KR20100036567A - 부분방전신호 검출모듈 및 이의 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부분방전 펄스신호를 용이하게 검출할 수 있는 부분방전신호 검출모듈 및 이의 구동방법에 관한 것으로, 피측정물로부터 방사되는 전계 신호를 측정하는 전계 센서; 상기 전계 센서로부터 측정된 전계 신호로부터 부분방전 펄스신호만을 선택적으로 필터링하는 필터링부; 및, 상기 필터링부로부터의 부분방전 펄스신호를 증폭시키는 증폭부를 포함함을 그 특징으로 한다.

전계 센서, 절연물, 몰드 변압기, 부분방전 펄스신호

Description

부분방전신호 검출모듈 및 이의 구동방법{APPARATUS FOR DETECTING PARTIAL DISCHARGING SIGNAL AND METHOD FOR DRIVING THE SAME}

본 발명은 부분방전신호 검출모듈에 관한 것으로, 특히 부분방전 펄스신호를 용이하게 검출할 수 있는 부분방전신호 검출모듈 및 이의 구동방법에 대한 것이다.

몰드 변압기의 절연진단을 위한 기술로는 부분방전측정법, 절연저항측정, 절연유 특성시험, 가스분석법 등이 있으며 최근의 기술로는 부분방전측정법이 주류를 이루고 있다. 이는 절연물의 결함을 초기에 검출할 수 있는 특징이 있다.

부분방전측정법은 전계 센서를 이용하여 몰드 변압기로부터 방사되는 전계 신호로부터 부분방전 펄스신호를 검출하는 방법이다. 그런데, 이 전계 신호에는 상기 부분방전 펄스신호 이외에도 상기 몰드 변압기에 공급되는 전원신호가 포함되어 있는데, 부분방전 펄스신호는 미소하게 포함되어 있어 종래에는 이 부분방전 펄스신호의 검출이 용이하지 않았다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 필터링부를 이용하여 전계 신호로부터 부분방전 펄스신호만을 선택적으로 필터링하고, 이 필터링된 부분방전 펄스신호를 증폭함으로써 부분방전 펄스신호의 검출을 용이하게 할 수 있는 부분방전신호 검출모듈 및 이의 구동방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 부분방전신호 검출모듈은 피측정물로부터 방사되는 전계 신호를 측정하는 전계 센서; 상기 전계 센서로부터 측정된 전계 신호로부터 부분방전 펄스신호만을 선택적으로 필터링하는 필터링부; 및, 상기 필터링부로부터의 부분방전 펄스신호를 증폭시키는 증폭부를 포함함을 그 특징으로 한다.

상기 전계 센서는, 절연물; 상기 절연물을 사이에 두고 서로 마주보는 검출전극 및 접지전극; 및, 상기 검출전극의 말단에 형성된 동축 케이블을 포함하며; 상기 검출전극이 상기 접지전극보다 상기 피측정물에 보다 근접하여 위치한 것을 특징으로 한다.

상기 필터링부는 상기 전계 신호에 포함된 전원신호를 차단하고, 상기 부분방전 펄스신호만을 필터링하는 고주파 필터인 것을 특징으로 한다.

상기 증폭부는 상기 필터링부로부터의 부분방전 펄스신호를 증폭시키기 위한 저잡음 고주파 증폭기인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 부분방전신호 검출모듈의 구동방법은 피측정물로부터 방사되는 전계 신호를 측정하는 A단계; 상기 A단계로부터의 전계 신호로부터 부분방전 펄스신호만을 선택적으로 필터링하는 단계; 및, 상기 B단계로부터의 부분방전 펄스신호를 증폭시키는 C단계를 포함함을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따른 부분방전신호 검출모듈 및 이의 구동방법에는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에서는 필터링부를 이용하여 전계 신호로부터 부분방전 펄스신호만을 선택적으로 필터링하고, 이 필터링된 부분방전 펄스신호를 증폭함으로써 부분방전 펄스신호의 검출을 용이하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전계 센서를 나타낸 도면이다.

전계 센서는 전기적인 절연물에 동판을 접착시킨 구조로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 검출전극(10)과 접지전극(11)으로 이루어져 있다. 상기 검출전극(10)의 말단에는 동축케이블을 접속시키기 위한 50[Ω]의 BNC(Bayonet Neil-Connection) 커넥터(13)가 설치된다.

