345kV 송전선로 활선애자 건식청소용 로봇공법

345kV 송전선로 활선애자 건식청소용 로봇공법 ㈜대홍전력 (051)941-2332/www.dhep.co.kr 한국전력공사 (042)865-7680/www.kepco.co.kr 개요 1. 개발 동기 국가 기간산업의 대동맥이라 할 수 있는 초고압 송전설비는 송전철탑과 송전선으로 구성된다. 그리고 송전철탑에는 송전선로 간 일정한 장력을 유지하면서 철탑과 송전선 간 전기적 절연을 유지하는 역할을 하는 애자가 장착되어 있다. 그러나 애자 표면이 심하게 오염되거나, 특히 염해지역의 경우 애자 표면에 염분이 부착되어 애자가 절연기능을 상실하게 되면 전력공급이 중단되는 광역 정전 고장이 발생할 수 있다. 이는 산업·경제적 측면뿐만 아니라 국가안보 측면에도 상당한 악영향을 끼치므로 이러한 사고를 방지하기 위해 한국전력공사에서는 염해 오손등급에 따라 일정주기로 송전선로의 애자를 청소하고 있다.(<표 1> 참조)

[표 1] 오손등급에 따른 애자 청소 주기(단위 : 회/년)

하지만 초고압·고소에서의 작업은 사회적인 3D 기피현상과 맞물려 향후 전문인력 확보가 어려울 것으로 전망된다. 따라서 작업 여건 개선을 통해 애자 청소의 작업 효율을 더욱 향상시키면서 작업자를 보호하여 불시정전 사고를 미연에 방지할 수 있는 활선애자 청소용 로봇공법의 개발이 매우 필요한 실정이다. 2. 기존 기술의 문제점 ⑴ 기존 애자 청소 방법 ① 일본 특허 JP1176613, JP3077214, JP7045147, 미국 특허 US5041164 등 ② 기존 송전선로 애자 청소는 주수식(注水式) 세정방식으로, 철탑이 위치한 산악지역에 물을 운반하여 RA형 또는 RB형의 엔진 펌프와 호스로 물을 분사하여 세정한다. ③ 주수식 애자 청소는 세정 효율도 떨어지고 많은 양의 물을 필요로 하므로, 주로 산악지대에 위치한 송전선로의 애자 청소에는 활용하기 어려울 뿐 아니라 도심지에서는 청소 시 발생하는 비산수(飛散水)로 인해 민원이 제기될 우려가 있다. ⑵ 수동식 활선애자 세정기 ① 일본 특허 JP2003217374, JP8106829 등 ② 수동식 세정기의 가장 큰 문제는 345㎸ 송전선로와 같이 애자련의 길이가 매우 긴 경우에는 절연봉 길이도 길어져 조작이 매우 어렵다는 것이다. ③ 수동식 활선애자 세정기는 154㎸급 이하에서만 제한적으로 사용된다. ⑶ 활선애자 세정로봇 ① ㈜일본애자(NGK Insulators,Ltd.)는 애자를 세정하기 위해 물과 압축공기를 사용하는 활선애자 청소 로봇을 개발하였으며, 이 세정로봇은 주부(中部)전력과 시코쿠(四國)전력 등에서 사용된다. ② 중국은 물과 브러시를 함께 사용하는 500㎸ DC 송전선용 애자 청소로봇을 개발했다. ③ 이탈리아에서도 물을 분무하는 방식의 애자청소 로봇 시스템을 개발한 사례가 있다.(이탈리아 특허 IT1226414 및 미국 특허 US5119851) ④ 이와 같은 기존의 애자 청소로봇은 애자 청소에 물을 사용한다는 공통점을 가진다. 따라서 세정을 충분히 하기 위해서는 많은 양의 물이 필요한데, 이로 인해 송전선로가 산악지대나 해상에 위치한 경우 그 적용과 운용에 사실상 어려움이 있었다. 또한 로봇에 물 탱크와 물 분사 기구들을 탑재해야 하므로 기구부의 경량화가 어려운 실정이다. 3. 개발 목적 및 필요성 ⑴ 기술적 측면 ① 효율 및 작업 능률 향상 기존의 주수식 세정방식은 세정효율이 떨어지고 높은 곳에서 수작업으로 작업하므로 작업 능률 또한 저조했다. 