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이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.갤러핑 진동 감시에 효과적인 저비용형 전선 거동계측장치도쿄전력주식회사 기술개발연구소 송변전기술그룹_사이토 토시유키(齊藤 幸) 전력유통본부 공무부 송전그룹_미츠즈카 히로아키(三塚洋明)송전선은 여러 지역을 경유하여 통과하기 때문에 지역에 따라서는 혹독한 착설빙(着雪氷)현상을 만나는 경우가 많다. 예를 들면 전선에 빙설이 부착되어 설계된 위치보다 더 많이 늘어져버리는 전선수하(電線垂下), 드물게는 부착된 눈이 한꺼번에 떨어져내려 전선이 튀어 오르는 스리트 점프, 빙설이 부착된 전선에 강풍이 불 경우 드물게는 전선에 큰 양력(揚力)이 발생하여 지속적인 자려 진동(갤러핑)이 되는 경우 등이다. 그 동안 갤러핑은 발생 지점에 대한 특별한 지정이 어렵고 장시간 진동이 계속될 경우에는 볼트가 느슨해지는 등 설비에 미치는 영향이 문제가 되었다. 이처럼 갤러핑의 실태를 파악하는 것은 설비보수에 있어서 매우 중요하다. 이 글에서는 (주)제이파워시스템즈와 공동으로 개발한 갤러핑과 같은 송전선의 이상 진동을 파악하는 저비용형 전선거동계측장치를 소개한다.과거의 갤러핑 관측장치지금까지의 갤러핑 관측에는 램프 표적을 이용한 ITV 화상해석기술과 애자 연장력 변동 해석기술, 광 파이버 자이로를 이용한 해석기술 등이 실시되어 왔다<그림 1>. 그러나 ITV 화상해석기술로는 강설에 의한 갤러핑 진동을 확인하기 어렵고 장력변동 해석기술로는 전선의 거동(궤적)을 직접 확인할 수 없었다. 또한 장력기계 설치의 시공이 번잡해지는 광 파이버 자이로는 장치가 비싸다는 등의 과제를 지니고 있었다.또 발생 지점에 대한 특별한 지정이 어려운 갤러핑 현상을 파악하기 위해서는 어느 정도 다수의 장치를 설치하고 실태를 파악할 수 있도록 저비용의 계측장치가 필요했다.개발품의 개요이번에 개발한 장치는 지금까지의 광 파이버 자이로와 같은 모양으로 전선의 뒤틀림 및 진동을 각속도(角速度) 센서와 가속도 센서로 측정하는데, 초소형 반도체센서를 이용하므로 종래의 광 파이버 자이로와 비교해서 아래의 특징을 지닌다.전력 절약화과거 장치와 비교해 전력소비량을 약 1/13로 절감한다. 이에 따라 전원은 배터리(1차 전지)로 공급하는 것이 가능해졌다<표 1>.소형화장치 중량, 사이즈가 각각 1/3, 1/2이 되었다. 이에 따라 종래의 광 파이버 자이로에는 설치할 수 없었던 2도체로의 설치가 가능해졌다.저비용화과거 장치와 비교해 약 1/8의 저비용화를 실현했다.본 장치의 외관은 <그림 2>와 같다.시스템 구성저비용형 전선거동계측장치 시스템 구성 예를 <그림 3>에 표시한다. 본 장치는 철탑과 철탑 사이의 갤러핑 진동이 커질 것이라고 예상되는 위치에 설치한다. 전선의 흔들림으로 설정한 트리거치를 넘은 경우에 계측을 개시하고 기지국을 사이에 두고 관리 지점에 진동의 개략 데이터를 무선 전송하는 구조이다.[동작흐름의 개략]①연직 방향의 진동 진폭이 트리거치를 넘은 경우에 계측을 개시한다.(트리거치는 자유롭게 설정 가능)②장치는 계측 개시 후 3분간 데이터를 취득하고 기지국에 데이터를 송신한다.③기지국에서는 3분간 데이터를 취득 후 최초의 1분간 데이터의 연직·수평 진폭, 염회(捻回) 각도, 진동주파수를 간이계산 한다. 간이계산 결과는 휴대전화(평야지역에서 적용)나 위성휴대전화(산간지역에서 적용) 등의 통신기기에 의해 관리 지점에 송신하여 현지의 상황을 알린다. 진동 데이터는 기지국내의 기록모체(스마트 미디어)에 모두 저장된다.④진동이 계속 될 경우에는 계속해서 데이터를 취득하여 기지국에 송신한다. 본 장치는 전력 절약을 고려해서 겨울철 이외에는 휴지(休止)모드가 된다. 전원 수명은 진동의 발생빈도에 따라 다르지만 약 5년 정도다. 