제1 센서부와 동일한 위치에 장착되어 방전 위치로부터 공기를 통해 전달되는 방전 신호를 측정하는 제2 센서부 및 제1 센서부와 제2 센서부에 전달되는 방전 신호의 시간차를 이용하여 방전 위치를 연산하는 제어부로 이루어진다. 따라서, 동축 전송선상의 방전 지점을 정확히 측정하여, 사용의 안전을 도모하고, 수리 비용 및 시간을 절약할 수 있다.

센서부, 동축 전송선, 아크, 방전

Description

금속과 기체에서의 음파 속도 차를 이용한 아크의 방전 위치 측정장치 및 그 측정방법{MEASURING APPARATUS FOR ARC'S STRIKING POSITION USING THE VELOCITY DIFFERENCE BETWEEN METAL AND GAS AND MEASURING METHOD THEREOF}

도 1은 종래의 아크 방전 측정시스템을 도시한 구조도이다.

도 2는 종래 아크 방전 측정시스템에 의해 측정된 전력의 변화를 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 방전 위치 측정장치를 도시한 구조도이다.

도 4는 오실로스코프를 통해 출력된 아크 방전음을 설명하기 위한 그래프이다.

도 5는 기체 및 외부금속을 통해 전달된 아크 방전음의 도착시간의 차와 아크 발생지점까지의 거리의 관계를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100：방전 위치 측정장치 110：제1 소닉 센서부

120：제2 소닉 센서부 130：동축 전송선

132：외부금속 140：제어부

147：오실로스코프

본 발명은 동축 전송선에서 발생하는 아크 방전 위치 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동축 전송선 일지점에 설치된 센서부에서 측정된 두 개의 방전 신호간의 시간차를 정확하게 판별하여 방전의 발생위치를 측정함으로써 수리하는 작업시간 및 비용을 최소화 할 수 있는 방전 위치 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

동축 전송선 및 부속재로 이루어진 전력설비에서 결함이 발생할 경우 그 결함부분에서 방전이 발생하고, 이러한 방전이 지속되면 동축 전송선 및 부속재의 절연파괴 현상으로 발전하게 된다.

따라서 동축 전송선에서의 방전을 즉시 측정하여 수리할 때 동축 전송선 및 부속재의 절연파괴 현상을 방지할 수 있다. 종래의 동축 전송선에서의 방전 측정장치는 동축 전송선 내부의 결함부에서 발생하는 반사전력을 측정하여 방전의 유무를 판단하는 장치이다.

도 1은 종래의 아크 방전 측정시스템을 도시한 구조도이다.

도 1을 참조하면, 아크 방전 측정 시스템(1)은 아크(38)가 방전될 때, 방전 신호를 감지하는 아크 탐지기(10)와 방전 신호를 분석하는 제어부(20)를 포함한다. 상기 제어부(20)는 감지한 방전 신호를 전송하는 연결부(22) 및 방전 신호를 화면에 그래프 형태를 구현할 수 있는 오실로스코프(Oscilloscope, 24)를 포함할 수 있 다. 상기 아크 탐지기(10)가 장착된 동축 전송선(30)은 고전압을 전송하는 선으로, 외부금속(32)과 내부금속(34)을 포함하며, 상기 외부금속(32)의 일측에는 상기 아크 탐지기(10)가 장착될 수 있는 돌기부(36)가 형성되어 있다.

송출계로부터 고전압을 전송하는 동축 전송선(30)의 어느 한 지점에서 아크가 발생하면, 반대방향으로 흐르는 반사전력은 급증하게 된다. 상기 동축 전송선(30)의 일 지점에 형성된 아크 탐지기(10)는 상기 동축 전송선(30)을 통해 전송되는 상기 반사전력의 크기를 측정한다. 상기 측정한 반사전력의 신호는 연결부(22)를 통해 오실로스코프(Oscilloscope)등의 출력장치에 전달되어 사용자로 하여금 상기 반사전력의 시간에 따른 크기의 변화를 알 수 있으며, 이를 통해 상기 동축 전송선(30)에서 아크가 발생했음을 예측할 수 있다.

도 2는 종래 아크 방전 측정시스템에 의해 측정된 전력의 변화를 도시한 그래프이다.