양질의 전기를 안정적으로 공급하기 위해서는 세정효율이 우수하고 작업 능률이 기존 방식보다 10배 이상인 로봇을 이용한 애자청소 방법을 채택해야 한다. ② 국내 기술 발전 현재 국내 메카트로닉스 분야와 로봇 본체 설계제작 분야 및 컴퓨터응용 분야에서 기반기술이 지속적으로 발전함에 따라 송전선로 애자 청소를 원격으로 수행하는 장비 개발이 가능해진 상태다. ⑵ 산업·경제적 측면 ① 송전선은 국가 기간산업의 중추를 이루고 있으므로 이들 송전선에 고장이 발생하여 불시에 정전될 경우 산업·경제적 측면은 물론, 국가안보 측면에도 상당한 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 첨단기술의 산물인 로봇을 적극 활용하여 애자 청소 작업 능률과 세정효율을 향상시켜 불시 정전사고를 미연에 방지하는 적극적인 예방 정비 기법의 개발이 필요하다. ② 최근 국내외적으로 만연한 3D작업 기피현상과 맞물려 활선애자 청소 또는 정비에 우수한 인력을 확보하는 것이 어려운 실정이므로 로봇을 이용하여 극한작업을 수행하는 능동적인 대처 능력이 필요하다. ⑶ 정책적 측면 국가가 중점적으로 육성하고자 하는 10대 차세대 성장동력 산업 중 하나인 ‘지능형 로봇’ 분야에 극한작업용 로봇이 포함되어 있다. 4. 기대 효과 ⑴ 기술적 측면 ① 송전선로의 안정 운용에 기여 개발된 로봇은 회전 브러시를 장착한 건식청소 방식이므로, 기존 주수식 세정방식 적용이 어려운 지역에서 유용할 것으로 기대된다. ② 작업 효율성 향상 현행 주수식은 분당 약 100리터의 물을 분사하지만 로봇은 건식청소 방법을 채택하여 물이 필요 없으므로 험한 산악지대나 해상 철탑에서 매우 유용하다. 또한 주거지가 밀집되어 있는 도시에서는 비산수로 인한 피해도 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다. ③ 작업 안전성 제고 현행 주수식은 물의 고유저항 불량과 노즐 마모 또는 애자의 심각한 오염 등 상황에 따라 작업 도중에 섬락현상이 발생하여 작업자에 위험을 초래할 수 있지만, 로봇을 적용하는 경우에는 로봇을 무선통신장치로 원격 제어하므로 작업자 안전을 한층 제고할 수 있다. 개발된 로봇을 이용하는 경우에는 청소 중 물이 흘러내리지 않으므로 특히 고염해 지역에서 애자 청소를 안전하게 수행할 수 있다. ⑵ 산업ㆍ경제적 측면 ① 작업 능률 향상으로 인한 경비절감 현행 주수식에서는 345㎸ 송전선로 애자 청소에 활선 전공 1명과 보통 인부 2명이 하루 50개의 애자를 청소(표준품셈 참조)할 수 있지만, 이 개발 기술의 경우에는 한 대 로봇으로 하루 600개 정도의 애자를 세정할 수 있어 연간 60억 원 이상의 경비를 절감할 수 있을 것으로 기대된다. ② 애자 청소는 애자 고장으로 인한 송전선로 불시 정전사고를 예방하는 차원에서 실시된다. 따라서 로봇을 이용하여 청소를 수행하게 되면 불시 정전 횟수를 절반 정도로 감소시킬 수 있을 것으로 예상되어, 국가 산업 및 경제적 측면에서 크게 기여할 것으로 기대된다. ⑶ 정책적 측면 10대 차세대 성장동력 산업(과학기술 발전을 위한 국가전략분야) 중 하나인 ‘지능형 로봇’ 분야에 극한 작업용 로봇이 포함되어 있어, 초고압의 극한상황에서 운용되는 로봇 설계, 제작 및 원격 제어부분 핵심 요소기술 확보에 크게 기여할 것으로 기대된다. 신기술 개요 개발한 애자청소로봇(INsulator Cleaning RObot, 이하 INCRO)은 애자 표면에 부착된 염분이나 분진을 청소하는 로봇이다. ‘345㎸ 송전선로 활선애자 건식청소용 로봇공법’은 기존 주수식 애자 세정방법과 달리 애자련을 따라 자율적으로 이동하면서 애자 표면을 새로운 건식 청소방식으로, 직접 청소하는 기능을 가진 INCRO 로봇을 이용한 송전활선 공법이다. INCRO 시스템 구성품은 <표 2>와 같다.

