KR101569654B1 - 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법 - Google Patents

지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지상라이다 장비를 이용하여 외부 요인의 영향을 받지 않으면서, 가공송전철탑의 변위량, 각입 등을 정밀하게 측정하고 분석할 수 있는 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법은 철탑기초의 변위, 각입 및 높이차를 정확하게 측정하여 상기 철탑기초의 상부 조립 시 정밀한 조립이 가능함으로써, 가공철탑의 뒤틀림 등을 예방할 수 있어 기존의 시공방식보다 안전한 건립을 할 수 있으며, 기초에 대한 신뢰성 있는 데이터 확보로 향후에 발생할 수 있는 지반침하, 철탑변위 등에 대하여 철저한 예방이 가능하다. 또한, 지상라이다 장비를 이용하여 수집되고 측정되는 데이터는 가공송전철탑에 있어서, 시간이 경과함에 따라 발생되는 편차(변위량)값을 확인하는데 유용하게 이용될 수 있으며, 상기 지상라이다 장비로 수집된 데이터는 철탑의 전체적인 형상을 다양한 각도에서 표현이 가능하므로, 측량이 어려운 장소도 변형량을 정확하게 확인하고 분석할 수 있는 장점이 있다.

Description

지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법{Method for analysis and measurement of displacement of power transmission}
본 발명은 지상라이다 장비를 이용하여 외부 요인의 영향을 받지 않으면서, 가공송전철탑의 변위량, 각입 등을 정밀하게 측정하고 분석할 수 있는 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법에 관한 것이다.
고압 송전용 철탑의 기초재 작업은 비교적 작은 측량 오차의 발생에 의해서도 철탑 조립이 곤란케 되거나 또는 철탑 상부에 추가의 응력을 발생시켜 철탑 강도를 저하시키는 등의 문제점을 야기할 수 있다. 또한, 철탑 시공에 있어서도 기초재(흔히, '주각재'로도 칭해짐)가 철탑 구조물의 구조적 안정성을 담당하고 있음에도 불구하고 이를 담보하기에는 취약하다.
통상적으로, 기초재 각입의 측량은 측량자외에도 측량보조자가 추가로 필요하며, 측량자와 보조측량자는 측량위치와 기초재의 각입위치 사이에서 줄자 등을 이용하여 각입측량을 한다. 위와 같은 측량은 측량보조자에 의한 측점오차 및 줄자의 처짐 또는 늘어짐이나 자연적 외부요인 등에 의한 측량오차가 발생하는 문제점이 있다.
또한, 기존의 기초재 각입측량방법은 측량보조자가 철탑 기초재가 설치되어 있는 위치에서 고공작업을 수행해야 하므로 안전사고의 위험성 또한 내포하고 있다. 특히, 철탑이 설치되는 위치가 평지인 경우보다 지형이 험한 장소에 설치되는 경우가 많다는 점에서 전술한 안정성 문제는 더 심각하다. 그리고, 종래의 철탑 기초재의 각입측량공법은 구조적으로 극복하기 어려운 문제점도 내포하는데, 이러한 문제점을 설명하면 다음과 같다.
철탑 기초재는 90°각도의 앵글형 철재가 주로 사용된다. 이러한 앵글형 철탑 기초재의 각입측량에 있어서, 정확한 측량을 위해서는 시준점을 기초재의 상단 뒷점인 기초재의 후방 꼭지점에 두어야 할 필요성이 있다.
한편, 기초재의 후방 꼭지점과 측량기가 (-)계각을 이루는 경우에는, 기초재의 코너 두께로 인하여 상기 후방 꼭지점을 측량기로 시준하는 것이 곤란한 경우가 많다. 이로 인해 앵글형 철탑 시공에 있어서 오차가 발생하지 않는 기초재 각입측량은 현실적으로 불가능하였다.
이에 대한 대안으로 시준점을 기초재의 전방 앞점에 두고 거리를 측정하는 방법도 고려될 수 있지만, 이는 (+)계각인 경우로 인해 그 적용이 어렵다. (+)계각인 경우에는 기초재의 후방 꼭지점에 대하여 측정하여야 하는데, 기초재 전방 앞점에 대해 측정하는 경우, 오차가 매우 크고 줄자의 장력에 의해 줄자를 위쪽 방향으로 당겨 잡는 것도 곤란하다.
한편, 종래에는 기초재에 조립식으로 배치되는 각입틀에 광파기 또는 측량기에서 발사되는 광을 반사시키는 프리즘(프리즘 타켓)을 설치하여 전술한 각입측량을 개선하고자 하는 시도가 있었으며, 이는 한국 등록특허 제10-0957179호에 개시되어 있다.
그러나 상기한 기술은 프리즘이 기초재 상단으로부터 상당 거리 이격되면서 돌출되어 배치되고, 프리즘과 기초재의 후방 꼭지점 사이의 거리적 관계에 대한 고려가 전혀 없어, 기초재 각입의 정확한 측량이 불가능하였다. 또한, 측량기 위치의 측량자에 의한 실시간적인 프리즘 위치 조절이 불가능하여 실용성이 크게 저하되는 단점이 있다.
