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[떠오르는 특허 기술⑤] 케이블 고장 진단 및 보호
 
특허뉴스 이성용 기자   기사입력  2019/04/30 [16:43]

▲ 전기자동차 배선케이블에도 활용되는 스마트 진단 및 보호기술     © 특허뉴스

 

케이블 진단 및 보호기술에 대한 수요는 전력뿐 아니라 제어 및 계측, 전기자동차 내 배선 케이블 등 다양한 분야에서 높아지고 있다. 또한 원자력 발전소 제어시스템, 우주 왕복선, 잠수함, 산업용 제어기기 등 높은 안정성을 요구하는 시스템이 증가하고 있어 전기배선에 대한 신뢰성 진단 및 평가는 중요한 요소로 자리 잡았다. <편집자>

 

전기배선 신뢰성 진단 기술

 

전력케이블에 대한 진단 및 보호 기술 가운데 고장 위치 추정기술은 일본과 북미, 유럽 등 선진국들만 보유하고 있어 국산화 요구가 끊임없이 제기돼 왔다. 실제로 국산 케이블 모니터링 시스템 기술은 현장 적용 실적이 미미한 상태다.

가장 대표적인 고장 위치 진단 방법을 살펴보면, 개략적인 위치를 탐지하는 방법과 상세한 지점을 탐지하는 방법으로 분류할 수 있다. 개략적인 고장위치 탐지는 머레이 루프법, 펄스 레이더법 등이 있고, 상세 위치를 확인하는 방법으로는 써칭 코일법, 음향 탐지법 등이 개발됐다. 이 중 시간 영역 반사파 계측법(Time Domain Reflectometry, TDR)은 임피던스 불일치 지점에서 전자기 신호의 반사 현상을 이용해 고장 위치를 탐지하는 방법으로 케이블 고장을 탐지하는데 가장 많이 사용된다. 해외에서도 TDR, 주파수 영역 반사파 계측법(Frequency Domain Reflectometry, FDR), 광학 시간 영역 반사파 계측법(Optical Time Domain Reflectometry, OTDR) 등을 전력 케이블 진단에 적용한다. 북미와 유럽에서는 광섬유를 이용한 장거리 분포 온도 측정기술이 개발돼 해저 케이블 진단에 적용된다.

 

그러나 기존 고장위치 탐지 기법의 경우, 케이블내 부분적인 결함 존재여부와 위치를 판단하기 어렵다. 또 시험 전압치가 높아 진단 시험 중 정상적인 케이블 절연체도 파괴될 수 있는 문제점이 있다. 케이블의 예측적 수명관리 방법도 아직은 불가능한 실정이다.

 

▲ 세계 전기 송배전 시장 전망     © 특허뉴스

 

전력케이블의 진단 및 보호 기술을 살펴보면, 해외에 비해 국내 연구가 부족한 실정이다. 예를 들어 고장 지점 위치 추정기술은 일본과 북미, 그리고 유럽중심의 선진국들만 보유하고 있기 때문에 고장 지점 위치 추정관련 국산화가 요구된다. 실제로 국산화된 케이블 모니터링 시스템 기술마저도 현재 적용 실적이 미미한 상태이다. 지중 송전 케이블을 대상으로 분포 온도 측정 분포 온도 측정 (Distributed Temperature Sensing, DTS) 시스템과 이와 연계된 실시간 송전 용량 산정 시스템이 345 kV급 지중 전력 케이블에 적용되고 있으며, Online 절연 진단을 위한 부분방전 모니터링 시스템이 일부 적용중이다.

또 열화상 진단 기술은 전기 설비 열화 진단에 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 전력 케이블의 경우, 접속점 또는 말단부 에 대한 진단 위주로 적용되고 있으며, 전력 케이블에 대한 진단은 유휴 상태(Off-Line)에서 VLF(Very Low Frequency) 장비 등을 이용한 진단을 실시하고 있다. 적외선 열화상은 비 접촉 및 비파괴 방식으로 빠른 시간에 넓은 면적을 검사 가능한 장점이 있다. 열영상은 알고리즘 분석을 통해 케이블 열화에 대한 정성 및 정량적으로 예측이 가능하다.