[표 2] 로봇 시스템 구성품

신기술 내용 1. 로봇 메커니즘 ⑴ 동작 원리(개념)

[그림 1] 로봇 이동 메커니즘 기본 구조(개념)

<그림 1>은 로봇 이동 메커니즘을 개념적으로 설명하고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 로봇의 이동 메커니즘은 크게 고정부 프레임과 이동부 프레임의 2부분으로 이루어져 있다. 애자 간 이동 작업은 볼스크류를 통한 각 프레임 간 상대적인 직선운동과 각 프레임에 장착된 클램프를 이용하여 애자의 자기부분(Porcelain Skirt)을 번갈아 잡으면서 이동하는 스커트 클램프(Skirt Clamp)방식을 채택했다. 이 방식은 포획 애자수가 2개 이내로 기존 메커니즘에 비해 절연 측면에서 우수하며, 기구부가 프레임(Frame)을 겸하므로 구조가 간단해져 로봇의 경량화가 가능하다.

[그림 2] 로봇 청소 동작의 순서도

또한 건식청소 방식을 구현하기 위하여 <그림 2>과 같이 2개의 회전 브러시가 장착된 CM 가이드(Circular Motion Guide)를 회전시켜 청소 작업을 수행하는 메커니즘을 고안하였다. 그림에서 애자의 음영 부분은 청소가 이미 수행된 면을 나타내는데, 브러시 모가 장착된 회전 브러시를 작동시키면서 CM 가이드를 반시계(CCW) 방향으로 회전시킨 후 시계(CW) 방향으로 회전시키면 모든 애자 면을 청소할 수 있음을 알 수 있다. ⑵ 이동 메커니즘

[그림 3] 이동 메커니즘의 상계 설계

<그림 3>은 로봇 이동 메커니즘을 상세 설계를 통해 실제로 구현한 모습이다. 이동 메커니즘은 크게 고정부, 이동부(베이스프레임으로 이 위에 CM 가이드가 장착됨), 볼스크류 구동부, 클램프, 스키드바 등으로 구성된다. 이는 볼스크류를 통해 고정부와 이동부 간의 상대 운동이 가능한 구조다. 클램프는 RC 서보모터를 통해 구동되는 2개의 링크 구조로서, 애자를 잡기 위해 클램프가 완전히 닫혔을 때 즉, 클램핑할 때에는 2자유도 링크가 특이점(Singularity)에 빠지도록 설계했다. 그리고 로봇이 애자련 위를 이동할 때에 쉽게 미끄러지도록 프레임 중앙에 스키드바를 장착했다. ⑶ 청소 메커니즘 청소 메커니즘은 이동부 베이스프레임 위에서 베벨기어-평기어의 조합으로 구동되는 CM 가이드, CM 가이드의 움직임을 보조하는 가이드 롤러, CM 가이드에 장착된 2개의 회전 브러시로 구성된다.(<그림 4> 참조) 브러시의 개폐 동작에는 RC 서보 모터를 사용했고, 브러시의 회전에는 소형 DC모터를 사용했다.