여기서, 상기 검출전극(10)과 접지전극(11)은 절연물(12)을 사이에 두고 서로 마주보고 있으며, 상기 검출전극(10)이 상기 접지전극(11)보다 상기 피측정 물(44)에 보다 근접하여 있다.

본 발명에서의 전계 센서(30)는 평판형 전계 센서(30)를 의미한다.

도 2는 도 1의 전계 센서(30)가 피측정물(44)에 장착된 모습을 나타낸 도면으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 전계 센서(30)가 피측정물(44)에 장착되어 있다.

이와 같은 전계 센서(30)의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.

도 3 전계 센서(30)의 원리도와 등가회로를 나타낸 도면으로서, 구체적으로 도 3의 (a)는 전계 센서(30)의 원리를 나타낸 도면이고, 도 3의 (b)는 노튼의 등가회로를 나타낸 도면이다.

그리고, 도 4는 전계 센서(30)에 의한 부분방전 검출을 설명하기 위한 도면으로서, 구체적으로 도 4의 (a)는 전계 센서(30)가 장착된 도면이고, 도 4의 (b)는 전계 센서(30)의 등가회로를 나타낸 도면이다.

전계 센서(30)의 동작원리는, 도 3의 (a) 및 도 4에 도시된 바와 같이, 검출전극(10)과 피측정물(44)의 고전압도체(49; 알루미늄 각선)사이의 표류정전용량(Ch)과, 그리고 접지전극(11)과 접지단자사이의 정전용량(Cp)에 의한 분압으로 고주파 부분방전 펄스신호를 측정하는 것으로 일종의 필터에 해당하며, 주파수 응답은 증폭회로(41)의 입력임피던스와 전계 센서(30)의 정전용량에 의하여 결정된다. 동작원리에 대한 원리도와 등가회로는 도 3에 나타낸다. 한편, 미설명한 도 4의 도번 48은 절연체를 의미하는 것으로, 이 절연체(48)는 에폭시로 구성된다.

도 3의 (b)에 도시된 노튼의 등가회로로부터 전체전류 i(t)는

-- (1)

로 표현할 수 있으며

-- (2)

의 관계가 성립하므로 식(2)로부터 구해지는 출력전압V(t)는 증폭회로(41)(41)의 입력임피던스 Zo의 크기에 따라 달라지게 된다. 증폭기의 입력임피던스가 50[Ω]이라 하면, 식 (2)에서 우변 항의 첫번째 항이 두번째 항보다 대단히 미소하므로 이를 무시한다고 가정하면 측정하고자 하는 출력전압 V(t)는

-- (3)

로 근사화시킬 수 있으며, 출력전압 V(t)의 크기는 센서의 면적(S)과 시간에 따른 전속밀도의 변화량에 비례하는 출력특성을 가지게 된다. 방전신호는 그림 4의 전송회로를 통해 전달되며, 검출전극(10)에서 전압 관측부까지의 신호전송에는 특성임피던스 50[Ω]의 동축케이블(43; RG58A/U)을 사용한다. 또한 동축케이블(43)의 정전용량으로 인하여 나타나는 신호의 왜곡을 제거하기 위해 동축케이블(43)의 특성 임피던스와 같은 50[Ω]의 정합저항(Rm)과 보상저항(Rt)을 연결한다.

한편, 부분방전 펄스신호는 수 백 [kHz] ~ 수 십 [MHz] 대역의 미약한 신호로 전원주파수에 극히 작게 포함되어 있고, 주변 전기적 노이즈에 노출되어 있기 때문에 직접적인 검출은 불가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 부분방전신호 검출모 듈은 다음과 같은 구조를 갖는다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 부분방전신호 검출모듈을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 부분방전신호 검출모듈은, 도 5에 도시된 바와 같이, 전계 센서(30)에 의해 검출된 전계 신호 중 부분방전 펄스신호만을 증폭회로(41)에 통과시키기 위한 필터링부(110)와, 상기 필터링부(110)로부터의 부분방전 펄스신호를 증폭시키기 위한 증폭부(111)를 포함한다.

여기서, 상기 필터링부(110)는 상기 전계 신호에 포함된 전원신호를 차단하고, 상기 부분방전 펄스신호만을 필터링하는 고주파 필터이며, 상기 증폭부(111)는 상기 필터링부(110)로부터의 부분방전 펄스신호를 증폭시키기 위한 저잡음 고주파 증폭기이다.

