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초고압 송전선의 무정전 점검 로봇
2011년 11월 4일 (금) 15:58:36 |   지면 발행 ( 2011년 10월호 - 전체 보기 )



전력회사의 가공 송전선 선로 길이(긍장亘長)는 수천~수만㎞에 이른다. 이러한 송전선은 정기적으로 점검이 이뤄지며, 송전을 정지한 상태에서 작업원이 전선 위를 이동하면서 육안 점검하는 방법이 일반적이다(<그림 1> 참조). 그러나 공급 신뢰도 측면에서 송전선 정지 시기에 제약이 있다 보니 점검 시기가 집중되고, 고령화에 접어든 작업원이 많아 향후 인재 확보에 어려움이 있는 등의 과제가 있다. 이 때문에 단도체 가공 송전선을 대상으로 한 비디오 점검 장치를 과거에 개발했었다.
그러나 초고압 다도체 송전선에서는 스페이서 등 부속품을 피해 주행하는 동작이 필요하기에 점검장치를 개발하는 데 난관이 됐다. 이번에 이러한 동작기능(애크러뱃Acrobat이라고 함)을 갖추고 자율 주행도 가능한데다 500㎸송전선에서도 송전상태에서 다도체 송전선을 점검하는 장치(이하, '점검로봇')를 개발했다.

개발한 점검 로봇의 구조와 특징
점검 로봇의 구조 | 개발한 점검 로봇 외관은 <그림 2>와 같다. 초고압(500㎸ 설계) 다도체 전선(1상당 전선 수는 2, 4줄 등 복수複數 전선으로 구성)용으로 개발했으며, 전선에 매달린 상태에서 동작, 주행하는 방식이다.
로봇은 주행용 바퀴인 '풀리', 풀리와 아래쪽을 연결하는 '베이스', 배터리와 CPU 박스를 총칭한 '카운터웨이트', 카운터웨이트 위치를 조정하는 '머니퓰레이터'로 각각 구성된다. 또한, 점검용 카메라와 레이저 센서를 내장한 '전선 점검 센서'는 전선에 설치와 분리가 자유롭다. 다도체 중 윗선 2줄에 풀리가 걸리며, 자체 무게(전체 약 80㎏)를 지지하는 동시에 풀리에 내장한 구동 모터의 토크로 주행한다. 머니퓰레이터의 양 끝에도 구동 모터를 탑재해 머니퓰레이터를 자유롭게 회전시킨다.

장해물 우회 동작 | 다도체 송전선에서 주행 장해물은 전선 간격을 유지하는 스페이서, 현수 애자 장치 등이다. 점검 로봇은 이러한 장해물을 피해 주행 가능한 동작 기능을 첨가한 것이 큰 특징이다.
이 동작으로 맨 아래쪽에 있는 카운터웨이트 위치를 조정함으로써 로봇의 중심 위치를 이동시키고 로봇 전체의 기울기를 바꿔 한 쪽 풀리를 전선에서 띄울 수 있다. 이렇게 해서 현수 애자 장치 등 전방장해물을 피해 주행하며, 연속 전선 점검이 가능해졌다.
우회 동작 순서를 상세히 설명하면 다음과 같다.
① 카운터웨이트를 후방으로 이동시키면 중심이 뒤편에 집중돼 전방 풀리가 전선에서 뜨게 된다.
② 전방 풀리를 90°회전한 후 전진시켜 장해물을 통과시킨다.
③ 전방 풀리를 회전해 전선 위치로 되돌리고 카운터웨이트를 중앙까지 이동시켜 전선에 싣는다.
④ 후방 풀리도 중심을 전방으로 이동시켜 동일한 순서로 행한다.
또한, 이 동작은 전선이 기울어진 상태에서도 가능해야 하기에 <그림 3>과 같이 전선을 30°로 기울인 모의 선로에서 동작을 확인했다.

