KR102424111B1 - 정전용량 가진 도전성 고무를 사용한 배전선 에너지 하베스팅 장치 및 고압선 근접 감시장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

고압선에 근접하는 것을 예방하기 위하여 전계에너지 변화를 감시하는 센서에 전력을 전계에너지 하베스팅하여 전력을 공급하고 전압 변화를 측정하여 접근경보를 발생하는 장치를 개발하여 안전하고 사물인터넷이 가능한 고압선 주변 전원공급장치를 제공하고자 함

Description

정전용량 가진 도전성 고무를 사용한 배전선 에너지 하베스팅 장치 및 고압선 근접 감시장치 및 방법{Electric Field Energy harvesting and power line proximity sensing}

고압선 근접검출 경보, 방호관, 수목접촉, 에너지 하베스팅, IoT, 배전선로, 스마트 그리드

전력선의 운전상태 등을 감시하기 위한 방안들이 제시되고 있다. 그러나 보통의 전원공급 방식은 대한민국 등록특허 10-1529975에서 보여주고 있다.

즉, [도 1]과 같이 평상시에는 가정에 전력을 공급하는 것과 같이 전주에 설치된 변압기에서 AC 220V를 공급 받아 전원을 공급받고 있다가 정전(고장)시에는 내장된 축전지를 사용하여 통신을 통하여 원격에서 감시 및 제어하고 있다.

그러나 최근 잘 발달된 무선통신 인프라 등에 힘입어 사물인터넷(IoT) 관련 기술이 발전하고 있어, 전력설비와 같이 분산되어 설치된 자산의 운전상태 등을 상세하게 관찰할 필요가 발생하게 되었다.

원격에 설치된 전력설비 자산의 운전상태를 감시하는 것은 상시 고속으로 상시 감시할 대상, 예를 들어 [도 1]과 같은 개폐기,이 일부 있지만 대부분의 설비 감시는 필요시(고장 발생시)에만 정보를 파악할 필요가 있다.

일반적으로 고전압이 충전된 전력설비에 근접한 장소에 센서장치 설치하여 운전상태를 모니터링하고자 할 때 여러가지 면을 우선 고려하여야 한다.

그 중에서 통신과 전원문제 및 사이즈가 제일 큰 고려사항에 해당된다. 그러나 최근 잘 발달된 무선통신 인프라 등으로 센서장치와 통신은 어느정도 기술 수준이 향상되어 안정적인 연결이 가능하게 되었다. 이러다 보니 사물인터넷과 같이 통신 인프라가 잘 발달되어 이전에는 감시할 수 없다고 생각하였던 것을 지금은 언제라도 필요시 통신 접속을 통해 감시가 가능하게 되었다.

[도 2]는 최근 각광을 받고 있는 초소형 무선통신 MCU의 모듈의 크기를 보여주고 있다. 32MB의 메모리와 10개의 GPIO를 가진 8bit MCU와 WIFI 통신 기능을 가졌음에도 불구하고 4.5cm에 불과한 아주 초소형 프로세서들이 개발됨에 따라 이전에는 전력선 근접하여 설치할 때 공간점유에 따른 절연 저하 등의 문제점을 해소할 수 있게 되었다.

[도 3]은 [도 2]의 초소형 무선통신 MCU의 소모전류값을 보여주고 있다. 즉 최대전류가 소모되는 무선통신(WIFI)의 경우에도 소모전류는 170mA에 불과하지만, 평상시 대기 때는 Deep Sleep Mode로 설정하고 운전시 10uA정도의 초극소량 미세전류를 소모하여 장시간 운전이 가능하게 되었다.

이에 따라 굳이 [도 1]과 같이 별도의 외부전력 공급 없이 [도 4]와 같이 환경에서 쉽게 구할 수 있는 에너지 하베스팅 방법의 고안이 필요하게 되었다.

[도 4]는 에너지 하베스팅 원별 장단점을 비교하고 있다. 전선로에 설치할 경우 선호하는 방식은 미합중국 특허US 8,594,956에서 공개된 클램프 메터와 같이 반원형 코일을 사용하는 자계를 이용한 방식이 주로 사용되었다. [도 5]는 가공 전력선에 외주면에 삽입하여 전원을 얻는 자계를 이용하여 전원을 확보하는 상용제품을 보여주고 있다.

그러나 자계를 이용하여 전력선에 설치할 경우 부하전류가 없는 무부하 선로레서는 사용할 수 없고, 고장전류와 같이 순간적으로 몇만 암페어의 대전류가 흐를 경우에도 충분히 견딜 수 있도록 설계하여야 하므로 여러가지 복잡한 보호장치가 필요하게 된다.

