Hot Tech - 수배전반 설비의 진동과 기울기 분석을 통한 내진 분석 기술
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▲ 박현수 연구소장 (주)케이디파워
기술개발의 필요성
배전반 설비 내부에는 전력을 안전하게 공급하고 사고시 차단할 수 있는 변압기, 차단기, 개폐기, UPS, 콘덴서, 변류기 등의 고·저압의 장비들을 포함하고 있어, 내·외부의 요인에 의해 화재나 정전을 일으켜 인명과 재산의 피해를 가져올 수 있다.
기상청 국가지진정보시스템에 의하면 2014년 국내 지진 발생 횟수는 총 49회로, 지진관측망의 증가와 현대화가 시작된 1988년 이후 뚜렷한 증가추세를 보이고 있으나, 2013년 6월 기준 전국 내진설계 의무화 건축물 중 내진설계가 적용된 비율은 5.4%(출처: 동아일보 2014.5.16.)에 불과해 내진 기능을 보유한 배전반 설비 수요가 급증하고 있다.
지진 등으로 발생되는 진동이나 설비의 편심에 의해 배전반에 기울어짐이 발생하는 경우 단락·단선에 의한 화재 및 정전사고가 발생할 수 있으며, 애자 크랙에 의한 절연 파괴로 감전사고 및 전력기기 전원공급 차단 등 막대한 인적·물적 피해를 입을 수 있다.
특히 설비의 편심 등에 의한 배전반의 기울어짐은 서서히 진행되기 때문에 기울어짐 정도를 육안으로 자세하게 확인하는 것이 어려우나 현재 단순한 지진감시 기능 외에 배전반의 기울어짐 상태를 지속적으로 감시·분석하는 기술은 찾아보기 힘들다.
또한 최근에는 내진설비의 중요성 부각에 따라 설비 하부에 스프링 등 내진설비가 적용된 배전반이 많이 설치되고 있으나, 지면에 밀착하여 고정된 배전반에 비하여 상대적으로 기울어짐 발생에 취약한 점이 있어 내진설비의 열화 등에 의한 배전반 설비의 기울어짐을 확인할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
기술 상세 내용
진동에 대한 차동분석을 통한 내진설비의 일반 진동판별 및 지진 강도측정
IT를 활용한 실시간 지진 모니터링 및 제어를 통해 정전, 화재, 감전 등의 2차 사고를 방지하기 위한 기술로, 설비에 부착되어 배전반에 발생한 진동의 단순 진동 및 지진 여부 분석과 강도 분석, 강진시 차단기 트립 및 경보 신호 출력 등 관리자에게 모니터링 정보를 제공하는 진동분석부와 지면의 진동을 측정하는 지진 센싱부로 구성된다.
지면에 부착된 레퍼런스 모듈은 지진 등에 의해 진동 발생시 내진설비를 거치지 않은 순수 진동을 측정한다.
메인 모듈의 진동 측정 조건에 따라 배전반 등에 부착된 센서 모듈과 지면에 부착된 레퍼런스 모듈의 진동 측정상태를 차동 비교하여 내진설비의 진동 흡수 상태 및 지진의 강도 측정이 가능하다.
또한 메인 모듈, 센서 모듈과 레퍼런스 모듈의 진동 크기를 비교할 경우 진동의 소스를 파악할 수 있으며, 설비 전체에서 발생한 진동에 의한 오류 파악도 가능하다.
진동 및 기울기 트렌드 분석을 통한 내진설비 열화 분석
내진설비에 지속적으로 진동이 인가될 경우 내진설비가 열화되어 설비전체가 기울어지게 된다.
따라서 상기 메인 모듈과 센서 모듈은 상기 설비의 진동 및 기울기 트렌드를 분석하여, 내진설비 열화 상태를 분석 할 수 있다.
