KR100441942B1 - 가스절연 고전압기기의 위험도 측정장치 및 방법 - Google Patents

가스절연 고전압기기의 위험도 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스절연 고전압기기의 절연파괴 등의 위험도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 자유 도전성 파티클이 전계의 영향으로 GIS 외함전극으로부터 가스공간을 가로질러 중앙도체까지 튀어 오르게 되면 절연파괴가 발생할 가능성이 매우 높아진다. 따라서, 파티클이 튀어오르는 상승높이는 절연파괴의 발생 위험도를 평가하는 데에 중요한 자료가 된다. 본 발명에서는 부분방전의 주기, 파티클이 공간에 머무르는 시간을 측정하여 파티클의 상승높이를 간접적으로 계산해 냄으로써, 기기의 위험도를 예측하고 있다.

Description

가스절연 고전압기기의 위험도 측정장치 및 방법{Apparatus and Method for the Risk Assessment on Free Conducting Particle in Gas-insulated Switchgear}
본 발명은 GIS/GIL(Gas-insulated switchgear/lines)과 같은 가스절연 고전압 기기의 위험도 판단방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 GIS 등에서 미세한 파티클에 의하여 발생할 수 있는 부분방전의 신호를 분리검출 및 해석하여 그 위험도를 측정하고 그 상대적 위험도를 알려주는 가스절연고전압기기의 위험도 판단방법 및 장치에 관한 것이다.
변전소, 발전소 또는 배전반 등에 사용되는 가스절연개폐장치(GIS), 가스절연송전선(GIL)과 같은 가스절연기기 내부에 부유전극, 도전성 입자 또는 날카로운 부위 등이 존재할 때 부분방전이 발생하며, 이때 경우에 따라서는 가스절연개폐장치의 절연파괴를 유도하여 기기 고장의 원인이 되기도 한다. GIS 설비고장의 대부분을 차지하는 절연파괴는 파티클의 유입, 도체간의 접촉불량, 도체표면의 손상, 스페이서의 결함 등 여러 종류의 내부결함에 의해 발생하며, 이들 요인 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 도전성 파티클(particle)에 의한 절연파괴이다. GIS 내부에 도전성 파티클이 존재할 경우, 중앙도체에 인가된 전압이 일정값을 초과하게 되면 외함전극 바닥에 놓여 있던 파티클이 기립동작과 함께 절연공간에서 튀는동작을 반복하거나 공간을 가로질러 중앙도체까지 접근함으로써 절연파괴의 직접적인 원인으로 작용하게 된다. 도전성 파티클이 GIS 내에서 튀는 동작을 계속하고 있을 때 외부에서 운전자가 이러한 결함을 발견하는 것은 최근에 UHF(Ultra High Frequency) 부분방전 검출기술 등의 최신 기술의 개발로 가능하게 되었다.
따라서, 이러한 기술 등에 힘입어, 부분방전시 발생하는 신호를 진동, 초음파, 고주파, 초고주파 센서로 검출하여, 검출된 신호로부터 방전에 의한 이상신호를 분리하여 분석함으로써 가스절연 고전압기기에서 발생할 수 있는 고장을 미연에 방지하고자 하는 노력이 있어 왔다.
이러한 노력으로 결과된 종래기술은, 센서에서 검출된 부분방전신호를 증폭하여 방전횟수를 표시하는 단순 부분방전 펄스계수기, 센서에서 검출된 부분방전신호를 증폭하고 그 빈도를 인가전압의 위상에 대해 표시하는 방법 등이 있다. 다른 종래기술로서, 뉴럴네트워크를 이용하여 노이즈를 제거하는 기술, 특정 주파수 성분만을 추출하여 인가전압의 위상과 시간에 대해 표시하는 방법이 있다.