전계를 사용하여 전원을 공급하는 방법은 대한민국 공개특허 10-2013- 0029975에서 공개되었다.

[도 6]은 전력선 주변을 감싸 전력선으로 부터 전계에너지를 하베스팅하여 전원공급하는 것을 보여주고 있다. 그러나 다른 한선을 접지될 경우 저압선에서는 절연문제가 발생하지 않지만 고압선에서는 접지를 사용할 경우 현장에서 안전상의 문제가 발생할 수 있다.

그리고 알루미늄 호일과 같은 도전체로 전력선 주변을 감쌀 경우 배전선로에서 피복전선을 사용할 때 장점인 순간접촉 고장을 방지하려는 목적에 위배되며, 전력선 주변을 도체로 감쌀 때 고장전류 발생 시 자계에 의한 영향을 최소화 하기 위한 대책이 추가적으로 필요하게 된다.

대한민국 공개특허 10-2019-0012825에서는 안전작업 유도 장치를 구비한 전력선 방호관에 대해 공개하고 있다.

그러나 전원을 밧데리를 사용함에 따라 영구적이지 못하고 주기적으로 교환해야 한다는 단점이 있고, [도 7]과 같이 다수의 근접감지 센서를 사용하여 물체접근을 감시할 경우 다수의 초음파 근접감지 센서가 상시동작할 때 전력 소모량이 많이 발생하여 밧데리의 수명이 단축되어야 한다는 단점이 있다.

이에 접지를 사용하지 않고, 전선을 감싸 자계의 영향을 받지 않는 전계를 사용하는 에너지 하베스팅 전원 개발이 필요하게 되었다.

전류 변동에 의한 영향없이 안정적으로 전력선에 근접한 센서의 동작 에너지를 확보하기 위해 고압선의 외면 절연체를 따라 유기전압을 확보하기 위해 용량성분을 가진 도전성 고무 띠를 간격을 두고 설치하여 동작전원 및 접지와의 거리 변동을 검출하여 안정적인 전력망 운영 가능하다록 하기 위함이다

방호관과 같이 전력선 외주면에서 설치되는 절연체의 내면에 용량성분을 가진 도전성 고무 띠를 설치하여 전계에너지를 사용한 에너지 하베스팅으로 안정적인 전원을 확보하는 기술

대지와 공기를 통해 절연되어 전력을 공급중인 가공 고압선에 근접하여 설치된 IoT 센서에 전력을 공급하기 위하여, 충전된 고전압으로 부터 유기되는 전압을 사용하여 동작전원 및 대지와 정전용량 변동에 의한 고압선 접촉여부를 상시 감시하여 수목 및 인명 접촉에 의한 안전사고 및 설비사고를 조기에 검출하여 안정적인 전력설비 운영이 가능하다.

도 1은 평상시의 가정 전력 공급을 도시한 도면이다.
도 2는 최근 각광을 받고 있는 초소형 무선통신 MCU의 모듈의 크기를 보여주고 있다.
도 3은 도 2의 초소형 무선통신 MCU의 소모전류값을 보여주고 있다.
도 4는 에너지 하베스팅 원별 장단점을 비교하고 있다.
도 5는 가공 전력선에 외주면에 삽입하여 전원을 얻는 자계를 이용하여 전원을 확보하는 상용제품을 보여주고 있다.
도 6은 전력선 주변을 감싸 전력선으로 부터 전계에너지를 하베스팅하여 전원공급하는 것을 보여주고 있다.
도 7은 다수의 근접감지 센서를 사용하여 물체접근을 감시하는 경우를 도시한다.
도 8은 Zangl씨가 제안하고 있는 고압선에서 전계에너지를 획득하는 튜브의 외형과 내부 구조를 보여주고 있다.
도 9는 전계를 이용한 전력선 에너지 하베스팅 방법에 대해 공개하고 있다.
도 10은 방호관이 설치된 모습을 설명하고 있다.
도 11은 방호관이 설치된 것을 지상에서 위로 올려 보는 것을 보여주고 있다.
도 12는 도전성 고무 띠(Strip)을 제작하고 방호관의 표면에 설치하는 것을 보여주고 있다.
도 13은 상기 도전성 고무 띠 조합물을 만들기 위한 물질의 구성비를 보여주고 있다.
도 14는 도 13와 같이 고무 띠를 제작하고 그 결과를 측정하는 모습이다.
도 15는 제작된 시료의 저항값을 측정한 결과이다.
도 16은 전주에 설치된 모습과 구성을 설명하고 있다.
도 17은 도 16을 더 자세히 설명하고 있다.
도 18은 비교 및 정류부가 합쳐진 회로 예를 보여주고 있다.
도 19는 본 발명에 따른 검출기와 수신기로 구성되는 시스템의 구성을 보여주고 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 사용된 용어나 단어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의 할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 방호관은 대지와 공기 절연되어 운전되는 고압전선에 접촉하여 감전에 의한 피해를 방지하고자 하는 것이며, 본 발명은 방호관에 전원과 통신기능을 부가하여 미지의 물체가 방호관 근체어 접근되는 것을 사전에 가청 경보 등으로 알리고 또한 운전이력 등을 관리하여 감전고장 및 이력관리 할 수 있다.

