KR20160093452A - 몰드변압기의 절연결함 판단 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20160093452A
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김동우
문현욱
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한국 전기안전공사
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Abstract

본 발명은, 몰드변압기의 절연결함 판단 방법에 있어서, 몰드변압기에서 발생한 부분방전(Partial Discharge)을 검출하여 상기 몰드변압기의 열화신호를 취득하는 측정 단계; 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거하는 신호처리 단계; 및 노이즈가 제거된 열화신호의 파형으로부터 몰드변압기의 절연결함을 판단하는 분석 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 부분방전 신호로부터 몰드변압기의 절연결함 여부를 판단할 수 있어 몰드변압기 사고를 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다.

Description

몰드변압기의 절연결함 판단 장치 및 방법{DEVICE FOR DETECTING INSULATION DEFECT OF MOLD TRANSFORMER AND METHOD THEREBY}
본 발명은 몰드변압기의 절연결함 판단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 활선 상태의 몰드변압기에서 발생하는 부분방전 신호를 이용하여 절연결함을 판단할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
국내 전기설비에서 전력용 변압기는 중전기기에서 매우 중요한 비중을 차지하고 있다. 특히, 국내의 몰드변압기는 1981년 이화전기공업에서 상용화한 이후 최근까지 유입변압기를 대처하여 급속하게 보급되고 있는 추세이다. 몰드변압기는 설치 환경의 특성상 발화 가능성이 작고, 기계적 강도가 크며, 진공 상태에서 주형 몰딩으로 제작되어 흡습에 의한 절연 열화가 거의 없는 장점이 있다. 이러한 몰드변압기는 국내 22.9kV 이하 자가용 수전설비의 200,000개소 이상에서 사용하고 있는 것으로 추정된다.
몰드변압기의 교체 주기는 일본전기공업협회(JEMA)에서 평균 수명을 15~20년으로 발표하였고, 한국전기안전공사(KESCO)에서도 20년으로 내용년수를 제시하였다. 따라서 1980년대 중반 이후에 현장에 설치된 몰드변압기의 교체 주기가 거의 도래하였음을 유추할 수 있다. 이에 따라 몰드변압기의 점검주기 및 안전관리의 중요성이 부각되어 몰드변압기에서 발생하는 사고 징후의 이상신호를 초기에 찾아내는 예방진단이 필요한 실정이다.
몰드변압기의 사고는 고체 절연물인 에폭시 수지 내의 보이드나 이물질에 의한 절연파괴 사고와 에폭시 표면의 크랙에 의한 연면방전 사고유형이 대부분이다. 국내에서 초창기에 제작된 몰드변압기는 제조기술의 문제로 많은 제작 불량에 의한 사고가 다발적으로 발생하였지만, 최근에는 기술의 발달로 제작 불량 사고보다는 유지 관리적 측면과 환경적 요소에 의한 사고가 빈번히 발생하고 있다.
몰드변압기의 상태를 진단하는 방법에는 절연저항 측정법, 내전압 시험방법, 초음파 측정방법, 부분방전 측정방법, 온도(열) 측정방법 등이 있다. 몰드변압기는 기기의 주요 부분이 고체 절연물로 되어 있어 높은 초기 절연성능을 지니나 절연물 내부 상태의 육안점검 또는 상태분석이 기기의 구조상 어려운 문제점이 있다. 몰드변압기는 유입변압기와 달리 고체 절연체인 에폭시 수지로 밀폐되어 있기 때문에 열화 상태를 점검하고 사고를 예측하는 방법에 많은 한계가 있다.
종래에는 몰드변압기의 유지보수를 위해서 육안점검 및 열화상 카메라를 이용한 온도관리, 소음관리 등 극히 제한적인 항목을 점검하였다. 또한, 대부분 현장에서 시행되고 있는 열화상 카메라를 이용한 온도관리는 절연물의 열화를 검출할 수 없으며, 부하의 영향이나 환경에 의해서 왜곡되는 단점이 있다.
정밀진단으로는 몰드 변압의 부분방전을 시험하여 열화여부를 판정하였다. 다만, 이러한 점검 항목으로는 몰드변압기 사고를 사전에 예측하기 어려운 문제점이 있다. 몰드변압기의 사고예방을 위한 점검항목으로 오프라인 상태에서 유전 정접 시험을 통하여 절연열화를 측정할 수 있다. 다만, 이 방법은 정전 등의 문제로 연차점검 시에만 가능하고, 많은 준비시간이 요구되는 단점이 있다. 따라서, 운전 중인 몰드변압기의 부분방전을 측정함이 효과적이나, 이는 측정시 주변 잡음을 제거할 수 있는 기술과 부분방전으로부터 절연결함 여부를 판단하는 기준이 필요하다. 이와 같이 몰드변압기의 사고 예방 기술은 유입변압기에 비해서 극히 제한적이다.
