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한양대학교 퓨전전기기술응용연구센터(www.eft-center.re.kr)
장용무 교수
(031)400-5023 / changym@hanyang.ac.kr
개요
최근 산업 및 가정에서 급증하고 있는 전력수요를 충족시키고 전력계통의 안정적인 운전을 도모하기 위해, 전력계통 및 전력설비의 공급 전압 규모는 초고압으로 승압되고 있으며 설비의 규모는 대형화되고 있다. 이러한 배경과 요구에 따라 계통설비는 스마트그리드 도입을 필요로 하고 있으며, 이를 구현하기 위한 새로운 전력기기는 콤팩트화 및 각종 센서가 적용되어 운영 및 감시 진단이 가능한 지능형 전력기기로 개발돼야 한다.
스마트그리드 구현을 위한 지능형 전력기기의 사고예방과 안정된 운영을 위해 정확하면서도 신뢰성이 확보되는 상시 및 예방 진단을 위한 온라인 전압·전류 측정, 온도, 가스압력, 그리고 부분방전을 비롯해 각종 파라미터의 측정 및 진단 확보가 절대적으로 필요하다. 또한 최종 수용가에 공급되는 전력 품질을 높이기 위해 배전계통의 선로 사고 진단 및 원격조정 배전 자동화, 배전반의 콤팩트화, 전자디지털화라는 개발 추세를 반영해야 한다. 설계 제작된 고급형 배전반을 유지 보수하기 위해서는 먼저 전압·전류, 온도, 부분방전 등의 센서기술과 이들 센서의 측정 데이터를 분석할 수 있는 신호처리회로 등에 대한 기술 개발의 확립이 필요하다.
본고에서는 스마트그리드 실현을 위한 핵심기술로 지능형 전력기기 개발에 핵심적인 진단 및 센싱기술로 'Optical CT/VT 및 Electronic CT/VT'를 비롯해 광섬유 온도, 압력 및 PD 센서와 기타 새로 개발된 신기술 센서 등을 소개하고자 한다.
Non-Conventional Instrument Transformer(NCIT)
1. Optical CT 및 Optical VT
레이저 광 응용계측의 장점은 첫째 전기적인 절연 및 전자파 장애(EMI)로부터 자유롭고, 둘째 비접촉식이며 비파괴적인 계측이 가능하고, 셋째 공간과 시간적인 측정 분해능 및 정밀도가 높으며, 넷째 작고 가벼운 센서 제작과 원격 조정 가능을 들 수 있다. 마지막으로 잠재적으로 경제성을 확보할 수 있는 기술이다.
설비 진단용 광CT 및 광VT는 측정된 신호로 다양한 전력설비를 제어 및 운전해야 하기 때문에 주변 온도 및 진동 등 외부 영향에서도 측정 정밀도가 확보돼야 한다. 또한 진단 시스템의 성능을 좌우하는 감도, 동작범위, 고속 응답 등에서 고성능 및 높은 신뢰도가 요구된다.
패러데이(Faraday) 자기광학효과를 이용한 광CT(Optical Current Transformer)의 동작원리는, 측정하고자 하는 1차 전류에 의해 발생된 자계 중에 설치된 비선형 광학결정소자, Pb-Glass 소자, Optical Fiber와 같은 패러데이 소자를 통과하는 선형 편광 레이저 광이 전류(자계) 세기에 따라
 (단, V:Verdet 상수, L:광로장, H:자계, φ:광과 자계가 이루는 각)와 같은 관계식에 의해 선향 편광 레이저 광의 회전각 θ를 검출해 전류를 측정하는 방법이다.
포켈스(Pockels) 전기광학효과를 응용한 광VT(Optical Voltage Transformer)는 포켈스 소자에 인가되는 피측정 전압(전계)에 따라 변화되는 굴절률에 의해 변조되는 레이저 광을 검출해 전압을 측정하는 방법이다.
 <그림 1>은 프랑스 Areva사의 초고압 전압·전류측정을 위한 광변성기 개략도를 나타낸 것이다. 전류 측정을 위한 패러데이 소자는 정방형 Bulk Glass를 적용했다. 광전압 센서는 그림에서 보는 바와 같이 Bulk Glass Voltage Divider로 0.1~10㎸범위로 1차 분압시킨 후 포켈스 센서로 측정하는 구조를 가지고 있다. 그리고 1차 변환기로 측정된 신호는 2차 변환기(Electronic CVCOM 장치)를 통해 저압 아날로그 출력, 아날로그 계기를 위한 아날로그 표준출력(1A, 115V), IEC60044-7, -8 및 IEC61850-9-1(Ethernet) 등의 단방향 실시간 디지털 신호와 저속의 쌍방향 디지털 신호 전송도 가능하도록 설계되어 있다.
