KR102295214B1 - 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템 - Google Patents

고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고주파 전류센서로부터 검출된 주파수 성분을 분석하여 부분방전의 특징을 통해 패턴을 인식하여 부분방전의 결함원을 검출함으로써 전력기기를 진단할 수 있는 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템은 전력기기의 접지선에 설치되고, 상기 접지선을 통해 흐르는 전류에 의해 발생되는 방전펄스신호를 검출하는 고주파 전류센서; 상기 고주파 전류센서로부터 검출된 방전펄스신호에 근거하여 부분방전의 여부를 확인하고, 부분방전의 종류를 판단하는 검출진단장치; 및 상기 고주파 전류센서 및 검출진단장치를 차폐하는 차폐함을 포함하여 구성되고, 상기 검출진단장치는 상기 고주파 전류센서에서 검출된 방전펄스신호의 노이즈를 제거하고 증폭하여 검출 데이터를 출력하는 검출부; 및 상기 검출부에서 출력되는 검출 데이터와 DAQ(Data Acquisition)을 통해 수집된 비교 데이터를 비교하여 부분방전에 대한 종류를 진단하는 진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템{PARTIAL DISCHARGING DETECTION-DIAGNOSIS SYSTEM OF DISTRIBUTION PANEL USING HIGH FREQUENCY CURRENT TRANSFORMER}
본 발명은 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고주파 전류센서로부터 검출된 주파수 성분을 분석하여 부분방전의 특징을 통해 부분방전의 결함원을 검출함으로써 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 등을 포함)내의 전력기기를 고주파 전류센서를 이용하여 부분방전을 검출 진단하는 시스템에 관한 것이다.
부분 방전이란 고전압 스트레스로 인해 고체 혹은 액체 절연 시스템 내에서 국부적으로 발생하는 절연 파괴 현상을 말한다.
부분방전은 절연재료의 내부나 경계면에서 절연파괴가 발생하기에 앞서 나타나는 국부적 방전으로 정의되며, 크게 내부방전과 외부방전으로 구분된다.
내부방전은 일반적으로 고체나 액체 절연체 내부의 보이드나 공극에서 발생되는 것으로서, 절연체 내부에 형성되어 있는 공극 혹은 내부 전도성 혹은 비전도성 물질로 인해 발생하는 부분 방전을 일컫는다. 내부에서 발생하는 방전 현상의 시작은 공극 또는 내부 방전 원인의 크기 혹은 위치에 따라 각기 다른 방전 형태로 나타난다.
외부방전은 절연체의 방전 전류가 절연체의 표면으로 형성되는 표면 부분 방전과 절연체 주위의 기체에서 발생하는 코로나부분 방전으로 구분할 수 있다.
표면 부분 방전의 경우 절연체 표면과 수평으로 전계의 집중이 형성되어 주로 발생하며, 부싱, 전력용 케이블의 단말부, 회전기 권선의 단말부 등에서 발생할 수 있다.
부분방전이 발생하면 높은 에너지의 전자나 가속이온이 재료의 표면에 충돌하여 물리적, 화학적 변화를 일으키며 이러한 변화가 축적되면 절연체로서의 성능이 저하되어 열화현상을 나타나게 된다.
이러한 부분방전의 검출은 방전에 수반되는 에너지의 교환현상에 기초하는데, 이 에너지의 교환은 전기적 임펄스신호, 유전체손, 빛, 소리, 기체압력의 증가 및 화학반응 등의 형태로 나타난다.
부분방전을 검출하는 기술 중의 하나로서, 등록특허공보 제10-2130271호에 부분방전 검출 시스템이 개시되었다.
상기 기술은 적어도 하나 이상의 센서를 포함하는 센서부, 상기 센서부를 통해 채널별로 검출된 신호에서 각기 부분방전 신호와 노이즈 신호를 분리하고 노이즈 성분을 제거하는 VTFM(Variable Timing Filtering Method) 부, 상기 채널별 VTFM 부를 통해 노이즈 성분이 제거된 부분방전 신호에서 각기 피크 부분의 레벨을 검출하여 출력하는 피크 홀더부, 상기 채널별 피크 홀더부에서 출력된 부분방전 신호의 피크 레벨과 기 설정된 부분방전 분석 기준값을 비교하여 그 결과를 각기 증폭 출력하는 비교 증폭부, 상기 채널별 비교 증폭부에서의 레벨 비교 결과를 이용해 부분방전 신호의 레벨을 각기 연산하고, 제어부에서 상기 연산 결과값에 근거하여 부분방전 발생 유, 무를 판별하게 하는 신호 연산부, 및 상기 채널별 센서부, VTFM 부, 피크 홀더부, 및 비교 증폭부의 파라미터 설정을 제어하고, 상기 채널별 VTFM 부, 피크 홀더부, 비교 증폭부, 및 신호 연산부의 처리 결과를 바탕으로 부분방전 이벤트의 주의나 위험 상태를 판별하고, 또한 채널별 부분방전 발생의 트랜드 분석을 통해 주의나 위험 상태를 판별하여, 각 상태에 따라 미리 설정된 알람과 경보방식에 따라 이상 발생 신호를 표시하거나 출력하는 제어부를 포함하여 구성된다.
