KR101883359B1 - 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템 - Google Patents

지중 전력 케이블의 열화 감지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지중에 포설되는 전력 케이블과 나란히 포설되는 광섬유를 이용하여 열화에 의해 발생되는 부분방전을 검출하고, 부분방전이 검출된 시간과 부분방전에 의해 수신된 주파수의 감쇠를 이용하여 절연열화가 발생된 위치를 추정할 수 있는 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템은 지중 전력 케이블과 나란히 포설되고, 상기 지중 전력 케이블의 부분방전에 의해 발생된 광펄스를 유입하여 양 선단으로 진행시키는 제1 광섬유 및 제2 광섬유로 이루어지는 광섬유 케이블; 상기 광섬유 케이블의 양 선단에 각각 설치되고, 상기 광섬유 케이블로부터 전송되는 광펄스를 수신하며, 수신에 따른 감지값을 출력하고, 제어신호에 의해 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유로 광신호를 송신하는 제1 신호처리장치 및 제2 신호처리장치로 이루어지는 신호처리장치; 및 상기 제1 신호처리장치 및 제2 신호처리장치와 통신망으로 연결되어 상기 제1 신호처리장치 및 제2 신호처리장치로부터 수신된 감지값에 근거하여 절연 열화의 발생 위치를 산출하여 표시하는 감지장치를 포함하여 구성되고, 상기 신호처리장치는 상기 제1 광섬유로부터 전달된 광펄스를 수신하는 제1 광수신부; 상기 제2 광섬유로부터 전달된 광펄스를 수신하는 제2 광수신부; 제어신호에 의해 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유로 광신호를 송신하거나 송신된 광신호를 수신하는 광신호 송수신부; 상기 제1 광수신부와 제2 광수신부로부터 수신된 각각의 광펄스의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하고, 상기 광신호 송수신부로 광신호 송수신을 위한 제어신호를 출력하는 신호처리부; 및 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유의 광펄스를 각각 상기 제1 광수신부와 제2 광수신부로 전송하고, 상기 광신호 송수신부에서 출력되는 광신호를 분배하여 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유로 전송하는 광 분배/결합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

지중 전력 케이블의 열화 감지시스템{SYSTEM FOR DIAGNOSING DETERIORATION OF UNDERGROUND POWER CABLE}
본 발명은 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지중에 포설되는 전력 케이블과 나란히 포설되는 광섬유를 이용하여 열화에 의해 발생되는 부분방전을 검출하고, 부분방전이 검출된 시간과 부분방전에 의해 수신된 주파수의 감쇠를 이용하여 절연열화가 발생된 위치를 추정할 수 있는 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 관한 것이다.
지중 전력 케이블로 CV 케이블이 사용되고 있는데, CV 케이블은 1955년대 후반부터 실용화되기 시작하였다. 기름을 사용하지 않기 때문에 그 취급성, 보수 관리가 용이해 급속히 사용량이 증가하고, 1983년 154kV XLPE(cross linked polyethylene insulated cable, 전기가 흐르는 도체의 주위를 절연물인 XLPE로 덧씌운 케이블) 케이블이 개발된 이후, 현재에는 500kV까지 실용화되었다.
전력케이블의 진단 방식으로는 사선상태에서 행하는 직류 누설전류법, 내전압 시험법, 유전정접법이 있고 활선 상태에서는 직류전압 중첩법, 수트리 활선 진단법, 초음파법 등이 있다.
사선상태에서 행하는 검출방식은 전체 전력 케이블 선로의 건전 유무를 진단하는 것으로 케이블 단말재 및 중간 접속재에 대한 열화상태를 알 수 없으며, 또한 설비를 정지시켜야 하므로 시험시 인적, 물적 손실이 크며, 운전중의 전기적, 기계적인 동작 상태에서의 복합 스트레스에서 생긴 열화 및 이상신호를 잃어버릴 수 있는 단점이 있다.
반면, 활선 상태의 진단방법은 설비를 정지시키지 않고 운전 중에 선로의 열화를 검출할 수 있다는 점에서 사선상태 진단보다는 훨씬 유용한 방법이다. 그러나 전체 전력 케이블에 대한 건전 상태를 진단하기에 국부적인 열화를 검출하기 힘들다는 점 때문에, 현재에는 케이블 단말 및 중간 접속재의 경우 초음파 음향 검출법을 주로 활용하고 있다.