[그림 4] 청소 메커니즘의 상세 설계

특히 회전 브러시에는 <그림 5>와 같은 기계화 브러시 모(Mechanized Brush Bristles) 세트 2조가 180° 간격으로 장착되어 있어 복잡한 굴곡 형상의 밑면을 가지는 애자 청소에 적합하다.

⒜ 브러시 모가 펼쳐졌을 때 ⒝ 브러시 모가 접혀졌을 때 [그림 5] 기계화 브러시 모 세트

이 기계화 브러시 모 세트는 회전 브러시에 장착되는 취부금구와 브러시 모 사이에 전후 회전이 가능한 접이식 프레임바, 좌우 회전이 가능한 모 지지대를 연결하여 브러시 모를 유연하게 움직일 수 있도록 하였다. 따라서 기계화 브러시 모 세트는 회전 브러시가 회전하는 동안 원심력에 의해 <그림 5> ⒜와 같이 펼쳐지면서 브러시 모가 복잡한 굴곡 형상의 애자 홈을 따라 자유롭게 좌우로 이동할 수 있다. 따라서 애자 홈 측면과 브러시 모 사이에서 발생하는 불필요한 마찰을 최소화하여 전력 손실을 줄일 수 있고, 브러시 모가 부러지는 것을 방지할 수 있다. 또한 이 때 접이식 프레임바 양단의 돌출부가 취부금구의 턱에 걸리도록 하여 브러시 모 방향이 항상 애자 표면에 수직이 되게 하여 청소 효율을 향상시킬 수도 있다. 아세탈과 같은 적당한 탄성을 갖는 재질의 모 지지대는 브러시 모가 과도하게 구부러지는 것을 방지하여 브러시 모를 보호할 뿐만 아니라, 회전 브러시의 원활한 회전을 도움으로써 청소 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 기계화 브러시 모 세트는 회전 브러시의 비회전(非回轉) 시에는 수납의 용이성을 위하여 접이용 스프링에 의해 각각 회전 브러시의 축방향과 원주방향으로 접혀진다.(<그림 5> ⒝ 참조) 다양한 실험을 통해 브러시 모에는 최종적으로 스텐(SUS) 편사를 적용했다. ⑷ 결합 메커니즘을 통한 내장형·현수형 INCRO 구현 실제 애자련에 적용하기 위해서는 전술한 메커니즘으로 구성된 로봇의 윙 구조 2개와 이들을 연결해 줄 결합 메커니즘이 필요하다. 현수애자련의 경우 로봇을 애자련에 장착하려면 로봇의 윙 구조를 개폐할 수 있는 결합 메커니즘이 필요하다. 이를 위해 <그림 6> ⒜와 같이, 일종의 캠(Cam)-팔로우어(Follower) 구조를 사용하는 결합 메커니즘을 고안했다. 레버를 당겨 회전시키면 레버와 링크로 연결된 LM 가이드(Linear Motion Guide)가 직선 운동을 하게 되고 LM 가이드의 슬라이더(Slider)에 장착된 랙이 직선 운동을 하게 된다. 이 움직임은 피니언 기어의 회전운동으로 변환되고, 피니언 기어는 팔로우어와 결합되어 있기 때문에 최종적으로 팔로우어가 회전하게 된다. <그림 6> ⒝는 팔로우어 회전에 따른 캠의 움직임을 나타낸 것이고, <그림 6> ⒞는 설계된 결합 메커니즘을 이용한 로봇 윙의 개폐 동작을 나타낸 것이다.

(a) 결합 메커니즘 (b) 팔로우어 회전에 따를 캠의 움직임 (C) 로봇 윙의 개폐 [그림 6] 현수애자련용 INCRO

내장애자련은 애자 2련이 병렬로 연결되어 있기 때문에 현수애자련과 같은 복잡한 윙 개폐 메커니즘을 필요로 하지 않고 두 윙 구조를 단순히 연결해주면 된다. <그림 7>은 설계 및 제작된 내장애자련용 로봇을 나타낸 것이다.