이러한 종래기술에서는, 센서에서 검출된 신호를 적절히 증폭하고 필터링하여 부분방전의 횟수와 크기를 인가전압의 위상에 대해 표시한다. 그런데, 러한 방법은 불규칙적으로 운동하는 파티클에 의해 발생하는 부분방전신호로부터 측정자가 위험도를 판단할 수 있는 유용한 정보를 제공하지 못하고, 단지 파티클에 의한 불규칙한 신호임을 확인시켜주는 정도에 그치고 있다. 즉, 파티클에 의한 부분방전인 경우 부분방전에 의한 방전량과 횟수가 상당히 불규칙(random)하여, 이러한 부분방전신호를 종래기술의 인가전압 위상에 대한 크기 및 빈도의 비교로서는 그 위험도를 측정하는 것이 불가능하다. 또한, 종래기술에서는 특정한 센서에서 검출된 부분방전 신호의 특정한 처리만 가능하고, 다른 종류의 센서에서 검출된 신호를 같은 방법으로 처리하는 것은 불가능하다.
GIS 내에 파티클 결함이 검출되었을 경우, 이 결함에 의해 GIS가 절연파괴 사고까지 진행되어질 지 여부에 대한 판단과 절연파괴 발생가능 시기를 예측하는 일은 설비운전자의 입장에서는 대단히 중요한 일이다. 이러한 절연파괴 발생 위험도 측정기술은 전력기기 예방진단기술 분야에서도 어려운 부분에 해당하며, 종래기술과 같은 이 분야에 대한 집중적인 연구개발 노력에도 불구하고 현재까지 현장에 적용할 만큼 신뢰도가 높은 성과를 얻지 못하고 있다. 이에, 본 발명은 GIS 내부 결함 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 도전 파티클이 GIS 내에서 튀는 동작을 하고 있을 때 절연파괴 발생가능성에 대한 신뢰성있는 위험도 측정방법을 제시함으로써, 실제 현장에서 운전중인 GIS의 절연파괴 사고를 미연에 방지하고자 함을 그 목적으로 한다.
도1은 센서에서 검출된 신호에서 부분방전신호를 측정하고 위험도를 측정하는 장치의 전체계통도,
도2는 표시부에 표시되는 측정된 부분방전신호를 인가전압 위상에 대해 그린 분포도의 일례,
도3은 표시부에서 표시한 측정된 부분방전 신호주기(각 부분방전 신호 사이의 시간간격)의 분포도의 일례,
도4는 기기내부에서 파티클이 운동하며 부분방전을 할 때, 방전주기에 대한 파티클의 상승높이를 시뮬레이션한 시뮬레이션도,
도 5는 초당 1000 회 촬영하는 고속카메라를 이용하여 파티클의 운동 궤적을 시간에 대해 그린 그래프, 그리고
도6는 여러개의 파티클이 동시에 방전할 경우의 방전주기 분포도를 그린 히스토그램이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
110: 부분방전센서 113: 대역선택필터
114: 엔빌로프검출기 115: 신호완충기
116: AD변환기 119: 주기검출기
120: 시뮬레이션 데이터 121: 데이터축적/제어기
122: 표시부
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 가스절연 고전압기기 내부에서 파티클 등에 의해 발생되는 부분방전 신호로부터 인가전압의 위상이나 크기에 무관한 정보를 추출하여 기기의 위험도를 예측할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다. 즉, 간헐적으로 발생하는 부분방전 신호를 증폭한 후 간단한 신호처리를 거쳐 장시간 연속적으로 측정하고 각 방전들 사이의 시간간격(또는 주기)을 연속적으로 추출하여 방전과 방전 사이의 시간간격에 대한 분포도를 작성한다. 작성된 분포도로부터 각 시간 구간의 빈도와 최장 간격을 추출하여 시간-높이의 함수도로부터 파티클의 평균 상승높이와 최고 상승 높이 및 최고 빈도 상승높이를 구하여 이로부터 운전자가 즉시 기기의 위험도를 측정할 수 있는 방법을 제공한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도1은 센서에서 검출된 신호에서 부분방전신호를 측정하고 위험도를 측정하는 장치의 전체계통도이다.