도 2를 참조하면, X축은 시간(Time)축이고, Y축은 진폭(Amplitude)축이다. ch1은 동축 전송선을 흐르는 최초 공급전력의 시간에 따른 크기의 변화를 나타내고, ch2는 상기 동축 전송선을 흐르는 반사전력의 시간에 따른 크기의 변화를 나타낸다.

동축 전송선의 일지점에서 아크 방전이 발생하면, 아크가 발생되는 시점인 Ta때 반사전력이 급증하게 된다. 이를 통해 상기 동축 전송선상에 아크 방전이 발생했음을 예측할 수 있었다.

이와 같이 종래의 기술은 동축 전송선에 반사전력을 측정하는 아크 탐지 측 정시스템을 설치하여, 시간대별 반사전력의 크기를 보여주고, 아크 방전 발생시 아크 탐지 측정시스템에서 측정하는 반사전력의 크기가 급변하는 시점을 확인하여 아크 방전의의 발생유무를 알 수 있었다. 그러나, 아크 방전이 발생한 지점을 알 수 없어, 동축 전송선의 임의의 지점을 예측하여 일일이 동축 전송선을 해체 후 점검해야 하는 불편하고, 점검시에도 안전을 위협받을 수 있다. 따라서 비용과 시간의 낭비가 많아 효율성이 떨어지는 단점을 갖고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결한 것으로, 본 발명의 일목적은 고전압을 송출하는 동축 전송선의 방전의 유무와 함께 방전 위치를 찾아내는 방전 위치 측정장치 및 측정방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 동축 전송선상의 정확한 아크 방전의 위치를 측정하여 수리 비용 및 시간등의 작업소요를 최소화할 수 있는 방전 위치 측정장치 및 측정방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 신속한 보수로 인해 사용의 안전성을 확보할 수 있는 방전 위치 측정장치 및 측정방법을 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 방전 위치 측정장치는 방전 위치로부터 외부금속을 따라 전달되는 방전 신호를 측정하는 제1 센서부, 방전 위치로부터 기체를 통해 전달되는 방전 신호를 측정하는 제2 센서부 및 제1 센서부와 제2 센서부에 전달되는 방전 신호의 시간차를 이 용하여 방전 위치를 연산하는 제어부를 포함한다.

또한 방전 위치 측정장치는 동축 전송선상의 방전으로 인한 반사전력의 크기의 변화를 측정하기 위해서 제3 센서부를 더 포함할 수 있다.

제1 센서부 및 제2 센서부는 동축 전송선의 외관을 이루는 외부금속의 동일한 지점에 형성되어 외부금속을 통해 전달되는 방전 신호와 기체를 통해 전달되는 방전 신호를 감지하는 것을 특징으로 한다.

제어부는 제1 센서부에서 측정한 방전 신호를 증폭하여 아날로그 신호로 변환하는 제1 아날로그 증폭기와, 제1 아날로그 증폭기의 출력을 전송하는 제1 전송부 및 제1 전송부에 의해 전송된 방전 신호를 증폭하는 최종 증폭기를 포함할 수 있고, 또한 제2 센서부에서 측정한 방전 신호를 증폭하여 아날로그 신호로 변환하는 제2 아날로그 증폭기, 제2 아날로그 증폭기의 출력을 전송하는 제2 전송부 및 제2 전송부에 의해 전송된 방전 신호를 증폭하는 최종 증폭기 및 증폭된 신호를 수신받아 화면에 표시하는 화면 표시기를 포함할 수 있다.

제어부는 연산 및 실행기능을 통제하는 중앙제어 장치부를 포함하고, 제1 센서부 및 제2 센서부의 출력을 화면에 표시하는 화면 표시기는 오실로스코프(Oscilloscope)가 바람직하다.

또한 본 발명의 방전 위치를 측정하는 방법은 동축 전송선을 통해 전달되는 반사전력을 측정하는 단계, 동축 전송선에 부착된 제1 센서부를 통해 방전 위치로부터 외부금속을 통해 전파되는 방전 신호를 측정하는 단계, 동축 전송선에 부착된 제2 센서부를 통해 아크 방전 위치로부터 기체를 통해 전파되는 방전 신호를 측정 하는 단계, 제1 센서부 및 제2 센서부를 통해 수신된 방전 신호를 송신하는 단계 및 반사전력을 측정한 시점을 기준으로 제1 센서부와 제2 센서부를 통해 수신된 방전 신호의 도착 시간차를 이용하여 방전 위치를 계산하는 단계로 이루어진다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 방전 위치 측정장치를 도시한 구조도이다.