[그림 7] 내장애자련용 INCRO

2. INCRO 제어 시스템 INCRO의 제어 시스템은 크게 로컬 제어 시스템과 호스트 제어 시스템으로 구성된다.(<그림 8> 참조) 로봇 원격제어용 호스트 제어 시스템으로는 제어기 자체 성능과 철탑 위에서 운전해야 하는 작업환경을 고려하여 소형 태블릿 PC(Tablet PC)를 채택했다. 로컬 제어 시스템은 Atmel사의 마이크로컨트롤러인 ATmega128을 이용하여 구성되는 임베디드 시스템으로, INCRO에 장착되어 로봇을 직접 제어하며 로봇이 처리하는 I/O를 모니터링한다. 호스트 제어 시스템과 로컬 제어 시스템은 무선 랜 방식으로 데이터를 주고받는다. 호스트 제어 시스템은 윈도우즈 기반 태블릿 PC상에서 구현되어 사용자에게 MMI 등을 제공하고, 무선 랜 통신을 통해 로컬 제어 시스템에 명령 커맨드를 주어 로봇의 운전 데이터 등을 받아 관리하게 된다.

[그림 8] INCRO 제어 시스템 구조

현수애자련용 로컬 제어 시스템은 3개의 마이크로컨트롤러를 채용하여, 크게 마스터 제어기와 로봇의 좌우 윙을 위한 2개의 슬레이브 제어기로 구성되도록 설계했다. 마스터 제어기와 슬레이브 제어기 간 인터페이스는 각 제어기 입장에서 별도의 I/O 포인트 추가가 필요한 결선을 통한 I/O 처리 대신 별도의 I/O 추가가 필요 없는 시리얼 통신(RS-485)을 통해 서로 데이터를 주고받는 구조를 취하도록 했다. 한편 내장애자련용 로컬 제어 시스템은 2개의 마이크로컨트롤러를 채용하여 주 제어기와 RC 전용 제어기로 구성된 일체형 제어기로 설계하였다. 주 제어기와 RC 전용 제어기 간 인터페이스는 별도의 I/O 추가가 필요 없는 시리얼 통신(I2C)을 통해서 서로의 데이터를 주고받는 구조를 취하도록 하였다. 3. INCRO의 제어·감시 소프트웨어 INCRO의 소프트웨어는 사용자 인터페이스와 실시간 로봇 원격제어 및 감시기능을 수행하는 IncroTeleOp, 서보 시스템에 설치되어 로봇을 직접 제어하는 IncroRobot 소프트웨어로 구성된다. <그림 9>는 프로그램들의 기능, 처리 절차와 데이터의 흐름을 나타낸 것이다. IncroTeleOp 프로그램은 소형 태블릿 PC 상에서 구현되고 각각의 애자련 특성에 맞춘 현수애자련용과 내장애자련용의 2종류가 있으며 철탑 정보, 로봇 제어기, 로봇 정보의 3가지 모드로 구성된 사용자 인터페이스를 제공한다.

[그림 9] INCRO 제어/감시 소프트웨어 구성

IncroRobot은 로컬 제어 시스템에 탑재되는 제어 프로그램으로, Atmel사의 마이크로컨트롤러인 ATmega128 상에서 구현된다. 프로그램은 C로 구현되며 AVR-GCC를 이용하여 컴파일되고, ISP를 통해 ATmega128에 다운로드된다. IncroRobot는 주로 로봇을 제어·감시하고, 호스트 제어 시스템과 통신하거나 로봇 언어를 번역한다. 4. 설치·철거 기구의 메커니즘 및 사용 방법 국내 345㎸ 철탑은 상부에 선로가 있을 경우 이격거리가 확보되지 않기 때문에 철탑 암 끝부분까지 작업자가 진입할 수 없는 구조다. 따라서 개발 기술을 활선 상태의 애자련에 실제로 적용하기 위해서는 작업자 안전을 고려하여 원거리에서 INCRO를 애자련에 설치하기 위한 설치·철거기구가 필요하다. 이 설치·철거 기구는 철탑 암에서 탈착이 용이하고 사용하기 쉽다. 게다가 각각의 애자련 특성에 맞게 몇 가지 부품만 교체하면 내장애자련과 현수애자련에 모두 사용 가능하도록 설계, 제작했다.