한편, 광섬유를 이용한 열화 감시 시스템으로서, 등록특허공보 제10-0726197호에 광섬유 케이블을 이용한 전력 부스 덕트의 실시간 열화감시 시스템 및 감시방법이 개시되었다.
상기 기술은 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 경보부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기 기술은 부스 덕트에 한정되어 있고, 지중에 포설되는 전력 케이블의 열화를 검출하는 데에는 한계가 있다.
전력 케이블의 열화를 측정하는 기술로서, 등록특허공보 제10-1584145호에 전력 케이블 열화 측정을 위한 시스템이 개시되었다.
상기 기술은 전력 케이블의 절연 열화를 측정하기 위하여, 활선하케이블절연감시장치(OLCM) 내부에 설치되고, 상기 전력 케이블의 케이블 접지선에 접속되는 피더 케이블 단자; 상기 케이블 접지선의 접지 연결을 스위칭하며, 일단이 상기 피더 케이블 단자와 접속을 스위칭하며, 타단은 접지되도록 하는 토글 스위칭 유닛; 및 수트리 스위칭 유닛이 상기 토글 스위칭 유닛의 일단과 외부 접속 단자의 전기적 연결시 턴-오프(turn-off)되며, 상기 수트리 스위칭 유닛이 상기 토글 스위칭 유닛의 일단과 외부 접속 단자의 전기적 차단시 턴-온(turnon)되는 OLCM 스위칭 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기 기술은 도선에 다수의 접지선을 연결시켜야 하는 것으로서, 지중에 포설된 전력 케이블에 적용할 수 없는 문제점이 있다.
KR 10-0726197 B1 (2007. 06. 01.) KR 10-1584145 B1 (2016. 01. 05.)
본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 지중에 포설되는 전력 케이블과 나란히 광섬유를 포설하고, 지중 전력 케이블의 열화에 의해 발생되는 부분방전을 광섬유로 검출하여 열화를 탐지할 수 있는 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 광섬유의 양 선단에서 검출되는 주파수의 발생 시간 및 광섬유의 전송손실을 이용하여 부분방전이 발생된 위치를 추정할 수 있는 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템은 지중 전력 케이블과 나란히 포설되고, 상기 지중 전력 케이블의 부분방전에 의해 발생된 광펄스를 유입하여 양 선단으로 진행시키는 제1 광섬유 및 제2 광섬유로 이루어지는 광섬유 케이블; 상기 광섬유 케이블의 양 선단에 각각 설치되고, 상기 광섬유 케이블로부터 전송되는 광펄스를 수신하며, 수신에 따른 감지값을 출력하고, 제어신호에 의해 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유로 광신호를 송신하는 제1 신호처리장치 및 제2 신호처리장치로 이루어지는 신호처리장치; 및 상기 제1 신호처리장치 및 제2 신호처리장치와 통신망으로 연결되어 상기 제1 신호처리장치 및 제2 신호처리장치로부터 수신된 감지값에 근거하여 절연 열화의 발생 위치를 산출하여 표시하는 감지장치를 포함하여 구성되고, 상기 신호처리장치는 상기 제1 광섬유로부터 전달된 광펄스를 수신하는 제1 광수신부; 상기 제2 광섬유로부터 전달된 광펄스를 수신하는 제2 광수신부; 제어신호에 의해 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유로 광신호를 송신하거나 송신된 광신호를 수신하는 광신호 송수신부; 상기 제1 광수신부와 제2 광수신부로부터 수신된 각각의 광펄스의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하고, 상기 광신호 송수신부로 광신호 송수신을 위한 제어신호를 출력하는 신호처리부; 및 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유의 광펄스를 각각 상기 제1 광수신부와 제2 광수신부로 전송하고, 상기 광신호 송수신부에서 출력되는 광신호를 분배하여 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유로 전송하는 광 분배/결합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 감지장치는 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치로부터 각각 전송된 광펄스의 크기를 이용하여 부분방전의 제1 위치를 산출하고, 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치로부터 각각 전송된 