비대칭 구조의 저압AC펄스 신호와 방향판별회로를 적용한 활선용 저압자중선로 누전점 활선 탐사기술

(주)김포전력(031)986-3136 (주)대운전기통신(031)981-5933 개발배경 지중저압선로는 지반침하에 대한 장력 스트레스와 수시로 발생되는 굴착공사로 인한 손상의 위험이 존재하고 있어서 돌발 상황이 많이 발생한다. 하지만 적절한 장비의 부재로 인해 신속한 상황 처리에 상당한 시간이 소요되는 단점이 있어 안전사고와 간접사고의 위험에 시민을 오랫동안 노출할 수밖에 없었다. 이를 방지하고자 매년 대규모 예산을 투입하여 노후선로 구간 전체의 교체하는 보수작업을 하고 있으나, 시간과 비용의 낭비가 매우 높다는 단점이 있으며, 전력을 공급하고 있는 상태(활선상태)에서 보수작업을 실시해야 하는 상황이 매년 증가하고 있는 여건 속에서 기존의 기술로는 한계가 있을 수밖에 없었다. 이를 위해 활선상태에서 누전 식별기술(IGR 방식)이 일부 보급되어 사용되고 있으나, 지중저압선로의 누전여부만을 판단할 뿐, 누전점(Pinpoint)은 인지할 수 없으므로 현행 누전보수방법과 같이 시간과 비용의 낭비가 매우 높았다. 누전탐사와 보수기술을 획기적으로 개선하기 위해서는 누전점(Pinpoint)을 탐사할 수 있는 기술이 절실한데, 현행기술들은 대부분은 저압지중선로에 전력공급을 중단한 상태(사선상태)에서만 사용 가능한 기술이었다. 즉, 활선상태에서 누전점(Pinpoint) 탐사가 가능한 기술은 기술적인 한계성으로 인해 건물 내부, 즉 내선용으로 그 범위를 제한하여 사용하고 있어서 지중저압선로 활선 상태에서 누전탐사가 효과적으로 이루어질 수 있는 기술이 필요하였다. 김포전력(주)와 대운전기통신(주)의 ‘비대칭 구조의 저압 AC 펄스 신호와 방향판별회로를 적용한 활선용 저압지중선로 누전점(Pinpoint) 활선 탐사기술’은 최소의 비용으로 신속한 누전위치의 탐사를 통하여 활선용 지중배전선로 누전에 대한 탐색을 원활히 하게 함으로써, 시민안전의 확보와 재산피해 방지 및 예산의 절감을 도모하고자 개발한 신기술이다. 개발목적 ① 저압지중선로 누전발생시 활선 상태에서 누전을 탐사할 수 있는 기술의 필요성 증대 · 지상변압기 상시 점검으로 발견된 누전복구 및 해소는 시민의 안전을 위해서 반드시 필요 · 저압지중선로가 매설되어 있는 도심지의 경우에는 전력사용 중단에 대해서는 수용가 측의민원이 해마다 증가하고 있는 실정 ② 저압지중선로 누전발생시 공급자(한전) 측의 비용부담 가중 · 현행기술인 저압지중선로 누전발생시 저압지 중선로 매설 구간 전체를 교체하는 복구 작업은 정전 후 누전복구는 수용가 측의 전력사용중단에 따른 민원 및 피해보상비를 발생시킴. ③ 저압지중선로 누전발생시 활선 상태에서 누전점(Pinpoint)을 탐사할 수 있는 기술 및 장비의 필요성 증대 · IGR 방식은 활선 상태에서 저압누전선로 감시가 목적이어서 현행기술과 같은 보수방법을 필요로 하기 때문에 누전해소에 대한 공급자 측의 비용절감효과 즉, 경제성이 떨어짐. · 현재 누전점 탐사를 위해서 개발된 기술들 중에 정확도와 신뢰도가 높은 기술들은 기술적인 한계성으로 인해 사선상태인 저압누전선로를 대상으로 하고 있음. · 활선 상태에서 누전점을 탐사할 수 있는 장비도 개발되어 있으나, 기술적인 한계성을 극복하지 못하여 현재 내선용, 즉 건물내부의 누전을 찾는 것을 목적으로 사용을 제한하고 있는 실정 기존 기술의 문제점 ① 기술적인 문제 일본에서 많이 사용하고 있는 IGR 방식은 활선 상태에서 누전여부를 알 수 있으나, 지중배전 선로 상에 누전발생시, 누전점을 찾을 수 없으며, 국내외를 통틀어 현재까지 수용가 측에 존재하는 전자 기기에 영향을 주지 않으면서 누전점 탐사가 가능한 활선용 누전탐사기가 개발되어 있지 않다. 일부 제품은 활선용으로 개발되어 있으나, 옥내용으로 한정해서 사용할 수밖에 없다는 단점이 있으며, 지중배전선로에 사용하면 Noise와 신호검출방식의 차이로 인한 문제점으로 정확한 누전탐사가 어렵다. 그리고 국외 누전탐사기술의 경우에는 고전압 DC 펄스파형(DC 3400V) 신호를 사용함으로써 수용가 측의 전자기기에 손상을 가져올 수 있으며, 또한 국내외 기술은 인력·시간의 낭비 및 오동작이 많다는 단점도 있다. 예를 들어 일본과 미국의 제품은 오동작이 너무 많고, 국내의 측정방법은 시간과 인력의 낭비가 매우 심하다. ② 경제성의 문제 현재의 누전탐사기술은 수용가 측의 전력공급을 중단해야만 누전탐사가 가능한 방식이다. 따라서 수용가 측은 전력공급 중단으로 인한 불편이 증대하며, 공급가 측은 전력공급 차질에 따라 수익성이 감소하며 수용가 측으로의 피해보상액이 증가하게 된다. ③ 시공성의 문제 지중배선선로의 누전발생시 활선 상태에서는 정확한 누전지점의 탐지가 어려우며, 선로 완전 교체 작업에 따른 시간과 인력, 비용이 증가한다. ④ 유지관리의 문제 시설물의 특성상 안전사고의 위험성을 항상 내포하고 있어 빠른 복구조치가 이루어져야 하지만, 활선 상태에서 효과적으로 누전지점을 탐사할 수 있는 장비의 부재로 인해 복구조치에 어려움이 많다. 신기술의 범위 및 내용 (1) 신기술의 범위