도 3을 참조하면, 고전압을 전송하는 동축 전송선(130)은 내부에 수용공간을 이루는 외부금속(132)과, 상기 수용공간에 포함되어 상기 외부금속(132)과 동심원을 이루는 내부금속(134)을 포함한다. 상기 외부금속(132)의 외주면에는 상기 방전 위치 측정장치(100)를 연결할 수 있도록 돌기부(136)가 돌출 형성된다.

상기 돌기부(136)에는 아크(137)가 방전될 때 감지할 수 있는 제1 소닉 센서부(110)와 제2 소닉 센서부(120)가 장착된다. 상기 제1소닉 센서부(110)는 상기 동축 전송선(130)의 한 지점에서 아크 방전과 함께 동반되어 발생하는 아크 방전음을 감지하는 장치로써, 상기 외부금속(132)을 통해 전파되는 아크 방전음을 감지한다. 또한, 상기 제2 소닉 센서부(120)는 아크(137)가 방전되는 발생지점에서 파생되는 아크 방전음을 측정하는 장치로써, 기체를 통해 전파되는 상기 아크 방전음을 감지한다.

상기 제1 소닉 센서부(110)와 제2 소닉 센서부(120)에는 각각 제1 아날로그 증폭기(141)와 제2 아날로그 증폭기(144)가 연결되어 상기 제1 소닉 센서부(110) 및 제2 소닉 센서부(120)로부터 감지한 아크 방전음을 증폭한다.

상기 제1 아날로그 증폭기(141)와 제2 아날로그 증폭기(144)에는 증폭된 아크 방전음을 연산 및 실행을 담당하는 중앙제어 장치부(미도시)로 전달하기 위해 각각 제1 연결부(142)와 제2 연결부(145)가 연결된다. 상기 제1 연결부(142) 및 제2 연결부(145)는 상기 제1 아날로그 증폭기(141) 및 제2 아날로그 증폭기(144)의 출력을 외부의 잡음으로부터 보호하여 장거리까지 전송할 수 있는 장치이다.

상기 제1 연결부(142) 및 제2 연결부(145)의 끝단에는 각각 제1 최종 증폭기(143)와 제2 최종 증폭기(146)가 형성되어, 연결부를 통해 전송되는 동안 약화된 아크 방전음을 다시 증폭할 수 있다.

상기 증폭된 아크 방전음을 육안으로 식별하기 위해 상기 제1 최종 증폭기(143)와 상기 제2 최종 증폭기(146)는 오실로스코프(147)와 전기적으로 연결되고, 상기 오실로스코프(147)에 형성된 화면을 통해 상기 제1 소닉 센서부(110)와 상기 제2 소닉 센서부(120)에서 감지한 아크 방전음을 그래프의 형태로 나타낼 수 있다.

이하에서는 본 발명이 아크가 방전되는 위치를 측정하는 제어부의 작동원리를 설명하면 다음과 같다. 본 실시예에서는 아크 방전음이 전달되는 외부금속으로 구리(Copper)를 이용하였고, 기체는 공기(Air)를 이용하였다. 그러나 또 다른 금속 및 기체를 매질로 사용할 수 있음은 물론이다. 아크 방전음이 매질을 따라 소닉 센서부까지 도달하는 시간은 수학식 1과 같이 계산된다.

t_air = d / v_air, t_copper = d / v_copper

여기서, t_air은 공기를 통해 제1 소닉 센서부(110)까지 아크 방전음이 전달되는 시간이고, t_copper는 구리를 이용한 외부금속(132)을 통해 제2 소닉 센서부(120)까지 아크 방전음이 전달되는 시간이다. d 는 아크 발생 지점부터 상기 각각의 소닉 센서부(110, 120)까지의 거리이다. v_air은 공기중에서의 아크 방전음의 전달속도이고, v_copper는 구리를 이용한 외부금속에서의 아크 방전음의 속도이다.

공기와 상기 구리를 이용한 외부금속(132)을 통해서 각 소닉 센서부들(110, 120)까지 아크 방전음이 전달되는 시간의 차 △t 는 수학식 2와 같이 정의된다.