그러나 상기의 기술은 채널별 검출된 부분방전 신호를 이용하기 때문에 복수 개의 채널을 구비해야 하고, 채널별 검출된 부분방전 신호를 처리하는 과정이 복잡할 뿐만 아니라, 복수의 채널을 설치해야 하는 문제점이 있다.
또한, 등록특허공보 제10-2183462호에 부분 방전 진단 장치가 개시되었다.
상기 기술은 배전반의 부분 방전 신호를 측정하는 초고주파(Ultra High Frequency; UHF) 센서, 상기 초고주파의 검출 신호로부터 사전에 설정된 특징량을 추출하는 전처리부, 상기 전처리부에 의해 추출된 특징량을 학습하여 가중치를 제공하는 학습부, 상기 전처리부에 의해 추출된 특징량과 상기 학습부로부터의 가중치에 따라 부분 방전을 진단하는 진단부를 포함하여 구성된다.
상기 기술은 UHF 센서로부터 검출된 신호와 설정된 특징량을 추출하여 가중치에 따라 부분 방전을 진단하는 것이나, 부분 방전의 종류, 예를 들면 내부 방전인지 또는 외부방전인지를 구분하여 진단할 수 없는 단점이 있다.
등록특허공보 제10-2130271호 (2020. 06. 30.) 등록특허공보 제10-2183462호 (2020. 11. 20.)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 고주파 전류센서로부터 검출된 주파수 성분을 분석하여 부분방전의 특징을 통해 패턴을 인식하여 부분방전의 결함원을 검출할 수 있는 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템은 배전반 내의 전력기기, 예를 들어서 변압기, 개폐기, 차단기, 케이블, 부스바, 변성기함 부싱 등의 접지선 또는 선로에 설치되고, 상기 접지선 또는 선로를 통해 흐르는 전류에 의해 발생되는 방전펄스신호를 검출하는 고주파 전류센서; 상기 고주파 전류센서로부터 검출된 방전펄스신호에 근거하여 부분방전의 여부를 확인하고, 부분방전의 종류를 판단하는 검출진단장치; 및 상기 고주파 전류센서 및 검출진단장치를 차폐하는 차폐함을 포함하여 구성되고, 상기 검출진단장치는 상기 고주파 전류센서에서 검출된 방전펄스신호의 노이즈를 제거하고 증폭하여 검출 데이터를 출력하는 검출부; 및 상기 검출부에서 출력되는 검출 데이터와 DAQ(Data Acquisition)을 통해 수집된 비교 데이터를 비교하여 부분방전에 대한 종류를 진단하는 진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 검출부는 상기 고주파 전류센서에서 출력되는 방전펄스신호의 노이즈를 제거하는 노이즈제거필터; 상기 노이즈제거필터에 직렬연결되어 상기 방전펄스신호의 교류성분을 통과시키고 직류성분을 차단하는 커플링커패시터; 상기 커플링커패시터와 직렬연결되는 검출임피던스; 및 상기 검출임피던스의 양단 전압을 증폭하는 증폭기를 포함하여 이루어지고, 상기 검출임피던스는 RLC 동조회로로 구성될 수 있다.
또한, 상기 노이즈제거필터는 상기 방전펄스신호에 대하여 주파수 클럭을 발생시키는 클럭펄스 발생기; 상기 방전펄스신호를 상기 클럭펄스 발생기에서 발생된 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 출력하는 제1 플립플롭; 상기 제1 플립플롭으로부터의 신호를 상기 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 발생시키는 제2 플립플롭; 상기 제2 플립플롭으로부터의 신호를 상기 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 발생시키는 제3 플립플롭; 상기 제3 플립플롭으로부터의 신호를 상기 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 발생시키는 제4 플립플롭; 상기 제2 내지 4 플립플롭의 출력 펄스를 입력받아 연산처리된 소정의 값을 출력하는 앤드 게이트(AND Gate)와 노아 게이트(NOR Gate); 및 상기 앤드 게이트(AND Gate)와 노아 게이트(NOR Gate)의 출력 펄스를 상기 클럭 펄스의 상승에지에서 동기시켜 노이즈가 제거된 신호를 출력하는 JK형 플립-플롭(JK type flip-flop)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증폭기는 입력 오프셋 전압이 3mV, 증폭도 40dB을 갖는 2단 증폭회로로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전력기기는 변압기, 변성기, 케이블, 부스바, 차단기, 개폐기 및 전력기기의 외함 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고주파 전류센서는 니켈과 아연의 합금으로 이루어진 철심과 황동 재질의 원환체(toroid) 형태로 구성된 인덕션코일로 이루어지고, 상기 인덕션코일에 상기 철심이 20 ~ 50회 권선된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진단부에서 진단하는 부분방전의 종류는 코로나 방전, 내부방전, 표면방전 및 랜덤방전 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 전력기기를 변형하거나 분해하지 않은 상태에서 접지선에 고주파 전류센서를 설치하는 것만으로도 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템을 설치할 수 있다.