① 저압지중선로 활선 상태에서 누전점 활선 탐사기술 활선 상태에서 부하량, 선로 길이, 지해 매설물 등 모든 현장 여건에 상관없이 이루어지는 누전점 탐사기술로 정확도와 신뢰도가 매우 높다. 이 기술을 적용하게 되면 현행 정전 후 전면 굴착 방식에서 무정전 부분 굴착 방식으로 누전 보수 비용을 현저하게 절감할 수가 있다. ② 비대칭 구조의 AC 펄스 신호 Peak 50V 미만의 저전압을 송출하여 활선 상태에서 누전점 탐사 시에도 수용가 측의 전자기기(TV, 냉장고, 컴퓨터 등)가 소손되지 않으며, 대칭성을 가지는 Noise 신호를 쉽게 제거할 수 있도록 비대칭 구조의 AC 펄스 신호를 출력한다. 이 신호를 통하여 대지와 선로상에 존재하는 정전용량(C)에 영향을 최소화할 수 있다. ③ 수 kHz의 비대칭 AC 신호의 방향(극성) 판별 방식 이용 60Hz, 바람, 자동차 진동, 주변 소음 등의 노이즈와 다른 주파수 대역을 사용하므로 주변의 영향을 받지 않는다. 일반 노이즈는 주파수 성분이 대칭이므로 실제로 노이즈 주파수와 대역이 같아도 비대칭 AC 신호의 극성 판별 방식은 영향을 받지 않기 때문에 수신 감도를 최대한 높여 정밀한 누전 탐사가 가능하다. (2) 지중저압선로 누전점 활선 탐사기술의 알고리즘 ① 지상변압기 제2종 접지선에 발신기(Transmitter) 설치 비대칭 구조의 저압 AC 펄스는 발신기 내부 출력 측에 있는 중첩용 변성기를 통하여 변압기 중성점에 인가되며, 인가된 신호는 누전점을 통해 접지로 귀로된다. ② 수신기(Receiver)를 통한 누전점 탐사 수신기의 탐침극을 대지면에 접촉시키게 되면 누전점에 대한 좌·우 방향성이 Meter를 통해서 사용자가 인지할 수 있도록 지시하게 되며, Meter가 지시하는 방향으로 이동하면서 대지면에 탐침극을 접촉시키는 행위를 반복한다. 수신기 Meter의 좌·우 방향 지시에 따라 직선상으로 계속 이동하여 누전지점에 가까워질수록 Meter의 지시계가 강하게 반응하게 되며, 이를 통해서 누전점에 다가가고 있음을 사용자가 인지하게 된다. 누전점을 지나치면 수신기 Meter는 반대방향으로 강한 반응을 보이게 되며, 누전점을 중심으로 동서남북 어느 방향으로 수신기를 두어도 누전점을 지시하게 된다. (3) 핵심기술 상세설명 ① 비대칭 구조의 저압 AC 펄스 신호 비대칭 구조의 저압 AC 펄스 신호의 특징은 수 kHz의 일정한 주파수 값을 가지면서도 <그림 2>와 같이 주파수 값이 대칭성을 가지지 않는 특징을 가지고 있으며, 이는 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다.