2. Electronic Instrument Transformer (ECT/EVT)
전자식 변성기(Electronic Instrument)는 종래의 철심코어 권선형 변성기와 상대적인 개념으로 부담(Burden)과 출력 신호 면에서 크게 차이가 있다.
전자식 변성기의 부담은 VA 단위 대신에 저항 [Ω]단위로 표시된다. 전자식 전류변성기(ECT)의 출력신호는 전압단위로 22.5㎷, 150㎷, 200㎷, 225㎷ 및 4V가 표준이며, 전자식 전압변성기(EVT)는 대표적으로 1.625V, 2V, 3.25V, 4V 및 6V의 출력 신호로 제작된다. 철심코어 변성기의 부담은 변성기가 출력할 수 있는 피상전력을 의미하지만 전자식 변성기의 저항 부담은 전자식 변성기에 연결될 기기의 최저 임피던스를 나타낸다.
또한 전자식 변성기는 아날로그 또는 디지털 출력이 모두 설정 가능하고, 아날로그 출력의 경우는 별도의 변환 장치를 필요로 하지 않는다. 디지털 출력을 얻기 위해서는 전자식 변성기의 2차 측에 별도의 전자회로를 구성해 전자식 배전반 또는 스카다(SCADA) 등 필요한 기기로 신호를 전송할 수 있다. 전자식 변성기의 정보는 IEC 규격에 정해진 통신 프로토콜을 이용해 스마트그리드 지능형 전력기기로 전송할 수 있다. <그림 3>은 단상 전자식 변성기 구성도 및 MU 통합 시스템의 블록선도를 나타낸다.
* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.
기존의 철심 CT는 측정 전류 크기에 의한 철심의 자속포화 현상으로 측정 전류 범위가 제한되지만, 로고스키(Rogowski) 전류센서 기반인 ECT는 자성체 코어가 없는 구조이므로 자속포화가 발생되지않아 측정 전류의 크기에 대한 제한이 없다. 뿐만 아니라 <그림 4>와 같이 전체 측정 전류 또는 전압 범위에서의 측정 선형성이 매우 우수한 것을 알 수 있다. 또한 철심 변성기 임의의 정격 전류, 전압에 대해 규정에 의한 측정 범위(Accuracy Limits) 내에서만 측정 오차가 만족되므로 정격 전류 및 전압에 따라 다양한 CT/PT가 설계, 개발돼야 한다. 그러나 ECT/EVT는 정격 전류 및 전압에 무관하게 전체측정 범위에 대해 측정 선형성을 만족시키므로 단일 제품으로 계기용 및 보호용 계전기를 위한 전류·전압센서로 사용이 가능하다.
전자식 변성기는 전자식 전압센서의 규격인 IEC 60044-7 규격이 1999년에 제정되고, 2002년에 제정된 IEC 60044-8의 전자식 전류센서의 규격이 완성되면서 해외 선진국에서의 제품 출시가 본격화되어 스마트그리드 실현을 위한 핵심 요소의 역할을 하고 있다. 현재 ABB, Alstom, Areva 등을 비롯해 중소기업에서도 제품을 출시하고 있다.
  Optical Temperature Sensor
최근 실용화되고 있는 광섬유 온도센서는 기존의 온도센서가 가지고 있는 여러 문제점들을 해결할 수 있는 광응용 계측방법의 많은 장점을 가지고 있다. 아직까지는 광섬유 및 광소자들이 갖고 있는 기계적인 왜란에 대한 취약성과 가격 경쟁력이 낮고 운영경험이 부족한 신생기술이라는 단점이 있으나 이는 다음과 같은 센서 특성으로 극복이 가능해 스마트그리드의 다양한 지능형 전력기기에 적용될 것으로 기대된다.
광섬유 온도센서의 특성
① 고전압·대전류 설비, 모터와 같은 유도성 부하 등과 같은 전자파가 강한 환경에서의 온도 측정이 용이하다.
② 전기적 온도센서의 오작동 및 폭발의 위험성이 예상되는 물질을 취급하거나 내화학성이 요구되거나 부식성이 강한 물질 환경에서의 온도 측정이 용이하다.