그러나 방호관에 국한되지 않고, 전원이 확보된 센서를 통해 대지와 유지하던 정전용량이 변하는 현상 예를 들면 고압전선의 수목접촉, 고압선의 단선 등을 실시간으로 감시할 수 있을 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.

전력선에서 에너지를 하베스팅하기 위해 일반적으로 사용되는 방법은 [도 5]와 같이 자계를 획득하여 사용하는 방법이 일반적이었다. 그러나 이미 전술한 것과 같이 무부하 선로에서 사용이 불가능하고 일정 크기 이상의 부하전류가 흘러 자력 에너지를 제공하여야 한다는 제약조건이 따르고, 또한 부하전류의 수 천배 이상의 고장전류가 흐를 때 소손이 되지 않도록 보호회로를 구비하다 보니 복잡한 구조와 강한 메커니즘이 요구된다.

반면 전력선에 설치하여 전계에너지를 하베스팅하는 방법에 대해서는 Hubert Zangl씨가 2008년 IEEE Instrumentation and Measurement Technology에 기고한 Energy Harvesting for Online Condition Monitoring of High Voltage Overhead Power Lines에서 공개하고 있다.

[도 8]은 Zangl씨가 제안하고 있는 고압선에서 전계에너지를 획득하는 튜브의 외형과 내부 구조를 보여주고 있다. (a)는 실험실에서 튜브형태의 하베스터가 설치된 모습을 보여주고 있으며, (b)는 하베스터 (CM)내부의 연결을 보여주고 있다. (c)는 등가회로를 보여주고 있으며 대지와 정전용량(CCMG) 대비 전력선과 튜브간 정전용량(CCM)의 전압을 변압기를 통해 연결하여 전원을 확보하고 있는 것을 설명하고 있다.(d)는 프로토타입 튜브를 보여주고 있다.

[도 9]는 Oktay Cetinkaya씨가 2017년 4월자 IEEE Wireless Communications에 게재한 Electric- field Energy Harvesting Wireless Networks논문에서 전계를 이용한 전력선 에너지 하베스팅 방법에 대해 공개하고 있다. [도 8]과 마찬가지로 도넛형태의 원형 전극을 전력선 외주면과 직접 접촉하지 않고 깜싸는 형태의 전극을 설치하여 C1을 구하고 그 전극과 대지간 공기가 C2가 되도록 하여 C1에서 유기되는 전압을 전원으로 사용하고 있다.

이러한 형태의 정전결합은 이전 기술에서 설명한 것과 같이 고압선 도체를 에워싸는 형태이므로 전계 에너지를 취득할 수 있지만 마찬가지로 자계의 영향을 받을 수 있으며 또한 전선과 하베스터간 기계적으로 접촉되지 않고 일정한 거리를 유지하여 항상 일정한 간격을 가져 공기에 의한 유전율이 같도록 하여야 한다. 만약 장기간 운전시 기계적 변형으로 간격이 일정하게 유지되지 않는 다면 센싱의 정확도가 보장되지 않을 것이고 중량의 구조물을 전선에 매달아 놓았을 때 바람에 의한 흔들림 등에 의해 마찰이 전력선과 발생하게 될 것이고 이 때 발생할 수 전선 마모 등에 대해 고려하여야 할 것이다

그러나 이러한 형태를 항상 유지하는 것은 현실적으로 어려운 일이기에 공개된 방법과 다르게 본 발명에서는 방호간을 이용하여 고압선으로 부터 전계에너지를 하베스팅하고 또한 방호관 주변에 물체가 접근할 때 경보를 발생하는 기능을 추가하도록 하고자 한다.

[도 10]은 방호관이 설치된 모습을 설명하고 있다. 고전압으로 충전된 가공전선이 대지와 공기로 절연되어 있고, 그 주변을 방호관이 고압 전선을 에워싸 공사장에서와 같이 접촉 가능성이 높은 곳에 절연을 강화하여 혹시 모를 접촉사고를 예방하고 있다.