한국 등록특허 제10-0957179호(2010.05.03.) 한국 공개특허 제10-2012-0014290호(2012.02.17.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하고자 안출(案出)된 것으로, 본 발명의 목적은 철탑기초 또는 가공송전철탑 등의 변위, 각입 및 높이차를 신뢰성 있게 측정하고 분석할 수 있는 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법을 제공하는데에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법은,
(a) 선정된 위치에서 지상라이다로 관측지점에 레이저를 조사하고, 조사된 레이저의 신호를 각 파장 영역별로 정량화시키는 단계(S11);
(b) 상기 단계(S11)에서 정량화된 각각의 신호를 상호 정합을 위한 정합기본 요소를 추출하는 단계(S12);
(c) 상기 단계(S12)에서 정합된 신호를 2차원의 영상데이터로 변환하는 단계(S13);
(d) 상기 단계(S13)에서 변환된 영상데이터를 얼라인 작업으로 병합하는 단계(S14);
(e) 상기 단계(S14)에서 병합된 영상데이터를 3차원 이미지의 포인트 클라우드로 변환하는 단계(S15);
(f) 상기 단계(S15)에서 변환된 포인트 클라우드와 가공송전철탑의 설계데이터가 기하학적으로 일치되도록 비교하는 단계(S16); 및
(g) 상기 단계(S16)에서 비교된 포인트 클라우드와 설계데이터 상에서 일치되지 않는 부분을 토대로 가공송전철탑의 변위와 기초재의 각입을 산출하는 단계(S17);로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (g)단계 이후에 철탑의 종류와 설계 조건의 설정되는 상기 철탑의 변위에 대한 한계치와 설계데이터 상의 일치되지 않는 부분을 토대로 산출한 실측 변위값을 비교하여 상기 철탑의 안전도를 평가하는 일련의 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계의 정합기본요소는 지상라이다로 조사된 레이저의 신호로부터 객체점, 연결점, 평면점 및 교면점을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 객체점 및 평면점이 상호 일치되는 관계가 수립되면, 상기 객체점 및 평면점 사이의 수직거리 및 연결점과 교면점 사이의 수평거리가 최소화되도록 외부 요소를 조정하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 포인트 클라우드는 영상데이터를 점군데이터로 변환 시 송전탑을 샘플링하고, 샘플링된 상기 송전탑의 깊이를 색상 및 이미지로 표현하여 맵핑되어 3차원 이미지가 추출되는 것을 특징으로 한다.
상기 지상라이다는 송전탑 변위 시스템과 전기적 또는 무선으로 연결되고, 상기 시스템은 다양한 각도에서 조사된 레이저의 신호를 메모리시스템으로 저장하고, 시스템 내부에 전기적으로 연결된 프로세서가 메모리시스템에 저장된 프로그램에 의해 명령을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법은 철탑기초의 변위, 각입 및 높이차를 정확하게 측정하여 상기 철탑기초의 상부 조립 시 정밀한 조립이 가능함으로써, 가공철탑의 뒤틀림 등을 예방할 수 있어 기존의 시공방식보다 안전한 건립을 할 수 있으며, 기초에 대한 신뢰성 있는 데이터 확보로 향후에 발생할 수 있는 지반침하, 철탑변위 등에 대하여 철저한 예방이 가능하다. 또한, 지상라이다 장비를 이용하여 수집되고 측정되는 데이터는 가공송전철탑에 있어서, 시간이 경과함에 따라 발생되는 편차(변위량)값을 확인하는데 유용하게 이용될 수 있으며, 상기 지상라이다 장비로 수집된 데이터는 철탑의 전체적인 형상을 다양한 각도에서 표현이 가능하므로, 측량이 어려운 장소도 변형량을 정확하게 확인하고 분석할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법에서 가공송전철탑 기초의 변위 및 높이차 측정과 분석방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법에서 송전탑 변위 측정 방법을 실행하는 시스템을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법에서 송전탑 변위 측정 시스템의 변위 측정 과정을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법에서 송전탑 변위 측정 시스템을 도시한 예시도이다.
도 10 내지 도 18은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법에서 송전탑 변위 측정 방법으로 변위 결과를 산출하는데 이용되는 가공송전철탑의 종류, 철탑 설계 조건 및 철탑의 염력을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 발명은 일면에 있어서,
가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법은,
(a) 선정된 위치에서 지상라이다로 관측지점에 레이저를 조사하고, 조사된 레이저의 신호를 각 파장 영역별로 정량화시키는 단계(S11);
(b) 상기 단계(S11)에서 정량화된 각각의 신호를 상호 정합을 위한 정합기본 요소를 추출하는 단계(S12);
(c) 상기 단계(S12)에서 정합된 신호를 2차원의 영상데이터로 변환하는 단계(S13);
(d) 상기 단계(S13)에서 변환된 영상데이터를 얼라인 작업으로 병합하는 단계(S14);
(e) 상기 단계(S14)에서 병합된 영상데이터를 3차원 이미지의 포인트 클라우드로 변환하는 단계(S15);
(f) 상기 단계(S15)에서 변환된 포인트 클라우드와 가공송전철탑의 설계데이터가 기하학적으로 일치되도록 비교하는 단계(S16); 및
(g) 상기 단계(S16)에서 비교된 포인트 클라우드와 설계데이터 상에서 일치되지 않는 부분을 토대로 가공송전철탑의 변위와 기초재의 각입을 산출하는 단계(S17);로 이루어지고,
상기 정합기본 요소 추출 단계(S12)에서 정합기본 요소는 관측지점으로부터 측정하여 정량화된 객체점, 연결점, 평면점 및 교면점을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 단어는 통상적이거나 또는 사전적인 의미로 한정 해석하지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
지상라이다는 공지된 바와 같이, 레이저 레이더의 관용어로서 라이다는 레이저 펄스를 반사체에 쏘고, 상기 반사체로부터 반사되어 회귀하는 시간을 측정하여 상기 반사체의 위치좌표를 측정하는 레이저 시스템이다. 공지된 바와 같이, 지상라이다는 반사강도로부터 측정 및 연산한 위치 좌표를 측정데이터로 하여 저장한다. 참고로, 상기 측정데이터는 3D 실내지도를 이미지하는데 기초 정보로써 활용되어진다. 상기 지상라이다는 해당 기술분야에서 이미 널리 활용되고 있는 장치로서, 그 구조와 작동원리에 대해서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
송전철탑 기초의 변위 및 높이차 분석에는 외업작업과 내업작업으로 분류되어 진행된다. 여기서, 작업자의 위험도는 위업작업 시 매우 높은 확률로 발생된다.
