KR20110105963A - 케이블의 결함위치 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

케이블의 결함위치 추정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

케이블의 결함위치 추정 장치 및 그 방법이 개시된다. 케이블의 결함위치 추정 장치는 케이블에서 발생하는 전기적 신호를 측정하는 금속박 센서와 케이블에 설치되어 케이블에서 발생하는 초음파 신호들을 측정하는 초음파 센서들을 포함하는 센서부; 및 금속박 센서에서 측정된 부분방전 신호와 초음파 센서들에서 측정된 부분방전 신호들을 이용하여 케이블의 결함위치를 추정하는 결함위치 추정부를 포함한다. 케이블의 결함위치 추정 방법은 금속박 센서를 통해 케이블을 대상으로 전기적 펄스 형태의 부분방전 신호를 측정하고, 케이블의 표면에 설치된 초음파 센서들을 통해 초음파 펄스 형태의 부분방전 신호들을 측정하는 단계(a); 및 금속박 센서에서 측정된 신호와 초음파 센서들에서 측정된 신호들을 이용하여 케이블의 결함위치를 추정하는 단계(b)를 포함한다. 이러한 구성에 따르면, 결함의 추정위치에 대한 오차를 최소화함으로써 결함의 정확한 위치를 알 수 있다.

Description

케이블의 결함위치 추정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR PREDICTING DEFECT LOCATION OF CABLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 케이블의 결함위치 추정 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부분방전 신호 측정을 통해 케이블 상에서 결함이 발생한 위치를 추정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초고압 케이블의 결함 검출은 케이블 절연체 내부의 이물질이나 경계면의 이상 유무 등을 검사하기 위한 것으로, 제조나 품질검사, 결함검출을 목적으로 하는 시험 등의 과정, 혹은 현장 설치 후 운전 중에 수행될 수 있다. 검사 과정을 통해 케이블의 이상 유무를 판단하여 케이블에 이상이 있는 경우 중간 품질검사를 병행하고, 그 결과에 따라 작업의 진행 여부, 제품의 품질상태 등을 판단하는 것이다. 케이블의 결함 유무를 검사하기 위한 기본적인 방식으로는 작업자가 육안으로 결함부위를 찾고, 현미경 등을 통해 찾은 결함부위를 관찰하여 결함의 실제크기, 형태 및 종류를 파악하여 이상 유무를 판단하는 방식이 있다. 그러나, 육안에 의한 검사만을 수행할 경우 작업자의 경험차이로 인한 주관적 편차가 심하고, 정확한 품질검사가 어렵다.
이를 개선하기 위하여 전기적 펄스 측정을 통한 위치 추정 방식이 도입된 바 있다. 전기적 펄스 측정을 통한 위치 추정 방식은 도 1에 도시된 것처럼, 케이블 양쪽의 동일한 위치(C110, C120)에 전기적 펄스를 측정할 수 있는 센서들을 설치한 후 결함(C130)으로 인한 부분방전 발생 시 센서들을 통해 측정된 전기적 펄스들의 도달시간 차이(t1, t2)를 이용해 결함의 위치를 추정하는 방식이다.
다음의 수학식 1은 결함과 센서와의 거리를 구하기 위한 것이다.
Figure pat00001
여기서, ｘ1은 결함과 일측(C110)에 설치된 센서 간의 거리, ｘ는 양측(C110, C120)에 설치된 센서들 간의 거리, ν는 전기적 펄스의 전달속도, Δt는 신호들의 도달시간차(│t1 - t2│)를 의미한다.