광펄스의 시간을 이용하여 부분방전의 제2 위치를 산출하며, 상기 산출된 제1 위치와 제2 위치의 오차에 근거하여 부분방전의 위치 범위를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 감지장치는 상기 제1 위치 및 제2 위치가 산출되는 경우, 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치 중에서 선택된 하나의 신호처리장치에 구비된 광신호 송수신부가 구동되도록 제어하고, 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치 중에서 선택되지 않은 신호처리장치로부터 상기 광신호 송수신부에서 송신된 광신호를 수신하며, 상기 광신호 송수신부에서 송신된 광신호와 광섬유를 통해 수신된 광신호를 비교 분석하여 송신된 광신호의 변환 여부를 검출하고, 상기 광신호의 변환 여부에 따라 아크의 발생 여부를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 지중 포설되는 전력 케이블과 나란히 포설되는 광섬유에의해 전력 케이블에서 발생되는 열화를 조기에 검출할 수 있으므로, 열화에 따른 절연파괴에 의한 정전사고를 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 부분방전이 발생된 위치를 추정할 수 있으므로, 부분방전이 발생된 고장개소의 복구를 신속하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 대한 개략적인 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 적용된 광섬유 케이블의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 적용된 신호처리장치의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 적용된 광신호 송수신부의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 적용된 감지장치의 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에서 광펄스의 수신 크기에 대한 절연 열화 위치를 검출하기 위한 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에서 오차 범위를 산출하기 위한 개념도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 지중에 포설되는 전력 케이블과 나란히 포설되는 광섬유를 이용하여 열화에 의해 발생되는 부분방전을 검출하고, 부분방전이 검출된 시간과 부분방전에 의해 수신된 주파수의 감쇠를 이용하여 절연열화가 발생된 위치를 추정할 수 있는 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템을 설명하기에 앞서, 고압 케이블에서의 졀연 열화에 대해서 먼저 설명한다.
고압 CV 케이블의 열화 요인은 기본적으로 전기적, 열적, 화학적, 기계적, 생물적 요인 등 5개로 크게 나뉘지만, 실제는 케이블의 사용 환경에 따라 내부에 보이드, 이물, 돌기 등이 발생하기도 한다.
이와 같은 현상이 복합적으로 작용하여 내도 수트리(water tree), 외도 수트리, 보타이 트리 및 부분방전 전기트리 등의 열화 형태를 보이며, 절연파괴까지 진행된다.
이 중에서 수트리 열화는 케이블 절연체 주변에 물이 존재하는 경우, 이 물과 국부적인 전계 집중이 원인이 되어 절연체에 수지 상태(트리 상태)로 패스가 진전되어 가는 열화현상을 의미하는 것으로서, 발생 부위별로 내도 수트리, 외도 수트리, 보타이(bow-tie tree) 상태의 수트리로 구분하지만, 절연열화에 크게 영향을 주는 것은 내도 수트리와 외도 수트리이다.
수트리 열화의 양상은 고압 이상의 CV 케이블에만 발생하고, 수트리가 절연체를 관통하더라도 그 대부분은 상시 사용전압 이상의 파괴값을 가지며, 온도가 높으면 열화가 촉진되는 특성을 보이고 있다.
또한, 부분방전은 케이블의 결함으로 인하여 전계가 높아져 발생하는 국부적인 방전현상이며, 열화의 마지막 단계에서 발생하는 것으로서, 부분방전에 의해 초광대역대의 주파수가 발생된다.
전력선에서 발생되는 부분방전은 전력기기의 절연 열화 시 발생하는 현상으로서, 절연 열화의 마지막 단계에서 발생되는 경우가 대부분이기 때문에 열화 진단에 가장 우수한 방법으로 평가되고 있다. 그러나 이와 같은 부분방전은 그 전자파 신호대역이 넓고 주변의 잡음으로 인하여 검출하기가 용이하지 않은 실정이다.
또한, 지중에 포설되는 전력 케이블의 매설 방식은 직매식, 관로식 또는 전력구식으로 구분된다.