즉, 송전탑의 변위 측정을 위해서는 작업자가 직접 철탑에 승탑하여 작업을 해야하므로 잠재적 위험성이 내포되어 있는 것이다.
한편, 송전 설로에는 66kV 내지 765kV의 특고압의 전류가 흐르는 선로에는 대부분 피복이 되지 않는 상태로서 작업자의 위험도 및 휴먼오차(작업자가 직접 실측 시 발생되는 오차)로 인하여 실질적으로 송전탑 상태의 정확한 측정이 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 지상라이다를 본 발명에 적용시켜 송전철탑 기초의 변위 및 높이차 등을 정확하게 측정하고 작업자의 위험도를 줄임으로서, 전술한 문제점을 해소하고자 한다.
먼저, 도 2에 나타낸 도면은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지상라이다를 이용한 가공송전철탑의 변위 측정과 분석방법(이하, 송전탑 변위 측정 방법)을 나타낸 순서도이다.
상기 순서도의 단계를 좀 더 구체적으로 설명하면, 송전탑이 위치한 장소 또는 그 주변 환경을 고려하여 어떤 위치에서 상기 송전탑을 측정할지 선정하고, 선정된 위치에서 지상라이다로 관측지점에 레이저를 조사하여, 조사된 레이저의 신호를 각 파장 영역별로 정량화시킨다. 상기 지상라이다는 약 600m 이내의 형상을 스캔할 수 있으며, 원거리의 피사체에 대한 점군데이터(Point clould data)를 확인 및 산출할 수 있다. 여기서, 상기 지상라이다로 작업 시 먼저, 피사체 주변에서 조사되는 레이저의 신호를 정량화할 시 표현이 되지 않는 부분이 발생하지 않도록 다각도에서 조사할 위치를 확인하는게 바람직하다. 그리고, 레이저 조사 시에는 피사체의 표현 한계점을 미리 정하여 그 한계점에 맞추어 스캔한다. 상기 피사체의 표현 부분은 레이저 조사 신호의 점 밀도에 해당될 수 있다.
정량화된 각각의 신호는 상호 정합을 위한 정합기본요소를 추출한다. 상기 정합기본요소는 지상라이다로 조사된 레이저의 신호로부터 객체점, 연결에지, 지상라이다데이터로부터 추출된 평면패치 및 교면에지, 다시 말해서 객체점, 연결점, 평면점 및 교면점을 포함하여 이루어지는 요소로서, 상기 요소를 정합하여 2차원의 영상데이터로 변환할 수 있다.
한편, 정합기본요소 중 객체점 및 평면점이 상호 일치되는 관계가 수립되면, 상기 객체점 및 평면점 사이의 수직거리 및 연결점과 교면점 사이의 수평거리가 최소화되도록 외부 요소를 미세하게 조정하여 조절할 수 있다. 상기 평면점에 객체점의 일정 거리내의 구간이 포함되는 경우에는 상호 일치되는 관계가 수립될 수 있고, 상기 연결점과 교면점이 오차 범위내에 있는 경우에는 상호 일치하는 관계가 수립될 수 있다.
상기 영상데이터를 얼라인 작업으로 병합하는 단계에서는 상기 얼라인 작업을 통하여 다양한 각도에서 얻어진 데이터를 병합하여 단일 파일로 생성할 수 있다. 그리고, 원하고자 하는 피사체(송전탑 등이 해당함)의 형상을 포인트 클라우드로 만들고, 기존 설계데이터와의 차이, 즉, 일치되지 않는 부분을 비교 및 측정한다. 여기서, 상기 포인트 클라우드는 영상데이터를 점군데이터로 변환할 시 송전탑을 샘플링하고, 샘플링된 상기 송전탑의 깊이를 색상 및 이미지로 표현하여 맵핑된 3차원 이미지가 추출될 수 있다.
한편, 상기 변환된 포인트 클라우드와 가공송전철탑의 설계데이터가 기하학적으로 일치되도록 비교하여, 불일치되는 요소간에 산술적인 조건식을 적용할 수 있다. 상기 조건식에서는 공선조건식을 적용시킬 수 있는데, 상기 공선조건식은 원래의 영상데이터 및 3차원 이미지의 포인트 클라우드에는 왜곡된 정보가 포함되어, 이를 보정하지 않은 영상데이터 및 3차원 이미지의 포인트 클라우드는 그 정확성을 신뢰할 수 없으므로, 정사투영보정에 기반한 공선조건식을 사용한다. 상기 공선조건식을 이용하여 생성된 정사영상은 센서와 카메라의 표정, 피사체의 굴곡, 기타 오차들을 제거함으로 정확한 면적 등이 계산될 수 있는 정사투영 이미지를 생성한다. 따라서 정사투영이미지는 지형 또는 피사체와 이미지의 특성을 모두 지닐 수 있다.