개발 목표 | 점검 로봇의 개발 목표는 사내社內가공 송전 설비의 실태 등을 고려해 <표 1>과 같이 설정해 개발에 몰두했다. 또한, 실제 규모와 동일한 시험용 송전선이나 실제 송전선을 사용해 실증 시험을 했으며, 개발 목표 이상의 성능을 확인했다.
개발 목표 가운데 로봇의 주행 속도는 현재 작업원이 공중에서 육안 점검하는 것과 동등 이상의 점검 속도를 목표로 했다. 또한 원격 조작·원격 감시를 위한 무선 교신 거리는 철탑의 경간 거리 정도면 실제 작업에서 충분히 활용 가능할 것으로 판단해 약 450m를 목표로 했으나, 실증 시험에서 2배에 가까운 거리에서 무선 교신이 이뤄졌다.

실드 대책 | 송전 상태인 전선 위에서 점검 로봇이 송전선에 직접 접촉한 상태로 주행해 카메라 촬영을 해야 하므로 실드 대책을 세웠다. 구체적으로 로봇에 고전압이 걸려도 정상 동작하도록 CPU와 배선류를 금속박으로 실드하고 파이프와 박스에 내장했다. 이로써 로봇은 항상 송전 전압과 같은 전위상태가 되며, 이상 방전을 방지하는 동시에 금속박의 차폐 실드 효과로 코로나 노이즈가 내부로 퍼지는 것을 막는다. 과전 시험, 대전류 시험을 통해 성능을 평가했으며, 문제 없음을 확인했다.

점검 로봇 조립 | 산간 지역 운반을 고려해 로봇은 각 부품으로 분해돼 있으며, 철탑 부지에서 조립하고 상태 확인 후 철탑 상부로 끌어 올린다(<그림 4> 참조). 각 부분의 연결·조립은 슬라이드 방식에 따라 하며, 배선 접속은 커넥터를 이용해 간단히 분해·조립하게끔 했다.

점검 로봇 조종 | 점검 로봇 조종은 작업원이 지상에서 원격 조작으로 한다. 조종용 카메라 영상을 지상으로 실시간 전송하기에 멀리 떨어진 위치에서도 영상을 보면서 로봇의 자세나 주행 위치를 감시할 수 있다. 또한, 점검 로봇의 아래 부분에 설치한 발광다이오드의 발광 상태로 전원 상태와 무선 교신상황을 확인한다. 게다가 자율적인 동작은 물론, 스위치 조작 하나로 다양한 동작 명령을 내리는 것도 가능하다. 한편, 무선 방식으로 원격 조작하는 과정에서 예기치 못한 사태로 발생할 수 있는 무선 고장을 고려해 무선 시스템을 이중화하고 예비 기기도 보유했다.
촬영한 영상은 점검 로봇 아래쪽 기록계(Recorder)에 보존하는 방식을 택했으나, 앞으로 지상에 송신하면서 주행하는 것도 검토해 나갈예정이다.

전선 점검 기능 | 전선 점검 센서에 전선 외관을 촬영하는 카메라와 전선 바깥지름을 측정하는 레이저센서를 탑재했다. 조종용 카메라를 경간 스페이서 외관 촬영에도 이용해 스페이서 전경이나 전선 파지부把持部를 상세히 점검한다. <그림 5>는 카메라로 촬영한 전선 표면 화상을, <그림 6>은 조종용 카메라로 줌Zoom을 한 외간 스페이서 전체 화상을, <그림 7>은 경간 스페이서 파지부의 확대 화상을 일례로 나타낸 것이다. 전선의 소선 상태, 스페이서 파지부의 상태 등을 선명한 화상으로 확인 가능하기에 이상 유무를 판정할 수 있다.
한편, 전선 표면의 이상 유무 판정에는 화상 처리시스템을 적용해 우선 시스템으로 자동 판정시킨 후 최종 확인은 사람이 하도록 했다.