 

 

급증하는 전력 케이블 진단 및 예방 시장

 

지난 2016년 내부순환로 정릉천 고가 안전점검 사례와 2015년 벼락으로 인한 서해대교 케이블 결함 사례의 경우를 보더라도, 구조물 결함은 수십억원 이상의 비용 및 교통 혼란 등 엄청난 사회 및 경제적 어려움을 야기한다. 그러나 구조물의 물리적 특성상 결함 진단 및 보수 조건은 상당히 까다롭다. 구조물에 보강을 목적으로 사용하는 강재들은 콘크리트 같은 두터운 피복으로 포장된다. 따라서 육안으로 강재의 결함을 찾아내는 것이 불가능하다. 더욱이 구조물의 내부설계가 복잡한 경우에는 진단 및 평가를 위한 장비를 설치할 수 있는 공간조차 확보하기 어려운 상황이 허다하다.

 

▲ 시간-주파수 영역 반사파 계측법 기준 신호     © 특허뉴스

 

스마트 케이블 진단 시스템은 이 같은 구조물의 양 종단에서 전기적 신호를 송수신하는 계측기를 설치할 수 있다. 이를 통해 간편한 검사는 물론 우수한 해상도로 기존 방법으로는 결함을 발견해내지 못했던 상황에서도 진단 및 보수가 가능해진다. 또한 입력파의 설계에서 처리에 이르는 과정에 대한 시간 및 주파수 영역 신호처리 관점으로의 새로운 접근 방법을 통해 단지 도선의 이상 유무 진단뿐 아니라 기존의 반사파 방법들이 적용되었던 대부분의 영역에서 활용될 수 있다. 즉 전기자동차 내 배선, 지질/자원탐사, 재료표면 검사, 레이다/소나, 통신망 네트워크 배선, 광케이블진단, 원격탐사, 유체도파관 누출진단, 수위측정 등에도 확대 적용될 수 있다.

 

스마트 케이블 진단 시스템을 적용할 수 있는 시장들은 공통적으로 정확하고 효율적인 진단 기술이 필수적이다. 따라서 각 수요 시장들마다 기존 진단 기술들은 존재하지만 한계들도 많아 향후 스마트 케이블 진단 기술이 성공적으로 상품화한다면 시장 파급력이 클 것으로 판단된다.

 

4차산업 혁명과 세계 전기산업

 

세계 전기산업은 미국, 유럽 등의 노후 전력 설비에 대한 교체 및 유지보수가 진행되고, 신흥국 전력수요 증가에 따른 발전 및 송배전망의 설비확충이 요구되고 있다. 특히 전력 슈퍼 그리드(Super Grid) 산업의 핵심으로 부상한 HVDC/초전도 케이블에 대한 예방 및 진단 시장 선점이 기대된다.

실제로 현재 IoT 및 빅데이터 시장 성장과 함께 예방 및 진단 서비스 분야 기술 개발 수요도 지속적으로 증가하고 있다. 특히 신흥국의 전력수요 증가에 따른 발전 및 송배전망의 설비확충이 요구된다. 세계적으로 전력 슈퍼 그리드(Super Grid) 산업의 핵심으로 부상하고 있는 HVDC 케이블 및 초전도 케이블에 대한 기존 연구는 케이블 성능 향상을 포함한 상용화 단계에 초점을 두고 있어 새로운 전력망에 대한 진단 기술연구에 대한 필요성이 강조된다.

 

네트워크 제어 및 감시에 필요한 제어계측기기 시장도 오는 2050년까지 지속적으로 확대될 전망이다. 특히 최근 노후화된 원자력 발전소와 재해취약 시설에 대한 사회적 불안감이 증가함으로써 안전 및 유지관리에 대한 중요성이 부상되고 있다. 그러나 국가 R&D 기술산업 정보 서비스 조사결과에 따르면 우리나라 지능형 유지관리 수준은 최고 기술보유국 대비 약 76% 수준에 불과하다. 특히 소프트웨어 기술과 핵심장비 등 원천 기술은 크게 부족한 상황이다.

 

▲ 전기 케이블 공사     © 특허뉴스

 

따라서 스마트 케이블 진단 시스템을 통해 고도화된 원천 기술 확보는 물론 해외시장 진출도 가능해진다.

특히 4차 산업혁명에 대응하기 위한 전력 업계의 움직임도 분주하다. 변전소 디지털화와 종합 예방정비시스템 등을 구축하는가 하면 ICT 기술을 토대로 한 스마트 발전소 구현에 속도를 내고 있다.