고압전선 주변을 절연보호하기 위하여 방호관을 시설할 때, 방호관 하단의 가이드를 통해 고압전선을 방호관 본체 내부로 삽입하면 고압 가공전선은 항상 방호관 내부 상단에 위치하여 방호간이 지상으로 탈락되지 않도록 지탱하고 있다. 또한 방호관 결합재는 보통 길이가 2m인 방호관을 고압전선 전주간 긍장 전체를 보호하기 위하여 서로 연결하기 위한 부속품이다

[도 11]은 방호관이 설치된 것을 지상에서 위로 올려 보는 것을 보여주고 있다. 즉 고압전선 밑에서 방호관이 설치된 모습을 보면 항상 방호관 가이드 라인이 지상쪽으로 향하고 있는 것을 알 수 있다.

[도 12]는 [도 8], [도 9]와 같이 전력선을 원형으로 에워싸는 형태의 전극을 사용하지 않고, 정전용량을 가진 도전체 고무 띠들을 전력선으로부터 다른 거리로 평행하게 설치하여 변위에 의한 표류 전압차가 발생하도록 하여 전원확보 및 전력선 접근검출을 위해 도전성 고무 띠(Strip)을 제작하고 방호관의 표면에 설치하는 것을 보여주고 있다.

[도 13]은 상기 도전성 고무 띠 조합물을 만들기 위한 물질의 구성비를 보여주고 있다. 즉 2m(200cm) 길이의 방호관에 설치할 고무 띠의 저항값을 1kΩ으로 유지하기 위하여 cm당 저항을 50Ω 이내로 제작하기로 하였다

[도 14]는 상기 [도 14]와 같이 고무 띠를 제작하고 그 결과를 측정하는 모습이다.

[도 15]는 제작된 시료의 저항값을 측정한 결과이다. 측정결과 CB PHR 30 이상일 때 50Ω이 되는 것을 알 수 있다.

[ 도 16]은 전주에 설치된 모습과 구성을 설명하고 있다. 두 개 이상의 도전성 고무띠를 가능하면 방호관 내부에 설치하고, 외부에 노출시 감전사고 우려가 있으므로, 두 개의 고무띠간 고전압선과 위치차에 의한 전압이 발생하는 것을 전원 및 센싱소스로 사용하여 외물이 고압전선에 접근할 때 정전용량 변동(전압변동)을 감지하여 주변에 있는 수신기1(보통은 AC 상용전원이 공급되는 주변 전주에 설치)에 통보하여 가청 경보 등을 발생하여 접근자가 이를 인지할 수 있도록 하고 또한 수신기2(App이 설치된 휴대폰)에 이벤트 발생 및 운전 이력을 전송할 수 있도록 구성한다

[도 17]은 [도 16]을 더 자세히 설명하고 있다. 즉 고무띠는 한조(두개띠)만 설치하고 전원공급 및 센싱 용도로 공용할 수 있고 필요시 전원공급용과 센싱용을 별개로 하여 운영할 수 있다. 복수개의 고무띠로부터 취득된 AC 전압을 DC로 정류하기 위하여 [도 18]과 같이 다이오드 정류를 하지 않고, PN 접합에 의한 정방향 전압강하 50OmV 이상 손실을 방지하기 위하여, OP AMP의 Open Loop Gain을 이용하여 저손실 전파정류를 한 후 전원부에 공급하거나, 정류부 이전에 비교기(comparator)를 거쳐 신호처리장치(마이크로 프로세서)는 항상 Sleep 모드로 운영되도록 소모전력을 절약하고, 센서로부터 일정 전압 이상 입력시에만 깨울 수 있도록 Wake-up 신호를 발생하여 신호처리장치가 WFI(wait for inperrupt)mode로 ㅇ운전하도록 하였다.

다시 한번 정리하면 [도 16], [도 17]의 검출기는 [도 18]과 같은 정류부를 두개 가지며 한개는 검출기 상단부와 같이 AC를 DC로 전파정류하는 정류부로서 그 출력을 전원관리부에 공급하여 검출기 내부전원(Vcc)를 공급하는 역할을 하며, 나머지 한개는 하단의 비교기에 사용되며 평상시에는 신호처리장치가 Sleep Mode로 운전되어 소모전류가 uA단위 전류만 소모하도록 하다가 비교기 저항을 거친 고무띠로부터 입력된 전압을 정류하여 일정 값 이상 시 Wake-up 신호를 제공하여 신호처리장치가 깨어나 업무처리를 할 수 있도록 조치한다. 신호처리장치는 깨어난 후 전압값 변동 내역을 다시 파악하고 진짜 상황이 발생되었다 판단되면 무선통신장치를 통해 순신기1을 통해 가청경보 등을 발생할 수 있도록 하여 접근자를 이를 인지하여 고압선 접근하지 못하도록 한다.