전기설비의 법정검사를 수행하고 있는 한국전기안전공사에서는 2011년부터 전력설비 무 정전 검사 제도를 도입하여 활선상태에서 부분방전 시험에 의한 몰드변압기의 안전검사를 시행하였다. 다만, 검사판정기준이 외부 잡음신호가 대량으로 유입될 수 있는 현장의 여건과 부합되지 않아서 검사판정에 많은 문제점이 도출되고 있다.
국내외의 관련분야 연구동향은 실험실의 절연결함 조건에서 몰드변압기의 열화 상태를 측정하고 분석 기법을 제시하는 수준으로, 현장에서 이를 활용하기에는 많은 어려움이 있다. 몰드변압기의 설치 확대에 따라 사고예방 및 안전관리를 위한 활선상태 진단기술의 필요성은 현장을 위주고 제기되고 있는 실정이며, 몰드변압기의 절연열화 진단을 위해서 상호보완적인 측정방법과 몰드변압기의 절연상태 유무를 판정할 수 있는 분석방법이 요구된다.
한국등록특허 제1358049호
본 발명은 몰드변압기의 절연결함 여부를 판단할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 몰드변압기에서 발생한 부분방전을 검출하고, 검출된 부분방전 신호의 노이즈를 제거하여 절연결함 여부를 판단할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 몰드변압기의 절연결함 판단 방법에 있어서, 몰드변압기에서 발생한 부분방전(Partial Discharge)을 검출하여 상기 몰드변압기의 열화신호를 취득하는 측정 단계; 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거하는 신호처리 단계; 및 노이즈가 제거된 열화신호의 파형으로부터 몰드변압기의 절연결함을 판단하는 분석 단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게, 측정 단계는 헬리컬 안테나를 이용하여 몰드변압기로부터 비접촉식으로 부분방전(Partial Discharge)을 검출할 수 있다.
바람직하게, 신호처리 단계는 정상 웨이블릿 변환(Stationary Wavelet Transform) 기법을 이용하여 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거할 수 있다.
바람직하게, 신호처리 단계는 분해레벨을 설정하여 주파수를 기준으로 노이즈를 필터링하는 (a)단계; 임계값을 설정하여 크기를 기준으로 노이즈를 필터링하는 (b)단계; 및 필터링된 열화신호를 역 웨이블릿 변환하는 (c)단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 분석 단계는 열화신호의 피크 값과 펄스 값을 이용하여 몰드변압기의 절연결함을 판단할 수 있다. 이 경우, 분석 단계는 부분방전(Partual Discharge) 계수의 변화율을 통해 상기 몰드변압기의 절연결함을 판단하고, 부분방전 계수는 하기의 수학식으로 도출될 수 있다.
[수학식]
Figure pat00001
여기서
Figure pat00002
는 부분방전 계수이고,
Figure pat00003
은 상기 열화신호의 함수이고,
Figure pat00004
는 상기 열화신호의 1 주기에서 양수 범위의 펄스 값이고,
Figure pat00005
은 상기 열화신호의 1 주기에서 음수 범위의 펄스 값이고,
Figure pat00006
은 상기 측정단계에서 열화신호를 취득한 시간의 길이이고,
Figure pat00007
는 상기 열화신호의 주파수.
바람직하게, 분석 단계는 부분방전 계수의 변화율이 0보다 큰 경우 몰드변압기를 절연결함으로 판단할 수 있다.
또한 본 발명은, 몰드변압기의 절연결함 판단 장치에 있어서, 몰드변압기에서 발생한 부분방전(Partial Discharge)을 검출하여 몰드변압기의 열화신호를 취득하는 헬리컬 안테나; 정상 웨이블릿 변환(Stationary Wavelet Transform) 기법을 이용하여 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거하는 신호처리 모듈; 및 노이즈가 제거된 열화신호의 파형으로부터 몰드변압기의 절연결함을 판단하는 분석 모듈을 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게, 분석 모듈은 부분방전(Partual Discharge) 계수의 변화율을 통해 몰드변압기의 절연결함을 판단하고, 부분방전 계수는 상기의 수학식으로 도출될 수 있다.