디지털변전소는 전력망 지능화를 위해 감시제어보호 등 변전소를 구성하는 전력설비 기능과 통신방식을 국제표준(IEC-61850) 기반으로 구축하는 시스템을 말한다. 중앙감시반(HMI)과 변압기, 보급배전반, 통신반(RTU) 등으로 이뤄진 변전시스템 간의 연결망을 구리선에서 광케이블로 바꾸는 게 핵심이다. 광케이블로 전환하면 과거 하나의 구리선에 정보를 하나씩 담아 운영하는 신호전달체계가 지능형전자장치(IED)를 통해 정보를 전송할 수 있게 된다. 여기에 향후 애플리케이션이 개발되면 고장 시 자동복구 등 다양한 기능을 구현할 수 있어 현장인력의 투입 없이 원격 조정과 제어가 가능해진다.

또한, 지능화된 변전운영시스템을 통해 고장 판단과 분석 등 전력설비에 유용한 정보를 관제센터에 제공할 수 있는 것은 물론 국제표준 통신방식인 IEC 61850을 활용하기 때문에 다양한 전력설비 정보의 융합활용이 가능해진다. 예방정비를 통한 수명관리 및 사고방지를 목적으로 종합 예방진단시스템 원천기술 확보에도 적극 나서고 있다.

 

송변전 빅데이터 통합 관리체계 스마트발전소 구축도 본격화하고 있다. 실제로 웨어러블 기기, 드론, VR 가상고장 모의훈련 시스템 등을 도입해 스마트 발전소를 구축이 추진된다. 또 발전설비 정비자재 관리에 활용하고 있는 IoT기술을 환경설비 보강과 신재생에너지 발전에 확대 적용하고 있다. 탈질탈황, 집진설비 등의 운전 상태를 IoT 기술로 실시간 분석해 최적의 온실가스 저감대책을 수립하고, 태양광, 풍력, 소수력 등 신재생설비를 원격 제어한다는 복안이다.

특히 최근에는 스마트폰을 활용한 안전점검시스템은 물론 4차 산업혁명 기술을 활용한 스마트 발전소 구현의 일환으로 열화상 카메라, 내시경 카메라 등 스마트 키트를 모바일 기기에 장착해 현장 점검시 활용된다. 이밖에도 온도 트렌드 감지 시스템과 유비쿼터스 융합형 안전모를 개발 등도 추진된다.

 

실시간 비파괴 케이블 진단 및 정비

 

이런 가운데 연세대 신용준 교수팀이 개발한 스마트 케이블 진단 시스템은 고도의 안정성을 요구하는 전기, 전자 시스템 배선에 대한 도선의 이상 유무와 그 위치를 찾아낼 수 있는 스마트 케이블 진단 및 보호 기술이다. 진단 장비는 도선의 주파수 특성에 적합한 기준신호를 설계하는 신호발생기 이상 지점 혹은 고장 지점에서 발생한 반사 신호를 수신하는 오실로스코프 기준신호와 반사 신호를 처리하는 신호처리 및 제어 장비 등으로 구성된다. 신호를 시간 영역뿐 아니라 주파수 영역에서 함께 해석함으로써, 도선의 이상 유무를 진단함과 동시에 이상 위치 추정 및 도선의 상태 추정(수명 진단)도 가능해진다. 특히 실시간으로(전력설비의 경우 활선상태에서) 부품 상태를 비파괴적으로 진단해 정비 및 교환함으로써 안전하고 경제적인 정비를 구현한다.

반사파 계측법은 신호 유형에 따라 시간영역 반사파 계측법(TDR, Time Domain Reflectometry)과 주파수영역 반사파 계측법(FDR, Frequency Domain Reflectometry)으로 분류된다. 이 기술이 활용하는 시간-주파수 영역 반사파 처리법(TFDR, Time-Frequency Reflectometry)TDR의 장점과 FDR의 장점을 모두 취해 최적화하는 혼성(Hybrid) 처리 방법이다. 따라서 더욱 향상된 정확성(Accuracy)과 분해능력(Resolution)을 제공한다. 또 케이블 종류에 따라 적합한 신호를 최적화할 수 있어 다양한 영역에 적용할 수 있다.


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