본 발명의 실시예에 따른 부분방전신호 검출모듈은 가스 차단기에 설치될 수 있다.

도 6은 가스 차단기의 전계 센서(30)의 위치를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 6의 가스 차단기와 전계 센서(30)의 등가구조를 나타낸 도면이다.

가스 차단기(55)의 절연부싱(60)을 이용한 부분방전 전계 센서(30)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 환상구조로 설치되며, 가스 차단기(55)와 전계 센서(30)의 등가 구조는 그림 7과 같다.

고전압 도체측의 정전용량(Ch)과 대지표류정전용량(Cd)은 분포정수인데 비하여 저전압측 정전용량(Cp)은 집중정수이다. 이들 분포정수와 집중정수는 용량성 분압회로의 고주파 응답을 제한하게 된다. 응답특성은 다음과 같이 해석할 수 있다. 정전용량(Cp)의 접속점을 원점으로 하고, 이로부터 전계 센서(30)의 검출전극(10)까지의 거리를 x라고 하면 주파수 f인 전압 V를 전원도체에 인가하면 검출전극(10)에서의 전압분포 υx와 전류분포 ix는 다음의 방정식을 만족시켜야 한다.

-- (4)

-- (5)

여기서, ω=2πf, j=복소수의 허수단위, Lo= 검출전극(10)의 주변방향의 자체인덕턴스 이다.

경계조건으로

에서

-- (6)

에서

-- (7)

이라고 가정하고, 이들 경계조건을 적용하여 식 (6)과 식 (7)을 풀면, x=0에서 υx의 값 즉, Cp의 단자전압 Vo는 다음과 같이 된다.

-- (8)

여기서,

,

이다.

식 (8)에 나타난 바와 같이 전계 센서(30)의 출력전압은 피측정 전압원의 주파수에 따라 달라짐을 알 수 있다.

상술된 바와 같이 부분방전 펄스신호는 수 백 [kHz] ~ 수 십 [MHz] 대역의 미약한 신호로 전원주파수에 극히 작게 포함되어 있고, 주변 전기적 노이즈에 노출되어 있기 때문에 직접적인 검출은 불가능하다.

따라서, 상기 가스 차단기(55)에 상술된 필터링부(110)와 증폭부(111)를 더 설치함으로써 상기 피측정물(44)로부터 방사되는 부분방전 펄스신호를 용이하게 검출할 수 있다.

상기 필터링부(110)는 고주파 필터로서, 이의 특성은 다음과 같다.

도 8은 고주파 필터의 주파수 특성을 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 고주파 필터의 차단 주파수는 1MHz로서 이 이하의 주파수는 모두 차단된다. 즉, 이 고주파 필터는 1MHz를 초과하는 주파수를 갖는 부분방전 펄스신호를 통과시키고, 이 1MHz 이하의 주파수를 갖는 전원신호를 차단시킨다.

증폭부(111)는 저잡음 고주파 증폭기로서, 이는 저잡음 광대역(1.6nV/√Hz, 330[MHz])연산증폭기를 2단으로 구성한 것이다. 이러한 구성을 갖는 저잡음 고주파 증폭기는 고이득으로 고역차단주파수를 제한하지 않도록 설계된다. 이 저잡음 고주 파 증폭기의 이득은 40[dB]이며, -3[dB]의 주파수 대역은 100[kHz]~30[MHz]로 상기 필터링부(110)에서 전달된 부분방전 펄스신호를 감쇄없이 증폭시킬 수 있다.

한편, 검출된 부분방전 펄스신호의 겉보기 전하(apparent charge)의 크기를 산출하기 위해서는 이미 알고 있는 크기의 방전전하량을 이용하여 검출회로의 교정이 필요하다. 본 발명에서는 전용의 교정펄스발생기(CAL1A, 1～100pC, positive/negative)를 이용하여, 검출 신호의 크기로부터 감도(mV/pC)를 산출하였다.

도 9는 검출된 부분방전 펄스신호의 겉보기 전하의 크기를 산출하기 위한 실험계의 구성을 나타낸 도면이고, 도 10은 도 9의 실험을 통해 얻어진 전원신호의 전압, 즉 전원전압과 부분방전 펄스신호의 파형을 나타낸 도면으로서, 구체적으로 도 10의 (a)는 전원전압과 부분방전 펄스신호를 함께 도시한 도면이고, 도 10의 (b)는 부분방전 펄스신호의 일예이다.

