김대길
(Dae-Gil Kim)
1iD
송민호
(Minho Song)
†iD
-
(Post-doctor, Honam Research Center, Electronics and Telecommunications Research Institute,
Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Arrayed waveguide grating, Optical fiber sensor, Partial discharge, Sagnac interferometer, Ultrasonic signal
1. 서 론
1.1 연구의 배경
절연체의 절연성능 저하로 인해 전력케이블, GIS (gas insulated substation), 전력용 변압기 등 고전압 설비의 내부에서 강한
펄스 형태로 에너지를 방출하는 부분방전(partial discharge, PD) 현상은 전력기기 내부의 절연열화 상태에 대한 정보를 외부로 전달하는
중요한 물리량이다[1].
절연체의 내부에서 부분방전이 발생하는 경우, 아크에 의해 발생한 충격진동이 주위의 절연유를 압축하여 탄성파인 150kHz를 중심으로 하는 100∼200kHz
대역의 초음파가 발생한다[2]. 이 초음파를 검출하여 전력기기 절연열화의 정도를 모니터하고 이에 대한 대응책을 실행한다면 심각한 사고로 진행하는 것을 방지할 수 있다. 고전압
전력기기의 초음파 측정은 일반적으로 압전소자로 제작된 AE (acoustic emission) 센서를 사용하며, 설비의 외부에 부착하여 초음파의 강도와
발생빈도, 부분방전이 발생한 위치를 측정한다. 이러한 방식은 센서를 설비의 외함 벽에 설치하므로, 내부 구조물에 의한 반사파나 외함을 타고 들어오는
파동 등에 의해서 신호가 중첩 혹은 감쇄되므로 측정결과가 왜곡될 수 있는 문제를 가진다. 이러한 문제점의 근본적인 해결은 절연성이 매우 높고 전자기파
간섭의 영향을 받지 않는 센서를 전력설비의 내부에 직접 설치하여 계측의 정확도와 민감도를 높이는 것이다.
광섬유 센서(fiber-optic sensor)는 크기가 작고 구조가 단순하여 매입의 영향을 최소화하면서, 높은 절연성으로 고전압 대전류 설비의 전자기파
간섭에 영향을 받지 않는다. 또한 넓은 범위에서 다수의 센서를 활용할 수 있는 다중화(multiplexing) 기능을 갖추고 있어서 부분방전 측정
등 전력설비의 실시간 안전진단에 가장 적합한 센서 형태로 관심을 받아 왔다[3-9]. 초음파 검출을 위해서는 주로 간섭계형 센서가 활용되는데, 광학적인 구조에 따라 마하젠더(Mach-Zehnder), 사냑(Sagnac), 패브리-페로(Fabry-Perot)
간섭계 등으로 구분한다.
본 논문에서는 부분방전시 발생하는 초음파 신호를 검출하여 부분방전의 발생여부를 모니터하고 그 발생위치를 측정할 수 있는 광섬유 센서시스템을 제안한다.
최대 200kHz의 초음파 신호를 검출하기 위해 구부림 강화 광섬유를 사용하여 사냑 간섭계 형태의 광섬유 음향 센서(fiber-optic acoustic
sensor, FOAS)를 제작하였다. 광학 회로를 간소화하고, 다수의 FOAS 어레이를 단일 광원으로 동시에 사용하기 위해 AWG (arrayed
waveguide grating)를 활용하였다. 실험을 통하여 100∼200kHz 범위의 초음파 검출성능을 평가하였으며, 다수의 FOAS를 이용하여
부분방전의 3차원 위치검출을 위한 기초실험을 수행하였다.
2. 본 론
2.1 광섬유 사냑 간섭계
부분방전에서 발생하는 음향신호를 측정하기 위해 사냑 간섭계 기반의 FOAS를 Fig. 1과 같이 구성하였다. 3×3 광섬유 커플러(fiber-optic directional coupler)를 융착 접속(fusion splicing)하여
사냑 루프(loop)를 구성하였으며, 음향신호 검출을 위한 센싱 코일을 루프내부의 비대칭 위치에 두기 위해서 지연광섬유 코일(delay coil)을
센싱 코일과 함께 루프 안에 위치시켰다.