직매식은 전력 케이블의 외측에 보호 시설(트러프 또는 보호관)을 하여 직접 지중에 매설하는 방식으로서, 2회선 이하로 이루어진다.
관로식은 강관, 흉관 또는 콘크리트관을 이용하여 관로를 축조하고, 적당한 거리에 맨홀을 설치한 다음, 상기 관로에 전력 케이블을 설치하는 것으로서, 3회선 이상 9회선 미만으로 이루어진다.
전력구식은 사람이 왕래할 수 있을 정도의 터널 같은 구조물에 전력 케이블을 설치하는 방식으로서, 전력 케이블뿐만 아니라, 배선용 케이블 및 통신용 케이블 등이 함께 설치되는 방식이다.
도 1은 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 대한 개략적인 전체 구성도이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템은 광섬유 케이블(100), 신호처리장치(200) 및 감지장치(300)를 포함하여 구성된다.
광섬유 케이블(100)은 지중 전력 케이블과 나란히 포설되고, 상기 지중 전력 케이블의 부분방전에 의해 발생된 광펄스를 유입하여 양 선단으로 진행시키는 것으로서, 제1 광섬유와 제2 광섬유를 포함하여 구성된다.
도 2는 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 적용된 광섬유 케이블의 단면도를 나타낸 것이다.
광섬유 케이블(100)은 중심부의 코어(core, 110)와 상기 코어(110)의 외측을 감싸는 클래딩(cladding, 120)으로 구성되고, 코어의 굴절률을 클래드의 굴절률보다 상대적으로 높게 하면 코어에 들어온 광은 코어와 클래드의 경계에서 전반사를 반복하며 코어 내부에서 진행된다.
위의 설명에서와 같이, 절연 열화는 부분방전(PD, partial disgharge)으로 이어지게 되는데, 부분방전은 초광대역 주파수를 발생시키게 되고, 발생된 초광대역 주파수는 광펄스 형태로 광섬유의 코어(110)에 유입되며, 코어(110)에 유입된 광펄스는 유입된 부분을 중심으로 양 측면으로 진행하게 된다.
이때, 상기 광섬유 케이블(100)의 클래딩(120) 외측면에는 발생된 초광대역 주파수 형태의 광펄스가 코어(110)에 유입될 수 있도록 일정간격으로 스크래치된 미세 패턴(130)이 형성될 수 있다.
즉, 미세 패턴(130)은 지중 전력 케이블에서 발생된 광펄스의 수광 비율을 높이기 위한 것으로서, 광섬유 케이블의 도파 손실을 증가시키지 않는 범위에서 수㎛ 정도의 미세패턴으로 형성될 수 있다.
이러한 광섬유 케이블(100)은 지중 전력 케이블(1)과 나란히 배치되고, 입사된 광펄스를 양 선단으로 진행시키게 되며, 제1 광섬유(101)와 제2 광섬유(102)로 이루어진다.
신호처리장치(200)는 상기 광섬유 케이블(100)의 양 선단에 각각 설치되고, 상기 광섬유 케이블(100)로부터 전송되는 광펄스를 수신하며, 수신에 따른 감지값을 출력하고, 제어신호에 의해 상기 제1 광섬유(101)와 제2 광섬유(102)로 광신호를 송신하거나 수신하는 기능을 수행한다.
도 3은 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 적용된 신호처리장치의 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 적용된 신호처리장치(200)는 제1 광수신부(210), 제2 광수신부(220), 광신호 송수신부(230), 신호처리부(240) 및 광 분배/결합부(250)를 포함하여 구성된다.
제1 광수신부(210)는 상기 제1 광섬유(101)로부터 전달된 광펄스를 수신하고, 제2 광수신부(220)는 상기 제2 광섬유(102)로부터 전달된 광펄스를 수신한다.
광신호 송수신부(230)는 제어신호에 의해 상기 제1 광섬유(101) 및 제2 광섬유(102)로 광신호를 송신하거나 또는 송신되는 광신호를 수신하는 기능을 수행하는 것으로서, 지중 전력 케이블에서 발생되는 아크를 검출한다.
이를 위해, 상기 광신호 송수신부(230)에는 광신호를 송신하는 광송신모듈(231)과 송신되는 광신호를 수신하기 의한 광수신모듈(232)을 포함하여 구성된다.
