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[단기연재] 초음파 코로나 탐지기
2005년 10월 31일 (월) 18:47:00 |   지면 발행 ( 2005년 9월호 - 전체 보기 )

초음파 코로나 탐지기(MICRO PHONE 형)

한국전기안전공사 부설 전기안전연구원 계기과장 / KOLAS평가사 유병렬고압 송전선의 사고애자, 고압기기의 불량개소 등에 발생하는 코로나를 탐지하는데 종래에는 전계강도 측정법, 방전 측정법 등을 사용하거나 직접 혹은 청각에 의존 할 수밖에 없었다. 코로나와 동시에 발생하는 초음파를 30∼40m 정도의 원거리에서 체크해 그의 강도에 따라 불량개소의 판별, 불량정도 등을 알려고 하는 것이다.따라서, 종래와 같이 철탑에 오르거나, 활선에 근접하는 등의 위험한 작업을 필요로 하지 않고, 불량개소에서 발생하는 방전현상을 검지하고 무정전 비접촉으로 방전개소를 떨어진 장소에서 검출하는 것으로 안전하게 전기설비의 보수, 점검 및 수신 장해원인의 조사를 시행하고 사고방지나 전파 장해 대책에 도움을 주는 목적으로 탄생 된 것이 초음파 코로나 탐지기이다. 이번 호에서는 초음파에 대한 개략적인 내용과 초음파 코로나 탐지기에 대해서 기술하고자 한다.초음파의 성질초음파는 인간의 귀로 들을 수 있는 가장 높은 주파수를 지나 있는 주파수의 파형을 말한다. 초음파 진동은 Hz로 측정하며, 1[Hz]는 1Cycle/Sec를 말한다. 인간의 귀는 보통 16Hz~20kHz까지 들을 수 있으나 실제로 가청 주파수는 논리적인 한계 보다 낮다.오늘날 초음파라고 하면 이 가청 주파수인 16kHz보다 높은 주파수를 말하며 현재 탐지할 수 있는 초음파의 한계는 100MHz 정도가 된다. 소리의 파형은 주파수가 바뀜에 따라 움직이는 모습도 변한다. 즉 낮은 주파수의 소리는 모든 방향으로 같은 강도를 갖고 둥글게 움직이나 높은 주파수 특히 20kHz가 넘은 것들은 비임(Beam)같이 지향성을 갖고 움직인다. 주파수가 높아짐에 따라 기계는 쉽게 손상되므로 진동소리가 나는 곳에 검출기를 가까이 오도록 해야 한다. 초음파가 응용되는 매질은 기체, 액체, 고체 등 모두가 대상이 되며 더구나 이들 물질의 온도, 압력 등 온갖 상태가 대상이 된다. 또 전달하는 파동의 모드도 기체, 액체에서는 세로파에 한정되지만 고체에서는 세로파 외에 많은 모드가 전달된다.초음파의 에너지를 이용하는 응용에서는 공중 가청음에서는 상상할 수 없는 만큼의 강한 초음파를 사용하는 일이 많다. 그리고 그 작용 메커니즘도 기체, 액체, 고체에 따라 상당히 다르다.1. 초음파의 특징 초음파는 에너지의 응용에서는 초음파의 특징 중① 대음압② 대진동 진폭③ 대진동 속도④ 대진동 가속도등을 이용하여 교반, 분산, 중합, 가열, 부양 등을 하고 있다. 더구나 의학 응용으로서는 주파수가 1[MHz] 정도의 집속 초음파를 생체 중에 입사시켜 생체 내에 초점을 맺게 함으로써 신체 표면에 생체내의 원격 수술이나 결석 파괴를 할 수 있다.인간의 귀에 들리는 음압의 범위는 10-10∼10-4 기압 정도지만 초음파에서는 극단으로 강한 음압이 이용되고 있다. 대음압 하에서는 여러 가지 특이한 현상이 나타난다. 예를 들면 공중에서는 작은 물체를 부양시킬 수 있다. 