운영관리 정보 제공
기울기 데이터를 주기적으로 저장하여 해당 정보를 이용한 상부변위 상태 산출 및 내진설비의 기울기 정보를 분석할 수 있으므로, 전체 설비의 컨디션을 입체적으로 확인할 수 있다.
지진과 같이 설정된 진동크기 이상의 큰 외력이 설비에 가해지는 경우 비정상적인 진동으로 간주하여 외함 본체 내부에 공급되는 전원을 차단하도록 메인 모듈을 통해 트립신호를 출력한다.
또한 일정 이상의 기울기가 발생할 경우에도 메인 모듈을 통해 트립신호를 출력함으로써 설비 보호 및 사고를 방지한다.
기술의 차별성
기존 내진 센싱 기술은 단순한 지진감시 기능(모니터링) 및 지면으로부터 설비에 전해지는 진동을 감쇠시켜 설비의 구조적 안정성을 확보하고 2차 사고를 예방하는 기술이다.
반면, 본 신기술은 설비에 가해지는 진동을 실시간으로 모니터링하고 필요시 즉각적으로 전력 공급을 차단함으로써 기기보호 및 정전, 화재, 감전 등의 2차 사고를 예방하며, 평상시에는 배전반의 기울어짐 트렌드를 지속적으로 분석하여 내진설비의 열화 상태를 분석하는 기술이다.
본 기술은 내진설비를 보다 더 효과적으로 관리할 수 있을 뿐만 아니라, 지진에 대해 능동적 분석이 가능하다.
기존 내진 센싱 기술은 지진계 기능을 콤팩트화 하고 통신기능을 추가하여 원격검침 및 DB분석이 가능하지만, 가격이 고가이므로 주요시설에만 국한되어 사용해 왔다.
하지만 본 기술은 지진계의 기능이 콤팩트화되었을 뿐만 아니라 모바일로 원격검침이 가능하고 DB분석이 가능하며 가격이 저렴하다.
또한 지진에 의한 진동뿐만 아니라 다양한 요인에 의해 발생될 수 있는 진동을 구분할 수 있어 차동분석 알고리즘에 의한 진동유형 분석이 가능하고, 내진설비의 수명을 가늠할 수 있는 기울기 분석을 통해 열화정도를 측정할 수 있다.
따라서 기존 내진 센싱 기술보다 더 다양한 정보를 분석하고 제어까지 수반하는 기술로서, 내진 안전 기술에 대한 저변확대에 큰 영향을 미칠 수 있을 것이다.
기술의 파급효과
2014년도 국내 배전반 시장 규모는 6조 5,220억 원으로 2011년도부터 현재까지 연평균 3.2%씩 매년 증가(출처: 전기산업진흥회 ‘2015년 전기산업 동향 및 전망)하고 있다.
최근 전기안전에 대한 관심 증대 및 전기설비에 대한 내진 설계 의무 규정 확대 등으로 인하여 내진설비가 적용된 배전반의 수요가 급증할 것으로 예상된다.
내진설비의 수요는 증가하는 반면 단락·단선에 의한 화재·정전사고 및 애자 크랙에 의한 절연 파괴로 감전사고 및 전력기기 전원공급 차단 등의 2차 사고로 이어질 수 있는 내진설비의 열화 상태를 감시하는 기술은 미흡하다.
따라서 배전반 등의 전력설비 안전 기술 개발이 시급한 지금, 많은 현장에서 본 기술과 같은 내진+모니터링+사고방지 기술의 복합적 내진 배전반의 적용 필요가 크게 확대될 것으로 기대된다.
2005~2013년 국내 지진발생 횟수 연평균 증가율은 12%(출처: 기상청 국가지진정보시스템)로 뚜렷한 증가 추세를 보이고 있어 내진설비가 적용된 전력설비의 수요는 앞으로 더욱 증가할 것으로 예상되며, 이에 따라 내진설비의 열화정도를 감시·분석할 수 있는 기술의 필요성이 크게 증가할 것이다.