본 발명에 따르면, 부분방전 신호로부터 몰드변압기의 절연결함 여부를 판단할 수 있어 몰드변압기 사고를 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 헬리컬 안테나를 이용하여 비접촉식으로 몰드변압기의 부분방전을 검출함으로써 방전 발생 부위의 판단이 용이하고, 다른 설비로부터 노이즈가 유입되지 않는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 주로 생체신호 분석기법에 적용되는 정상 웨이블릿 변환(Stationary Wavelet Transform) 기법을 이용하여 몰드변압기의 열화신호에 포함된 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 신호 처리된 열화신호의 파형을 분석하여 몰드변압기의 절연결함을 판단할 수 있는 기준을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 몰드변압기의 절연결함 판단장치의 개념도를 도시한 모습이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 몰드변압기의 절연결함을 판단하는 알고리즘을 도시한 모습이다.
도 3은 실험례 1에 따른 오실로스코프 Envelope 모드에서 4개의 센서로부터 취득된 열화신호의 파형을 나타낸다.
도 4는 실험례 1에 따른 오실로스코프 Peak 모드에서 4개의 센서로부터 취득된 열화신호의 파형을 나타낸다.
도 5는 실험례 2에 따른 열화신호를 다양한 웨이블릿 변환 기법으로 신호처리한 결과를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 몰드변압기의 절연결함 판단 장치(1)의 개념도를 도시한 모습이다. 도 1을 참조하면 몰드변압기의 절연결함 판단 장치(1)는 센서(20), 신호처리 모듈(301) 및 분석 모듈(303)을 포함할 수 있다. 센서(20)는 몰드변압기(10)의 부분방전을 검출하여 몰드변압기(10)의 열화신호를 취득할 수 있다.
부분방전이란 전극과 전극 사이에서 일어나지 않고 한 부분에 생기는 방전을 총칭하는 용어이다. 부분방전은 도체사이의 절연시스템에서 발생하는 국부적인 전기적 방전현상이다. 이는 절연체 내부 및 외부 결함에서 고전계의 형성에 의해 발생되는 지속시간이 매우 짧은 절연파괴 과정으로 이해될 수 있다. 절연체 내부에 보이드나 이물질 등과 같은 결함이 존재하면 해당 부분에 전계가 집중되고 전기트리가 성장하여 결국에는 절연파괴가 초래될 수 있다. 이러한 부분방전은 전계집중 발생 부위에 따라 코로나 방전, 연면 방전 그리고 내부 방전으로 분류될 수 있다. 부분방전이 발생하면 전기적 펄스 전류, 전자파, 음향, 화학적 반응 등으로 초기 징후가 나타나며 부분방전이 일어나는 곳의 신호를 검출함으로써 전력설비의 열화정도를 확인할 수 있다.
이하 본 명세서에서는 부분방전이 발생되는 곳에서 검출된 신호를 열화신호라 한다. 본 발명에 따른 실시예에서는 열화신호의 펄스 발생 빈도수, 방전의 크기 등을 이용하여 열화의 정도를 파악한다. 이는 몰드변압기와 같은 고체 절연체로 이루어진 전력설비의 사고예측 기술로 현장에서 유용하게 사용될 수 있다.
열화신호를 취득하는 센서(20)로는 HFCT 센서, TEV 센서 또는 헬리컬 안테나가 사용될 수 있다. HFCT 센서, TEV 센서는 몰드변압기(10)의 접지선 또는 외관에 접촉되어 설치되어야 한다. HFCT 센서, TEV 센서와 같은 접촉식 센서는 접지선 또는 접촉면으로부터 다량의 노이즈가 유입될 수 있다. 또한, 접촉식 센서의 특성상 유입된 노이즈가 케이블에서 발생하는 노이즈인지 몰드변압기(10)에서 발생하는 노이즈인지 구분하기가 어려운 문제점이 있다.
본 실시예로, 몰드변압기(10)의 부분방전 측정은 헬리컬 안테나(20)를 이용할 수 있다. 헬리컬 안테나(20)는 RF통신에서 주로 사용되는 수신기로서 아직 몰드변압기에 적용된 사례는 없다. 헬리컬 안테나(20)는 500MHz의 주파수 대역을 갖고, 설치 및 측정이 간단하며, 가격이 저렴하여 본 실시예에 따른 측정 센서로 적합하다.