또한, 발생된 부분방전에 대한 종류를 제공함으로써, 전력기기에 대한 부분방전의 위치를 쉽게 도출할 수 있으므로, 배전반 내부 전력기기의 유지 보수에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템이 설치된 상태의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템의 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단시스템에 적용된 검출진단장치의 검출부 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 노이즈제거필터의 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 검출부에 대한 등가회로도,
도 6은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 증폭기에 대한 회로도,
도 7은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 비교 데이터에 저장된 부분방전의 종류에 대한 PRPD 패턴을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 진단부의 구성을 나타낸 도면이다.
다음으로, 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하에서 동일한 기능을 하는 기술요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 중복 설명을 피하기 위하여 반복되는 상세한 설명은 생략한다.
또한, 이하에 설명하는 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예를 효과적으로 보여주기 위하여 예시적으로 나타내는 것으로, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위하여 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고주파 전류센서로부터 검출된 주파수 성분을 분석하여 부분방전의 특징을 통해 부분방전의 결함원을 검출함으로써 전력기기를 진단할 수 있는 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템이 설치된 상태의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템은 고주파 전류센서(10), 검출진단장치(20) 및 차폐함(30)을 포함하여 구성된다.
고주파 전류센서(10)는 전력기기(1)의 접지선에 설치되고, 상기 접지선을 통해 흐르는 전류에 의해 발생되는 방전펄스신호를 검출한다.
상기 전력기기(1)로는 배전반 또는 분전반 등의 변압기, 변성기, 케이블, 부스바, 차단기, 개폐기 및 전력기기의 외함 등 다양한 전력기기에 적용될 수 있으며, 접지선이 설치된 전력기기라면 어느 것이라도 무방하다.
전력용 케이블의 예시를 살펴보면, 전력용 케이블의 주 절연시스템에 공극 혹은 이물질로 인해 불평형 전계가 발생하게 된다. 이 불평형 전계가 절연 시스템에서 설계된 임계 전계값 이상이 되는 경우, 첫 번째 방전 현상이 발생하게 된다.
절연 시스템은 정상상태로 복원 되지 않으므로 방전 현상은 점점 발달하게 되어, 접지선과 주 도체부 사이에 브릿지가 형성되게 되어 주 절연 파괴 현상에 이르게 된다.
이러한 부분방전을 정의하는 규격에는 차이가 있을 수 있으나, 국내의 경우 유럽 규격인 IEC 60270을 따라 KS C IEC 60270을 제정하였다. 이 규격을 살펴보면, 부분방전이란 “도체 사이의 절연체에 부분적으로 일어나는 국부적인 전기 방전으로, 도체와 인접하여서 일어날 수도 일어나지 않을 수도 있다.”라고 정의 되어 있다. 또한, 부분방전 현상은 에너지 변환 현상을 발생시켜, 방전 전류, 전자기파, 음향, 화학적 부산물등의 형태로 변환된다.
상기 고주파 전류센서는 부분방전에 기인하는 에너지 변환 현상을 다양한 커플링 방법을 통해 계측하는 것이다.
이와 같은, 상기 고주파 전류센서(High Frequency Current Transformer, HFCT)는 유도성 센서로서, 도넛 형상의 강자성 철심과 상기 철심에 권선되는 인덕션코일로 이루어지고, 전력용 케이블의 시스(sheath)와 접지단자 사이 또는 고전압 설비의 외함과 접지단자 사이의 접지선 등 다양한 접지선에 설치된다.
즉, 상기 고주파 전류센서인 HFCT는 철심을 관통하여 배치되고, 접지선에 전류가 흐르는 경우, 접지선의 전류가 인덕션코일에 유도되며, 상기 인덕션코일에 유도된 전류에 의한 전압을 출력하게 된다. 이때, 인더션코일 즉, 2차측에 유도된 전압은 1차측 전류의 변화와 비례상수인 상호인덕턴스에 비례하여 출력된다.
그러나 도넛 형태의 코일 세서는 넓은 주파수 대역폭을 갖는 반면 온도와 자속밀도에 의존하는 비선형 요소가 포함되는 단점이 있다. 따라서 본 발명에 적용되는 고주파 전류센서인 HFCT는 특정 주파수에 대하여 검출할 수 있도록 설계되어야 한다.
부연하면, 전류 펄스의 방전 초기에는 수 나노 초의 상승시간(rising time)을 나타내는데, 이는 수백MHz 이상의 중요한 스펙트럼 성분이 출력된다.
부분방전에 따라 발생된 방전펄스의 고주파영역 주파수 성분은 HFCT 센서가 체결된 접지도체에 전파될 때 필터링된다. 이에, 부분방전이 발생했을 경우 부분장전을 검출하기 위해서 40MHz 이하의 응답특성을 갖도록 설계되어야 한다.
예를 들면, HFCT의 철심은 투자율이 높은 니켈과 아연의 합금으로 이루어지고, 인덕션코일은 황동 재질의 원환체(toroid) 형태로 구성되어 상기 철심에 수십회 권선되게 구성될 수 있다. 바람직하게 상기 인더션코일은 20 ~ 50회의 범위 내에서 권선되게 구성될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 상기 HFCT의 응답특성은 100㎑ ~ 30㎒의 범위를 갖게 된다.
검출진단장치(20)는 고주파 전류센서(10)로부터 검출된 방전펄스신호에 근거하여 부분방전의 여부를 확인하고, 부분방전의 종류를 판단한다.