수중에서는 수중에서 발생시킨 초음파 음압의 파고값이 1기압이 될 때의 소리의 세기는 약 0.34[W/㎠]이어서 이것보다 강해지면 음압은 1기압 이상이 된다.<그림1>처럼 초음파가 교번적으로 발생하는 음압이 음의 최고값이 되었을 때 압력의 절대값도 음이 되어 매질이 찢어져서 공동(空洞)이 생기거나 용해된 가스가 석출하여 기표를 만들거나 한다. 그리고 다음에 음압이 양압이 된 순간에 눌려 소멸한다. 진동에 수반하여 이와 같은 현상을 반복하지만 이 공동이 소멸하는 순간에 주변으로부터 액체가 서로 부딪혀 대단한 고압을 액체 중의 국소에 생기게 한다. 이와 같은 현상은 공동(케비테이션) 현상이라고 한다. 그리고 공동현상에 의하여 생기는 간적인 고압에 따라서 파괴 작용이 액중에서 갖가지 응용의 중요한 메커니즘이 되고 있다.2. 주파수의 높은 특징주파수가 높은데서 다음과 같은 특징이 생긴다. 정지점에서 변화를 Asinωt라고 하면 입자속도는 ωAsin t 가 되며 입자 가속도는 - ω2Asinωt가 된다. 여기서 ω는 각 주파수, A는 변위진폭의 최고값이다. 예를 들면 변위 진폭이 10[μ](10-5[m]로 ω=10[rad/s](약 16[kHz])라고 하면 진동속도는 1[m/s], 입자 가속도는 105[m/s2](중력 가속도의 약 104배)이 된다.3. 초음파의 발생과 전송현재, 주로 사용되고 있는 초음파의 발생방법은 <그림2>와 같이 먼저 발진기 등에서 전기적 진동에너지를 발생하여 이것을 진동자라고 하는 전기 음향 교환기에 더하여 기계적 진동에너지로 변환하여 이 진동자에 접하는 음향 전달 매질 중에 초음파를 방사하는 방법이다.더구나 기타 특수한 경우로서 피리나 사이렌 등을 사용하여서 초음파를 발생시키는 방법도 있다.이 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환하는 진동자는 크게 나누어 수정 등의 압전진동자, 티탄산 바륨 등의 전왜(電歪) 진동자 및 자왜 현상을 사용한 금속 자왜 진동자, 페라이트 자왜 진동자 등이다. 그리고 이들 진동자는 매질의 종류나 주파수 등에 의하여 구분 사용되고 있다. 초음파를 발생시키기 위하여 이들 진동자는 어느 것이나 공진 상태에서 사용되지만 이것은 초음파 발생 기술상의 큰 특징의 하나이다.공진이란, 물체를 자유롭게 진동시켰을 때의 주파수와 같은 주파수로 외부에서 힘을 가해 주어 작은 힘으로 큰 진동을 일으키는 현상을 말한다. 초음파 발생에 사용하는 진동자를 공진의 상태에서 사용하는 이유는 진동자가 강체여서 진동키는 데 상당한 힘을 필요로 하고 공진상태에서 사용하지 않으면 전기에너지를 진동에너지로 변환하는 경우의 효율이 대단히 나빠지기 때문이다.따라서 초음파 진동자는 그 진동자의 공진주파수에 상당하는 특정한 주파수(고조파 진동도 포함)로 밖에 사용할 수 없다는 불편이 있으며 이용상 형편에서 여러 주파수를 사용하여야 하는 경우는 각각의 주파수에 상당하는 각자의 진동수의 진동자를 준비하지 않을 수 없다. 또한 진동자의 공진은 대단히 날카롭고 공진 주파수보다 아주 사소하게 다른 주파수로 여진 하여도 전혀 진동하지 않는다는 일도 일어날 수 있어서 진동자를 여진하기 위한 발진기도 이 목적을 위하여 잘 고려된 것을 사용할 필요가 있다. 그래서 진동자의 공진주파수에 발진기의 발진 주파수가 자동적으로 추적하여 발진할 수 있는 주파수 자동 추적식 발진기도 사용되고 있다.
