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[해외기술특집] 전력 공급 시스템의 온라인 진단 기술
2009-01-20

전력 공급 시스템의 온라인 진단 기술


▶ 개요
공장에서의 생산을 위한 전력 공급 인프라 설비인 전력 공급 시스템은 중요한 설비로 자리매김하고 있다. 여기에서 사고가 발생한다는 것은 공장의 조업정지를 의미한다. 이런 경우는 보안 사고로, 사회적인 영향도 커지는 데다 복구에 장기간이 필요하기 때문에 기업 경영에 중대한 손실을 준다. 이 때문에 전력 공급 시스템에는 전기 공급을 ‘보다 안전하고 보다 안정적이며 보다 저렴하게’시행하는 것이 요구되고 있다. 그러나 기기 단체를 진단한다고 해도 관계가 있는 복수의 기기로 구성되는 시스템 전체에 대해서 노화 메커니즘 측면이나 경제적인 측면 모두를 확실히 커버할 수 있을 리 없다. 따라서 기기 단체의 진단과 함께 시스템을 매크로적으로 진단하는 방법을 병용하고 이상을 조기에 발견함으로써 사고를 방지하고 시스템의 사명을 달성하는 것이 필요하다.
여기에서는시스템의온라인진단에대해설명한다.

▶ 전력 공급 시스템과 시스템의 온라인 진단
공장 전기설비는 전력 공급 시스템과 부하 설비로 나누어진다. <표 1>은 전력 공급 시스템의 범위를 나타낸 것이다. 이런 복수의 부위 및 기종, 설비를 온라인으로 감시 진단을 할 수 있는 것을 시스템 온라인 진단이라고 한다.


▶ 시스템 온라인 진단 기술

1. 시온(示溫) 라벨에 의한 과열 감시
기기 본체 및 도체, 도체 접속부 등의 과열이 미리 예상되는 부위의 온도 감시에 대해서는 시온 라벨이 사용되는데, 일상 점검으로 <그림 1>과 같이 변색 유무를 육안 확인하여 이상을 발견한다.
최근 전기설비는 모선이 밀폐화되어 일상 점검에서는 확인할 수 없는 부위가 증가하고 있다. 그 때문에 이 부위에는 정기 점검 시 확인이 필요하다. 지금까지는 온도 설정이 일정한 비가역성 시온 라벨이 사용돼 왔지만, 현재는 복수의 온도 설정에서 조합방식 시온 라벨이 등장하고 있다. 또 가역성과 비가역성의 시온 라벨 복수점 조합 방식도 사용되고 있다. 일상 점검에서 육안으로 확인이 가능한 부분은 가역 온도 설정과 비가역 온도 설정에서의 조합의 것을, 또 밀폐화된 부위에 대해서는 비가역 복수 온도 설정의 것을 사용한다.

2. 적외선 방사 온도계에 의한 과열 감시
전기설비의 과열 부분에서 발생하는 적외선을 받아 그 열 분포 화상을 온라인 측정할 수 있다. 기존에는 대형 중량이었지만, 최근 급속하게 소형·경량화가 진행되어, <그림 2>와 같이 한 손으로도 측정 가능한 핸디 타입이 개발됐다.


[그림 1] 시온 라벨에 의한 과열 감시


[그림 2] 핸디 타입 적외선 방사 온도계

검출부의 냉각 방식이 액체질소 냉각에서 전자 냉각으로 그리고 비냉각으로 진화되어 경량화, 고화소화가 진행됐다. 또 현장에서 측정된 화상 데이터의 보존 및 가공, 분석도 용이하도록 되어 있어 현장의 과열 부위 감시로 활용, 불량 개소를 발견하는데 효과적이다.

3. 광섬유 온도 센서에 의한 과열 감시
광섬유를 온도 센서로 사용함으로써 대상 설비에 따른 수 ㎞ 광섬유 전 길이의 온도 분포를 노이즈 영향 없이 온라인 측정을 할 수 있다.
<그림 3>과 같이, 전기설비에서는 배전 케이블 루트 및 버스 덕트에 따라 광섬유를 포설하거나 변압기 등의 기기 및 도체 접속부와 같이 과열이 예상되는 부위에는 코일 형태로 만 스폿 센서로 과열을 감시한다. 온도를 계측하여 시계 사례 데이터로 처리함으로써 설비 이상을 초기로 발견할 수 있다.

4. 냄새에 의한 과열 감시 진단
냄새 발생 부품과 냄새 감지기를 <그림 4>와 같이 조합하여, 설정 온도(80%, 100%, 120%)에서 냄새를 발생시키는 냄새 발생 부품(냄새 캡슐)을 전기기기에서 과열이 예상되는 각 부분에 설치하여, 기기 부품이 과열한 경우에 발생하는 냄새를 냄새 감지기로 검출하여 감시 진단을 행한다.