하기 표 1에서는 본 발명의 기술과 기존기술을 비교 및 분석하여 나타내었다.
분 류 본 발명 기존기술 비 고
오차 장비오차 휴먼오차 및
장비오차		 휴먼오차는 반복정밀도에서 비효율적임
시간적 변위 3차원 형상으로 표현 수치적 표현 3차원 형상 확인으로
신뢰성 향상
기초 부분 시간적 확인된
Point clould data 비교		 레벨 측정기를 이용한
높이 변위량 확인		 동일 위치에 대한
Point clould 비교가능
앵글 시간적 확인된
Point clould data 비교		 토탈스테이션을 이용한
포인트 측량		 동일 위치에 대한
Point clould 비교가능
위험성 위험성 적음,
철탑 근거리에서
스캔 작업 가능		 위험성 높음,
작업자가 고공의
철탑에 승탑하여 작업		 철탑에 승탑하지
않아도 측량 가능
결과 리포트 3차원 시뮬레이션 및
관리자가 추가 측정 가능		 수치적 표현 3차원 형상 확인으로
신뢰성 향상
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 기존기술은 사전검사, 측량자의 직접측량, 비교 및 분석, 그리고 결과 산출의 과정을 통해 송전탑의 변위를 측정하므로 휴먼오차, 반복 정밀도 저하 등의 문제점이 발생하나, 본 발명은 기존기술의 문제점을 해소할 뿐 아니라, 송전탑의 3차원 이미지를 시간의 변화에 따라 데이터베이스에 저장하여 관리할 수 있으므로, 송전탑의 변위 측정 및 분석을 효율적으로 할 수 있으며, 송전탑의 안전도를 평가할 수 있는 이점도 있다.
도 9는 송전탑 변위 측정 시스템을 도시한 예시도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 송전탑 변위 측정 시스템은 데이터베이스(11), 메모리시스템(12), 프로세서 또는 CPU(13) 및 입출력장치(14)를 포함하여 구성될 수 있으며, 추가적으로 통신인터페이스(15)를 더 포함할 수 있다.
상기 데이터베이스(11)는 지상라이다에 의하여 수집된 송전탑의 스캔데이터 등을 저장할 수 있다. 데이터베이스(11)는 시간별 혹은 날짜별로 측정된 데이터를 분석한 영상데이터 및 군집데이터 등을 저장하고 또한, 유지관리하고자 하는 송전압의 설계데이터도 저장할 수 있다.
상기 메모리시스템(12)은 명령을 수행할 수 있는 프로그램 등을 저장한다. 메모리시스템(12)은 RAM(Ramdom access memory), ROM(Read only memory) 등과 같은 휘발성 또는 비휘발성 형태의 메인메모리(121)와 하드디스크, CD-ROM, DVD, BLUE-RAY 및 플래시 메모리 등의 장기 저장 매체 형태인 보조메모리(122)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 지상라이다를 이용한 가공송전철탑의 변위 측정과 분석 방법을 구현할 프로그램(123)은 프로세서(13)에 의해 실행될 때, 메인메모리(121)에 로딩될 수 있다. 여기서, 상기 프로그램(123)은 도 2를 참조하여 설명한 송전탑 변위 측정 방법을 포함한다.
상기 프로세서(13)는 시스템의 중앙처리장치로서, 계산을 수행하는 연산장치(Arithmetic logic unit : ALU, 131), 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터(132) 및 시스템의 각 구성요소를 제어하는 콘트롤러(133)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서(13)는 디지털 사의 알파, MIPS 테크놀로지, NEC, IDT, 지멘스 등의 MIPS, 인텔과 사이릭스, AMD 및 넥스젠을 포함하는 x86 및 IBM과 모토롤라사의 파워 PC, APPLE사의 A8X 등과 같이 다양한 아키텍쳐(Architecture)를 갖는 마이크로프로세서를 사용한다. 이 밖에 전술한 마이크로프로세서 외에도 연산장치(131), 레지스터(132) 및 콘트롤러(133)가 구비된 프로세서이면 본 발명에 적용하여 사용할 수 있다.
상기 입출력장치(14)는 사용자 인터페이스를 포함하며, 입력포트, 출력포트, 키보드, 마우스, 디스플레이 및 터치패널 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
한편, 키보드나 마우스는 터치스크린 또는 마이크로폰과 같은 물리적 변환기(Physical transducer) 등을 포함할 수 있다. 또한, 입출력장치(14)는 사용자의 질문에 응답하거나 장치의 관리를 위한 그래픽 화면을 제공하기 위한 동영상 보드를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 통신인터페이스(15)는 사용자 단말기나 유무선 네트워크의 접속을 위한 통신 모듈을 포함한다. 통신인터페이스(15)는 근거리 무선통신, 차량간통신, 이동통신망 및 위성망 등의 통신 방식 중 적어도 어느 하나를 지원하도록 구현된다.