③ 변압기, 발전기, 용광로, 넓은 지역의 화재감시 시스템 등 다수의 센서가 요구되어 기존의 전기적 센서로 불가능한 분포형 온도 측정에 적합하다. |
광섬유 온도센서는 측정방법에 따라 접촉식과 비접촉식이 있다. 광섬유 자체를 센서로 활용하는 방법과 별도의 광온도센서와 결합시켜 광섬유는 광을 전송만 하는 방법이 있다. 또 다른 구분은 공간적으로 측정하고자 하는 범위에 따라 분포형 센서(Distributed Sensor)와 국부형 센서(Point Sensor)로 나뉜다. 분포형 센서는 광섬유 자체를 센서로 이용하는 광섬유 기능형 센서에서만 가능한 방법으로 DTS(Distributed Temperature Sensor, 또는 FTR : Fiber Optic Temperature Laser Radar)와 같은 방법이 대표적으로 실용화된 방법이다. 국소형 센서는 반도체의 발광 특성, 형광물질의 온도 의존 특성, 흑체복사 등을 이용하는 방법들이 보편화 되어 있다.
1. 분포형 광섬유 온도센서(DTS)
DTS는 <그림 6>과 같이 주변온도에 의해 강해진 광섬유의 분자운동 때문에, 광섬유를 통과하는 펄스 레이저 광은 산란되어 돌아가 검출된 산란광을 분석해 온도를 측정하는 원리이다. 광섬유를 따라 형성된 온도를 측정하기 위해서는 광원으로부터 거리와 그 지점의 온도 값을 알아야 한다. 온도 측정지점까지의 거리는 입사된 펄스 레이저 광의 입사된 레이저 펄스가 산란되어 오는 시간을 분석해 계산할 수 있다.
 그리고 되돌아오는 산란광의 종류는 탄성충돌에 의한 레일리(Rayleigh) 산란과 비탄성충돌에 의한 라만(Raman) 산란 등 두 가지가 있다. 레일리 산란은 산란광의 강도는 비교적 크지만 온도의 의존성이 미흡해 측정에는 부적합하다. 반면에 라만 산란은 스토크스(Stokes)와 안티스토크스(anti-Stokes)의 두 성분으로 나뉜다. 산란광의 강도는 레일리 산란광에 비해 약 10-3배 정도로 약하지만 온도에 대한 의존성이 매우 강하고 입사광의 파장에 비해 산란광을 분리하여 검출하기가 용이해 온도 측정에 적합하다.
 2. 광섬유 브래그(Bragg) 격자 온도센서
광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG)온도센서는 분포형 광섬유 온도센서로 <그림 7>과 같이 광폭 스펙트럼(Broadband Spectrum, BBS)레이저 광을 광섬유에 입사시킬 경우, 입사광 파장 성분이 광섬유 격자 부위에서 반사되며 나머지 파장 성분은 그냥 통과하는 브래그 조건을 이용한다.
광섬유 브래그 격자의 주변온도가 변함에 따라 격자 간격이 비례해 값이 변하게 되고, 격자에서 반사되는 레이저 광의 브래그 파장도 같이 변하게 된다.
이를 정밀하게 측정한다면 광섬유 격자에 가해진 온도를 계산할 수 있다.
<그림 7>은 마하-젠더 간섭계를 이용한 광섬유 브래그 격자 온도센서의 개략도이다. 이는 브래그 파장(Bragg Wavelength)의 변화를 간섭 신호의 위상변화로 변환시켜서 측정하는 것이다. 정리하자면 광섬유 격자에 온도를 가할 경우, 가해진 온도는 브래그 파장을 변화시키고, 브래그 파장의 변화는 간섭계 출력 신호의 위상 변화로 변환된다.
3. 형광 광섬유 온도센서
반도체 재료 중 직접 천이형 반도체는 밴드 에너지 갭보다 높은 에너지를 갖는 파장의 광으로, 여기하면 비교적 높은 효율로 밴드 에너지에 해당하는 파장을 방출한다. 온도에 따라 밴드 에너지 갭이 변화하면 방출되는 빛의 파장도 비례해 변하기 때문에 방출되는 빛의 파장을 검출해 대응되는 온도를 측정할 수 있다. GaAs 등의 반도체 박막의 발광
(Photoluminescence)을 이용해 온도에 따른 발광강도의 변화를 측정하거나, 파장의 변화를 검출해 온도를 측정하는 방법이 있다.