· 저압 대칭성을 가지는 주파수 신호(60Hz, 통신 주파수, 자동차 진동 등)와 같은 Noise성 주파수 성분을 효과적으로 제어 할 수 있다. · DC 펄스가 아닌 AC 펄스를 사용하여, 선로와 대지간의 정전용량(C)에 영향을 최소화한다. · 대칭성을 가지는 Noise 주파수 성분과는 확연한 차이점을 가지기 때문에, 주파수 해석에서 가장 어려운 부분 중에 하나인 Filter 회로 설계를 간단하게 구성할 수 있다.

가) 발신기(Transmitter)의 중첩용 변성기를 통해 제2종 접지선으로 인가되어 대지상의 누전점에서 보여지는 신호파형 지상변압기 제2종 접지선에 중첩용 변성기를 통해서 비대칭 AC 펄스파를 인가할 경우 누전점에서 상용전원(220V/60Hz)과 비대칭 AC 펄스파의 신호합성이 일어나며, 지중저압선로 누전점이 존재하는 대지면에서 보여지는 이론적인 신호는 상기 누설전류(lg)의 오른쪽에 그려진 합성파형의 형태로 나타나게 된다.

나) 수용가 측의 전자기기(컴퓨터, 냉장고, TV 등)를 손상하지 않을 수 있는 이론적 배경 <그림 5>의 합성파형에서 중요하게 체크해야 할 점은 비대칭 AC 펄스파형이 (+)쪽으로 형성되는 것과 Peak 전압이 400V를 넘지 않는다는 점이며, 가정용 전원은 공급자(한전)가 RMS 220V/60Hz로 공급하고 있으나 실제 Peak 전압으로 환산했을 경우 그 값은 <그림 6>과 같이 311.08V가 된다.