헬리컬 안테나(20)는 몰드변압기(10)와 약 25㎝의 거리 내에서 비접촉식으로 부분방전을 검출하여 열화신호를 수신할 수 있다. 헬리컬 안테나(20)를 센서로 이용할 경우 몰드변압기(10)의 주변 설비로부터 유입되는 노이즈가 차단될 수 있다. 또한, 헬리컬 안테나(20)를 센서로 이용할 경우, 센싱 거리에 따른 신호 강도를 확인하여 부분방전이 발생하는 부분의 검출이 용이한 이점이 있다.
부분방전의 검출 원리는 다음과 같다. 몰드변압기(10)의 절연체인 에폭시 수지 내에 보이드나 이물질에 의한 부분방전 발생은 초기 보이드 표면에 전하가 축적되는 미소 방전이 일어난다. 미소 방전은 [그림 1]과 같이 시간이 경과하면서 전기적 트리로 열화가 진행된다.
[그림 1]
Figure pat00008
고체 절연체 내부의 보이드와 방전현상은 [그림 2]와 같이 커패시턴으로 이루어진 전기적 등가회로로 표현할 수 있다.
[그림 2]
Figure pat00009
보이드와 같은 절연결함은 절연파괴 경로에 의해 분로된 커패시턴스 c, 이와 병렬로 연결된 커패시턴스 b, 그리고 건전한 부분인 커패시턴스 a로 나타낼 수 있다. 몰드변압기(10)에 교류전압
Figure pat00010
가 인가되는 동안 방전현상이 발생하지 않으면 커패시턴스 c에 가해지는 전압은
Figure pat00011
와 같다.
Figure pat00012
가 방전개시전압에 도달하면 커패시턴스 c에서 정극성 방전이 발생하며 매우 짧은 방전 지속시간(
Figure pat00013
s)에 전압
Figure pat00014
가 강하된다. 이 같은 부분방전 과정은 정현파를 가진 인가전압에 의해 지속 반복된다. 보이드 표면에 전하가 축적되고 방전개시전압과 함께 축적된 전하는 방전펄스 전류로 흐르게 된다. 이처럼 부분방전의 방전개시전압, 방전전하량, 방전펄스의 빈도수, 방전 에너지 등에 관한 다양한 정보를 검출함으로써 부분방전을 측정할 수 있다.
신호처리 모듈(301)은 센서(20)로부터 열화신호를 전달받을 수 있다. 부분방전으로부터 검출된 상기 열화신호는 일반적으로 저주파 대역의 노이즈를 다수 포함하고 있다. 이 경우, 노이즈가 포함된 열화신호에서는 몰드변압기(10)의 절연파괴와 같은 절연결함을 판단하기 어렵다. 신호처리 모듈(301)은 몰드변압기(10)의 절연결함 여부를 판단할 수 있도록 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거할 수 있다.
본 실시예로, 신호처리 모듈(301)은 정상 웨이블릿 변환(Stationary Wavelet Transform) 기법을 이용하여 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거할 수 있다. 웨이블릿 변환(Wavelet Transform)은 Morlet에 의해 제안된 기법으로, 시간-주파수 영역에서 크기가 변화하는 함수를 적용하여 신호의 부분적 스케일 성분을 추출한다. 이는 시간영역과 주파수 영역에서 동시에 신호 분석이 가능하고 불연속적인 신호를 분석하는데 유리하다. 웨이블릿 변환에는 이산 웨이블릿 변환(DWT: Discrete Wavelet Transform), 웨이블릿 패킷 변환(WPT: Wavelet Packet Transform), 정상 웨이블릿 변환(SWT: Stationary Wavelet Transform)이 있다.
이산 웨이블릿 변환(DWT)은 열화신호를 저역통과 필터와 고역통과 필터를 적용하여 다운 샘플링(down-sampling)한다. 즉, 열화신호는 저주파 대역이 필터링된 근사계수 신호와 고주파 대역이 필터링된 상세계수 신호로 나뉘게 된다. 이후, 상세계수 신호는 크기가 변하는 모함수(기저함수)에 의해서 저역통과 필터와 고역통과 필터가 재차 적용된다. 열화신호를 분해하는 수행 횟수는 분해레벨에 따라 결정된다. 분해레벨은 노이즈에 해당하는 저주파가 충분히 제거되도록 설정될 수 있다. 다만, 노이즈를 제거하기 위하여 이산 웨이블릿 변환(DWT) 기법을 사용하는 경우 신호의 샘플링수가 감소되어 열화신호가 손실되는 단점이 있다.