그러나, 종래의 전기적 펄스 측정을 통한 위치 추정 방식의 경우, 전기적 펄스의 전달속도가 빛의 속도에 근접할 만큼 빠르기 때문에 도달시간 차이의 작은 오차에도 결함과 센서 간의 거리에 큰 오차가 발생하여 결함의 정확한 위치를 파악하기가 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은, 결함의 추정위치에 대한 오차를 최소화함으로써 결함의 정확한 위치를 알 수 있도록 하는 케이블의 결함위치 추정 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 케이블의 결함위치 추정 장치는 케이블에서 발생하는 전기적 신호를 측정하는 금속박 센서와 상기 케이블에 설치되어 상기 케이블에서 발생하는 초음파 신호들을 측정하는 초음파 센서들을 포함하는 센서부; 및 상기 금속박 센서에서 측정된 부분방전 신호와 상기 초음파 센서들에서 측정된 부분방전 신호들을 이용하여 상기 케이블의 결함위치를 추정하는 결함위치 추정부를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 케이블의 결함위치 추정 방법은 금속박 센서를 통해 케이블을 대상으로 전기적 펄스 형태의 부분방전 신호를 측정하고, 상기 케이블의 표면에 설치된 초음파 센서들을 통해 초음파 펄스 형태의 부분방전 신호들을 측정하는 단계(a); 및 상기 금속박 센서에서 측정된 신호와 상기 초음파 센서들에서 측정된 신호들을 이용하여 상기 케이블의 결함위치를 추정하는 단계(b)를 포함한다.
본 발명에 의하면, 결함의 추정위치에 대한 오차를 최소화함으로써 결함의 정확한 위치를 알 수 있도록 하는 케이블의 결함위치 추정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 한 번의 부분방전 신호를 측정하는 단순한 과정만으로 결함의 위치를 알 수 있고, 폭에 비해 길이가 매우 긴 선의 구조가 아닌 원통, 구, 육면체 등의 다양한 형태에서도 적용이 가능한 케이블의 결함위치 추정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 결함검출 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블의 결함위치 추정 장치의 구성도이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 나타난 결함위치 추정 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블의 결함위치 추정 방법의 흐름도이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 케이블의 결함위치 추정 장치 및 그 방법에 대하여 첨부된 도 2 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블의 결함위치 추정 장치의 구성도이고, 도 3 및 도 4는 도 2에 나타난 결함위치 추정 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 결함위치 추정 장치는 크게 센서들을 구비하여 신호를 측정하는 센서부(200)와, 센서부(200)를 통해 측정된 펄스에서 결함과 센서들과의 거리를 구한 후 3변측정법을 적용하여 결함의 위치를 3차원으로 계산해 주는 결함위치 추정부(300)로 구분된다.
센서부(200)는 금속박 센서(201)와 초음파 센서들(210, 220, 230)을 포함한다. 금속박 센서(201)는 얇은 금속박막(foil-electrode) 형태로 일정 거리만큼 떨어진 케이블의 양쪽 위치를 감싸도록 설치되어 케이블에서 발생하는 전기적 신호를 측정하여 결함위치 추정부(300)로 전달한다. 초음파 센서들(210, 220, 230)은 케이블의 표면에 여러 개 설치되며, 각 초음파 센서(210, 220, 230)는 케이블에서 발생하는 초음파 신호들을 측정하여 결함위치 추정부(300)로 전송한다. 도 2에 나타난 일 실시예의 경우, 초음파 센서들(210, 220, 230)은 3개이며, 동일한 평면 상에 위치하도록 케이블 표면 상의 서로 이격된 위치에 각각 설치된다.
결함위치 추정부(300)는 케이블에서 결함(C210)으로 인한 부분방전 신호가 발생하는 경우, 금속박 센서(201)에서 측정된 전기적 펄스 형태의 부분방전 신호와 초음파 센서들(210, 220, 230)에서 측정된 초음파 형태의 부분방전 신호들을 수신하고, 이를 이용하여 케이블의 결함위치를 추정하게 된다.
결함위치 추정부(300)는 전원부(310), 신호 도달시간 측정부(320), 거리 환산부(330), 결함위치 계산부(340)를 포함한다.