가정용 전자기기의 경우 법률적인 기준으로 ‘전기용품 안전관리법’이 있으며, 각종 전자기기의 내전압 시험조건을 살펴보면 Peak 1000V에서 1분을 통상적인 기준으로 하고 있지만, 이는 가정용 전자기기를 기준으로 한 내전압 시험조건이며 컴퓨터와 같은 전자기기의 경우에는 써지, 낙뢰로부터 제품을 보호하고 화재를 예방할 수 있도록 자체 보호용 전자회로(바리스터)를 내장하고 있다. 상용전원에서는 800V의 전압에서 기기를 보호한다. 하지만 컴퓨터와 같은 제품의 경우에는 개별부품으로 조립되는 경우가 많아 가정용 ‘전기용품 안전관리법’의 적용을 받지 않고 업체별 자체시험만을 거치고, 800V 이하라는 규정에 의해서 일부 제품의 경우에는 400V에서 동작하는 보호용 전자회로가 내장되어 있는 경우도 있다. 또한 전자파에 민감하게 반응하도록 설계된 보호회로를 내장한 가정용 기기(컴퓨터)의 경우에는 전류, 전압의 변화에 매우 민감하게 파괴되는 특징을 보이며, Peak 400V 전압부터 매우 민감하게 반응하는 경우가 많다. 수용가 측의 전자기기 및 가정용 기기의 파손을 방지하기 위해서는 중첩용 변성기로 인해 만들어지는 합성 전압이 Peak 400V 이하가 되도록 설계해야 안전성을 확보할 수 있다. 이 기술은 가정용 전원(220V/60Hz)과 비대칭 AC 펄스파의 합산 전압값이 최대 Peak 400V를 넘지 않도록 설계하였다. +Peak 전압 : (220x 2=311.08[V])+(비대칭 AC=50V[V])=+361V Peak 50V 이하의 저전압 비대칭 AC 펄스파의 출력전압으로 설계한 가장 큰 목적은 Peak 500V에서도 기기 파손이 일어날 수 있는 수용가 측의 전자기기를 보호하여 안정성을 확보하고자 하는 이유이다.

다) 지중저압선로 누전점에서 대지검출신호 지상변압기 제2종 접지선으로 인가된 비대칭 구조의 AC 펄스 신호는 지중저압선로에 누전점에서 각종 Noise가 모두 합성된 형태의 신호로 나타나게 되며, 지중저압선로의 매설깊이와 누설전류에 따라서 수 mV~수㎶로 검출된다. <그림 8>은 실제 60Hz 상용전원과 각종 Noise 신호와 함께 검출전극를 통해서 검출되는 신호를 도시한 것으로, <그림 8>은 누전점에서 가까울 경우에 검출되는 신호 파형이며, 누전점과의 거리가 멀수록 비대칭 구조의 AC 펄스 신호의 크기는 Noise 신호와 거의 차이를 볼 수 없을 정도로 검출되게 된다.

② 비대칭 구조의 저압 AC 펄스 신호를 극성 값 을 가지는 단일 신호로 만들고, 이를 통해 (+) 또는 (-)로 판별 가능하도록 구성한 회로 Peak 50V 이하의 저전압 신호를 사용하게 되면 발생하는 가장 큰 기술적인 애로사항은 Noise 성분을 과도하게 포함되게 되어 누전점을 인지할 수 있는 신호로 사용할 수 없다는 점이다. 하지만 비대칭 구조의 AC 펄스를 지중저압신로에 인가하게 되면, 대칭성을 가지고 있는 Noise 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 Filter 회로 설계가 가능하기 때문에 1차 신호검출이 용이해지며, 극성판별회로에 구성되어 있는 핵심 기술인 피크 검출회로 및 파형비교회로를 통해서 원신호에 대한 2차 검증이 이루어지고 회로의 최종출력에서 (+) 또는 (-)로 방향성을 가지게 되기 때문에 정확한 누전점 탐사가 가능해진다. 최종파형인 극성 판별 파형은 Meter를 통해서 누전 탐사자에게 방향 식별이 가능한 형태, 즉 좌·우측의 Meter 바늘의 지시로 제공되며, 대지로부터 검출되는 신호가 매우 미약한 경우에도 활선 상태에서 정확한 누전선 탐사가 가능하게 만들어준다. (오차 ±30cm) ※ 방향성 및 누전점 확인에 대한 수신기의 회로적 알고리즘 a. 수신기가 우측으로 지시하는 경우 b. 수신기가 좌측으로 지시하는 경우 대지상으로 입력되는 극히 짧은 주기를 가지고 있는 비대칭 구조의 AC 펄스 신호를 사용자가 Meter상으로 방향성과 누전점 확인을 원활하게 하기 위해서는 극성을 가지는 신호값으로 변화시켜야 하며, 위의 전자회로 블록도는 극성판별회로를 구성하고 있는 회로 블록도이다.