광폭광원은 3×3 광섬유 커플러에서 시계방향으로 회전하는 CW (clockwise)와 반시계방향의 CCW (counterclockwise) 경로로
나뉘어 사냑 루프를 따라 진행한다. 비대칭 위치에 있는 센싱 코일에 음향신호가 인가되면, 음압 세기에 비례한 변위에 의해서 CW와 CCW 경로로 진행하는
광신호 사이에 광경로차(optical path difference, OPD)가 발생한다. 음향신호를 따라 실시간으로 변조되는 광경로차는, 양방향으로
진행한 두 광신호가 광섬유 커플러를 통과하여 중첩된 후 광검출기(photo-detector, PD)에서 간섭신호의 변화로 검출된다. 이때 검출되는
간섭계의 출력 $I(t)$는 다음 식 (1)과 같이 표현할 수 있다[9].
위 식에서 $E_{CW}$와 $E_{CCW}$는 사냑 루프에서 시계 방향과 반시계 방향으로 진행하는 광신호, $\triangle\phi$는 $E_{CW}$와
$E_{CCW}$ 사이의 위상차, $\triangle\phi_{a}(t)$는 음압에 의해서 센싱 코일에 유도되는 위상 변화량이다. 즉, PD 출력의
위상변화는 음향신호의 음압에 비례하므로 이를 측정함으로써 전력설비의 내부에서 발생하는 부분방전을 검출할 수 있다.
Fig. 1. Configuration of a Sagnac interferometer-based fiber-optic acoustic sensor.
PD: photo
-detector, CW: clockwise, CCW: counterclockwise
2.2 광섬유 센싱 코일
Fig. 2는 부분방전에 의한 음향신호를 측정하기 위하여 제작한 광섬유 센싱코일이다.
높이 45mm, 내경 27mm, 외경 30mm의 아크릴 재질의 중공형 원통에 약 17 m 길이의 구부림 강화 광섬유(1550BHP, Thorlabs)를
180 여회 감아서 제작하였다. 구부림 강화 광섬유는 일반적으로 사용되는 SMF-28 광섬유에 비해 낮은 구부림 손실 특성을 가지므로 보다 다양한
크기의 센싱 코일을 제작할 수 있다. 사용한 구부림 강화 광섬유는 13mm의 굽힘 반경을 보장하며, Table 1에 그 제원을 나타내었다.
Table 1. Specification of the bend insensitive fiber
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Parameter
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Value
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Cladding diameter
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125 ± 1.0um
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Core diameter
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9.0um
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Coating diameter
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245 ± 15um
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Numerical aperture
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0.13
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Attenuation @ 1550nm
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≤ 0.5dB/km
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Operating wavelength
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1460-1620nm
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Min. bend radius
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6mm (momentary)
13mm (long term)
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식 (1)에서 센싱 코일의 위상변화량 $\triangle\phi_{a}$은 Fig. 2(a) 의 광섬유가 감긴 부분 $l_{m}$에 감긴 광섬유(길이 $L$)가 음압에 의해서 수축과 팽창되어 발생하는 것으로 식 (2)와 같이 표현할 수 있다[10, 11].
위 식에서 $k$는 광파수(wave number), $n_{e}$은 광섬유의 유효 굴절률(effective refractive index), $\varepsilon_{i}$는
광섬유의 직교 방향 변형률($i$=1, 2, 3), $\rho_{ij}$는 Pockel 상수, $\sigma_{i}$는 광섬유의 직교 방향 응력($i$=1,
2, 3), $\nu_{f}$는 광섬유의 프와송 비(Possion’s ratio), $E_{f}$는 광섬유의 영률(Young’s modulus)이다.
Fig. 2. Structural diagram (a) and photograph (b) of the constructed fiber-optic sensing
coil
2.3 광섬유 간섭형 어레이 센서 시스템
Fig. 3은 유중방전시 발생하는 음향신호를 검출하고, 신호원의 위치를 측정하기 위한 다채널 FOAS 시스템의 개략도이다.