GIS 등의 가스절연기기에서 발생된 부분방전은 초음파, 초단파(VHF) 또는 극초단파(UHF) 부분방전센서(110)에서 검출되어, 신호선택 또는 신호합성기(111)에서 1개가 선택적으로 또는 여러개의 센서신호가 합성되어 광대역 저잡음 증폭기(112)에서 증폭된다. 증폭된 신호는 초음파, 초단파, 극초단파 센서의 특성에 따라 대역선택필터(113)에서 부분방전신호만 추출된다.
추출된 부분방전신호는 일종의 저역통과필터(low-pass filter)인 엔빌로프 검출기(envelope detector)(114)에서 파형의 윤곽만이 추출되어, AD변환기(analog-digital convertor)(116)의 데이터 추출속도보다 약간 빠른 피크-홀드(peak-hold)형 신호완충기(115)를 거쳐, 각 부분방전 신호의 최고값만 추출되고, 측정대상에 인가된 전압신호(117)를 기준으로 하여 위상검출기(118)에서 부분방전신호의 위상분포가 추출되고, 그리고 주기 검출기(119)에서 부분방전신호의 주기분포가 추출되며, 추출된 데이터들은 데이터축적/제어기(121)에 축적된다. 측정자가 입력한 조건에 따라 대역폭을 조절할 수 있는 대역필터(113)와 신호완충기(115)는 데이터축적/제어기(121)에 의해 조정된다. 데이터축적/제어기(121)는 데이터입력기(123)에 의해 입력된 기기의 기본사양에 의한 시뮬레이션 데이터(simulated data)(120)와 데이터축적/제어기(121)에 축적된 측정 데이터를 표시하고, 기기의 기본사양과 운전 전압을 고려하여 부분방전의 위험도 및 그 정도를 표시부(122)에 표시한다.
도2는 표시부(122)에 표시되는 측정된 부분방전신호를 인가전압 위상에 대해 그린 분포도의 일례이다. 이 분포도는 362 ㎸급 가스절연 전송로에 120, 140, 160, 180㎸의 전압이 인가되었을 때, 금속성 파티클에 의해 발생된 부분방전신호를 도1의 장치를 이용하여 인가전압 위상에 대해 그린 것이다. 도2에서 알 수 있듯이, 인가전압의 위상에 대한 분포도에서는 전압변화에 의한 변화를 알 수 없다.
도3은 표시부(122)에서 표시한 측정된 부분방전 신호주기(각 부분방전 신호 사이의 시간간격)의 분포도의 일례이다. 이 분포도는 362㎸용 가스절연 전송로에 120(301), 140(302), 180㎸(303)의 전압이 인가되었을 때, 금속성 파티클에 의해 발생된 부분방전신호로부터 추출한 방전의 시간간격분포를 도1의 장치를 이용하여 그린 것이다. 도3에서 알 수 있듯이, 인가전압이 증가할수록 부분방전과 부분방전 사이의 시간간격(주기)이 증가하고 있다. 즉, 인가전압이 높을수록 파티클이 공간에 머무르는 시간이 길어짐을 알 수 있다. 따라서, 도3에서 가장 긴 시간간격(주기)(부호 304, 도5의 부호 501과 같은 위치)을 검출하는 것이 가능하다.