반면 정상 웨이블릿 변환(SWT) 기법은 다운 샘플링되는 모함수와의 컨벌루션 과정 전에 각 스케일에서 업 샘플링(Up-sampling) 과정이 선행되어 열화신호의 샘플링 수가 보존될 수 있다. 따라서, 신호처리 모듈(301)은 정상 웨이블릿 변환(SWT) 기법을 이용하여 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거하는 것이 효과적이다. 신호처리 모듈(301)은 분해레벨을 설정하여 주파수를 기준으로 열화신호에 존재하는 노이즈를 필터링할 수 있다. 이후, 신호처리 모듈(301)은 임계값을 설정하여 크기를 기준으로 열화신호에 존재하는 노이즈를 필터링할 수 있다. 신호처리 모듈(301)은 상기 필터링 이후 열화신호를 역 웨이블릿 변환하여 시간 영역으로 변환할 수 있다. 시간 영역으로 변환된 열화신호는 분석 모듈(303)로 전송될 수 있다. 신호처리 모듈(301)의 필터링 원리는 도 2를 통해 후술한다.
분석 모듈(303)은 노이즈가 제거된 열화신호의 파형으로부터 몰드변압기(10)의 절연결함 여부를 판단할 수 있다. 이 경우 열화신호는 역 웨이블릿 변환된 시간영역의 함수이다. 분석 모듈(303)은 열화신호의 피크 값과 펄스 값으로부터 도출된 부분방전(Partual Discharge) 계수의 변화율을 통해 상기 몰드변압기의 절연결함을 판단할 수 있다. 부분방전 계수의 정의 및 판단 원리는 도 2를 통해 후술한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 몰드변압기(10)의 절연결함을 판단하는 알고리즘을 도시한 모습이다. 도 2를 참조하면, 몰드변압기(10)의 절연결함 판단 방법은 측정 단계(S10), 신호처리 단계(S20) 및 분석 단계(S30)를 포함할 수 있다.
측정 단계(S10)에는 몰드변압기(10)에서 발생한 부분방전(Partial Discharge)을 검출하여 열화신호를 취득한다. 열화신호는 전술한 HFCT, TEV, 헬리컬 안테나와 같은 측정 센서(20)를 이용하여 취득할 수 있다. 본 실시예로 측정 단계(S10)는, 헬리컬 안테나(20)를 이용하여 몰드변압기(10)로부터 비접촉식으로 부분방전(Partial Discharge)을 검출하는 것이 바람직하다.
일반적으로 몰드변압기(10)에서 부분방전을 검출하는 방법은 고체 절연체인 에폭시의 절연 특성 때문에 GIS나 전력케이블, 유입변압기 등의 중전기기와는 다른 검출방법과 접근이 필요하다. 부분방전의 시험방법은 국제표준인 IEC 60270에 규정되어 있으며 전기적인 검출방법으로 커플링 커패시터 센서를 이용하여 부분방전을 시험하도록 명시되어 있다. 이 표준에서는 측정 주파수 대역이 광대역에서는 상한 주파수를 500kHz이하로 권장하고 있으며, 협대역에서는 상한 주파수를 1MHz로 권장하고 있다. 이러한 주파수로 검출하는 것은 현장에서 노이즈 등 외부잡음 유입이 크기 때문에 현장 조건과는 부합되지 않는다. 최근에는 음향 및 전자파와 같은 비전기적인 방법으로 부분방전을 측정할 수 있는 표준인 IEC 62478가 규정되었다. IEC 62478에서는 IEC 60270과는 달리 부분방전 시험을 음향 및 전자파를 이용한 방법으로 측정할 수 있으며, 주파수는 HF/VHF대역(3~300MHz)과 UHF대역(300MHz~3GHz)의 대역으로 구분하여 제시하고 있다. 따라서 몰드변압기(10)에서 부분방전 측정시 IEC 62487의 시험방법에 준하여 주파수 대역을 선정하고 이에 맞는 검출 센서를 이용하면 정확한 부분방전을 측정할 수 있다.
현장에서는 전력설비의 부분방전을 검출하는 방법으로 다양한 측정센서가 적용되고 있다. 본 발명에 따른 실시예에서는 몰드변압기(10)의 절연결함을 측정하는 새로운 측정 방법을 제시하기 위하여 TEV, HFCT, 헬리컬 안테나를 사용하였다. 측정 단계(S10)는 몰드변압기(10)의 2차측 권선에 정격전압을 인가하고 1차측에 고압이 유도되는 시험을 적용하여 고압측의 열화신호를 측정할 수 있다.