전원부(310)는 결함을 검출하기 위하여 시료가 되는 케이블에 시험전압을 인가한다. 케이블에 시험전압이 인가되면 결함(C210)이 있는 부분에서 부분방전 신호가 발생하며, 케이블에 접속된 금속박 센서(201) 및 표면의 초음파 센서들(210, 220, 230)을 통해 부분방전 신호가 측정된다.
신호 도달시간 측정부(320)는 금속박 센서(201)와 초음파 센서들(210, 220, 230)에서 측정한 부분방전 신호를 전달받아서 금속박 센서(201)의 신호 도달시간 t0을 기준으로 초음파 센서들 각각의 신호 도달시간 t1, t2, t3을 측정한다. 그리고, 신호 도달시간들 t1, t2, t3을 이용하여 금속박 센서(201)에서 측정한 신호와 초음파 센서들(210, 220, 230)에서 측정한 신호들 간의 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3를 계산하여 거리 환산부(330)로 출력한다.
도 3은 금속박 센서(201)에서 측정한 전기적 펄스 형태의 부분방전 신호(G200)가 수신된 후 초음파 센서들(210, 220, 230)에서 측정한 초음파 형태의 부분방전 신호들(G210, G220, G230)이 도착한 경우, 초음파 센서들(210, 220, 230)을 통해 측정된 신호들(G210, G220, G230) 간의 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3를 예시한 것이다.
거리 환산부(330)는 신호 도달시간 측정부(320)를 통해 계산된 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3에 케이블의 신호전달속도 v를 곱하여 결함과 초음파 센서들(210, 220, 230) 간의 거리 r1, r2, r3를 계산한다. 신호전달속도 v는 매질의 종류(예컨대, 매질이 물인지 혹은 고무인지 여부)에 따라 정해지는 값이다. 예컨대, 케이블이 고무 일체형(PMJ: Pre-molded joint) 접속재인 경우 신호전달속도 v는 고무재질에서 신호가 전달되는 속도로서, 약 1km/s이며, 초음파 센서들(210, 220, 230)의 신호들 간의 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3에 각각 1km/s를 곱하여 결함과 초음파 센서들(210, 220, 230) 간의 거리 r1, r2, r3를 계산하게 된다. r1, r2, r3는 전기적 신호의 도달시간을 기준으로 한 초음파 신호들의 도달시간차 값을 거리로 환산한 개념이다.
전기적 신호의 전달속도는 초음파 신호에 비해 상당히 빠르기 때문에 결함(C210)과 금속박 센서(201)와의 거리는 무시해도 큰 오차가 발생하지 않는다. 초음파 센서들(210, 220, 230)에서 측정된 신호들의 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3와, 케이블을 이루는 재질(예컨대, 고무재질)에서의 초음파 신호의 전달속도v를 곱해서 얻어진 거리 r1, r2, r3로 각 초음파 센서(210, 220, 230)를 중심으로 하는 세 개의 구를 만들면 구들이 교차하는 부분에 결함(C210)이 존재한다.
결함위치 계산부(340)는 거리 환산부(330)를 통해 계산된 거리 r1, r2, r3를 3변측정법에 적용하여 결함의 3차원 좌표 (X,Y,Z)를 도출해 낸다.
도 4는 전술한 것처럼 결함과 센서들(210, 220, 230) 간의 거리 r1, r2, r3를 구하고, 여기에 수학식 2, 수학식 3과 같이 정의되는 3변측정법을 적용하여 결함의 3차원 위치를 얻는 과정을 예시한 것이다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
3변측정법을 이용해 결함의 위치를 얻기 위하여 같은 평면 상에 있도록 케이블의 표면에 초음파 센서들(210, 220, 230)을 설치하며, 결함의 좌표는 계산을 통해 3차원 좌표인 (X,Y,Z) 형태로 얻어진다. 도 4에서, 초음파 센서들(210, 220, 230)은 P1(0,0,0), P2(2r,0,0), P3(2r,a,0)의 좌표에 위치하며, 결함과 센서들(210, 220, 230) 간의 거리 r1, r2, r3를 구함에 따라 결함의 3차원 좌표인 Fault(X,Y,Z)를 얻을 수 있다.