도 4는 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 적용된 광신호 송수신부의 구성도를 나타낸 것이다.
상기 광송신모듈(231)은 상기 광섬유 케이블(100)로 기본 광신호를 송출하는 기능을 수행하고, 상기 광수신모듈(232)은 상기 광송신모듈(231)에서 송출된 후 상기 광섬유 케이블(100)를 통과하여 입력되는 광신호를 수신하는 기능을 수행하는 것으로서, 일측 신호처리부(201)에 구비된 광신호 송수신부(230)가 광신호를 송신하는 기능을 수행하는 상태에서 광섬유(100)의 타측 신호처리부(202)에 구비된 광신호 송수신부는 광신호를 수신하는 동작을 수행하게 된다. 즉, 광섬유 케이블(100)의 일측에서 광신호를 송신하게 되면, 광섬유 케이블의 타측에서는 송신되는 상기 광신호를 수신하게 된다.
첨부된 도 4의 (a)를 참조하면, 상기 광송신모듈(231)은 LD 구동신호가 입력된 상태에서, 동작 상태 표시용 LED(D1) 및 레이저 다이오드(LD)에 동작 전류가 공급되게 된다. 이와 같은 동작 전류의 공급에 따라 동작 상태 표시용LED(D1)가 ON되어 광 전송기의 동작 상태를 표시하게 되고, 레이저 다이오드(LD)는 동작 전류에 대응하는 광신호를 출력하게 되며, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광신호는 광섬유 케이블(100)에 입력된다.
또한, 첨부된 도 4의 (b)를 참조하면, 상기 광수신모듈(232)에서는 광섬유 케이블(100)을 통해 전송된 광신호가 포토 다이오드(PD)를 통해 검출되고, 전류-전압 변환 및 증폭부에서 증폭되어 PD 증폭신호를 출력히게 된다. 상기 전류-전압 변환 및 증폭부에서 PWM(펄스폭 변조) 등 펄스형 전원에 따른 전원 안정화 회로와 감도 조절 회로에 의해 증폭 상태가 안정화된다.
지중 전력 케이블에 절연 열화에 의해 부분방전이 발생되면, 부분방전에 의한 광펄스 또는 아크가 광섬유 케이블(100)을 통과하는 광신호에 영향을 미친다.
즉, 상기 광신호 송수신부(230)는 상기 광섬유(100) 내부를 진행하는 광신호의 특성(빛의 세기, 주파수, 위상 및 편광 등)이 외부 물리량에 의해 변화되는 원리를 이용한 것으로서, 부분방전에 의해 발생된 광펄스 또는 아크에 대해 상기 광섬유(100)를 경유하는 광신호의 특성이 변화되게 되는데, 광신호의 변화 여부에 따라 부분방전의 여부를 재차 확인하거나 또는 아크의 발생 여부를 확인하게 된다.
이때, 상기 광신호 송수신부(230)는 제1 광섬유(101) 및 제2 광섬유(102) 중에서 선택된 하나의 광섬유를 통해 광신호를 송신하도록 구성되며, 광섬유의 타측에 위치한 광신호 송수신부에서는 선택된 광섬유를 광신호를 수신하도록 구성된다.
신호처리부(240)는 상기 제1 광수신부와 제2 광수신부로부터 수신된 각각의 광펄스의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하고, 상기 광신호 송수신부로 광신호 송수신을 위한 제어신호를 출력하는 기능을 수행한다.
광 분배/결합부(250)는 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유의 광펄스를 각각 상기 제1 광수신부와 제2 광수신부로 전송하고, 상기 광신호 송수신부에서 출력되는 광신호를 분배하여 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유로 전송한다.
본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에서는 광펄스의 크기를 검출하여 부분방전의 위치를 검출하기 위한 제1 광섬유, 광펄스의 도착 시간을 이용하여 부분방전의 위치를 검출하기 위한 제2 광섬유를 포함한다. 또한, 부분방전에 의한 아크 발생여부를 검출하기 위한 광섬유가 추가로 구성될 수 있으나, 아크 발생여부를 검출하기 위한 광섬유는 지중 전력 케이블과 함께 포설된 제1 광섬유 또는 제2 광섬유를 이용하기 위해 광 분배/결합부(250)가 구성된다.