도 2를 참조하면, 상기 검출진단장치(20)는 검출부(100)와 진단부(200)를 포함하여 구성된다.
검출부(100)는 고주파 전류센서에서 검출된 방전펄스신호의 노이즈를 제거하고 증폭하여 검출 데이터를 출력하는 기능을 수행한다.
도 3은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 부분방전 검출진단시스템에 적용된 검출진단장치의 검출부 구성을 나타낸 것이다.
첨부된 도 3을 참조하면, 상기 검출부(100)는 노이즈제거필터(110), 커플링커패시터(120), 검출임피던스(130) 및 증폭기(140)를 포함하여 이루어진다.
노이즈제거필터(110)는 고주파 전류센서에서 출력되는 방전펄스신호의 노이즈를 제거한다.
코로나와 같은 펄스성 노이즈는 부분방전에 의해 발생된 방전펄스신호와 유사한 주파수 대역을 차지하므로 주파수 튜닝(Tuning) 방식으로 제거할 수 없는 단점이 있다. 그러나 코로나 등에 의해 발생된 노이즈는 노이즈 게이팅(Noise Gating) 회로를 이용하여 제거 할 수 있다.
상기 노이즈 게이팅(Noise gating) 회로는 고속 아날로그 스위치나 디지털 스위치를 이용한 것으로서, 노이즈 신호에 대해서는 회로가 오픈되어 신호의 출력을 차단하고, 노이즈가 아닌 신에 대해서는 회로를 클로즈하여 신호가 출력되게 되는 회로이다. 이때, 게이트(Gate)의 오픈 시간은 약 1 ~ 50㎲의 범의 내에서 가변 가능하도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 노이즈제거필터의 회로도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 상기 노이즈제거필터(110)는 방전펄스신호에 대하여 주파수 클럭을 발생시키는 클럭펄스 발생기(111), 상기 방전펄스신호를 상기 클럭펄스 발생기에서 발생된 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 출력하는 제1 플립플롭(112), 상기 제1 플립플롭(112)으로부터의 신호를 상기 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 발생시키는 제2 플립플롭(113), 상기 제2 플립플롭(113)으로부터의 신호를 상기 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 발생시키는 제3 플립플롭(114), 상기 제3 플립플롭(114)으로부터의 신호를 상기 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 발생시키는 제4 플립플롭(115), 상기 제2 내지 4 플립플롭(112 ~ 115)의 출력 펄스를 입력받아 연산처리된 소정의 값을 출력하는 앤드 게이트(AND Gate)(116)와 노아 게이트(NOR Gate)(117) 및 상기 앤드 게이트(AND Gate)(116)와 노아 게이트(NOR Gate)(117)의 출력 펄스를 상기 클럭 펄스의 상승에지에서 동기시켜 노이즈가 제거된 신호를 출력하는 JK형 플립-플롭(JK type flip-flop)(118)을 포함하여 구성된다.
상기의 구성에서 클럭발생기(111)에서 발생되는 클럭펄스에 따라 방전펄스신호에 포함된 노이즈를 제거할 수 있다.
이에, 상기 노이즈제거필터(110)는 클럭발생기(111)에서 발생되는 클럭펄스를 조정하여 제거되는 노이즈의 범위를 설정할 수 있는 장점이 있다.
커플링커패시터(120)는 상기 노이즈제거필터에 직렬연결되어 방전펄스신호의 교류성분을 통과시키고 직류성분을 차단하는 기능을 수행한다.
즉, 상시 커플링커패시터(120)는 신호단에 직렬로 연결되어 직렬연결된 검출임피던스(130)로 전달되는 직류성분을 제거하게 된다.
검출임피던스(130)는 상기 커플링커패시터(120)와 직렬연결되어 회로에 흐르는 전류에 의한 전압을 발생시킨다.
도 5는 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 검출부에 대한 등가회로도이다.
첨부된 도 5를 참조하면, 검출임피던스(130)는 RLC 동조회로로 구성된다.
이러한 구성에서, 상기 검출임피던스(130)의 양단에 출력되는 전압(V)은 다음의 수학식 1로 표현된다.
수학식 1)
Figure 112021062265716-pat00001
여기서, V는 검출임피던스의 양단에 출력되는 전압, q는 방전 전하량, a는 표류 정전용량(회로 내부의 정전용량), C는 검출임피던스의 정전 용량, k는 커플링커패시터의 정전용량, R은 검출임피던스의 저항, m은 회로의 합성 정전용량이다.
또한, ω는 다음의 수학식 2로 표현된다.
수학식 2)
Figure 112021062265716-pat00002
여기서, L은 검출임피던스의 인덕터 용량이다.
상기 수학식 1 및 2에 의하면, 상기 검출임피던스 양단 전압은 방전전하량(q)와 커플링커패시터(k)에 비례하며, 방전 전하의 크기는 출력 전압으로 산출할 수 있다. 이때, 방전의 종류에 따라 부분방전펄스의 주파수가 다르기 때문에 RLC 정수를 적절히 조절하는 것으로서, 부분방전을 검출할 수 있다.
증폭기(140)는 검출임피던스의 양단 전압을 증폭하는 기능을 수행한다.
도 6은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 증폭기에 대한 회로도이다.
첨부된 도 6을 참조하면, 증폭기(140)는 2단 증폭회로로 구성될 수 있다.