점검 로봇의 실증 시험 상황
점검 로봇의 개발 각 단계에서 실제 규모와 동일한 시험용 송전선이나 실제 송전선을 사용해 실증실험을 하고 성능을 평가했다. 과전 상태에서의 동작 확인은 일본 전력중앙연구소의 시오바라[塩原] 시험선을 사용해 실제 규모의 송전선 주행 시험을했다(<그림 8> 참조). 시험선의 전압을 500kV 상당까지 과전해 각 부분의 동작 상황을 확인했으며, 고전압으로 말미암은 영향도 없이 로봇은 매 분 최대 28m 속도로 주행했다. 이는 조작원이 공중에서 육안 점검하는 것과 동등 이상의 속도다. 또한, 전선 점검 센서의 촬영 정밀도도 양호했으며, CCD 카메라로 전선 바깥쪽 둘레를 선명하게 촬영해 전선에 있는 아주 작은 흔적까지 검출했다. 레이저 센서로는 0.1㎜ 단위의 전선 바깥지름 변화를 검출했다.

다음 단계로 현수 애자 장치를 우회하는 동작을 검증한 결과, 약 5분 만에 별 어려움 없이 실현했다.
이러한 동작은 매뉴얼 조종이 아닌 반자동으로 조종할 수 있도록 프로그램을 제어해 조종자의 부담을 낮췄다. 이미 설명한 대로 무선 통신 거리는 740m까지 확인했으며, 산간 지역 등 전망이 나쁜 경간에서도 조종자의 이동 부담을 줄이고 카메라영상을 보면서 조종하는 것이 가능하다. 한편, 이와 같은 실증 시험은 전선 표면의 영상 데이터 수집, 작업성 확인 등을 겸해, 시험을 실시하는 송전선을 바꿔가며 실시했다.
점검 로봇을 송전 상태의 전선에 설치하는 공법점검 로봇을 500kV 송전 상태 전선에 안전하면서 효율적으로 설치하기 위해 다음 절차를 따랐다.
① FRP(섬유 강화 플라스틱), 구리 관으로 구성한 장척長尺의 절연봉을 준비해 탑 위에까지 끌어 올린다.
② 끌어 올린 절연봉을 탑 본체 쪽에서 전선 쪽으로 넘어뜨려 철탑과 전선 사이에 다리를 놓는다.
③ 로봇을 절연봉에 설치해 절연봉 위를 따라 주행하면서 전선 부근까지 이동한다.
④ 카운터웨이트 등으로 중심 이동하면서 절연봉에서 전선으로 옮겨 탄다.

실제 철탑에서 검증한 결과, 절연봉 조립에서 전선 설치까지 공정은 안전성을 확보하는 동시에 충분히 실용성이 있는 것으로 확인했다. 절연봉에서 전선으로 옮겨 태우는 과정에는 절연봉 끝까지 한쪽 바퀴로 주행해 이동한 뒤 장해물 우회 동작을 응용한 덕분에 전선까지 이동이 가능했다. 한편, 추락방지용 호크는 절연봉 위를 주행하는 중에도 제 기능을 하도록 고안했다. 이상의 성과를 바탕으로 이번에 개발한 공법을 현장에서 활용하도록 기본 작업 순서를 표준화했다.

점검 로봇 동작 시 상태 감시
주행 시 균형 제어는 관절부의 각도 센서, CPU의 자세 센서로 항상 안정된 균형을 자동으로 유지한다(<표 2> 참조). 이 상태는 점검 로봇의 원격 조종 시에도 주변 컴퓨터 화면으로 로봇의 자세 상태를 확인할 수 있다. 아울러 로봇 각 부분의 가열 유무, 전류 통전 상황, 배터리 상태, 추락 방지용 호크 상태 등을 컴퓨터 화면으로 확인 가능하다.

*

이전부터 다도체 송전선의 부속품을 우회해 주행하는 기능을 검토했으나 좀처럼 실현이 어려웠다.
이번에 개발한 로봇은 이러한 동작을 실현한 데 이어 송전 상태에서도 전선 표면 점검이 가능하다. 이러한 점검 툴 개발에 목표를 세웠던 것은 앞으로의 요구에 맞춰 다양한 응용 가능성이 있으며, 이로써 더욱 더 발전할 것으로 판단했기 때문이다. 또한, 탑재한 센서의 데이터를 연속해 수집할 수 있어 새로운 점검 기술 개발을 고안할 가능성도 있다.

정리 전화영 기자

<Energy News>

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