다음으로, 감지장치(300)에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에 적용된 감지장치의 구성도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 5를 참조하면, 감지장치(300)는 제1 위치 산출부(310), 제2 위치 산출부(320), 위치범위 산출부(330), 광신호 구동부(340), 아크검출부(350) 및 경보발생부(360)를 포함하여 구성된다.
제1 위치 산출부(310)는 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치로부터 각각 전송된 광펄스의 크기를 이용하여 부분방전의 제1 위치를 산출하는 기능을 수행한다.
지중 전력 케이블과 나란히 포설된 광섬유 케이블(100)에는 상기 지중 전력케이블에서 발생된 절연 열화에 의해 광펄스가 입력된다. 입력된 광펄스가 광섬유 케이블(100)을 따라 양 선단으로 진행하면서 전송 손실이 발생하게 된다.
광펄스의 전송 손실에 의해 제1 신호처리장치(201)와 제2 신호처리장치(102)에 입력되는 광펄스의 크기는 다르게 검출되게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템에서 광펄스의 수신 크기에 대한 절연 열화 위치를 검출하기 위한 개념도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 6을 참조하면, 절연 열화가 발생된 지점을 x, 제1 신호처리장치(210)의 위치를 A, 제2 신호처리장치(202)의 위치를 B라 하면, 절연 열화가 발생된 지점(x)부터 각각 광펄스를 검출하기까지의 거리는 광펄스의 크기와 반비례하게 된다. 즉, 수신된 광펄스는 광섬유 케이블의 길이와 반비례한다.
이를 수식으로 표현하면 다음의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Pa : Pb = 1/a : 1/b
여기서, Pa는 제1 신호처리장치에서 수신된 광펄스의 크기, Pb는 제2 신호처리장치에서 수신된 광펄스의 크기, a는 절연 열화가 발생된 지점(x)부터 제1 신호처리장치까지의 거리, b는 절연 열화가 발생된 지점(x)부터 제2 신호처리장치까지의 거리이다.
상기의 수학식 1에서 b는 광섬유 케이블(100)의 전체 길이에서 a의 길이를 감산한 것이므로, 이를 a로 다시 정리하면, 다음의 수학식 2로 표현된다.
Figure 112018057534254-pat00001
여기서, Pa 및 Pb는 각각 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치에서 검출된 광펄스의 크기이므로, a의 산출하게 되면 절연 열화가 발생된 지점(x)을 산출할 수 있다.
이때, 광섬유 케이블에서 진행하는 광펄스(광신호)의 손실은 산란, 흡수, 반사 등에 기인하며, 접속점에서의 손실과 관련된다.
이를, 수학식 3으로 표현하면 다음과 같다.
[수학식 3]
loss(dB) = -10 log(Pout/Pin) - nLc
여기서, loss(dB)는 광손실, Pin은 입력 광신호의 크기, Pout은 출력 광신호의 크기, n은 접속점의 개수, Lc는 접속점에서의 접속손실이다.
상기 수학식 3에 따르면, 입력 광신호의 크기(Pin)는 동일하나, 절연 열화가 발생된 지점(x)과 제1 신호처리장치와의 거리(a) 및 절연 열화가 발생된 지점(x)과제2 신호처리장치와의 거리(b)는 그 사이에 위치하는 광섬유 케이블의 접속 개수에 따라 다르게 산출될 수 있다. 따라서 제1 위치 산출부(310)에서 산출된 제1 위치는 접속 개수에 의해 보정되어야 한다.
제2 위치 산출부(320)는 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치로부터 각각 전송된 광펄스의 도착 시간을 이용하여 부분방전의 제2 위치를 산출하는 기능을 수행한다.
이를 첨부된 도 6을 이용하여 설명하면, 절연 열화가 발생된 지점(x)으로부터 광펄스를 각각 수신한 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치의 수신 시간은 거리가 멀수록 늦어지게 된다. 이에, 제2 위치 산출부(320)는 광펄스가 검출된 수신 시간의 차이를 측정한 측정값과 미리 설정된 광섬유 케이블에서의 빛의 속도를 근거로, 절연 열화 위치를 산출하게 된다.