<그림 10>, <그림 11>은 수신기 Meter에서 좌·우측을 가리키게 되는 알고리즘을 보여주는 것으로, 위와 같이 방향성을 가지게 되는 이유는 <그림 9>에서 보여지는 수신기에 두 탐침극이 기준전극과 비교전극으로 신호를 대지신호로 검출하기 때문이다. 기준전극은 전자 회로상에서 항상 ‘0’ 전위를 가지기 때문에 비교전극으로 검출되는 대지신호에 반응하게 되며, 신호입력부에서는 누전지점의 위치에 따라 정상파형과 역파형으로 입력된다. 역파형에 대한 이해는 전압계에서 교류신호를 측정할 경우, 같은 교류전압이 (+)전압과 (-)전압으로 나타나는 원리와 같다.

③ 신기술을 적용한 지중전압선로 활선 누전점 탐사순서 공급자(한전) 측의 지상변압기 수시점검 또는 돌발상황을 통해서 누전을 인지했을 경우, 누전탐사는 크게 1차 사전조사, 2차 정밀탐사, 3차 누전점 확인 및 복구작업으로 구분되며, 아래와 같은 단계를 통해서 누전점 탐사를 실시하게 된다. (<그림12> 참조)

신기술의 특징 및 효과 (1) 진보성 ① 활선 상태에서 정확한 누전점 탐사 가능(오차범위 약 30cm) 사선용 누전점 탐사기술에서만 가능했던 누전점 탐사의 오차범위인 약 30cm 이내의 정확도를 비대칭 구조의 AC 펄스파와 이를 효과적으로 해석할 수 있는 극성판별회로를 사용함으로써 활선 상태에서도 가능하도록 하였다. ② 대지상에서 추출되는 Noise 성분이 대칭성을 가진다는 점에 착안하여, 비대칭 구조의 AC 펄스파를 만들어 냄 대지상에는 아날로그적인 Noise 신호가 무수히 많이 흐르고 합성된 형태로 나타나게 되지만, 이를 분석해보면 일정한 대칭성을 가지고 있다는 점을 발견하여, 해소하는 방법으로 비대칭 구조를 가진 AC 펄스를 만들어내고 활선 상태에서 60Hz의 신호 합성이 일어나게 되어도 특유의 비대칭저인 구조로 검출이 용이하도록 하였다. ③ 수용가 측의 전자기기가 파손되는 Peak 400V 전압을 극복 이상적인 상용전원이 인가되었을 때를 기준으로 하면 실제 Peak 전압은 311V가 형성되지만, 실제적으로는 상용전입이 240Vac까지 인가되는 경우도 종종 존재하고 있다. 상용전압이 240Vac가 인가되는 경우에 최대 Peak는 240Vac × 1.414 ≒ 340V가 만들어지며, 합성 Peak 전압은 340V+Peak 50V=390V가 만들어지기 때문에 전자기기 내부에 존재하는 보호회로가 견딜 수 있는 최대 Peak 전압인 400V 이하로 합성전압이 형성되게 되어, 전자기기에는 아무런 문제를 일으키지 않으면서 누전탐사가 가능하게 된다. (2) 경제성 ① 지중저압선로 활선 상태에서 정확한 누전점 탐사로 누전보수비용의 현저한 절감효과 현행 누전탐사 및 보수 방식은 정전 후 전면굴착을 통한 누전 선로 전면교체를 진행하는 것이지만, 활선 상태에서 정확한 누전점을 찾는 이 기술이 적용되면 무정전 부분굴착 및 절연개선 또는 핸드홀 방식으로 누전보수방식이 개선되어, 누전발생에 따른 공급자 측의 누전보수비용이 