[도 18]은 비교 및 정류부가 합쳐진 회로 예를 보여주고 있다. 신호처리장치는 비교기 저항을 프로그램으로 선택하여 유지하도록 하고 비교기 저항을 통해 입력되는 고무띠 전압을 저손실 전파정류하여 그 값을 감시하고 있다가 일정값 이상시 신호처리장치를 깨우는 기능을 한다.

통과한다

[도 19]는 본 발명에 따른 검출기와 수신기로 구성되는 시스템의 구성을 보여주고 있다.

고압선에 설치된 방호관에 고무띠를 설치하여 전력선 근접한 위치에서 전계에너지를 하베스팅하여 센서의 동작전원을 확보하기 위하여,

상단의 전원공급부는 고무띠와 같은 교번 전류원으로부터 입력되는 전압을 Diode Bridge 전파정류가 아닌 Op Amp를 사용하여 전파정류하고 그 출력전압을 전압조정부에서 DC-DC Converting 하여 전압을 규정전압 범위로 유지하고 전원공급장치는 밧데리(슈퍼캐퍼스터)에 충전 및 전원감시장치를 거쳐 신호처리장치(MCU) 등에 동작전원을 공급한다. 신호처리장치(MCU)는 소모전력을 최소화하기 위하여 평상시에는 Sleep Mode로 운전되어 수uA의 전류만을 소모하고 있다가 도면 하단에 있는 비교기(저항)로 설정된 크기 이상을 전압이 고무띠로부터 입력되면 상단의 전원공급부의 정류부와 동일하게 입력 교번 전압을 Op Amp를 사용하여 전파정류하고 그 출력이 신호처리장치로 Wake-up 신호로 입력되어 정상작동하며 ADC를 통해 전원 변동이 확실하다 판단되면 무선통신장치를 통해 수신기에거 가청경보 등을 발생하도록 하고 필요시 이벤트 및 이력관리 정보 등을 전송하는 기능을 한다.

이렇게 고압선과 대지간 절연(정전용량)을 변경할 수 있을 정도의 면적을 가진 물체가 방호관에 근접시 정전용량 변화에 따라 발생되는 전압 변동을 검출하고 접근경보 등을 발생하도록 하는 장치를 구성하기 위해 고압선을 따라 평행하게 설치된 고무띠를 통해 발생되는 전위차를 이용해 전원을 확보하고 [도 16]과 같이 C2가1 변화할 때 C1에 유기되는 전압 변동을 감시하여 방호관에 접근하는 것을 사전에 경보발생하여 안전사고를 예방하고자 한다.

삭제

Claims (2)

1. 대지와 고전압 전력선 간 마련되는 제1 커패시터;
   상기 전력선의 외주면에 길이방향으로 연장되며, 상호간에 이격되도록 마련되는 복수의 도전성 띠;
   상기 복수의 도전성 띠 사이에 마련되며, 상기 제1 커패시터의 정전용량 변화에 따라 전압이 변동되는 제2 커패시터;
   상기 제2 커패시터의 양단 전압을 측정하는 전압측정 수단;
   상기 전압측정 수단이 측정하는 전압이 문턱 값을 넘었을때 경보를 발생하는 경보 수단을 포함하는 고압선 접근 경보 장치.
2. 접지된 물체가 고전압 전력선에 접근하는 것을 방지하기 위해,
   고전압 전력선 외주면에 길이방향으로 연장되며, 상호간에 이격되도록 마련되는 복수의 도전성 띠 사이의 전압을 측정하는 단계;
   전력선에 접지된 물체가 접근할 때, 대지와 고전압 전력선 사이에 마련되는 제1 커패시터의 정전용량이 변동됨에 따라, 복수의 도전성 띠 사이에 마련되는 제2 커패시터의 정전 용량의 변동을 감지하는 단계;
   제1 커패시터의 정전용량 양단의 전압을 정류하는 단계;
   상기 전압이 문턱값을 도과하는 경우 이상 상승으로 판단하는 단계;
   상기 이상 상승으로 판단되는 경우, 전력선에 접지된 물체가 접근한 것으로 판단하는 단계; 및
   접지된 물체가 접근하는 경우 알림을 발생하는 단계;을 포함하는 고압선 접근 경보 방법.

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