부분방전에 의해 접지선으로 흐르는 전류는 작다. 또한, 고주파 전류센서(10)는 접지선의 1차측 전류를 2차측으로 유도하여 검출하기 때문에 고주파 전류센서에 의해 검출된 방전펄스신호도 작다. 따라서 검출임피던스의 양단 전압을 증폭해야 한다.
또한, 상기 증폭기(140)는 연산증폭기를 적용하여 부분방전을 검출하기에 충분한 주파수 범위를 갖도록 해야 하고, 낮은 잡음레벨을 갖도록 구성되어야 한다.
이에, 본 발명에 적용된 증폭기(140)는 입력 오프셋 전압이 3mV, 증폭도 40dB을 갖는 2단 증폭회로로 구성될 수 있다.
또한, 상기 증폭기(140)의 출력측에는 방전펄스신호의 주파수는 통과시키고 외부 또는 내부의 방사 잡음을 고려하여 저역통과필터가 구성된다.
다음으로, 검출진단장치(20)의 진단부(200)에 대해서 설명한다.
진단부(200)는 검출부(100)에서 출력되는 검출 데이터와 DAQ(Data Acquisition)을 통해 수집된 비교 데이터를 비교하여 부분방전에 대한 종류를 진단하는 기능을 수행한다.
DAQ(Data Acquisition)을 통해 수집된 비교 데이터는 설정된 부분방전을 임의로 발생시켜 PD센서로 측정하고, 측정된 신호를 첨두검출(peak detection) 방식으로 연산하여 누적하여 저장하였다.
첨두검출의 식별요소로는 방전의 크기(mV) 및 위상(phase)으로 설정하여 저장하였다.
도 7은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 비교 데이터에 저장된 부분방전의 종류에 대한 PRPD 패턴을 나타낸 그래프이다.
부분방전에 의한 방전펄스신호는 출력되는 전압의 1주기 마다 위상 정보를 갖는 펄스 형태로 표현될 수 있는데, 이를 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge)라고 하는 것으로서, PRPD는 파형패턴분석에 의한 부분방전 분석기법이다. 즉 동일한 종류의 부분방전에 대해 PRPD에 의해 생성된 패턴을 살펴보면 소정의 영역이 군집된 형태로 도출되게 되는데, 도출된 군집과 검출 데이터를 비교하면 검출 데이터에 대한 부분방전의 종류를 판단할 수 있게 된다.
첨부된 도 7의 (a)는 코로나 방전의 PRPD 패턴이고, (b)는 내부방전의 PRPD 패턴이며, (c)는 표면방전의 PRPD 패턴이고, (d)는 랜덤방전의 PRPD 패턴이다.
여기서, 상기 랜덤방전은 코로나 방전, 내부방전 및 표면방전 중에서 적어도 2이상의 부분방전이 복합적으로 발생된 상태를 의미한다.
방전펄스신호에 대한 방전의 크기(전압)는 패러데이의 전자유도법칙에 의해 다음의 수학식 3으로 표현된다.
수학식 3)
Figure 112021062265716-pat00003
여기서, e는 2차측 유도전압, Φ는 자속밀도, n은 권수, A는 단면적, H는 자계, μ0는 진공 투자율이다.
이때, 2차측 유도전압은 1차에 흐르는 전류의 변화와 비례상수인 상호인덕턴스에 비례하는 것으로서, 이는 수학식 4로 표현된다.
수학식 4)
Figure 112021062265716-pat00004
여기서, e는 2차측 유도전압, M은 상호인덕턴스, i는 1차측 전류이다.
소정의 시간동안 방전펄스신호에 대한 주파수와 진폭변화를 분석하기 위해 본 발명에서는 TF(Time-Frequency) 방식이 적용될 수 있다.
상기 TF 방식은 검출된 방전펄스신호를 시간과 주파수에 따른 영역으로 분류하여 T-F(Time-Frequency) Map을 구성하고, 노이즈를 제거하여 정규화 과정을 통해 처리하는 방식이다.
부분방전 진단을 위한 방법으로 진단부(200) 또는 임베디드 프로세서에서 퍼지신경망 지능형 알고리즘을 선택적으로 적용할 수 있으며, 진단부(200)에서 검출된 각각의 특징값을 이용하여 클러스터링과 패턴분류를 통해 부분방전을 검출할 수 있다.
진단부(200)는 검출부(100)에서 출력되는 검출 데이터, 즉, 검출신호(s(t))를 규격화신호(s'(t))로 산출하고, 규격화신호(s'(t))를 시간 및 주파수 영역에서의 표준편차로 나타내면 다음의 수학식 5와 같이 표현된다.
수학식 5)
Figure 112021062265716-pat00005
여기서, σT는 시간영역에서의 표준편차, σf는 주파수영역에서의 표준편차, s(t)는 검출신호에 대한 규격화신호, t0는 정규화된 신호의 무게중심이다.
이에, 상기 수학식 5를 이용하여 전원주파수(60 Hz)의 정극성(0 ~ 180°)과 부극성(181 ~ 360°)에서 측정된 방전펄스신호를 시간과 방전의 크기로 분석하여 부분방전의 특성을 분석할 수 있게 된다.