△t = t_air - t_copper = d / v_air - d / v_copper

여기서, 아크 방전 발생지점과 각각의 소닉 센서부(110, 120)까지의 거리 방전 거리 d는 수학식 3으로 정의된다.

d = △t × v_air × v_copper / (v_copper - v_air)

일반적으로, v_copper = 11.1v_air 이며, v_air = 343m/sec (대기온도가 20°C일 경우)이므로, 방전 거리 d는 수학식 4로 간단하게 나타낼 수 있다.

d[m]=0.379×△t[msec]

작동 방식을 설명하면, 우선 동축 전송선(130)의 구리를 이용한 외부금속(132)에 형성된 돌기부(136)에 제1 소닉 센서부(110)와 제2 소닉 센서부(120)를 포함한 동축 전송선의 방전 위치 측정장치(100)를 장착한다. 장착 완료 후에 상기 동축 전송선(130)을 통하여 고전압을 제공한다. 이때 상기 동축 전송선(130)의 한 지점에서 아크 방전이 발생하면, 아크 방전과 함께 아크 방전음이 상기 구리를 이용한 외부금속(132)과 공기의 두 매질을 통해 전달된다. 상기 구리를 이용한 외부금속(132)을 통해 전달되는 아크 방전음을 상기 제1 소닉 센서부(110)에서 감지하고, 상기 공기를 통해 전달되는 아크 방전음을 상기 제2 소닉 센서부(120)에서 감지한다. 상기 제1 소닉 센서부(110)에서 감지한 아크 방전음은 제1 아날로그 증폭기(141)에서 증폭되고, 상기 제2 소닉 센서부(120)에서 감지한 아크 방전음은 제2 아날로그 증폭기(144)에서 증폭된다. 상기 제1 아날로그 증폭기(141)에서 증폭된 상기 아크 방전음은 제1 연결부(142)를 통해 전송된다. 상기 제1 연결부(142)의 끝단에는 제1 최종 증폭기(143)가 형성되어 상기 아크 방전음이 상기 제1 연결부(142)를 통해 전송되는 동안 약해진 아크 방전음의 세기를 보강할 수 있다. 또한 제2 아날로그 증폭기(144)에서 증폭된 상기 아크 방전음은 제2 연결부(145)를 통해 전송된다. 상기 제2 연결부(145)의 끝단에는 제2 최종 증폭기(146)가 형성되어 상기 아크 방전음이 상기 제2 연결부(145)를 통해 전송되는 동안 약해진 아크 방전음의 세기를 보강할 수 있다. 상기 제1 최종 증폭기(143) 및 제2 최종 증폭기(146)를 통해 증폭된 아크 방전음은 오실로스코프(147)를 통해 사용자가 육안으로 볼 수 있도록 화면에 아크 방전음의 파장으로 도시된다.

실시예를 통한 본 발명의 작동 및 효과를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 4는 오실로스코프를 통해 출력된 아크 방전음을 설명하기 위한 그래프이다.

도 4를 참조하면, X축은 시간(Time)을 나타내고, Y축은 아크 방전음의 진폭(Amplitude)을 나타낸다. ch3는 제1 소닉 센서부(110)를 통해 감지한 아크 방전음을 나타내고, ch4는 제2 소닉 센서부(120)를 통해 감지한 아크 방전음을 나타낸다. 상기 X축(시간축)상의 t1은 아크 방전에 의한 반사전력이 발생한 시간을 나타낸 것으로ch3과 ch4의 두개의 선이 상기Y축(진폭축)상으로 급격하게 변화가 일어났음을 알 수 있다. 상기 X축(시간축)상의 t2는 아크 발생음이 상기 제1 소닉 센서부(110)에 의해 감지한 시간을 나타낸 것이고, t3은 아크 발생음이 상기 제2 소닉 센서부(120)에 의해 감지한 시간을 나타낸 것이다.

상기 아크 방전 지점을 변경하면서 수회 실험을 하면, 외부금속과 기체의 두 매질을 통해 소닉 센서부까지 전달된 아크 방전음의 도착 시간차와 소닉 센서부에서 아크 방전 위치까지의 거리는 일정한 관계를 유지하며, 실험을 통해 산출된 식은 상기 계산식과는 약간의 차이가 발생한다. 계산식과 차이가 발생하는 이유는 외부금속을 통해 전달되는 아크 방전음의 경로가 일직선이 아니라 여러 경로를 거쳐 전달되며, 또한 외부금속간의 연결구조와 관련되기 때문이다.

