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전력설비 아크방전모니터링 광섬유센서 개발 플라스틱 광섬유 이용, 아크방전 위치 추적기술 개발 한국광기술원(원장 김영선)은 지능형 전자장치(IED: Intelligent Electronic Device) 가운데 하나인 ‘전력설비 아크플래시 방전 모니터링 광섬유센서’를 전력제어시스템 전문기업인 ㈜지투파워(대표 김영일)와 공동으로 개발했다고 밝혔다. 새로 개발된 광섬유센서 기술은 전력설비 운용과정에서 발생하는 아크방전을 정밀하게 모니터링하여 피해를 최소화 할 수 있다. 특히 아크가 발생한 위치를 검출함으로써 신속한 대응이 가능하며, 기존의 전기전자식 센서와 달리 전자기 노이즈에 의한 오작동이 발생하지 않는다. 이 연구는 한국광기술원이 산업통상자원부 에너지기술개발사업 지원으로 수행했다.
전기적 방전에 의한 아크플래시(Arc-flash)는 전력설비 분야에서 해결해야 할 난제 중 하나로 잘 알려져 있는 현상이다. 배전반 내부의 도체는 공기 등의 절연체로 분리되어 있는데, 도체간의 간극이 너무 좁거나 전계의 세기가 절연파괴 수준을 초과하게 되면, 주변 공기가 이온화되며 아크플래시가 발생한다. 고온과 고압의 에너지를 수반하는 아크플래시는 장비나 주변의 작업자에 심각한 피해를 일으킬 수 있다. 아크플래시 발생 후 50 밀리초 이상 유지되면, 배전반 내부의 금속이 녹기 시작하는 등 그 피해 규모는 시간에 비례하기 때문에 아크플래시 발생 후 전원 차단 등 후속대처가 신속하게 이루어져야 한다. 이러한 아크플
래시 사고로 인한 피해를 경감시키기 위한 방법으로 전류센서 및 차단기가 사용되어 왔으며, 압력 센서 또한 아크플래시에 의한 압력 변화를 감지하기 위해 활용된 바 있지만, 전자기적 노이즈 및 낮은 정확도로 인해 적용된 사례는 많지 않다. 최근에는 광센서가 수 밀리초 이내의 빠른 검출속도를 가짐에 따라 가장 효과적인 보호수단으로 주목받고 있다. 광센서는 포인트 센서와 광섬유를 이용한 루프, 또는 라인센서로 구분되며, 감지영역과 위치 정확도에 대해 우수한 특성을 가진다.
플라스틱 광섬유 이용한 아크플래시 검출센서 센서 설치 간소화 및 비용 절감 광기술원 연구팀은 ㈜지투파워와 공동으로 플라스틱 광섬유를 매개로 하여 아크플래시의 발생위치를 추적할 수 있는 방법을 고안했다. 일반적으로 플라스틱 광섬유는 광전송손실이 크기 때문에 역으로 외부에서 입사된 빛이 광섬유 내부로 비교적 잘 전달된다. 이에 착안하여 임의의 위치에서 발생된 아크플래시는 플라스틱 광섬유 내로 빛을 전달하게 되며, 이때의 광신호는 광섬유 내에서 모든 방향으로 진행하게 된다. 하지만, 유효한 신호는 서로 반대 방향의 광섬유 끝을 향해 진행하는 두 경로의 광신호 뿐이며, 양 끝단에 설치된 동일한 특성을 가진 광검출기를 통해 측정하면 신호세기 비율을 계산할 수 있다. 이러한 신호세기 비율과 아크플래시의 발생 위치의 관계식을 정립하여 역으로 아크플래시 발생 위치를 추적할 수 있다.
또한, 연구진은 외부에서 발생한 아크플래시의 세기가 변화하더라도 광섬유 양단에서 측정된 신호세기 비율이 일정함을 실험적으로 확인했다. 이번 연구를 통해 아크플래시를 검출하기 위한 기존 센서들의 단점인 전자기적 노이즈로 인한 오동작과 감도 저하문제를 해결하고, 특히 아크 발생에 대한 위치정보를 정확하게 제공할 수 있는 기술이 개발됐다. 또한, 플라스틱 광섬유를 이용함으로써 넓은 범위에 적용하기 용이하고, 비용과 설치 등이 간소화됨에 따라 실제 현장 적용범위가 넓을 것으로 기대된다.
전력설비 안전성 및 보호계전기술 신뢰성 향상 한국광기술원 노병섭 박사는 “기존 센서로는 아크발생 위치를 검출하기 어려웠으나, 플라스틱 광섬유를 이용한 간단한 방법으로 아크세기와 발생위치를 추적할 수 있다”고 설명했다. 광기술원 연구팀은 아래 그림과 같은 방법을 통해 아크를 검출하고, 발생위치를 추적하는 기술을 구현했다.
[그림 1] 광섬유 양단에서 측정된 광세기의 비율과 발생위치의 관계
광섬유 양단에 설치광섬유 양단에서 측정된 광세기 비율은 위치의 함수로 정의되며, 광전송손실이 일정함에 따라 외부 플래시광의 에너지와 무관하게 일정한 함수로 표현된다.
우선, 신호처리과정에서 가장 기본이 되는 플라스틱 광섬유의 광전송손실을 정확하게 측정하는 것이 중요하다. 광섬유에 입사된 빛의 세기와 단위길이를 1미터로 하여 수광된 빛의 세기를 각각 측정한 후, 그 비율로부터 광전송손실(단위: dB/m)을 계산한다. 또한, 광섬유외부 표면에 플래시광을 노출하여 검출”된 광검출기로부터 각각의 수광된 빛의 세기를 측정한다.
노병섭 박사
이때, 플래시광의 에너지는 정확하게 측정된 값이어야 하고, 각기 다른 에너지를 갖는 플래시광에 대해 반복 재현성을 확인해야 한다. 이 단계를 거쳐 획득된 데이터들로부터 양단 광검출기에서 측정된 신호비를 위치의 함수로 정의할 수 있다. 특히 두 광검출기 간 신호비는 외부 플래시광의 에너지와 상관없이 일정하게 측정됨을 실험적으로 확인함에 따라 양단 중 하나의 광검출기에서 측정된 신호크기의 절대 값을 비교함으로써 발생한 아크플래시의 세기를 측정했다.
그간 아크발생 위치와 세기를 측정하는 것은 기존 전기전자식 센서로 해결하기 어려운 문제였으나 이번 연구를 통해 광섬유센서를 이용한 비교적 간단한 방법을 적용·해결함으로써 보호계전기술의 안전성과 신뢰성 향상이 가능하여 향후 다양한 전력설비에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
[그림 2] 아크방전모니터링 광섬유센서
<Energy News>
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