예를 들어, 부분방전에 의한 펄스는 감쇄 진동하는 형태로 출력되고, 첫 번째 발생한 제1 진동과 두 번째 발생한 제2 진동으로 구별할 수 있다. 이때, 각 진동에서 상승시간(0 ~ Vmax)과 하강시간(Vmax ~ 0)의 합을 진동 폭으로 정의하면, 제1 진동의 진폭은 Tw1이고, 제2 진동의 폭은 Tw2로 구분될 수 있다.
또한, 첨도(Kurtosis)와 왜도(Skewness)를 이용하여 부분방전의 펄스를 분석하는 물리적 형상방식이 적용될 수 있다.
첨도는 펄스의 첨예(尖銳)한 정도를 분석하는 것으로서, 값이 양(＋)일 경우 급첨(Leptokurtic)으로 하고, 음(－)일 경우 평첨(Platykurtic)으로 하며, 0일 경우 정규 분포를 이루며 정상분포(Mesokurtic)라고 정의할 수 있다.
이와 같이, 진단부(200)는 검출부(100)에서 검출된 검출 데이터와 DAQ에 저장된 비교 데이터에서 특징을 갖는 파라미터를 추출하고, 추출된 파라미터를 연산자벡터를 이용하여 패턴으로 분류함으로써, 검출 데이터와 비교 데이터의 연관성을 비교하여 검출 데이터에 대한 부분방전의 종류를 판단하도록 구성된다.
도 8은 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 진단부의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 8을 참조하면, 상기 진단부(200)는 검출 데이터 또는 비교 데이터로부터 식별요소를 추출하는 식별요소 추출모듈(210), 상기 식별요소 추출모듈(210)에서 추출된 식별요소에 대하여 식별요소벡터를 이용하여 식별요소의 패턴을 분류하는 패턴분류모듈(220), 상기 패턴분류모듈(220)에서 분류된 패턴에 근거하여 상기 검출 데이터에 대한 검출 데이터패턴과 비교 데이터에 대한 비교 데이터패턴을 비교하는 비교모듈(230) 및 상기 비교모듈(230)에서 도출된 패턴에 대하여 부분방전의 종류를 진단하는 진단모듈(240)을 포함하여 구성된다.
식별요소 추출모듈(210)에서 설정된 식별요소로는 왜도(Sk), 첨도(Ku), 상관계수(CCk), 방전량 사이의 비율(Q), 방전발생횟수(N) 및 최대방전크기의 비(Qmax)를 포함하여 구성된다.
왜도(Sk)는 다음의 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure 112021062265716-pat00006
여기서, 상기 Sk는 왜도, xi는 데이터 값(비교 데이터 또는 검출 데이터), pi는 i번째 위상각에서 xi가 발생될 확률, μ는 xi의 평균값, σ는 표준편차이다.
상기 왜도는 정규분포와 비교하여 중심축에서 치우친 정도에 대한 척도로서, 전체의 중심에서 외쪽으로 치우쳐 편중된 경우 양의 값(+)으로 산출된다.
첨도(Ku)는 분포의 첨예한 정도를 나타내는 것으로서, 다음의 수학식 7로 표현된다.
수학식 7)
Figure 112021062265716-pat00007
여기서, 상기 Ku는 첨도, xi는 데이터 값(비교 데이터 또는 검출 데이터), pi는 i번째 위상각에서 xi가 발생될 확률, μ는 xi의 평균값, σ는 표준편차이다.
상관계수(CCk)는 x분포와 y분포 형태간의 유사한 정도를 나타내는 것으로서, 다음의 수학식 8로 표현된다.
수학식 8)
Figure 112021062265716-pat00008
여기서, 상기 CCk는 상관계수, μx는 x의 평균치, μy는 y의 평균치, σx는 x의 표준편차, σy는 y의 표준편차이다.
상기 상관계수를 통해 산출된 값이 1에 근접할수록 상관도가 높고, 0에 근접할수록 상관도가 없는 것으로 판단될 수 있다.
방전량 사이의 비율(Q)은 다음의 수학식 9로 표현된다.
수학식 9)
Figure 112021062265716-pat00009
여기서, Q는 방전량 사이의 비율, qi+는 +반주기 동안 발생하는 i번째 위상각의 평균방전량, qi-는 -반주기 동안 발생하는 i번째 위상각의 평균방전량이다.
방전발생횟수(N)는 각 주기에서의 방전발생횟수로서 다음의 수학식 10으로 표현된다.
수학식 10)
Figure 112021062265716-pat00010
여기서, N는 방전량발생횟수, ni+는 +반주기 동안 발생하는 i번째 위상각의 평균방전횟수, qi-는 -반주기 동안 발생하는 i번째 위상각의 평균방전횟수이다.
즉, 상기 방전발생횟수(N)는 +반주기와 -반주기 동안 발생하는 최대방전량의 비율을 의미한다.
최대방전크기의 비(Qmax)는 다음의 수학식 11로 표현된다.
수학식 11)
Figure 112021062265716-pat00011
여기서, Qmax는 최대방전크기의 비, Qmax+는 +반주기 동안 발생하는 방전크기, Qmax-는 -반주기 동안 발생하는 방전크기이다.