도 5는 기체 및 외부금속을 통해 전달된 아크 방전음의 도착시간의 차와 아 크 발생지점까지의 거리의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 5를 참조하면, 상기 그래프의 X축은 두 매질을 통해 전달된 아크 방전음의 도착시간의 차(△t)를 나타내고, Y축은 소닉 센서부와 아크 방전 위치까지의 거리를 나타낸 것으로, ch5는 직선형태이며 상기 직선형태의 방정식은 수학식 5와 같음을 알 수 있다.

d[m] = 0.482 × △t[msec] + 0.02

실험에 따르면 상기 수학식 5의 오차는 대략 10cm 안팎이다.

이와 같이, 외부금속 및 기체의 두 매질을 통해 전달되는 아크 방전음을 측정하여, 동축 전송선상의 정확한 방전 위치를 알 수 있고 이로써, 수리 비용 및 시간을 절약할 수 있다. 또한, 동축 전송선의 신속한 수리로 인한 내구 연한의 상승을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 부분적인 수선이 가능하여 전면적인 교체로 인한 수리비의 상승을 억제할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 고전압을 송출하는 동축 전송선에서 발생한 아크 방전을 확인하고, 정확한 아크 방전 위치를 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 동축 전송선상의 정확한 아크 방전의 위치를 측정하여 수리 비용 및 시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 신속한 보수로 인해 사용의 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해 당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. 동축 전송선상에서 발생하는 아크의 방전 위치를 측정하는 장치에 있어서,

   아크가 발생하는 방전 위치로부터 외부금속을 따라 전달되는 방전 신호를 측정하는 제1 센서부;

   방전 위치로부터 기체를 통해 전달되는 방전 신호를 측정하는 제2 센서부;

   상기 제1 센서부와 상기 제2 센서부에 전달되는 방전 신호의 시간차를 이용하여 방전 위치를 연산하는 제어부; 및

   반사전력을 측정하는 제3 센서부;

   를 포함하는 방전 위치 측정장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 센서부 및 제2 센서부는 동축 전송선의 동일한 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 방전 위치 측정장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는

   상기 제1 및 제2 센서부에서 측정한 방전 신호를 증폭하여 아날로그 신호로 변환하는 아날로그 증폭기;

   상기 아날로그 증폭기의 출력을 전송하는 전송부;

   상기 전송부에 의해 전송된 방전 신호를 증폭하는 최종 증폭기; 및

   증폭된 신호를 수신받아 화면에 표시하는 화면 표시기;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 위치 측정장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 화면 표시기는 오실로스코프(Oscilloscope)인 것을 특징으로 하는 방전 위치 측정장치.
6. 동축 전송선상의 아크의 위치까지의 방전 위치를 측정하는 장치에 있어서,

   아크 방전 위치로부터 외부금속을 따라 전달되는 아크 방전음을 측정하는 제1 소닉 수신부;

   아크 방전 위치로부터 기체를 통해 전달되는 아크 방전음을 측정하는 제2 소닉 수신부; 및

   상기 제1 소닉 수신부와 상기 제2 소닉 수신부에 전달되는 아크 방전음의 시간차를 수신하여 아크 방전 위치를 연산하는 제어부;

   를 포함하는 방전 위치 측정장치.
7. 제6항에 있어서,

   반사전력을 측정하는 전력 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 전송선의 방전 위치 측정장치.
8. 제6항에 있어서,

   상기 제1 소닉 센서부 및 제2 소닉 센서부는 동축 전송선의 동일한 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 방전 위치 측정장치.
9. 제6항에 있어서,

   상기 제어부는

   상기 제1 및 제2 소닉 수신부에서 측정한 아크 방전음을 증폭하여 아날로그 신호로 변환하는 아날로그 증폭기;

   상기 아날로그 증폭기의 출력을 전송하는 전송부;

   상기 전송부에 의해 전송된 아크 방전음을 증폭하는 최종 증폭기; 및

   증폭된 신호를 수신받아 화면에 표시하는 화면 표시기;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 위치 측정장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 화면 표시기는 오실로스코프인 것을 특징으로 하는 방전 위치 측정장 치.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제

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