도 10 내지 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 송전탑 변위 측정 방법으로 변위 결과를 산출하는데 이용되는 가공송전철탑의 종류, 철탑 설계 조건 및 철탑의 염력을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
이하에서 설명하는 철탑의 종류, 철탑 설계 조건 및 상기 철탑에서 고려되어야 하는 염력은 철탑의 변위를 측정하고 분석된 유의성 있는 결과를 산출하는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 철탑의 종류와 철탑 설계 조건은 해당 철탑에 작용하는 염력을 고려하여 상기 철탑의 변위 한계치를 설정하는데 이용될 수 있다.
철탑의 종류
철탑은 산형강 또는 강관 등으로 이루어진 각각의 부재를 조립한 구조물로서, 다리(지지물)마다 1개씩 독립된 기초를 가진 지지물을 의미한다. 철탑은 가장 일반적으로 구조물을 지지하는데에 사용되는 것으로, 모든 전압의 선로에 사용될 수 있으며, 다양한 형상으로도 제작할 수 있다.
그러나 배전선로와 같이, 직경이 좁은 전선의 경우에는 비경제적이므로 주로 강, 바다 및 계곡횡단 등 특수개소에 사용되며, 대부분 송전선로에 사용되고 있다.
한편, 철탑은 전술한 바와 같이, 구조특성, 형상 및 사용재료에 따라 다양하게 형성될 수 있으며 상정된 하중을 충분히 지지할 수 있도록 설계된 고정철탑과 상정된 하중을 지선등이 분담하는 가요성 철탑구조로 구분되고, 형상으로는 사각철탑, 방형철탑, 문형철탑, 회전철탑 및 지선철탑 등으로 구분된다. 우리나라에서 표준으로 사용되는 철탑은 고정식(또는 자립식이라고도 함) 사각 격자형 철탑이다.
이 밖에도, 일본에서는 기설 송전철탑을 대체하는 것으로서 기설 철탑의 여유 공간인 철탑각 사이에 신규 기초를 설치하여 주주재를 "V"자형으로 배치하여 상부 구조와 연결하는 소위 트위스트 철탑 또는 철탑부지 확보 및 건설비 절감을 목적으로 한 삼각철탑도 개발되고 있다.
철탑은 345kV 이하에서는 주로 등변상형강을 주 재료로 하고 있는 격자형 철탑(Lattice tower)을 사용하고 있으며, 적용 하중이 커지면 강관을 주 재료로 하는 격자형 구조의 파이프 철탑(Pipe tower)을 사용한다.
도심지 내에서는 미관 등을 고려하여 격자형 철탑보다는 강판을 6각 이상의 다각 강관형태로 슬립 연결되는 구조의 관형철탑이나 강관에 플랜지를 부착하여 볼트로 체결되는 강관주 구조의 철탑을 주로 사용한다. 그 밖에 강관에 콘크리트를 채운 MC철탑도 있는데, 상기 MC철탑은 강도가 크고 구조가 간단하며, 강재량이 절감된다.
철탑설계조건
철탑은 전선로 방향의 강도와 전선로와 직각 방향의 강도 등을 동일하게 설계하는 것과 전선로 방향의 강도와 전선로와 직각 방향의 강도 등을 비동일하게 설계하는 것이 있다. 전자는 철탑주체가 4면 동형의 구성으로 4각철탑이라 명명되고, 후자는 철탑주체의 마주보는 2면이 각각 동형의 구성으로 방형철탑으로 명명된다.
한편, 표준철탑은 전선로의 표준경간에 대하여 설계되는 것으로서 직선철탑, 각도철탑, 보강철탑 및 인류철탑의 4종류와 기타 특수철탑으로 분류된다.
상기 직선철탑은 수평각도가 작은 개소 개소에 사용하는 현수애자장치 철탑으로서, 그 철탑형의 기호를 "A, F, SF"로 한다.
상기 각도철탑은 수평각도가 발생되는 개소에서 사용하는 내장애자장치 철탑으로서, 그 철탑형의 기호를 "B, C, E, D"로 한다.
상기 보강철탑은 전선로를 보강하기 위하여 사용하는 내장애자장치 철탑으로서, 그 철탑형의 기호를 "Bu, Cu, Eu, Du"로 하며, 전선로의 보강은 하기에 나타낸 (a) 내지 (d)와 같다.
(a) 전선로 중 양측 경간의 차이가 매우 큰 경우(지지물의 좌우 경간비가 2 이상)
(b) 전선로의 장경간(표준경간에 250m를 가산한 값을 초과) 개소의 당해 지지물 또는 인접 지지물
(c) 직선철탑이 연속하는 경우 10기 이하마다 1기
(d) 좌우경간의 불평형장력율이 10% 이상인 경우
상기 인류철탑은 전체의 가섭선을 인류하는 개소에 사용하는 내장애자장치로서, 그 철탑형의 기호는 "Do"로 한다.
그리고, 상기 특수철탑은 송전선로 분기개소, 하천 및 계곡횡단 등의 장경간개소, 표준철탑의 허용 수평각도를 초과하는 중각도개소 등의 특수성으로 표준철탑을 사용할 수 없는 개소에 적용하도록 특수 설계된 것으로서, 그 기호는 표준철탑의 기호 뒤에 S자를 표기하고, 연가 철탑 기호는 "TC"로 한다.
상기 표준철탑을 현지에 사용하는 경우에는 철탑 및 가섭선의 기계적 강도와 아울러, 선간거리 및 전선과 탑체간의 거리를 고려하고 이를 허용하는 범위 내에서 전선로의 수평각에 따라 철탑의 경간을 상관적으로 증감시킬 수 있다.