제안하는 센서 시스템은 광학 회로를 간소화하고, 다채널 FOAS를 구동하기 위해 광폭광원(LiComm, OFB-AFB)과 1×16 채널 AWG (arrayed
waveguide gratings)를 사용하였다. 사냑 간섭계 기반의 FOSA는 분리된 광신호가 동일한 루프 경로를 반대방향으로 진행한 후 다시 결합하므로
광경로차의 발생이 거의 없어서 낮은 가간섭 길이(coherence length)를 갖는 AWG의 투과파장으로도 간섭신호를 쉽게 얻을 수 있다. 사용한
광폭광원은 1,550nm의 중심파장에서 75nm의 스펙트럼폭과 13 dBm의 출력 파워를 갖는다. AWG는 Fig. 4에 표시한 것과 같이 1,547.64∼1,553.82nm의 파장 범위에서 0.4nm의 간격으로 16개의 채널(0.3nm 스펙트럼폭)을 가진다.
광폭광원의 출력이 AWG를 통과한 후 16개 채널의 FOAS 센서를 구동할 수 있으므로 센서마다 독립적인 광원과 구동회로를 사용하는 경우에 비하여
경제적이면서 단순한 구조의 센서 어레이를 구성할 수 있다.
방전에 따른 음향신호가 FOAS 센싱 코일에 스트레스를 가하면 광경로차가 발생하여 코일을 통과하는 광신호의 위상이 변조된다. PD는 변조된 위상에
따라 진동하는 간섭신호를 검출하여, DAQ 보드(NI, PXI-6284)를 이용하여 컴퓨터로 읽어 들인다. 저주파 외부 잡음에 의한 출력 영향을 줄이기
위해 차단 주파수 500Hz의 고역통과필터(HPF, high-pass filter)를 사용하였다.
Fig. 3. Schematic diagram of multi-channel fiber-optic acoustic sensor system. BBS:
broadband light source, AWG: arrayed waveguide grating, FOAS: fiber-optic acoustic
sensor, HPF: high-pass filter, DAQ: data acquisition
Fig. 4. Transmission wavelengths of 1×16 AWG
3. 실험 및 결과
Fig. 5는 부분방전에서 발생하는 음향방출 신호를 모의하고, 제안한 FOAS의 성능시험을 수행한 실험의 구성도이다. 모의 유조는 투명 폴리카보네이트 수지 재질로
제작하였으며, 두께, 길이, 높이, 폭은 각각 1, 60, 30, 30cm이다. 일반 유입변압기에 사용되는 광유 1종 2호 절연유를 모의 유조 안에
12cm 높이로 채웠다. 약 150kHz 대역의 부분방전 음향신호를 모의하기 위해서 직경 30mm, 높이 40mm의 lead zirconate titanate
재질 원통형 압전소자 (PZT, piezoelectric transducer)와 함수발생기를 사용하였다. 함수발생기의 구동 신호는 PZT 구동용 전압
증폭기를 사용하여 20배 증폭하였다. 실험에서 초음파 검출을 위해 2개의 FOAS를 사용하였으며, 각각의 FOAS 센싱 코일은 유조 안에 PZT와
10, 30cm의 거리를 두고 배치하였다. PZT와 10cm 떨어진 유조의 외벽에 기준 신호 측정을 위해 초음파 센서(Fuji ceramics, AE144S)를
설치하였다.
Fig. 6은 FOAS의 동작 특성을 확인하기 위해 함수발생기로 10Vpk-pk, 1 kHz의 사인파 신호를 PZT에 인가한 후 FOAS #1 센싱 코일에서
검출되는 간섭 신호를 측정한 것이다. PD1과 PD2에서 검출된 간섭 신호중 교류성분의 크기는 270mVpk-pk이며, 2.5V의 DC 성분을 갖는다.
이는 광섬유 커플러의 결합비(coupling ratio) 차이와 광폭 광원($\Delta\lambda =0.3{nm}$)의 낮은 가간섭성에 의한 것으로
판단된다[12]. 3×3 광섬유 커플러를 사용하여 PD1과 PD2의 출력이 180°의 상대적인 위상차이를 갖기 때문에[13], 균형 광검출(balanced photo detection)을 이용하여 공통모드 노이즈를 제거하고, 간섭 신호의 크기는 2배 증폭시킬 수 있었다.