[그림 10] 설치·철거 기구의 기본 개념 설계

<그림 10>은 고안된 설치·철거 기구의 기본 설계를 나타낸 것이다. 절연봉과 상하부 로프 풀러(Puller)는 상하부 고정금구를 연결하는 지지대를 감싸는 원통형 금구에 설치되는데, 이 원통형 금구는 상하부 고정금구를 연결하는 지지대 축을 중심으로 회전할 수 있다. 상부 로프 풀러와 하부 로프 풀러는 각각 상부 로프와 하부 로프를 풀거나 감아서 INCRO의 위치를 결정하게 된다. 로프 풀러에는 래칫(Latchet)이 설치되어 있어서 역방향으로는 풀리지 않는다. 아킹혼 회피기구는 내장애자련 작업 시 아킹혼을 떼어내지 않고도 설치 및 철거작업이 가능하게 하며, INCRO는 인양 고리에 의해 설치 및 철거 기구로부터 결합되거나 결합이 해제된다.

설치된 현수애자련용과 내장애자련용 설치·철거기구의 길이는 2,300㎜(L)×1,520㎜(H)×ø40㎜이고, 무게는 10㎏이다. 이 설치·철거기구를 로봇으로 설치 및 철거할 경우 3명의 작업자(활선 전공 2명, 보조 1명)가 필요하며 소요 시간은 2분 내외다. 이 기구는 애자의 중심으로부터 약 2.5m(절연봉 길이에 해당) 정도 떨어진 철탑 암에 상하부 고정금구로 설치된다. <그림 11>, <그림 12>에는 각각 내장애자련용과 현수애자련용 설치·철거 기구를 이용한 로봇의 설치 과정을 나타냈다. 철거는 설치의 역순으로 시행하면 된다. 5. 이동 장비 제작 개발된 로봇 시스템을 현장 적용하는 데 있어, 송전철탑 현장까지 일반 차량의 진입이 가능한 경우에는 문제가 되지 않지만 그 외 이동로가 협소한 경우에는 로봇 및 설치기구 등의 장비를 안전하게 이송하기 위한 이동 장비가 필요하다. <그림 13>은 이러한 목적으로 제작된 로봇 이송용 보관함과 동력 운반 기구를 나타낸 것이고, <표 3>은 동력 운반기구의 제원을 나타낸 것이다. 차량 하부에는 로봇 및 설치기구 등을 철탑 하부에서 철탑 암까지 이송하기 위해 사용하는 윈치가 장착되어 있다. 애자(Insulator) 가공 송배전 선로나 통신선로에서 전압이 걸려있는 전선을 절연시켜 지지물에 취부하기 위하여 애자를 사용한다. 가공 선로용 애자는 가혹한 기상조건에 충분히 견뎌야 하고 전기적, 기계적 특성을 확보해야 하며 상당 기간동안에도 특성의 저하를 일으키지 않는 내구성도 지녀야 한다. 애자가 구비해야 할 일반적인 조건은 다음과 같다. ① 선로의 상규전압에 대해서는 물론 사고로 발생되는 내부 이상전압에 대해서도 충분한 절연내력을 가질 것 ② 경오손 상태 하에서도 상규전압 및 이상전압에 대한 전기적 특성을 갖고 누설전류가 적을 것 ③ 전선의 자중, 바람, 눈 등의 외력에 대하여 충분한 기계적 강도를 가질 것 ④ 온도 및 외력의 급변에서도 전기적, 기계적 특성을 유지하고 급격한 열화현상이 발생하지 않아야 한다. 애자의 종류는 재질, 형태, 용도, 결합 방법 등에 따라 여러 가지 종류로 나누어지며, 제작 방법에 따라 분류되기도 한다.