실험례 1 - 부분방전 검출
실험례 1에서는 단상 30kVA 용량의 몰드변압기(10)에 입력 전압원으로 단상 30kVA(입력: 220V, 출력: 0~300V)를 사용하고, 유도전압 조정기에서 몰드변압기(10) 2차측에 전압을 주입하였다. 이 경우, 몰드변압기(10)의 1차 고압측에 22.9kV가 유기되어 결함부위에서 부분방전이 발생하게 된다. 결함에서 발생되는 열화신호를 검출하기 위하여 센서(20)로는 커패시터, HFCT, TEV, 헬리컬 안테나를 사용하였다.
측정 단계(S10)는 [그림 3]과 같이 변압기 1차측에 접속된 커플링 커패시터, 몰드변압기(10)의 외함 접지측에 설치된 HFCT, 몰드변압기(10)의 상단부 코어측 명판에 설치된 TEV, 몰드변압기(10)의 고압측 에폭시 수지와 적절한 이격 거리(25㎝ 내외)에 배치된 헬리컬 안테나로부터 열화신호를 측정할 수 있다.
[그림 3]
Figure pat00015
몰드변압기(10)에 절연결함이 존재하는 경우, 2차측 권선에 전압이 인가되면 1차측에 고압이 유기되어 절연결함 부분에 열화신호가 발생하게 된다. 본 실험례에서 측정 단계(S10)는 1차측에서 유기된 22.9kV에서 발생한 부분방전을 결합 커패시터, TEV, HFCT, 헬리컬 안테나 등 4개의 측정 센서가 검출하여 열화신호를 취득하였다.
측정 단계(S10)에서 취득한 데이터는 오실로스코프의 Envelope 모드와 Peak 모드에서 각각 구분하여 2가지 조건으로 측정하였다. Envelope 모드에서는 데이터의 취득 시간(acquisition time)을 4ms/div로 설정하고 전체 100ms(6 주기)에서 10개의 샘플링 데이터를 저장하였다.
실험례 1의 결과
도 3은 오실로스코프 Envelope 모드에서 4개의 센서로부터 취득된 열화신호의 파형을 나타낸다. 도 4는 오실로스코프 Peak 모드에서 4개의 센서로부터 취득된 열화신호의 파형을 나타낸다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 몰드변압기(10)의 에폭시 내에 이물질에 의해서 발생한 부분방전이 방전개시전압과 방전소멸전압에서 결함부근의 전하가 방전지속시간동안 충전과 방전을 반복하여 16.67ms(1주기)마다 동일한 방전 패턴이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
본 실험례를 통해서 헬리컬 안테나(20)를 센서로 이용하여도 다른 3개의 센서와 동일하게 몰드변압기(10)의 열화신호를 측정할 수 있다는 것이 검증되었으며, 노이즈에서도 보다 우수한 것을 확인할 수 있다.
신호처리 단계(S20)는 신호처리 모듈(301)에서 수행되는 단계를 의미하며, 측정 단계(S10)에서 취득한 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거한다. 이 경우 신호처리 단계(S20)에서 노이즈를 제거하는 알고리즘으로는 정상 웨이블릿 변환(Stationary Wavelet Transform) 기법이 사용될 수 있다. 본 실시예로 신호처리 단계(S20)는 정상 웨이블릿 변환 기법을 이용하여 분해레벨을 설정하여 주파수를 기준으로 노이즈를 필터링하는 (a)단계, 임계값을 설정하여 크기를 기준으로 노이즈를 필터링하는 (b)단계 및 필터링된 열화신호를 역 웨이블릿 변환하는 (c)단계를 포함할 수 있다.
(a)단계에서 열화신호는 웨이블릿 변환에 따라 저주파 대역과 고주파 대역으로 분해된다. 상기 분해과정은 한번 이상 수행될 수 있으며, 이에 따라 저주파를 단계별로 제거할 수 있다. 분해레벨은 상기 분해과정이 수행되는 횟수를 의미한다. 사용자는 원 신호를 심하게 왜곡하지 않고, 저주파 대역의 노이즈를 제거할 수 있도록 분해레벨을 적절하게 선택할 수 있다. 일례로 분해레벨은 5 이하로 설정될 수 있다.
열화신호에 존재하는 저주파의 노이즈를 제거한 이후, (b)단계는 노이즈의 크기를 기준으로 2차 필터링 과정을 수행할 수 있다. 이 경우, 크기의 기준이 되는 임계값 설정이 요구된다. 임계값을 적용하면 노이즈는 더 많이 제거할 수 있으나 노이즈 내부에 내재된 원 열화신호도 제거될 수 있다. 따라서, 더 많은 노이즈를 제거하면서도 열화신호의 왜곡이 심하지 않도록 최적의 임계값을 설정해야 한다.