도4는 기기내부에서 파티클이 운동하며 부분방전을 할 때, 방전주기에 대한 파티클의 상승높이를 시뮬레이션한 그림이다. 부분방전 신호발생의 시간간격(주기)과 파티클의 상승높이는 파티클이 1회 상승운동을 하는 데에 소요되는 시간간격이 클수록 상승높이가 증가하는 상관관계가 있다. 이러한 상관관계를 조사하기 위해 파티클의 위치방정식을 컴퓨터로 시뮬레이션하여 파티클이 가스절연기기의 바닥과 충돌하는 시간간격과 파티클의 최대상승높이의 상관관계를 도4의 부호 401로 나타내었다. 도4에서 최대상승높이를 y(m), 상승-하강 행정 1회에 소요되는 시간을 t(s)라 할 때, y=(gt2)/8 +h0의 관계가 있음을 알 수 있다. 여기서, g는 중력가속도 9.8 ㎨ 이다. 위 식에서, (gt2)/8는 중력장에서 물체가 수직 상승운동을 할 때 최고점의 거리(높이)과 소요시간 사이의 관계를 나타낸다. 도4에서 h0는 파티클이 바닥을 출발한 후 전계에 의해 변화하는 상승높이(402)이며, 소요시간이 증가할수록 (gt2)/8 (403)에 비해 상대적으로 작아짐을 도4에서 알 수 있다. 중력장에 존재하는 모든 물체는 (gt2)/8 (403)항에 지배되고, h0의 값이 상대적으로 작은 값임을 고려하면, 가스절연 고압기기 내부에 존재할 수 있는 대부분의 파티클들이 외함 바닥으로부터 중앙도체를 향하여 상승운동을 할 경우 파티클 형상이나 재질, 인가전압, 탄성계수 등이 어떤 값이든 상관없이 식 y= (gt2)/8 (403)으로부터 상승높이의 근사치를 계산할 수 있다.
이러한 시뮬레이션 결과는 GIS 챔버 내에 파티클이 상승운동을 할 때 상승궤적을 고속 디지털카메라(1,000 프레임/초)로 촬영하여 시간에 대한 궤적을 그려 보아도, 같은 결과를 얻을 수 있다.
도 5는 초당 1000 회 촬영하는 고속카메라를 이용하여 파티클의 운동 궤적을 시간에 대해 그린 그래프이다. 이 그림에서 상승-하강 1주기에서의 시간간격과 최고점을 추출하여 도4에 표시 한 것이다.
도6는 여러개의 파티클이 동시에 방전할 경우의 방전주기 분포도를 그린 히스토그램이다. 여러개의 파이클이 동시에 운동하며 방전하는 경우에도 도4에 도시된 바와같이 주기의 최대값(501)을 구함으로써 내부 파티클의 상승높이의 근사치를 계산해 낼 수 있다.
위의 내용으로부터 얻은 부분방전의 시간간격(주기)를 통계적으로 추출하여 최대 시간간격으로부터 위 식으로부터 최대 상승높이를 구할 수 있다. 일반적으로 파티클이 존재하면 가스절연체의 절연파괴전계는 급격히 떨어지고 파티클이 중앙도체에 가까워지면 섬락으로 발전할 가능성이 매우 높다. 이때의 위험도 (절연파괴 가능성)를 평가하기 위하여 피측정물인 GIS나 GIL의 인가전압의 크기, 내부전극 및 외함의 크기, 절연 가스의 종류 및 압력 등의 기본 사양을 입력하여 현상을 시뮬레이션 하면 파티클의 높이에 대한 절연파괴전계를 계산할 수 있다. 파티클의 상승높이 분포와 측정된 최대 상승높이로부터 피측정 GIS 또는 GIL의 절연파괴 가능성에 대한 확률 분포를 예측할 수 있으므로 해당 기기의 운전자는 기기의 상대적 중요도와 운전상황을 고려하여 즉시 위험도를 판단하는 것이 가능하다.
이상을 종합하여 하나의 예로 설명하면, 중앙전극(직경 120㎜)으로부터 외함전극(내경 496㎜)까지의 거리가 188㎜인 362㎸급 실험용 GIS에 전압이 인가된 상태에서, 파티클에 의해 UHF신호를 일정시간 동안 측정한 결과 최대시간간격이 267㎳로 측정되었다면, 이때의 파티클 상승높이의 최소값은 식 y=(gt2)/8 로부터 87㎜가 됨을 알 수 있다. 이는 실험용 GIS의 중앙도체 높이인 188㎜의 약 50% 높이까지 상승하는 경우에 해당되므로, 절연파괴를 유발할 가능성이 매우 높아 위험하다고 판단할 수 있으며, 따라서 운전중인 GIS인 경우 운전전압 증가를 최대한 억제하면서 파티클 제거작업을 신속히 수행해야 할 필요가 있음을 알 수 있다.