결함 검출의 대상이 되는 케이블은 일반 가정용 케이블보다는 일정값 이상의 두께를 가지고, 시험전압 인가 시 결함위치 추정이 가능할 만한 크기의 신호를 발생시키는 케이블인 것이 일 실시예의 적용에 효과적이다. 고무 일체형 접속재 등의 초고압 케이블이 이러한 대상에 해당한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블의 결함위치 추정 방법의 흐름도이다.
시료가 되는 케이블에 시험전압을 인가하는 경우(S110), 케이블에 결함이 존재하면 결함 부분에서 부분방전 신호가 발생하게 된다(S120).
도 2에서 설명한 바와 같이, 일 실시예에서 케이블의 표면에는 3개의 초음파 센서들(210, 220, 230)이 동일한 평면 상에 위치하도록 설치된다. 케이블에 시험전압이 인가됨에 따라, 금속박 센서(201)는 케이블의 결함으로 인해 발생하는 전기적 펄스 형태의 부분방전 신호를 측정하고, 케이블 표면에 설치된 3개의 초음파 센서들(210, 220, 230)은 초음파 펄스 형태의 부분방전 신호를 측정한다.
결함위치 추정 장치는 금속박 센서(201)에서 측정된 신호와 초음파 센서들(210, 220, 230)에서 측정된 신호들을 이용하여 케이블의 결함위치를 추정한다. 결함위치 추정 과정은 S130 내지 S170으로 세분화될 수 있다.
케이블에 결함이 존재하여 부분방전 신호가 발생하는 경우, 결함위치 추정 장치는 금속박 센서(201) 및 초음파 센서들(210, 220, 230)을 통해 부분방전 신호를 측정하여 금속박 센서(201)의 신호 도달시간 t0을 기준으로 초음파 센서들(210, 220, 230) 각각의 신호 도달시간 t1, t2, t3을 측정한다(S130, S140). 그리고, 측정된 신호 도달시간들 t1, t2, t3을 이용하여 금속박 센서(201)의 신호와 초음파 센서들(210, 220, 230)의 신호들 간의 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3를 계산한다(S150).
금속박 센서(201)와 초음파 센서들(210, 220, 230) 간의 신호 도달시간의 차이가 계산되고 나면(S150), 결함위치 추정 장치가 계산된 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3에 케이블의 신호전달속도 v를 곱하여 결함과 초음파 센서들(210, 220, 230) 간의 거리 r1, r2, r3를 계산한다(S160).
이후, 결함위치 추정 장치는 계산된 거리 r1, r2, r3를 3변측정법에 적용하여 결함의 3차원 좌표 (X,Y,Z)를 계산하게 된다(S170). 결함의 위치가 계산되면, 작업자는 육안으로 혹은 현미경 등의 장비를 이용해 케이블의 계산된 위치를 확인하여 결함의 실제유무, 위치 및 종류 등을 보다 정확히 인식하고, 후속 조치를 취할 수 있을 것이다.