패턴분류모듈(220)은 식별요소 추출모듈(210)에서 추출된 식별요소 각각에 대해 선택된 하나의 벡터로 간주하고, 이를 유사한 패턴을 그룹핑하는 기능을 수행한다.
예를 들어, n개의 식별요소로 이루어진 식별요소 그룹은 하나의 벡터로 볼 수 있고, 벡터의 차원은 원소가 n개이므로 n차원 식별요소벡터가 된다. 즉, 동일한 전압, 동일한 전극계로부터 30번 검출된 방전펄스신호로부터 6개의 식별요소를 산출하면 6차원의 식별요소벡터가 30개 생성된다. 생성된 30개의 벡터들은 각기 조금씩 다른 값을 가지지만 대체적으로 일정한 그룹을 형성하게 되고 이러한 그룹을 본 발명에서는 클러스터(cluster)라고 정의한다.
이에 따르면, 그룹에서 선택된 2개의 벡터에 대해 벡터 사이의 사이각이 작을 수록 선택된 2개의 벡터는 동일한 부분방전에 기인한 것으로 판단될 수 있다.
비교모듈(230)에서는 DAQ를 통해 검출된 비교 데이터에 대한 식별요소벡터의 클러스터와 검출된 검출 데이터에 대한 식별요소벡터를 비교하여, 검출된 검출 데이터에 대한 식별요소벡터에 근접한 비교 데이터의 식별요소벡터를 검출하는 기능을 수행한다.
즉, 상기 비교모듈(230)은 코로나 방전, 내부방전, 표면방전 및 랜덤방전 각각에 대한 식별요소벡터의 클러스터를 미리 저장하고, 검출부(100)에서 검출된 검출 데이터에 대한 연산을 수행하여 식별요소벡터를 도출한 후, 도출된 식별요소벡터를 저장된 식별요소벡터의 클러스터에 있는 벡터와 비교하며, 2개의 벡터 사이의 사이각이 최소가되는 식별요소벡터를 도출하는 것이다.
진단모듈(240)은 상기 비교모듈(230)에서 도출된 식별요소벡터에 대해 부분방전의 종류를 진단하고, 진단된 부분방전을 HMI로 제공하여 표시되도록 한다.
상기 진단부(200)에 따르면, 부분방전의 종류에 따라 식별요소벡터의 클러스터를 미리 저장된 상태에서, 검출부(100)에서 검출된 검출 데이터가 입력되면, 입력된 검출 데이터에서 유효한 식별요소를 추출하고 패턴을 분류한 후, 미리 저장된 식별요소벡터의 클러스터와 비교를 통해 상기 검출부(100)에서 검출된 검출 데이터에 대한 부분방전의 종류를 진단할 수 있게 된다.
다음으로, 차폐함(30, 도 2 참조)에 대해서 설명한다.
미소한 크기의 부분방전펄스를 검출하기 위해서는 외부 잡음을 효과적으로 차단할 수 있어야 한다. 즉, 부분방전 검출에서 최소 검출감도는 잡음 레벨의 2배 이상이어야 한다. 이에, 정확한 부분방전펄스를 검출하기 위해서는 잡음의 발생 원인을 분석하여 효과적인 잡음 대책을 적용하고, 부분방전 이외의 억제되지 않는 잡음에 대해서는 검출회로의 주파수 대역을 조절하는 방식을 적용하여 방전펄스와 잡음 신호를 분리하여야 한다.
부분방전 검출에서 잡음은 크게 외부로부터 유입되는 방사 잡음, 접지측으로부터 유입되는 접지 잡음으로 구분할 수 있다.
상기 잡음 중에서 접지 잡음은 번째로 불안정한 접지 시스템으로 인하여 발생하는 접지 잡음으로서, 전기전자기기를 사용할 때 발생하는 고주파 잡음이 대부분이고, 낙뢰 또는 전력계통의 지락 사고 등에 의하여 대지 전위가 상승으로 인하여 발생한다. 이에, 상기 접지 잡음을 차단하기 위해서는 단일 접지방식의 적용하고 접지필터를 사용하여 차페할 수 있다.
방사 잡음은 방송국 등에서 송신되는 수 십 MHz의 대역을 가지는 고주파 통신신호, 외부 기기로부터 발생하는 방사 성분에 의한 잡음이다.
상기 방사 잡음은 차폐기법 등을 적용하여 차단할 수 있다.
차폐 기법은 방송용 반송파 등의 방사잡음 제거를 위한 대책으로 전원공급부의 인입선, 결합회로망에 사용되는 결합콘덴서와 검출회로부 등에 방송 주파수 및 통신신호가 감지되지 않도록 구리 및 알루미늄과 같이 도전율이 높은 금속으로 차폐시키는 방식으로서, 본 발명에서는 차폐함(30)을 이용된다.
상기 차폐함(30)의 차폐효과는 금속 재질의 재료적인 특성에 큰 영향을 받기 때문에 가능한 도전율이 높은 재질이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템에 적용된 차폐함(30)은 2중 차폐구조로 구성된다.
상기 차폐함(30)의 외부를 이루는 외부 차폐함은 투자율이 높은 재질을 사용하고, 내부 차폐함은 도전율이 높은 재료가 사용될 수 있다.