이상의 설명에 따른 가스절연 고전압기기의 위험도 측정장치 및 방법에 의하면, 인가전압의 위상과는 상관관계없이 일어나는 부분방전 현상에서 방전현상의 통계를 축적하여 그 축적된 데이터로부터 방전주기로부터 파티클의 상승높이의 근사치 계산을 통해, 절연파괴 등의 기기의 위험도를 측정자나 운전자가 즉시 알 수 있게 됨으로써, 기기 고장을 사전에 예방할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시 할 수 있는 다양한 형태의 변형례들을 모두 포함한다.

Claims (6)

  1. (정정) 파티클 등의 내부결함에 의하여 절연파괴 등의 발생여부를 예측하는 가스절연 고전압기기의 위험도 측정방법에 있어서,
    파티클 등이 가스절연 고전압기기의 외함바닥에 충돌할 때 발생하는 부분방전신호를 광대역 저잡음 증폭기를 이용하여 증폭하고, 상기 증폭된 신호를 대역선택 필터를 이용하여 소정의 방전신호를 추출하는 부분방전신호를 검출하는 단계;
    엔빌로프 검출기를 이용하여 상기 부분방전신호의 윤곽을 추출하고, 피크-홀드형 신호완충기를 이용하여 상기 부분방전신호윤곽의 최고값을 추출하며, 주기검출기를 이용하여 상기 최고값의 주기를 통계적으로 추출하는 단계; 및
    상기 주기를 식 y=(gt2)/8 +h0(여기서, y(m)는 파티클의 최대상승높이, t(s)는 상승행정 1회에 소요되는 시간, g는 중력가속도 9.8 ㎨, 그리고 h0는 파티클이 바닥을 출발한 후 전계에 의해 변화하는 상승높이)에 대입하여 파티클의 상승높이를 계산하고 피측정물의 기본사양인 전극크기, 전극간 거리, 절연가스의 종류와 압력, 절연강도 및 운전전압을 고려한 위험도를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스절연 고전압기기의 위험도 측정방법.
  2. (삭제)
  3. (삭제)
  4. 파티클 등의 내부결함에 의하여 절연파괴 등의 발생 가능성을 예측하는 가스절연 고전압기기의 위험도 측정장치에 있어서,
    파티클 등의 내부결함에 의하여 발생하는 부분방전신호를 검출하는 부분방전신호검출기;
    상기 부분방전신호를 광대역 저잡음 증폭하는 광대역 저잡음 증폭기가 구비되고, 상기 광대역 저잡음 증폭된 상기 부분방전신호에서 상기 선택방전신호를 추출하기 위한 대역폭 조절가능한 대역선택필터가 구비되어, 상기 부분방전신호에서 소정의 선택방전신호를 추출하기 위한 대역선택필터수단; 및
    상기 선택방전신호의 윤곽을 추출하기 위한 엔빌로프 검출기가 구비되고, 상기 윤곽신호의 최고값을 유지하여 상기 최고값의 신호를 발생하는 피크-홀드형 신호완충기가 구비되며, 상기 최고값의 주기를 검출하기 위한 주기검출기가 구비되어, 상기 선택방전신호의 주기를 검출하는 주기검출수단을 포함하여,
    상기 주기를 식 y=(gt2)/8 +h0(여기서, y(m)는 파티클의 최대상승높이, t(s)는 상승-하강 행정 1회에 소요되는 시간, g는 중력가속도 9.8 ㎨, 그리고 h0는 파티클이 바닥을 출발한 후 전계에 의해 변화하는 상승높이)에 대입하여 파티클의 상승높이를 계산하여 운전전압을 고려한 위험도를 판단하는 것을 특징으로 하는 가스절연 고전압기기의 위험도 측정장치.
  5. (삭제)
  6. (삭제)
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