본 발명에서는 가스 차단기(55)의 부분방전 펄스신호의 발생실험을 위해, 도 9에 도시된 바와 같이, 내부 고정전극(99)에 부분방전 펄스신호가 발생하도록 침전극(90)을 설치하고, 외부에서 고정전극(99)과 외함사이에 고압변압기(AC 220[V]/20kV)를 연결하여 대지전압에 해당하는 AC 13.2[kV]를 인가하였다. 미설명한 도 9의 도번 OSC는 도 10에서의 파형을 관측하기 위한 오실로스코프를 의미한다.

한편, 도 9에서의 증폭회로(41)는 상술된 필터링부(110)와 증폭부(111)로 구성될 수 있다. 다른 방법으로, 본 발명에 따른 부분방전신호 검출모듈은 상술된 전 계 센서(30), 필터링부(110), 증폭부(111) 및 증폭회로(41)로 구성될 수 도 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 실험에서는 최대 97[pC](190[mV])가 검출되었으며, 도 10의 (b)에 도시된 파형은 76[pC]에 해당한다.

설계 제작된 부분방전신호 검출모듈을 가스 차단기(55)에 설치하여 교정실험을 수행한 결과, 감도는 1.96[mV]/[pC] 로 산출되었는데, 관측장치의 특성을 고려하면 10[pC]이상이 되어야 분석이 가능하다. 적용 실험에서는 특고압 배전선로와 같이 상-대지간에 13.2[kV]를 인가하여 임의적으로 부분방전 펄스신호를 발생시켜 부분방전 펄스신호를 관측할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 부분방전신호 검출모듈은 몰드 변압기에 설치될 수 있다.

도 11은 몰드 변압기에 설치된 전계 센서(30)에 의해 검출된 부분방전 펄스신호를 증폭하기 위한 증폭부(111)의 주파수 특성을 나타낸 도면이다.

전계 센서(30)에 의해 몰드 변압기로부터 검출된 부분방전 펄스신호는 매우 미소하므로, 이 부분방전 펄스신호의 증폭을 위해 제작한 증폭부(111)의 주파수특성에 대한 평가를 수행하였으며, 또한 정현파 입력신호에 대한 출력신호의 비로서 특성평가를 수행 하였으며, 또한 신호입력에는 함수발생기(33220A, Agilent)를 사용하였다.

제작한 증폭부(111)의 이득은 40[dB]이며, 주파수특성은 도 11에 나타낸 것과 같이 100[kHz]～10[MHz]의 주파수대역에서 부분방전 펄스신호를 감쇄없이 증폭시키는 특성을 가진다.

도 12는 교정 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 13은 교정펄스 측정파형을 나타낸 도면이다.

한편, 제작한 부분방전신호 검출모듈을 실제 변압기에 적용함에 있어서 발생되는 전하량을 정확히 측정하기 위해서는 감도산출이 필요하다.

감도산출을 위해 기지의 전하량을 주입함으로서 발생되는 전압을 측정하고, 출력전압을 역으로 환산하여 [pC]당 발생되는 전압을 산출하였다. 본 발명에서는 일정한 전하량을 주입하기 위해 교정펄스발생기(CAL1A, 1～100[pC], Pos./Neg.)를 사용하여 도 12와 같이 몰드 변압기(120)의 권선과 절연물사이에 교정펄스를 인가하였다.

100[pC]의 정극성 펄스를 몰드 변압기(120)에 인가하였을 때, 증폭회로(41)의 출력단에서 검출된 교정파형의 예를 도 13에 나타내었다. 증폭회로(41)의 출력전압은 450[mV]로서 부분방전신호 검출모듈의 환산감도는 45[mV]/10[pC]이다.

여기서, 상기 증폭회로(41)는 상술된 필터링부(110) 및 증폭부(111)로 구성될 수 도 있다. 즉, 상기 전계 센서(30)로부터 검출된 신호 중 부분방전 펄스신호는 상기 증폭회로(41)의 필터링부(110) 및 증폭부(111)를 차례로 통과하여 출력된다. 한편, 상기 증폭회로(41)의 출력단에 또 다른 증폭기가 더 설치될 수 있다. 이 증폭기는 상기 증폭회로(41)의 증폭부(111), 즉 저잡음 고주파 증폭기로부터 출력된 신호를 증폭시키는 역할을 한다.