본 장치는 쌍방향 통신기능을 갖추고 있어 기지국에서의 트리거치 변경과 전지 전압, 장치 온도 확인 등의 시스템 자기진단 기능을 지니고 있다. 본 시스템의 표준적인 사양을 <표 2>에 나타낸다.관측실증시험 결과갤러핑 진동의 연구를 목적으로 한 최상의 시험전선으로 이번에 개발한 장치의 실증시험을 행했다. 이 최상의 시험전선은 야마가타(山形)현에 있으며, 일정한 방향에서의 강풍이 연중 계속되므로 전선에 수지제 인공 착설을 하여 갤러핑을 고빈도로 발생시키는 실증시험이 가능했다.최상의 시험전선 500㎸ 설비 2대 사이에 4대의 전선진동 계측장치와 1대의 기지국을 설치해서 시험을 행했다. 장치의 관측기간은 2003년 3월 3일~25일(23일간 552시간)이며 이 동안 총 125시간의 갤러핑 진동을 계측했다. 현지 기상관측 장치에서는 기온 -7.1~22.8℃, 최대 강설강도 4㎜/h, 최대 강수량 5㎜/h가 관측되었는데, 장치동작과 통신상황은 정상이었다. 이번 기지국~진동센서의 통신거리는 최대 422m였다. 시험 결과 갤러핑의 발생은 매우 드물다고 생각되는데, 만약 실제 전선에 연간 10시간의 갤러핑이 발생한다고 했을 때 이번 125시간의 갤러핑 관측은 약 12년간의 동작에 상당하여 계측기의 충분한 내구성이 확인되었다.관측기간 동안인 3월 5일 18:00~3월 6일 15:00의 관측 데이터를 예로 들어 분석한다. <그림 4>는 시험전선의 10분간 평균 풍향속도(h=35m), 철탑 주위의 최대 장력변동(5초간 p-p) 및 이번에 개발한 전선거동 계측장치의 가속도 및 가속도 센서의 계측치로부터 산출한 전선의 연직(鉛直)진폭을 나타낸다.①3월 5일 22:00경에 풍향이 시험전선에 대해 직각이 되어 안정되고 풍속이 서서히 증가하고 있다. 풍속이 10㎧을 넘을 즈음부터 장력변동이 발생하고 트리거가 걸리고 3월 6일 2:00~14:00까지는 거의 계속해서 계측되었다. 산출된 진폭치는 대체로 장력변동의 변화에 일치한다.②한 예로 3월 6일 11:03 단면에서 산출된 진동궤적을 시험전선 ITV화상의 램프 표적 위치 데이터와 비교했다<그림 5>. 연직 및 수평의 모든 진폭은 이번에 개발한 장치에서는 4.4m, 2.2m인 것에 대해서, 표적 위치 데이터에서는 4.2m, 2.3m, 오차는 5%미만이고, 실용 수준으로는 충분하다. 또 <그림 6>처럼 진동주파수가 일치한다는 것을 알 수 있다. 기타 데이터에 대해서도 같은 계측 정밀도를 확인했다.상호단락 같은 전기적 문제에 대해서는 진폭이 문제가 되는데, 한편 볼트의 느슨해짐 같은 기계적 문제에 관해서는 장력의 크기와 계속 시간이 문제가 된다. <그림 7>에 이번에 얻어진 연직의 모든 진폭과 장력변동 관계를 나타냈다. 이번에는 단일 진동모드를 고려해서 평가하였으며 거의 1대1 관계가 얻어졌다.이상의 시험으로 정밀도가 좋은 전선진동을 계측할 수 있다는 것을 확인했다.본 장치의 현장 적용앞에 기술한 것처럼 시험전선에 있어서 충분한 성능검증이 있었기 때문에 도쿄전력 가나가와(神奈川) 지점 관내의 500㎸ 송전선에 2004년 11월부터 설치하여 계측을 개시했다. 계측장치 및 기지국의 설치상황을 <그림 8>에 나타낸다. 현시점에서 갤러핑의 발생이 없으므로 진동데이터는 취득할 수 없었다. 그리고 센서의 자기진단 기능에 의해 장치는 현재도 정상 작동하고 있는 것이 확인되고 있다.맺는 말이번에 개발한 전선거동 계측장치는 최상의 시험전선 및 500㎸ 실제 전선로에서 실증평가를 행한 결과 실용상 충분한 성능과 신뢰도를 지니고 있다는 것이 확인되었다. 본장치를 적용하면 실시간으로 전선 진폭의 감시가 가능함과 동시에 진동이력 데이터 축적과 보수 감시 시스템(기온, 풍향, 풍속, 강설량 등)과의 연계에 따른 합리적인 설비 보수점검에 활용이 가능하다.
<Energy News>
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