이와 같이 발생시킨 초음파를 목적으로 한 대상물까지 전송시킬 필요가 있지만 이것은 응용에 따라서 다르고 통상은 <그림3>처럼 고체(주로 금속) 폰 등에서 진동진폭을 확대시켜서 전송시킨다. E 진동의 모드도 세로파 외에 굽힘 진동모드, 비틀림 진동모드 등이 사용된다.필요에 따라서 여러 진동자로부터의 초음파 진동에너지를 얻기도 한다. 초음파 코로나 탐지기초음파 코로나 탐지기는 접근이 어려운 고전압 전기설비의 외부에서 발생하는 방전현상을 탐지하는데 사용되는 장비로서, 절연파괴로 인한 설비의 손상을 미연에 방지하는데 전기엔지니어들에게는 필수적인 장비이다. 초음파 코로나 탐지기는 국내 생산품이 없다. 현재 국내에는 일본산이 주종을 이루고 있으며, 미국산이 있었지만 현재는 생산을 중단했다. 따라서 국내에서 가장 많이 보유하고 사용 중에 있는 기종을 임의로 선정하여 사용법을 기술해 본다.1. 동작원리와 회로의 구성
초음파 코로나 탐지기의 표준형 블록도를 <그림4>에 나타낸다.일반적으로 전기설비의 열화로 인해 미약한 방전이 발생하기는 하지만 이 때에 발생하는 전파, 음파, 초음파, 빛, 열 속 초음파의 40kHz를 세라믹 폰으로 수신하고 이것을 전기신호로 변환, 증폭, 검파하고 미터기로 그 레벨을 지시시켜 발생원을 탐지하는 것이다.이때 검출된 초음파 노이즈는 동시에 스피커를 울려 소리로 들을 수가 있다. 또한 방전개소에서 발생하는 초음파의 검지거리를 확보하기 위해서 파라보라 집음기에서 수속하는 동시에 수신하는 초음파의 주파수는 청취가능 주파수보다 위 대역인 40kHz를 수신하는 방식으로 한다. 이 수신주파수인 40kHz를 선정한 이유는 낮은 주파수에서는 주위 소음과의 구별이 어렵고 또한 높은 주파수에서는 대기 중의 전반손실이 커지므로 청취가능 주파수보다 위의 주파수 대역에 설정된 것이다. 이러한 초음파 거리에 e대한 전반 손실 특성을 40kHz 및 25kHz 의 경우에 대해서 <그림5>에 나타낸다.
2. 사양 및 외관초음파 코로나 탐지기의 주요 사양은 <표1>에 나타낸다.① 특정거리에 대해서표준형은 원거리로부터 측정을 가능하게 하기 위해 파라보라 집음기를 설치함으로써 전반 손실 분의 이득을 커버한다.② 지향성에 대해서 <그림6>과 같이 예민한 지향성을 갖고 있다.③ 초음파 코로나 탐지기 표준형은 파라보라 집음기에서 초음파를 집속하여 내장된 망원경으로 목표물을 확인하지만 근거리형인 경우에는 미터기 대신 LED램프로 표시한다.
3. 주요용도 ① 고압배전선의 애자, 금구 및 고압전원 변압기, 개폐기류의 부싱 등에 발생하는 코로나를 탐지한다.② 공기차단기, 고압가스관 등의 가스누설의 검출 4. 구조 및 명칭
5. 특징 ① 본 기는 코로나에 대해서 극히 높은 감도를 지니고 있으므로 고압 송전선의 철탑에 오르지 않고도 사고애자에서 발생하는 코로나를 탐지할 수가 있다.② 코로나에 대해서는 귀보다 100,000배나 감도가 뛰어나므로 지금까지 보았어도 몰랐던 코로나에 대하여도 용이하게 탐지할 수 있다.예를 들어 암실이 아니면 볼 수 없었던 고전압기기(변압기, 부싱단자 등)에 발생하는 코로나도 밝은 장소에서 용이하게 탐지할 수 있다.③ 코로나 발생률은 1。의 각도로 정확히 탐지할 수 있으므로 활선에 가까이 가지 않더라도 방전개소 및 그의 확대정도를 세밀하게 판정할 수 있고, 발전소, 변전소의 내부나 좁은 실내의 여러 개소에서 발생하는 코로나 원도 개개를 탐지할 수 있다.④ 본 기는 망원경으로 보면서 청음 할 수 있으므로 코로나원의 발견을 용이하게 신속히 할 수 있다.⑤ 본 기는 트랜지스터 방식이므로 소형 경량이고 전지도 내장되어 있어 휴대가 편리하다.6. 취급방법 (a) 전지점검손잡이 부분의 전함을 열고 플러그에 전지를 접속한다. 