이를 위해서, 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치의 시간은 동기화되게 구성된다.
위치범위 산출부(330)는 산출된 제1 위치와 제2 위치의 오차에 근거하여 부분방전의 위치 범위를 산출하는 기능을 수행한다.
상기에서와 같이, 전송된 광펄스의 크기를 이용하여 산출되는 제1 위치는 광섬유 케이블의 접속 개수에 따라 변동될 수 있다. 그러나 검출 시간에 근거하여 산출되는 제2 위치는 산출된 제1 위치와 비교하여 상대적으로 더 정확할 수 있다.
이에 따라, 상기 위치범위 산출부(330)는 산출된 제2 위치에 근거하여 절연 열화 지점(x)을 임의로 선정하고, 선정된 지점에 근거하여 각각 거리 a와 b에 있는 광섬유 케이블의 접속 개수를 검출하며, 상기 수학식 3에 대입하여 접속 개소의 접속 손실이 반영된 수신된 광펄스 크기에 대한 절연 열화 위치를 보정하여 제1 위치를 산출하고, 산출된 제1 위치와 제2 위치에 근거하여 부분방전의 위치에 따른 절연 열화의 위치 범위를 산출한다.
여기서, 수신된 광펄스의 크기로 산출되는 상기 제1 위치와 광펄스의 시간으로 산출되는 제2 위치가 일치하는 경우가 매우 희박할 것으로 예상된다.
실험결과 광섬유 케이블이 1,000m인 경우 제1 위치와 제2 위치는 2 ~ 10m 범위의 오차가 발생하였으며, 접속 개수가 증가될수록 오차는 더욱 크게 산출되었다.
이에, 제1 위치와 제2 위치는 소정의 오차가 발생될 수 있으며, 상기 위치범위 산출부(330)에서 산출되는 위치 범위는 제1 위치와 제2 위치의 오차거리(ΔL)가 반영된 범위로 하여 선정되도록 구성될 수 있다.
즉, 도 7에서 보인 바와 같이, 오차 범위는 산출된 제1 위치(x1)와 제2 위치(x2)의 평균값에 대하여 ±오차(ΔL)거리를 반영하여 이루어질 수 있다.
이를 수식으로 표현하면, 다음의 수학식 4로 표현된다.
[수학식 4]
a = (a1 + a2 )/2 ± ΔL
여기서, a는 절연 열화 위치의 오차 범위, a1은 제1 신호처리장치부터 산출된 제1 위치(x1)까지의 거리(a1), a2는 제1 신호처리장치부터 산출된 제2 위치(x2)까지의 거리(a2), ΔL은 x1-x2의 절대값이다.
이와 같은 구성에 의하면, 절연 열화의 위치 범위에 대한 선정은 오차값(ΔL)이 작을수록 더욱 명확하게 산출될 수 있으며, 이러한 오차 범위의 선정에 의해 절연 열화의 위치를 특정할 수 있는 장점이 있다.
광신호 구동부(340)는 제1 광섬유 및 제2 광섬유로 광신호를 송신하거나 송신된 광신호를 수신하는 광신호 송수신부의 구동을 제어하는 제어신호를 생성하여 송출한다.
즉, 감지장치(300)는 상기 제1 위치 및 제2 위치가 산출되는 경우, 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치 중에서 선택된 하나의 신호처리장치에 구비된 광신호 송수신부가 구동되도록 제어하고, 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치 중에서 선택되지 않은 신호처리장치로부터 상기 광신호 송수신부에서 송신된 광신호를 수신하도록 광신호 구동부(340)를 구동하여 광신호 송수신부(230)를 통한 아크의 발생 여부를 검출할 수 있는 광신호를 검출하게 된다.
아크검출부(350)는 광신호 구동부(340)에 의해 광신호 송수신부(230)가 동작되면, 상기 광신호 송수신부(230)에 의해서 수신된 광신호와 송신되기 전의 광신호를 비교 분석하여 송신된 광신호의 변한 여부에 따라 아크 발생을 검출한다.