한편, 철탑의 높이는 가섭선의 수직선간 거리, 전선의 최대이도, 최하전선의 지상고 등에 의하여 결정된다. 최하전선의 지상고는 설계기준 1020(송전선로 지상고 기준)에 의한다.
345kV 이하 표준철탑의 설계조건은 하기 표 2와 같이 함을 원칙으로 하고, 특수철탑에 대하여는 이를 기본으로 하여 적절하게 조정하여 정한다.
철탑형 수평각도 수평하중경간
(m)		 수직하중경간
(m)		 주주재 기울기
(Double slope)		 최하단 암위치
탑체폭(m)
A 1° 400
(500)		 600 18% 1,500
(2,800)
SF 3° 500
(600)		 1,200 18% 1,700
(2,900)
F 3° 400
(450)		 800 19% 1,500
(2,800)
Ba, Bua 10° 400
(450)		 800 20% 1,700
(3,000)
Bb, Bub 20° 400
(450)		 800 20% 1,700
(3,000)
C, Cu 30° 400
(450)		 800 23% 1,700
(3,400)
E, Eu 40° 400
(450)		 800 23% 1,700
(3,400)
D, Du 60° 400
(450)		 800 26% 1,700
(4,000)
Do 인류 400
(450)		 800 26% 1,700
(4,000)
765kV 표준철탑의 설계조건은 하기 표 3과 같이 함을 원칙으로 하고, 특수철탑에 대해서는 이를 기본으로 하여 적절하게 조정하여 정한다.
철탑형 수평각도 수평하중경간
(m)		 수직하중경간
(m)		 불평형장력 주주재 기울기 비고
A형 3° 500 750
(850)		 3% 19% 현수형
LA형 3° 600 1,200 10% 19% 장견강,
현수형
B형 20° 500 850 10% 22% 각도형
C형 30° 500 850 33.30% 22% 내장형
E형 40° 500 850 33.30% 22% 내장형
G형 50° 500 850 33.30% 22% 내장형
D형 60° 500 850 100% 22% 내장형
Do형 Dead end 500 850 - 22% 인류형
X형 연선단말 500 850 - 22% 가선
단말형
염력(Q, Qo )
가섭선의 배치를 비대칭으로 인류하는 경우와 좌우 가섭선 장력에 차이가 있는 경우 등에서 불평형장력의 의하여 탑체구면에 발생되는 뒤틀림 흼을 염력이라 하고, 가섭선 절단 등 이상시 불평형장력에 의해서 탑체구면에 발생되는 뒤틀림 흼을 이상시 염력이라 한다.
일반적인(대칭암) 경우의 염력을 나타내면 하기 수학식 1과 같다(도 10참조).
Figure 112015056638592-pat00001
여기서, Q : 염력
P : 불평형장력
L : 철탑중심에서 전선 취부점까지의 거리(m)
b : 암 탑체폭(m)
비대칭 암의 염력을 나타내면, 하기 수학식 2와 같다(도 11참조).
Figure 112015056638592-pat00002
염력 중 상기 염력(Qo)은 상시 불평형장력 및 전상 불평형장력에 의한 염력으로서 좌우 비대칭 암 및 직각인류형의 경우에 고려한다.
상기 불평형장력에 의한 염력(Qo)에 있어서, 합장암의 경우의 일례(도 12참조)는 수학식 3 및 수학식 4와 같다.
Figure 112015056638592-pat00003
Figure 112015056638592-pat00004
여기서, Mo : 상기 불평형장력에 의한 염력 모멘트
T1, T2 : 상정장력
θ : 수평각도
L1, L2 : 탑체중심에서 지지점까지 거리
b : 탑체폭
합장암의 경우(도 13참조)에 있어서, 불평형장력에 의한 염력(Qo)의 다른 계산 예는 하기 수학식 5와 같다.
Figure 112015056638592-pat00005
여기서, Mo : 상기 불평형장력에 의한 염력 모멘트
T1, T2 : 상정장력
θ : 수평각도
L1, L2 : 탑체중심에서 지지점까지 거리
b : 탑체폭
b1 : 변형암 폭
그리고, 합장암의 경우(도 14참조)에 있어서, 불평형장력에 의한 염력(Qo)의 또 다른 계산 예는 하기 수학식 6과 같다. 여기서, 동방향의 경우에는 가산하고, 역방향의 경우에는 작은 쪽을 생략한다.
Figure 112015056638592-pat00006
한편, 이상시 불평형장력에 의한 염력(Q)은 상정장력에 의해 불평형장력을 고려하는게 바람직하다.
참고로, 염력과 장력은 하기에 설명하는 바와 같이 긴밀한 관계가 있다.
- 완금선단(腕金先端)에 불평형장력이 가해지면 염력이 발생한다. 따라서, 염력과 불평형장력과는 불가분의 관계에 있다.
- 염력은 상시에 전후경간의 불평형장력에 의해 생기는 상기염력과 전선이 단선되는 경우에 발생되는 이상시 염력으로 구분된다.
- 불평형장력이 발생하면 주주재에서는 비틀리는 힘이 발생할 뿐, 압축력에 의한 좌굴이 발생하지 않으므로 염력에 대한 고려는 하지 않는다. 주주재 한 면에서는 인장력이, 다른 면에서는 압착력이 작용하게 되어 상호 상쇄되기 때문이다.