제안하는 FOAS의 주파수 측정범위를 확인하기 위해 원통형 PZT에 10Vpk-pk 크기의 100, 150, 200kHz의 사인파 신호를 인가하고,
각 입력신호에 따른 FOAS #1의 출력신호와 주파수 분석한 FFT (Fast Fourier Transform) 스펙트럼을 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7(a)∼(c)에서 100, 150, 200kHz 입력에 대한 FOAS의 간섭신호 출력은 각각 약 20, 18, 17mVpk-pk의 범위에 머물러서 1kHz
입력을 가한 경우에 비하여 신호대잡음비(SNR, signal-to-noise ratio)가 크게 감소하였으며 이는 원통형 PZT의 공진특성에 기인한
것으로 판단된다. 그러나 FFT 스펙트럼에서는 인가된 주파수의 신호가 정확하게 검출되고 있음을 확인할 수 있다.
Fig. 8은 원통형 PZT에 150kHz 사인파(10Vpk-pk)를 10ms 주기의 버스트(burst) 모드로 인가한 후, FOSA #1 센서와 초음파 센서(AE144S)로
동시에 측정한 결과를 보인다. FOAS는 약 20mVpk-pk, 초음파 센서는 약 40mVpk-pk 진폭의 출력을 보이며 초음파 센서의 민감도(11.22mV/Pa
@ 150kHz)를 기준으로 PZT가 발생시키는 음향신호의 음압을 계산하면 약 1.8 Pa이며, FOAS의 민감도는 5.56mV/Pa이다. 이때 유조
벽에 의한 신호의 감쇠는 무시하였다.
기술한 바와 같이, FOAS는 절연성이 매우 뛰어나고 크기가 작은 광섬유 센서를 전력설비 내부에 직접 설치하여 부분방전을 검출할 수 있다. 보다 정밀한
절연열화의 상태 모니터링(condition monitoring)을 위해서는 방전의 발생여부와 함께 방전이 발생한 위치를 파악하는 것이 필요하다. 본
연구에서는 제안하는 FOAS 시스템으로 방전의 위치검출이 가능함을 보이기 위해서 2개의 광섬유 센서를 Fig. 5와 같이 배치한 후 초음파 발생원과 센서 사이의 상대적 거리에 따른 지연시간을 측정하였다. 이때 PZT에 인가된 신호는 10ms 주기의 버스트 사인파(10
Vpk-pk, 150 kHz)이며, PZT와 각 센서 사이의 거리는 0.1, 0.3m로 설정하였다. Fig. 9는 인가된 초음파와 각 FOAS의 출력을 보인다. FOAS #1과 #2의 출력으로부터 측정된 지연시간 $\triangle t$는 각각 70.4, 210.9$\mu$s이며,
초음파 발생위치와 두 센서 사이의 거리가 3배인 것과 정확하게 일치한다. 각 센서에서 검출한 초음파의 속도를 Fig. 9의 결과로 계산하면 약 1421, 1422m/s으로, 절연유 내부에서 진행하는 초음파 속도의 이론값인 1413m/s와 비교했을 때 1% 이내의 오차를
보인다.
2개의 FOAS 출력신호에서 지연시간을 측정하고 이를 이용하여 음원과 센서 사이의 거리를 정확하게 계산할 수 있음을 보였다. 더 많은 수의 센서를
배치하고 내부구조에 따라 반사와 굴절된 신호의 시간지연을 고려하여 신호처리하면 구조가 복잡한 전력설비 내부의 발생위치도 3차원적으로 정밀하게 추정할
수 있을 것이다.
Fig. 5. Schematic diagram of fiber-optic ultrasonic partial discharge detection system
Fig. 6. FOAS outputs according to 1kHz sine wave
Fig. 7. Measured acoustic signals with frequencies of (a) 100, (b) 150, and (c) 200kHz
are presented in time domain (left) and frequency domain (right)
Fig. 8. Bursted ultrasonic signals detected with FOAS and AE (acoustic emission) sensor
Fig. 9. Measured tIme delays according to the distances between the origin of ultrasound
and the sensors (0.1 & 0.3m)
4. 결 론
본 논문에서는 전력설비의 내부에서 부분방전의 발생여부와 그 위치를 측정하는 방법으로 광섬유 사냑 간섭계를 기반으로 하는 FOAS 센서 시스템을 제안하였다.