전술한 일 실시예에 따르면, 결함의 위치를 찾기 위하여 부분방전 펄스 하나만이 필요하기 때문에 한 번의 시험만으로도 결함의 정확한 위치를 알 수 있다. 그리고, 초음파 신호의 전달속도가 전자파의 경우에 비해 상당히 느리기 때문에, 초음파 신호들 간의 도달시간차를 통한 결함과 초음파 센서들 간의 거리 계산에서 발생하는 오차가 상당히 작아져 결함위치 추정 시 높은 정확도를 확보할 수 있다. 또한, 폭에 비해 길이가 현저히 긴 구조가 아닌 원통, 구, 육면체 등의 모든 형태에서도 손쉽게 적용이 가능한 장점이 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
200: 센서부 201: 금속박 센서
210, 220, 230: 초음파 센서 300: 결함위치 추정부
310: 전원부 320: 신호 도달시간 측정부
330: 거리 환산부 340: 결함위치 계산부

Claims (7)

  1. 케이블에서 발생하는 전기적 신호를 측정하는 금속박 센서와 상기 케이블에 설치되어 상기 케이블에서 발생하는 초음파 신호들을 측정하는 초음파 센서들을 포함하는 센서부; 및
    상기 금속박 센서에서 측정된 부분방전 신호와 상기 초음파 센서들에서 측정된 부분방전 신호들을 이용하여 상기 케이블의 결함위치를 추정하는 결함위치 추정부를 포함하는 케이블의 결함위치 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 센서들은 3개이며, 동일한 평면 상에 위치하도록 상기 케이블의 표면에 설치하는 것을 특징으로 하는 결함위치 추정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 결함위치 추정부는,
    상기 케이블에 시험전압이 인가됨에 따라, 상기 금속박 센서 및 상기 초음파 센서들로부터 부분방전 신호를 수신하여 상기 금속박 센서의 신호 도달시간 t0을 기준으로 상기 초음파 센서들 각각의 신호 도달시간 t1, t2, t3을 측정하고, 상기 신호 도달시간들 t1, t2, t3을 이용하여 상기 금속박 센서의 신호와 상기 초음파 센서들의 신호들 간의 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3를 계산하는 신호 도달시간 측정부;
    상기 신호 도달시간 측정부를 통해 계산된 상기 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3에 상기 케이블의 신호전달속도 v를 곱하여 결함과 상기 초음파 센서들 간의 거리 r1, r2, r3를 계산하는 거리 환산부; 및
    상기 거리 환산부를 통해 계산된 상기 거리 r1, r2, r3를 3변측정법에 적용하여 상기 결함의 3차원 좌표 (X,Y,Z)를 계산하는 결함위치 계산부를 포함하는 케이블의 결함위치 추정 장치.
  4. 금속박 센서를 통해 케이블을 대상으로 전기적 펄스 형태의 부분방전 신호를 측정하고, 상기 케이블의 표면에 설치된 초음파 센서들을 통해 초음파 펄스 형태의 부분방전 신호들을 측정하는 단계(a); 및
    상기 금속박 센서에서 측정된 신호와 상기 초음파 센서들에서 측정된 신호들을 이용하여 상기 케이블의 결함위치를 추정하는 단계(b)를 포함하는 케이블의 결함위치 추정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 케이블의 표면에는 3개의 초음파 센서들이 동일한 평면 상에 위치하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 케이블의 결함위치 추정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    상기 케이블에 시험전압이 인가됨에 따라, 금속박 센서가 상기 케이블의 결함으로 인해 발생하는 전기적 펄스 형태의 부분방전 신호를 측정하는 단계; 및
    상기 케이블에 시험전압이 인가됨에 따라, 상기 3개의 초음파 센서들이 초음파 펄스 형태의 부분방전 신호를 측정하는 단계를 포함하는 케이블의 결함위치 추정 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    상기 금속박 센서 및 상기 초음파 센서들로부터 부분방전 신호를 수신하여 상기 금속박 센서의 신호 도달시간 t0을 기준으로 상기 초음파 센서들 각각의 신호 도달시간 t1, t2, t3을 측정하는 단계;
    상기 측정된 신호 도달시간들 t1, t2, t3을 이용하여 상기 금속박 센서의 신호와 상기 초음파 센서들의 신호들 간의 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3를 계산하는 단계;
    상기 계산된 도달시간차 Δt1, Δt2, Δt3에 상기 케이블의 신호전달속도 v를 곱하여 결함과 상기 초음파 센서들 간의 거리 r1, r2, r3를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 거리 r1, r2, r3를 3변측정법에 적용하여 상기 결함의 3차원 좌표 (X,Y,Z)를 계산하는 단계를 포함하는 케이블의 결함위치 추정 방법.
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