본 실시예에서 신호처리 단계(S20)의 임계값은 Donoho와 Johnstone에 의해 제안된 universal threshold rule을 적용하여 하기의 [수학식 1]에 따라 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00016
,
Figure pat00017
여기서 MAD는 median absolute deviation 계수,
Figure pat00018
는 임계값,
Figure pat00019
는 j번째 분해레벨에서 계수의 길이를 의미한다. 임계값을 적용한 후 임계값 이상의 노이즈가 제거되면 (c)단계는 역 웨이블릿 변환을 통해 열화신호를 시간영역으로 복원할 수 있다.
실험례 2 - 노이즈 제거
신호처리 단계(S20)에서 열화신호에 존재하는 노이즈 제거의 효과를 확인하기 위하여, 이산 웨이블릿 변환(DWT), 웨이블릿 패킷 변환(WPT), 정상 웨이블릿 변환(SWT) 각각 3가지 기법을 이용하여 실험하였다. 웨이블릿 변환 시뮬레이션은 하기의 [표 1]과 같다.
Method Transform Wavelet Threshold
A DWT db4 Universal thr
B DWT db4 Thr = 0.09
C WPT db4 Universal thr
D WPT db4 Thr = 0.09
E SWT Bior2.2 Universal thr
F SWT Biro2.2 Thr = 0.09
상기 조건에서 A와 B는 DWT의 노이즈 제거 조건으로 모함수를 db4(Daubechies)로 선정하였고, 임계값은 [수학식 1]에 따라 0.09를 조건으로 시뮬레이션 하였다. C와 D는 WPT의 노이즈 제거 조건으로 모함수와 임계값을 A, B와 동일하게 설정하였다. E와 F는 SWT에 의한 노이즈 제거 조건으로 모함수는 Bior2.2(Coiflets)를 선정하였고, 임계값은 이전 조건과 동일하게 적용하였다. 분해레벨은 5로 설정하였다.
실험례 2의 결과
몰드변압기(10)의 절연결함에 의해 발생된 열화신호를 DWT, WPT, SWT의 방법을 이용하여 각각 노이즈를 제거한 신호를 분석하였다. 하기의 [그림 4]는 측정 단계(S10)에서 취득한 노이즈가 포함된 열화신호를 나타낸다.
[그림 4]
Figure pat00020
도 5는 측정된 [그림 4]의 열화신호를 DWT, WPT, SWT의 방법으로 신호처리한 결과를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 정상 웨이블릿 변환(SWT) 기법을 사용한 경우 노이즈 제거 효과가 우수함을 확인할 수 있다.
분석 단계(S30)는 분석 모듈(303)에서 수행되는 과정을 의미하며, 신호처리 단계(S20)에서 노이즈가 제거된 열화신호의 파형으로부터 몰드변압기(10)의 절연결함을 판단한다. 도 5를 참조하면 노이즈가 제거된 열화신호는 기저대역에 소정의 피크값을 갖는 방전 신호(Discharge signal)가 검출된다.
본 발명에 따른 실시예에서는 이러한 방전 신호로부터 몰드변압기(10)의 절연결함 여부를 판단하기 위한 기준으로, 열화신호의 피크 값과 펄스 값의 변수를 통해 산출되는 부분방전(Partual Discharge) 계수의 개념을 설정하였다. 분석 단계(S30)는 하기의 [수학식 2]에서 도출되는 부분방전 계수의 변화율을 바탕으로 몰드변압기(10)의 절연결함을 판단할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00021
여기서
Figure pat00022
는 부분방전 계수이고,
Figure pat00023
은 상기 열화신호의 함수이고,
Figure pat00024
는 상기 열화신호의 1 주기에서 양수 범위의 펄스 값이고,
Figure pat00025
은 상기 열화신호의 1 주기에서 음수 범위의 펄스 값이고,
Figure pat00026
은 상기 측정단계에서 열화신호를 취득한 시간의 길이이고,
Figure pat00027
는 상기 열화신호의 주파수를 의미한다. 즉, 부분방전 계수(
Figure pat00028
)는 노이즈가 제거된 열화신호의 피크 값(
Figure pat00029
)과 펄스 값(
Figure pat00030
) 성분으로부터 도출될 수 있다.
본 실시예로,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
의 잔류하는 노이즈의 고려 및 시스템적 설계를 고려하여 카운팅 되는 펄스의 양수범위와 음수범위는 다음과 같이 설정될 수 있다.