전지가 신품이 아닌 경우에는 전원 스위치를 누른 상태에서 전지의 단자전압을 정한다. 사용전지는 9V용으로서 연속 사용할 경우 10시간, 1일 4시간 사용할 경우 약 15시간 측정이 가능하다.(b) 작동 ① 점검- 기기가 완전히 작동하고 있는지 아닌지를 사용 전에 다음의 요령으로 점검한다. - 전원 스위치를 눌러 감도조정을 10에 하면 이어폰에서 “사-”하는 소리가 조금씩 들린다. 감도조정을 7∼8에 돌려 소리가 꺼지면 정상이다.- 다음 <그림8>과 같이 오른손에 마이크로폰을 들고 부속품이 시험기(Checker)를 왼손에 들고 마이크로폰의 전방 약 40Cm 되는 곳에서 고리부분을 흔들 때 그의 음이 감도 조정치 7∼8에서 들리면 감도는 정상이다.② 조작- 사용 할 때는 <그림8>과 같이 오른손에 마이크로폰의 손잡이를 잡고 왼손으로 집음판을 받쳐 준다. 이 경우 왼손을 집음판에 넣지 않도록 주의한다. 또한 삼각대를 부착할 경우에는 손잡이 아래 부분에 붙어있는 볼트를 풀어내고 다리를 부착한다.③ 탐지- 목표를 망원경으로 보면서 코로나 음을 찾아낸다.(핀 또는 접근렌즈를 전후로 움직여서 맞춘다) - 코로나 음이 제일 크게 들릴 때 망원경의 크로즈 와이어의 중심에 나타난 물체가 음의 중심이다.- 음이 지나치게 커서 강약을 구분할 수가 없을 때에는 감도를 낮춘다.7. 사용상 주의사항 초음파 코로나 탐지기가 포착한 방전현상은 기상조건에 큰 영향을 받으며 특히 실외 전기설비 애자 등의 접속 불량개소의 방전은 습도가 낮을 때에 발생하기 쉬워 수신 장애원의 조사도 겨울철 건조시기에 많아진다.또한 반대로 습도가 높을 때에 발생하기 쉬운 것이 바인드선과 불량과 같은 절연불량 개소로부터 방전으로, 비가 내리는 날과 마찬가지로 전후에도 습기가 높기 때문에 조사시의 기상조건, 온도, 습도를 고려하여 초음파 코로나 탐지기를 사용하면 더욱 더 효과적이다.(a) 취급주의- 이어폰 코드를 벗길 때 에는 반드시 플러그를 잡고 뺀다.- 장시간 사용하지 않을 때에는 건전지를 빼서 보관한다. (b) 사용시 주의 - 마이크로폰을 가지고 있을 때에는 안전을 위해 고리를 손에 걸고 손잡이를 잡는다.- 마이크로폰을 받칠 경우에는 집음판 속에 손을 넣지 않도록 한다.- 마이크로폰의 픽업(Pick-Up) 소자(적색부분)에는 손이나 물건들이 닿지 않도록 한다.- 40만v 등의 초고압선의 곁에서 측정할 때에는 삼각대의 부착 나사구멍의 볼트에 전선을 접속하여 지중에 접지를 한다. - 마이크로폰의 픽업(Pick-Up) 소자를 장시간 직사광선에 노출되지 않도록 주의 한다.(c) 타기기와 조합 사용시의 주의 - 출력단자(이어폰 잭)는 불평형(단선어스)이다- 싱크로 스코프 등에 출력을 연결하여 관측할 때에는 <그림9>와 같이 0.002 μF 콘덴서를 직렬 접속한다.이는 관측용 기기로부터 슈퍼 혼의 고압이 가해지는 것을 방지하기 위해서이다.(d) 감도 10이라도 잡음이 들리지 않을 경우- 전지의 전압을 조사하여 신품으로 교체한다.- 이어폰을 예비품과 바꿔 본다.- 전원스위치, 이어폰 잭을 살핀다.초음파 코로나 탐지기로 불량 개소를 찾고자 할 때에 사용자는 종종 고전압 주변의 위험환경에 노출된다. 따라서 시험자는 특히 안전사고 예방에 대한 충분한 조치 및 확인을 한 후에 시험에 임해야 한다. 이 장비는 접시형 반사체가 있어 원거리에서도 대상물에 대한 초음파 포집이 충분하여 고전압이 인가된 도체에 근접하여 관찰할 필요는 없다. 전기엔지니어들은 장비의 특성에 대한 정보를 정확히 숙지한 후 다양하게 사용하는 것이 소기의 목적을 달성하는 데 도움이 될 것이라 판단된다.

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