냄새 캡슐은 금속관으로 되어 있는 밀폐용기에 냄새 물질(알코올류)이 저융점 금속을 이용해 보지 (保持)되고 있다. 냄새 감지기는 가스 검지기를 응용한 것으로, 센서부는 백금 코일 위 금속 산화물 반도체인 센서 표면에 냄새 분자가 흡착되면 냄새 물질이 산화물에 반응하여 전기저항을 저하시킨다.
센서는 이 변화를 검출하여 감시 진단할 수 있다.

5. 부분방전 검출에 의한 감시 진단
전기설비에는 운전 중 외부에서 쉽게 없앨 수 없는 부위 및 온도 상승을 수반하지 않는 절연 노화도 있으므로, 이를 효과적으로 감시하는 기술도 필요하다. 이런 절연 노화 시 방전 현상을 효과적으로 감시진단하는 기술에는 부분방전 측정에 의한 방법이 있다. 절연체에서 부분방전이 발생하면 절연체 내부에 트리가 발생하여 최종적으로 절연파괴에 이른다. 이 초기 단계에서 이상을 확인하면 사고를 미연에 방지 할 수 있다. 이 계측 방법은 <그림 5>와 같이, AE 센서를 대상으로 하는 기기에 자석으로 고정하여 CT 센서를 접지선으로 클램프하여 계측하는 것이다.


6. 가스 성분·연기에 의한 진단
일반적인 실내에서 화재 초기의 연기는 연소로 발생하는 열 기류에 의해 상승하여 시간 경과와 함께 천장 면에서 연층을 형성하고 농도를 높이면서 수평 전개된다. 이로 인해 일반 실내에서의 화재 검지는 천장 면에서 스폿(Spot)처럼 배치된 연기 감지기로 이뤄진다. 그러나 변전소에서는 상시 강제 순환 공조에 의한 전류가 존재하고 있기 때문에, 발생한 연기는 천장 면에서 연층을 형성할 수 없어 공조 기류에서 옅어지고 확산되면서 실내를 순환한다. 따라서 천장 면에 설치된 연기 감지기가 동작할 때에는 이미 고농도 연기 및 유독가스가 실내 전체로 충만하여 손 쓸 도리가 없는 상황이 될 것으로 예측된다. 이러한 설비에서 화재를 조기에 검지하기 위해서는 고감도 시스템이 필요하다. 이러한 예를 <그림 6>으로 나타냈다. 다수의 흡인 구멍에서 상시 공기를 흡인하는 천장 면에 포설된 샘플링 배관, 여기에 접속된 흡인 팬을 내장한 초고감도 연기센서로 기본 구성되어 있다.


7. 환경 측정에 의한 감시 진단
⑴ 부식성 가스 측정에 의한 감시 진단
이산화유황 및 유화수소, 질소산화물 등의 부식성 가스를 측정하여 배선 패턴, 커넥터, 릴레이 등 부식노화를 진단하는 방법이다. 부식성 가스가 금속 부식에 주는 영향을 정량화한 환경 평가점을 표준치로 한다. 환경 평가점에 의해 진단 대상 부위를 구성하는 금속 부식량 변화를 예측하여 노화를 판정한다.

⑵ 오손도 측정에 의한 감시 진단
절연물 표면 이온성 물질량을 측정하고 염화나트륨 환산한 것을 오손도로 하여 절연 노화의 정밀도를 진단한다. 이온성 물질량이 많아지면 연면 방전 및 트랙킹이 발생하여 절연파괴에 이른다. 미리 데이터베이스로 보유하고 있는 오손도와 절연저항의 관계에 적용하여 절연노화 정밀도를 추산한다.

(3) 전연물 화학적 평가에 의한 감시 전단
절연물의 저항 노화에 고도로 비슷한 관계에 있는 절연 재료 이온 부착량 및 색차, 광택, 성분 분석의 화학적 평가 항목을 측정한다. 그리고 다변량 해석응용 예의 하나인 마하라노비스 다구치 시스템(Mahalanobis Taguchi System)법을 적용하여 표면 저항 저하에 의한 방전 개시 시기를 추정해 남은 수명을 추정했다. 절연물 표면 저항은 습도에 의해
크게 변화하기 때문에 전기설비 습도 환경을 감시제어하는 것으로 절연파괴를 방지할 수 있다. 지금까지 남은 수명 추정이 어렵다고 하는 배전반 및 컨트롤러 센터에서 이것이 실용회되기 시작하고 있다.

▶ 마무리
전력 공급 시스템의 기능을 유지하려면 기기 단체의 감시 진단이 기본이 된다고 해도, 모든 기기를 커버할 수 있는 것은 아니다. 이 때문에 기기를 단체의 감시 진단과 함께 시스템의 감시 진단이 기술적으로도 경제면으로도 효과적이다. 또 시스템의 진단기술은 전기 분야가 아닌 타분야에서의 기술 응용, 도입에 의해서 되는 것도 있다. 이런 기술을 전개해가기 위해서는 전기설비에의 실용, 도입을 적극적으로 행하여 데이터를 축적하고 정밀도를 향상시킬 필요가 있다

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