상기에서와 같이, 2중 구조의 차폐함(30)에서 외부 차폐함은 350 ~ 400dB의 범위의 차폐함이 사용되고, 차폐함은 170 ~ 200dB인 차폐함으로 구성되어, 외부로부터의 방사 잡음에 대하여 520 ~ 600dB의 차폐효과를 기대할 수 있도록 구성된다.
이와 같은 차폐함(30)을 적용하면 방사 잡음은 효과적으로 차단할 수 있지만, 그 내부에서 구동되는 검출진단장치(20)로 인가되는 전원선 및 검출진단장치(20)로부터 출력되는 신호선에 대한 대책은 되지 못하는 단점이 발생될 수 있다.
이에, 전원선 및 신호선에 대한 전도 잡음을 제거하기 위하여 전원 공급원의 출력단에 필터를 설치하거나 이를 차폐할 수 있는 실링부재가 설치될 수 있다.
이때, 전원선에 설치되는 필터는 전원 주파수에 대한 신호는 통과시키되, 수 십 KHz 대역의 잡음 신호는 차단할 수 있는 전원공급용 필터가 적용된다.
본 발명에 의하면, 전력기기를 변형하거나 분해하지 않은 상태에서 접지선에 고주파 전류센서를 설치하는 것만으로도 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템을 설치할 수 있다.
또한, 발생된 부분방전에 대한 종류를 제공함으로써, 전력기기에 대한 부분방전의 위치를 쉽게 도출할 수 있으므로, 전력기기의 유지 보수에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위 및 발명의 설명, 첨부한 도면의 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속한다.
10: 고주파 전류센서 20: 검출진단장치
30: 차폐함 100: 검출부
110: 노이즈제거필터 120: 커플링커패시터
130: 검출임피던스 140: 증폭기
200: 진단부 210: 식별요소 추출모듈
220: 패턴분류모듈 230: 비교모듈
240: 진단모듈

Claims (7)

  1. 배전반 내의 전력기기 접지선에 설치되고, 상기 접지선을 통해 흐르는 전류에 의해 발생되는 방전펄스신호를 검출하는 고주파 전류센서;
    상기 고주파 전류센서로부터 검출된 방전펄스신호에 근거하여 부분방전의 여부를 확인하고, 부분방전의 종류를 판단하는 검출진단장치; 및
    상기 고주파 전류센서 및 검출진단장치를 차폐하는 차폐함;
    을 포함하여 구성되고,
    상기 검출진단장치는,
    상기 고주파 전류센서에서 검출된 방전펄스신호의 노이즈를 제거하고 증폭하여 검출 데이터를 출력하는 검출부; 및
    상기 검출부에서 출력되는 검출 데이터와 DAQ(Data Acquisition)을 통해 수집된 비교 데이터를 비교하여 부분방전에 대한 종류를 진단하는 진단부;
    를 포함하고,
    상기 검출부는,
    상기 고주파 전류센서에서 출력되는 방전펄스신호의 노이즈를 제거하는 노이즈제거필터;
    상기 노이즈제거필터에 직렬연결되고 상기 방전펄스신호의 교류성분을 통과시키고 직류성분을 차단하는 커플링커패시터;
    상기 커플링커패시터와 직렬연결되는 검출임피던스; 및
    상기 검출임피던스의 양단 전압을 증폭하는 증폭기;
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 검출임피던스는 RLC 동조회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 노이즈제거필터는,
    상기 방전펄스신호에 대하여 주파수 클럭을 발생시키는 클럭펄스 발생기;
    상기 방전펄스신호를 상기 클럭펄스 발생기에서 발생된 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 출력하는 제1 플립플롭;
    상기 제1 플립플롭으로부터의 신호를 상기 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 발생시키는 제2 플립플롭;
    상기 제2 플립플롭으로부터의 신호를 상기 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 발생시키는 제3 플립플롭;
    상기 제3 플립플롭으로부터의 신호를 상기 클럭펄스의 상승에지에서 동기하여 신호를 발생시키는 제4 플립플롭;
    상기 제2 내지 4 플립플롭의 출력 펄스를 입력받아 연산처리된 소정의 값을 출력하는 앤드 게이트(AND Gate)와 노아 게이트(NOR Gate); 및
    상기 앤드 게이트(AND Gate)와 노아 게이트(NOR Gate)의 출력 펄스를 상기 클럭 펄스의 상승에지에서 동기시켜 노이즈가 제거된 신호를 출력하는 JK형 플립-플롭(JK type flip-flop)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 증폭기는,
    입력 오프셋 전압이 3mV, 증폭도 40dB을 갖는 2단 증폭회로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력기기는,
    변압기, 변성기, 케이블, 부스바, 차단기, 개폐기 및 전력기기의 외함 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고주파 전류센서는,
    니켈과 아연의 합금으로 이루어진 철심과 황동 재질의 원환체(toroid) 형태로 구성된 인덕션코일로 이루어지고, 상기 인덕션코일에 상기 철심이 20 ~ 50회 권선된 것을 특징으로 하는 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단부에서 진단하는 부분방전의 종류는,
    코로나 방전, 내부방전, 표면방전 및 랜덤방전 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 고주파 전류센서를 이용한 배전반의 부분방전 검출 진단 시스템.
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