 <그림 8>은 발광 효율을 높이기 위해 특별히 설계된 반도체 칩을 광섬유 끝단에 부착시킨 GaAs-발광 온도센서의 구성도이다. 광섬유를 통해 LED의 여기광으로 GaAs 칩을 여기시키면 반도체 칩의 온도에 따라 GaAs 칩에서 발광되는 빛을 광섬유를 통해 검출하게 된다. 이때 온도에 따라 발광의 파장은 장파장 쪽으로 이동하고, 발광의 세기는 감소한다.
상용화된 제품(미국 Luxtron사, FISO사 등)은 일반적으로 0~200℃ 범위에서 0.5~1℃ 정도의 오차를 나타낸다.
Optical PD Sensor
<그림 9>는 Fabry-Perot 간섭계를 응용한 초음파센서를 이용한 전력용 변압기의 부분방전 진단시스템 개략도를 나타낸 것이다. 본 시스템은 변압기 내부에서 발생되는 부분방전에 의한 초음파 신호가 간섭계 센서 진동판을 자극시켜 변화되는 레이저간섭광을 측정해 부분방전을 진단하는 원리로 미국EPRI에서 개발된 시스템이다.
 UV 및 IR 카메라에 의한 전력설비 진단
<그림 10>은 열화상 감시카메라 및 코로나 방전에 의한 UV 카메라 측정을 통한 전력기기의 상태감시진단 방법을 나타냈다. <그림 10-⒞>의 특성 비교에서 보는 바와 같이 전력기기 내부의 과열 부위를 진단하는 IR 카메라와 기기 외부의 부분방전 코로나에 의해 발생되는 코로나 UV광을 검출하는 UV 카메라는 측정 물리량 및 이상 유무 발생원리의 차이점을 상호 보완할 수 있어, 최근에는 두 종류의 카메라를 일체화시킨 시스템이 개발되어 활용되고 있다.
 지능형 전력기기를 위한 새로운 센서기술
<그림 11>은 전력 IT 국가전략과제로 개발된 능동텔레메트릭스 센서 시스템으로, 한국의 스마트그리드 구현에 가장 적합한 지능형 시스템으로 평가된다. 송변전 및 배전 가공선로의 운전 전류 및 사고전류, 낙뢰 표정점 및 사고점 판별을 비롯해 풍향과 풍속, 선로 온도 측정, 감시카메라 및 가공선 이선도 등 가공선로 진단을 위해 요구되는 거의 모든 진단대상물을 측정할 수 있는 일체화된 센서 시스템으로, 향후 스마트그리드 제주실증 시험장에 설치 운영된다.
 <그림 12>는 탄소나노튜브(CNT)를 응용해 SF6가스절연기기의 부분방전(PD)을 진단하는 SWNT PD 센서를 보인 것이다. SWNT PD 센서는 가스절연기기의 부분방전 진단 센서로 실용화되어 있는 UHF 센서와 융합돼 UHF 진단 시스템에서 진단하기 어려운 위치 판정 등으로 신뢰성을 향상시킬 수있을 것으로 판단된다.
마무리
본고에서는 한국에서 주도하고 있는 녹색성장 기술 중 스마트그리드 구현을 위한 지능형 전력기기의 측정 및 진단기술을 소개했다. 이로써 국내 연구 및 투자 의욕을 도모하고 가까운 장래에 실현될 스마트그리드 구축에 필요한 지능형 전력기기가 세계시장 판도에서 빠르게 대응할 수 있도록 원천기술을 확보하는 데 일조하고자 한다. 이를 바탕으로 미진했던 국내의 연구투자 및 검토가 이루어지고, 새롭게 연구개발된 센서의 국내 상용화 적용시기를 앞당길 뿐만 아니라 국제적으로도 선도적인 역할을 도모하고자 한다.
  참고문헌
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2. C.P.Yakymyshyn, et al., 《Manufacturing Challenges of Optical Current and Voltage Sensors for Utility Applications》, SPIE vol.3201, p.2, 1997
3.Y. M. Chang et.al., New Sensing Technology in Electric Power Equipment, KISTI, 2003
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8. International Standard IEC 60044-7&8, INSTRUMENT TRANSFORMERS - Part 7 & Part 8
9. A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, 《High-resolution Fiber-grating Based Strain Sensor with Interferometric Wavelengthshift Detection》, Electron. Lett. 28, 236-238 (1992) |
<Energy News>
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