도 14는 몰드 변압기(120)의 부분방전 펄스신호를 검출하기 위한 실험계의 구성을 나타낸 도면이고, 도 15는 부분방전 펄스신호의 파형을 도시한 도면으로서, 구체적으로 도 15의 (a)는 몰드 변압기(120)에 인가된 전원신호의 전압, 즉 전원전압과 부분방전 펄스신호의 파형을 나타낸 도면이고, 도 15의 (b)는 부분방전 펄스신호만을 나타낸 도면이다.

교정실험 후 제작한 부분방전신호 검출모듈을, 도 14에 도시된 바와 같이, 실제 몰드 변압기(120)에 적용하여 실험을 수행하였다. 즉, 몰드 변압기(120)의 내부 권선도체에 부분방전 펄스신호가 발생하도록 몰드 변압기(120) 상부에서부터 8.5[cm] 아래의 절연물 내부에 침전극(121)을 설치하고, 외부에서 권선과 절연물사이에 전압조정기(141)와 고압변압기(140; AC220[V]/15[kV])를 사용하여 부분방전 펄스신호를 발생시켰다.

도 15에 도시된 바와 같이, 전원전압과 부분방전펄스의 위상관계 및 부분방전 펄스신호의 크기를 알 수 있다. 또한 전원전압의 최대치와 변화율이 가장 급격한 구간에서 부분방전 펄스신호가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며 15kV 인가 시 24[pC](110[mV])의 부분방전 펄스신호가 검출됨을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전계 센서를 나타낸 도면

도 2는 도 1의 전계 센서가 피측정물에 장착된 모습을 나타낸 도면

도 3 전계 센서의 원리도와 등가회로를 나타낸 도면

도 4는 전계 센서에 의한 부분방전 검출을 설명하기 위한 도면

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 부분방전신호 검출모듈을 나타낸 도면

도 6은 가스 차단기의 전계 센서의 위치를 설명하기 위한 도면

도 7은 도 6의 가스 차단기와 전계 센서의 등가구조를 나타낸 도면

도 8은 고주파 필터의 주파수 특성을 나타낸 도면

도 9는 검출된 부분방전 펄스신호의 겉보기 전하의 크기를 산출하기 위한 실험계의 구성을 나타낸 도면

도 10은 도 9의 실험을 통해 얻어진 전원전압과 부분방전 펄스신호의 파형을 나타낸 도면

도 11은 몰드 변압기에 설치된 전계 센서에 의해 검출된 부분방전 펄스신호를 증폭하기 위한 증폭부의 주파수 특성을 나타낸 도면

도 12는 교정 장치의 구성을 나타낸 도면

도 13은 교정펄스 측정파형을 나타낸 도면

도 14는 몰드 변압기의 부분방전 펄스신호를 검출하기 위한 실험계의 구성을 나타낸 도면

도 15는 부분방전 펄스신호의 파형을 도시한 도면

Claims (5)

1. 피측정물로부터 방사되는 전계 신호를 측정하는 전계 센서;

   상기 전계 센서로부터 측정된 전계 신호로부터 부분방전 펄스신호만을 선택적으로 필터링하는 필터링부; 및,

   상기 필터링부로부터의 부분방전 펄스신호를 증폭시키는 증폭부를 포함함을 특징으로 하는 부분방전신호 검출모듈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전계 센서는,

   절연물;

   상기 절연물을 사이에 두고 서로 마주보는 검출전극 및 접지전극; 및,

   상기 검출전극의 말단에 형성된 동축 케이블을 포함하며;

   상기 검출전극이 상기 접지전극보다 상기 피측정물에 보다 근접하여 위치한 것을 특징으로 하는 부분방전신호 검출모듈.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 필터링부는 상기 전계 신호에 포함된 전원신호를 차단하고, 상기 부분방전 펄스신호만을 필터링하는 고주파 필터인 것을 특징으로 하는 부분방전신호 검출모듈.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 증폭부는 상기 필터링부로부터의 부분방전 펄스신호를 증폭시키기 위한 저잡음 고주파 증폭기인 것을 특징으로 하는 부분방전신호 검출모듈.
5. 피측정물로부터 방사되는 전계 신호를 측정하는 A단계;

   상기 A단계로부터의 전계 신호로부터 부분방전 펄스신호만을 선택적으로 필터링하는 단계; 및,

   상기 B단계로부터의 부분방전 펄스신호를 증폭시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 부분방전신호 검출모듈의 구동방법.

Images