단일 광폭광원과 16개 채널의 AWG를 결합하여 다채널의 출력광원을 구성하고 이를 다중점 센서 어레이의 입력 광원으로 사용하였다. 절연유를 채운 모의
전력설비 내부 공간에 PZT를 이용하여 100 ∼ 200kHz 대역의 초음파 신호를 발생시키고, FOAS 센서가 모의 방전 초음파를 정확하게 검출할
수 있음을 기존AE센서와 비교하여 확인하였다. 또한 2개 센서의 출력에서 지연시간을 구한 후 이를 설정된 위치정보와 비교한 결과, 1% 이내의 오차범위
안에서 초음파가 발생한 위치의 파악이 가능한 것을 확인하였다.
광섬유 센서 코일과 센서 코일 맨드렐(mandrel)의 최적설계, 그리고 정확한 3차원 위치 추정 알고리즘의 개발과 적용연구가 뒤따른다면 간섭형 광섬유
어레이센서는 기존 기술 대비하여 보다 경제적이고 효율적인 전력설비 상태모니터링의 핵심기술이 될 수 있을 것이다.
Acknowledgement
이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2022R1F1A1068258).
References
S. A. Boggs, “Partial discharge : Overview and signal generation,” IEEE Electrical
Insulation Magazine, vol. 6, no. 4, pp. 33-39, 1990.
Z. Zhiqiang and M. MacAlpine, “The directionality of an optical fiber high-frequency
acoustic sensor for partial discharge detection and location,” Journal of Lightwave
Technology, vol. 18, no. 6, pp. 795-806, 2000.
D. Kim, et al., “Liquid crystal based active wavelength filter for phase-sensitive
optical time domain reflectometry,” Optics Express, vol. 30, no. 26, pp. 47017-47025,
2022.
Y. Song, et al., “Partial discharge detection based on optimization of optical probe
and sagnac interference,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol.
71, pp. 1-9, 2022.
C. Gao, et al., “Partial discharge online monitoring and localization for critical
air gaps among SiC-based medium-voltage converter prototype,” IEEE Transactions on
Power Electronics, vol. 34, no. 12, pp. 11725-11735, 2019.
S. E. Lima, et al., “Extrinsic and intrinsic fiber optic interferometric sensors for
acoustic detection in high-voltage environments,” Optical Engineering, vol. 48, no.
2, pp. 024401-024401, 2009.
J. Posada-Roman, J. A. Garcia-Souto, and J. Rubio-Serrano, “Fiber optic sensor for
acoustic detection of partial discharges in oil-paper insulated electrical systems,”
Sensors, vol. 12, no. 4, pp. 4793-4802, 2012.
C. Gao, et al., “Localization of Partial Discharge in Transformer Oil Using Fabry-Perot
Optical Fiber Sensor Array,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,
vol. 25, no. 6, pp. 2279-2286, 2018.
S. Qian, H. Chen, Y. Xu, and L. Su, “High sensitivity detection of partial discharge
acoustic emission within power transformer by sagnac fiber optic sensor,” IEEE Transactions
on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 25, no. 6, pp. 2313-2320, 2018.
J. A. Bucaro, H. D. Dardy, and E. F. Carome, “Fiber‐optic hydrophone,” The Journal
of the Acoustical Society of America, vol. 62, No. 5, pp. 1302-1304, 1977.
R. Hughes and J. Jarzynski, “Static pressure sensitivity amplification in interferometric
fiber-optic hydrophones,” Applied Optics, vol. 19, no.1, pp. 98-107, 1980.
A. D. Dandridge, C. C. Wang, A. B. Tveten, and A. M. Yurek, “Performance of 3 X 3
couplers in fiber optic sensor systems,” in 10th Optical Fibre Sensors Conference,
vol. 2360, pp. 549-552, 1994.
D. Kim, H. Kim, and M. Song, “A hybrid fiber-optic sensor system for multi-stress
condition monitoring of wind turbines,” Journal of the Korean Institute of IIIuminating
and Electrical Installation Engineer, vol. 29, no. 8, pp. 76-82, 2015.
Biography
He received B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electronic engineering from Jeonbuk
National University, Korea in 2011, 2014, and 2020, respectively. He is currently
a post-doctoral researcher in Electronics and Telecommunications Research Institute.
He received B.S., M.S., and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Seoul
National University, Korea in 1990, 1992, and 1997, respectively. Currently, he is
a professor of Div. Electronic Eng., Jeonbuk National University. His research interests
are optical sensors and measurements.