Figure pat00033
분석 단계(S30)는 [수학식 2]에 따라 설정된 부분방전 계수(
Figure pat00034
)의 변화율이 0보다 큰 경우 절연결함으로 판단할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서 하나 이상의 측정 센서(20)를 이용할 경우, 복수의 측정 센서(20)로부터 도출된 부분방전 계수 중 2개 이상이 0보다 큰 변화율을 보이는 경우 절연결함으로 판정할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 몰드변압기의 절연결함 판단 장치
10: 몰드변압기
20: 헬리컬 안테나
301: 신호처리 모듈
303: 분석 모듈

Claims (9)

  1. 몰드변압기에서 발생한 부분방전(Partial Discharge)을 검출하여 상기 몰드변압기의 열화신호를 취득하는 측정 단계;
    상기 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거하는 신호처리 단계; 및
    노이즈가 제거된 상기 열화신호의 파형으로부터 상기 몰드변압기의 절연결함을 판단하는 분석 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 몰드변압기의 절연결함 판단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 단계는,
    헬리컬 안테나를 이용하여 상기 몰드변압기로부터 비접촉식으로 부분방전(Partial Discharge)을 검출하는 것을 특징으로 하는 몰드변압기의 절연결합 판단 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리 단계는,
    정상 웨이블릿 변환(Stationary Wavelet Transform) 기법을 이용하여 상기 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 몰드변압기의 절연결함 판단 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 신호처리 단계는,
    (a) 분해레벨을 설정하여 주파수를 기준으로 노이즈를 필터링하는 단계;
    (b) 임계값을 설정하여 크기를 기준으로 노이즈를 필터링하는 단계; 및
    (c) 필터링된 상기 열화신호를 역 웨이블릿 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 몰드변압기의 절연결함 판단 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석 단계는,
    상기 열화신호의 피크 값과 펄스 값을 이용하여 상기 몰드변압기의 절연결함을 판단하는 것을 특징으로 하는 몰드변압기의 절연결함 판단 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 분석 단계는,
    부분방전(Partual Discharge) 계수의 변화율을 통해 상기 몰드변압기의 절연결함을 판단하고,
    상기 부분방전 계수는 하기의 수학식으로 도출되는 것을 특징으로 하는 몰드변압기의 절연결함 판단 방법.
    [수학식]
    Figure pat00035

    여기서
    Figure pat00036
    는 부분방전 계수이고,
    Figure pat00037
    은 상기 열화신호의 함수이고,
    Figure pat00038
    는 상기 열화신호의 1 주기에서 양수 범위의 펄스 값이고,
    Figure pat00039
    은 상기 열화신호의 1 주기에서 음수 범위의 펄스 값이고,
    Figure pat00040
    은 상기 측정단계에서 열화신호를 취득한 시간의 길이이고,
    Figure pat00041
    는 상기 열화신호의 주파수.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분석 단계는,
    상기 부분방전 계수의 변화율이 0보다 큰 경우 상기 몰드변압기를 절연결함으로 판단하는 것을 특징으로 하는 몰드변압기의 절연결함 판단 방법.
  8. 몰드변압기에서 발생한 부분방전(Partial Discharge)을 검출하여 상기 몰드변압기의 열화신호를 취득하는 헬리컬 안테나;
    정상 웨이블릿 변환(Stationary Wavelet Transform) 기법을 이용하여 상기 열화신호에 존재하는 노이즈를 제거하는 신호처리 모듈; 및
    노이즈가 제거된 상기 열화신호의 파형으로부터 상기 몰드변압기의 절연결함을 판단하는 분석 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 몰드변압기의 절연결함 판단 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분석 모듈은 부분방전(Partual Discharge) 계수의 변화율을 통해 상기 몰드변압기의 절연결함을 판단하고,
    상기 부분방전 계수는 하기의 수학식으로 도출되는 것을 특징으로 하는 몰드변압기의 절연결함 판단 장치.
    [수학식]
    Figure pat00042

    여기서
    Figure pat00043
    는 부분방전 계수이고,
    Figure pat00044
    은 상기 열화신호의 함수이고,
    Figure pat00045
    는 상기 열화신호의 1 주기에서 양수 범위의 펄스 값이고,
    Figure pat00046
    은 상기 열화신호의 1 주기에서 음수 범위의 펄스 값이고,
    Figure pat00047
    은 상기 측정단계에서 열화신호를 취득한 시간의 길이이고,
    Figure pat00048
    는 상기 열화신호의 주파수.
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