- 복재 즉, 수평재나 사재의 경우는 도 15에 도시된 바와 같이, 염력이 발생되는 절간부터 ab면의 하중이 bc, cd, da로 전달되고, 이것은 다시 하부절간으로 전달된다. 따라서 상기 염력은 지면에 수평으로 작용하면서 지점(기지점)인 기초까지 나선형으로 전달된다. 일례로, 단선으로 불평형장력이 발생할 경우에는 반대 방향으로 모멘트가 발생한다.
- 염력이 발생되는 절간에서 한쪽 면에 전달된 하중을 복재가 전달받으면서 응력을 발생시키고, 응력을 받는 복재는 압축력 또한 받게 되므로, 염력에 대한 하중의 복재에 한해서만 고려하게 된다. 따라서, 하중이 나선형으로 하부로 전달되면서 탑체폭이 점차 넓어지므로 응력은 점차적으로 줄어들게 된다.
참고로 도 16에 도시된 도면을 참조하면 설명하면, 불평형장력은 P는 AB, CD 2개 면에서 지지하게 된다. 철탑 암에 불평형장력 P가 작용될 때, 응력이 분담되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
지지점 AB, BC, CD, DA에 각각 경첩이 결합되어 있다고 가정한다. 철탑은 각 부재의 접합부 및 기초 지점은 모두 핀으로 접합되기 때문이며, 핀 접합은 경첩과 동일하게 취급할 수 있다. A지점에 대해서는 경첩이 자유롭게 움직이는 방향이므로 응력이 발생하지 않고, B지점에 대해서는 저항하는 응력이 발생한다(도 17참조).
따라서, 불평형장력 P가 화살표와 같은 방향으로 작용하면 BC, DA면에서는 자유롭게 회전되므로 응력이 발생되지 않고, AB, CD 2개 면에서만 힘을 받게 되며, 이 힘은 P/2만큼 분할된다. 그리고, 힘의 지지점을 임의의 절점으로 이동하면 P는 0점에서 임의의 절간까지의 높이 h와의 곱인 모멘트 M = P X h로 작용한다.
또한, 전술한 불평형장력과 염력의 관계에 있어서, 암 길이가 L이고 탑체폭이 b인 철탑에 도 18의 (a)와 같은 방향으로 불평형장력 P가 발생하면 전술한 바와 같이, 탑체의 AB, CD 2개면에서 지지하게 되므로, AB, CD면에 작용하는 P는 불평형장력의 절반값인 1/2이 된다.
아울러, 불평형장력 P에 의해 0점에서 P가 작용하는 지점까지의 거리 L과의 곱인 모멘트 M = P X L이 발생하고, 탑체 각 면에는 도 18의 (b)와 같은 방향으로 4개의 염력 q가 발생하게 된다.
불평형장력에 의한 응력 P는 도 18에 도시된 (c)와 같이, 힘과 크기는 동일하되, 방향은 반대가 된다. 이것을 A, B, C, D각으로 분할하면 도 18에 도시된 (e)와 같이 된다. 그리고 모멘트 M = P X L은 거리 1/2 X b를 가진 4개의 응력 q로 대응되게 되므로 P X L = 4 X q X 1/2 X b가 된다.
따라서, 염력에 의한 응력은 q = ( P X L )/2b로 표현되고, 도 18에 도시된 (d)와 같이 반대방향의 힘이 상호 작용한다.
한편, 상기 염력에 의한 응력을 A, B, C, D각으로 분할하면, 도 18에 도시된 (f)와 같게 되고, 불평형장력과 염력에 의한 응력을 합하면 도 18에 도시된 (g)와 같이 된다.
또한, 각 주주재에 작용하는 염력 q는 인접한 면에서 압축력과 인장력이 가해지는 것이나, 4가 철탑의 경우는 이의 2개 힘이 상호 동일하고 응력을 상쇄시키는 방향으로 작용하게 되면 합력은 0이 된다. 따라서, 주주재는 염력에 의한 응력이 발생되지 않으며, 상기 염력은 복재에 대해서만 고려해도 충분하다.
비합장 암의 수직하중에 의한 염력의 검토로서, 암주재 평면이 합장하지 아니하는 암의 양측 지지점에 수직하중차가 심한 경우에는, 암에 발생되는 염력에 대하여 별도로 검토하여야 하며, 이때 발생되는 염력은 편의상 암 측면의 2개면에 분담되는 것으로 가정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 전술한 실시예에 의하면 본 발명은 다음과 같은 작용효과가 있다.
먼저, 기존 방식의 측량은 데이터베이스가 수치로 표현된 일회성 데이터로만 이루어져 추후 사용에 대한 부분에서는 신뢰성이 떨어진다. 하지만, 본 발명의 지상라이다 장비를 이용하여 생성되는 데이터는 점군데이터로 철탑 설치 후, 가선 후, 가압 후 및 시공 1개월 내지 3개월 후 등 시간이 점차 경과되면서 발생되는 편차(또는 변위량)를 확인하고, 그 결과값을 분석하고 도출하는데 유용하게 활용될 수 있다.
데이터의 활용면에 있어서도 기존 방식은 철탑의 다른 지점을 측정하고자 할 때에는 측정자 또는 작업자가 철탑에 승탑하여 재측정을 해야만하는 불편함을 감수해야 하지만 본 발명의 지상라이다를 이용하면 시간, 장소에 상관없이 상대적으로 짧은 시간에 철탑의 전체적인 형상을 측정할 수 있으므로, 기존 방식의 가장 큰 문제점 중 하나인 재측정이 불필요하다는 장점이 있다.