경보발생부(360)는 상기 위치범위 산출부(330)에서 절연 열화에 대한 산출된 위치 범위를 표시하도록 하고, 상기 아크검출부(350)에서 검출된 아크 여부를 표시하며, 그 결과를 사용자가 인지할 수 있도록 시각적 또는 청각적 장치를 통해 출력하는 기능을 수행한다.
본 발명에 의하면, 지중 포설되는 전력 케이블과 나란히 포설되는 광섬유에의해 전력 케이블에서 발생되는 열화를 조기에 검출할 수 있으므로, 열화에 따른 절연파괴에 의한 정전사고를 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 부분방전이 발생된 위치를 추정할 수 있으므로, 부분방전이 발생된 고장개소의 복구를 신속하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
1: 지중 전력 케이블
100: 광섬유 케이블 101: 제1 광섬유
102: 제2 광섬유 200: 신호처리장치
201: 제1 신호처리장치 202: 제2 신호처리장치
210: 제1 광수신부 220: 제2 광수신부
230: 광신호 송수신부 240: 신호처리부
250: 광 분배/결합부 300: 감지장치
310: 제1 위치 산출부 320: 제2 위치 산출부
330: 위치범위 산출부 340: 광신호 구동부
350: 아크검출부 360: 경보발생부

Claims (3)

  1. 지중 전력 케이블과 나란히 포설되고, 상기 지중 전력 케이블의 부분방전에 의해 발생된 광펄스를 유입하여 양 선단으로 진행시키는 제1 광섬유 및 제2 광섬유로 이루어지는 광섬유 케이블;
    상기 광섬유 케이블의 양 선단에 각각 설치되고, 상기 광섬유 케이블로부터 전송되는 광펄스를 수신하며, 수신에 따른 감지값을 출력하고, 제어신호에 의해 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유로 광신호를 송신하는 제1 신호처리장치 및 제2 신호처리장치로 이루어지는 신호처리장치; 및
    상기 제1 신호처리장치 및 제2 신호처리장치와 통신망으로 연결되어 상기 제1 신호처리장치 및 제2 신호처리장치로부터 수신된 감지값에 근거하여 절연 열화의 발생 위치를 산출하여 표시하는 감지장치;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 신호처리장치는,
    상기 제1 광섬유로부터 전달된 광펄스를 수신하는 제1 광수신부;
    상기 제2 광섬유로부터 전달된 광펄스를 수신하는 제2 광수신부;
    제어신호에 의해 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유로 광신호를 송신하거나 송신된 광신호를 수신하는 광신호 송수신부;
    상기 제1 광수신부와 제2 광수신부로부터 수신된 각각의 광펄스의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하고, 상기 광신호 송수신부로 광신호 송수신을 위한 제어신호를 출력하는 신호처리부; 및
    상기 제1 광섬유와 제2 광섬유의 광펄스를 각각 상기 제1 광수신부와 제2 광수신부로 전송하고, 상기 광신호 송수신부에서 출력되는 광신호를 분배하여 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유로 전송하는 광 분배/결합부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지장치는,
    상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치로부터 각각 전송된 광펄스의 크기를 이용하여 부분방전의 제1 위치를 산출하고, 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치로부터 각각 전송된 광펄스의 시간을 이용하여 부분방전의 제2 위치를 산출하며, 상기 산출된 제1 위치와 제2 위치의 오차에 근거하여 부분방전의 위치 범위를 산출하는 것을 특징으로 하는 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 감지장치는,
    상기 제1 위치 및 제2 위치가 산출되는 경우, 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치 중에서 선택된 하나의 신호처리장치에 구비된 광신호 송수신부가 구동되도록 제어하고, 상기 제1 신호처리장치와 제2 신호처리장치 중에서 선택되지 않은 신호처리장치로부터 상기 광신호 송수신부에서 송신된 광신호를 수신하며, 상기 광신호 송수신부에서 송신된 광신호와 광섬유를 통해 수신된 광신호를 비교 분석하여 송신된 광신호의 변환 여부를 검출하고, 상기 변환 여부에 따라 아크의 발생 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는 지중 전력 케이블의 열화 감지시스템.
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