현저하게 절감된다. ② 경제성 비교표 (<표1> 참조) 국내외 저압지중선로 활용전망 (1) 활용분야 ① 지중저압선로 누전점 보수 장비로의 활용 신기술을 적용한 활선용 지중배전선로 누전탐사기술을 사용하게 되면, 전력공급을 중단하지 않은 상태에서도 정확한 누전점을 확인하여 보수 및 수시점검 장비로 활용할 수 있다. ② 저압지중선로 돌발상황 시 복구 장비로의 활용 지중저압선로의 경우 고객 불편 및 각종 안전사고 위험성이 매우 높기 때문에 누전 발생 시 즉시 긴급 복구를 필요로 할 경우가 많다. 하지만 현재로서는 활선 상태에서 누전을 탐사할 수 있는 적정한 장비 및 기술이 개발되지 않아 신속한 복구 처리를 위해서는 많은 비용과 시간이 필요로 했다. 신기술을 적용하면 지중배전선로 활선 상태에서도 빠른 복구 처리가 가능해서 간접사고 및 안전사고를 위험성을 현저히 줄일 수 있다. (2) 기술적 파급효과 현재의 기술로는 활선 상태의 저압지중선로에서 누전점에 대한 정확한 탐사가 불가능하여 지상변압기로부터 수용가에 해당하는 지중배전선로 전체를 교체하거나 이설해야 했으며, 이로 인해 인력과 비용의 낭비가 매우 심했지만 활선용 지중배전선로 누전탐사 기술을 적용하게 되면 누전지점에 대한 정확한 누전점을 찾게 되어 인력과 비용의 낭비를 최소화할 수 있다. ① 누전으로 인한 안전사고 예방 저압지중선로 활선 상태에서도 수용가 측의 전자기기 파손을 염려하지 않고, 누전지점에 대한 확인 및 복구 조치가 가능하게 되며, 안전사고 예방차원의 점검이 가능해짐으로써 누전을 미연에 방지할 수 있다. ② 저압지중선로 누전으로 인한 보수공사에 대한 비용절감 기존의 기술로는 저압지중선로의 누전탐사를 위해서는 전력공급을 중단해야 하는 문제점이 있었으나, 이 기술을 적용하면 활선 상태에서도 누전탐사가 가능해져서 수용가 측의 피해보상액을 줄이기 위해 무정전 차량이나 기타의 방법으로 전력공급을 해야 하는 과정이 생략되므로 보수 공사에 필요한 시공비용의 과다 지출을 현저하게 줄일 수 있다. (3) 경제적 파급효과 이 기술 활선 상태에서 누전탐사를 통해 정확한 누전점을 찾을 수 없는 현재의 저압지중선로가 가지고 있는 가장 큰 취약점을 해소할 수 있으며, 이를 통해 각종 민원 방지 및 안전사고 예방을 도모할 수 있다. 또한 불필요한 외국의 고가 장비 수입을 억제하여 외화 낭비를 줄일 수 있어 대외적으로 국가 경쟁력을 강화시킬 수 있다. (4) 도급공사 수행업체에서 활용 ① 대외 신용 및 인지도 향상 저압지중선로의 보수와 수리에 따른 원가 절감으로 인하여 경영 효율이 향상되며 도급공사 시 공기단축으로 인건비 절감 및 시공 능력에 대한 대외 신용과 인지도를 높일 수 있다. 또한 쉽고 안전하게 누전 지점을 확인할 수 있으므로 작업 중에 생길 수 있는 안전사고를 방지할 수 있다. ② 경영 효율 향상 고가의 장비와 투자비 절감, 고장 및 손상에 따른 교체 비용을 절감할 수 있으므로 최종적으로는 경영 효율 향상의 효과를 볼 수 있다.