또한, 지상라이다 데이터는 철탑의 전체적인 형상의 표현이 유연하기 때문에 철탑의 기초부분이나 철탑의 앵글부분에도 변형량을 간편하고 정밀하게 확인할 수 있다. 상기 지상라이다는 3차원 모델링 데이터의 솔루션을 이용하여 관리자가 필요한 부분만 측정하도록 프로그래밍 되어 있어 철탑의 관리에도 효율적인 장점을 제공할 수 있다.
게다가 3차원 데이터를 활용하므로, 신규로 진행되는 철탑 전체 또는 부분적인 3차원 시뮬레이션이 가능하고, 기존 설계데이터와 시공 후(실측된 스캔데이터)의 차이(일치되지 않는 부분)을 확인하여 시공 후의 문제점을 분석하거나 기수정 사항에 대한 보고서를 간편하게 작성할 수 있다.
또한, 철탑 및 그 주변상황에 대한 데이터를 모두 수집하여 표현할 수 있으므로, 철탑과 변전소간의 이격거리 관측 및 GIS(가스절연개폐장치) 시설의 문제점도 파악이 가능하며, 철탑에 연결되는 회선간, 상간, 변전소 구조물간, 애자끝각도, 지상고 및 점퍼선 등의 이격거리 측정 및 분석도 가능하다.
다시 말하면, 본 발명은 기존 방식에서는 측정이 불가능하였던 가공송전선의 횡진측정 및 횡진거리를 측정함으로써 이론상으로만 예측되었던 부분을 실제 데이터 상으로 확인할 수 있고, 가공송전선의 철탑과 변전소간의 이격거리 뿐만 아니라 지상의 구조물(건물, 교량, 산악지형, 수목 등) 간의 이격 안전거리 유지를 확인하는데 이용될 수도 있으며, 가공송전선이 중력 및 풍력 등에 의하여 종진, 횡진을 하는 실제데이터를 산출하여, 이를 토대로 기상 최악의 조건에 대한 한계치를 계산할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
11 : 데이터베이스 122 : 보조메모리
12 : 메모리시스템 123 : 프로그램
13 : 프로세서 131 : 연산장치
14 : 입출력장치 132 : 레지스터
15 : 통신인터페이스 133 : 콘트롤러
121 : 메인메모리

Claims (7)

  1. 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법에 있어서,
    (a) 선정된 위치에서 지상라이다로 관측지점에 레이저를 조사하고, 조사된 레이저의 신호를 각 파장 영역별로 정량화시키는 단계(S11);
    (b) 상기 단계(S11)에서 정량화된 각각의 신호를 상호 정합을 위한 정합기본 요소를 추출하는 단계(S12);
    (c) 상기 단계(S12)에서 정합된 신호를 2차원의 영상데이터로 변환하는 단계(S13);
    (d) 상기 단계(S13)에서 변환된 영상데이터를 얼라인 작업으로 병합하는 단계(S14);
    (e) 상기 단계(S14)에서 병합된 영상데이터를 3차원 이미지의 포인트 클라우드로 변환하는 단계(S15);
    (f) 상기 단계(S15)에서 변환된 포인트 클라우드와 가공송전철탑의 설계데이가 기하학적으로 일치되도록 비교하는 단계(S16); 및
    (g) 상기 단계(S16)에서 비교된 포인트 클라우드와 설계데이터 상에서 일치되지 않는 부분을 토대로 가공송전철탑의 변위와 기초재의 각입을 산출하는 단계(S17);로 이루어지고,
    상기 정합기본 요소 추출 단계(S12)에서 정합기본 요소는 관측지점으로부터 측정하여 정량화된 객체점, 연결점, 평면점 및 교면점을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 (g)단계 이후에 철탑의 종류와 설계 조건의 설정되는 상기 철탑의 변위에 대한 한계치와 설계데이터 상의 일치되지 않는 부분을 토대로 산출한 실측 변위값을 비교하여 상기 철탑의 안전도를 평가하는 일련의 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 (b)단계의 정합기본요소는 지상라이다로 조사된 레이저의 신호로부터 객체점, 연결점, 평면점 및 교면점을 포함하는 것을 특징으로 하는 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 객체점 및 평면점이 상호 일치되는 관계가 수립되면, 상기 객체점 및 평면점 사이의 수직거리 및 연결점과 교면점 사이의 수평거리가 최소화되도록 외부요소를 조정하는 것을 특징으로 하는 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 포인트 클라우드는 영상데이터를 점군데이터로 변환 시 송전탑을 샘플링하고, 샘플링된 상기 송전탑의 깊이를 색상 및 이미지로 표현하여 맵핑되어 3차원 이미지가 추출되는 것을 특징으로 하는 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 지상라이다는 송전탑 변위 시스템과 전기적 또는 무선으로 연결되고, 상기 시스템은 다양한 각도에서 조사된 레이저의 신호를 메모리시스템으로 저장하고, 시스템 내부에 전기적으로 연결된 프로세서가 메모리시스템에 저장된 프로그램에 의해 명령을 수행하는 것을 특징으로 하는 지상라이다를 이용한 가공송전철탑 기초의 변위 및 각입측정과 분석방법.
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