KR20200040477A - 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈에 관한 것으로, SF6의 분해가스인 HF, SO2 중 1종 이상과 반응하여 색가변을 일으키는 색가변 센서부(20)와 CO와 반응하여 CO 농도를 측정하는 전기화학 센서부(30) 중 선택된 1종 또는 동시에 2종을 포함한다. 본 발명은 유기염료를 활용하여 가스절연기기 내 부분방전으로 인한 분해가스 또는 기타 절연물의 열화로 인해 발생하는 분해가스의 유무를 현장에서 간단하게 진단할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스절연기기 내 열화 및 이상개소 발생시 현장에서 단시간 내 간단하게 설비상태를 진단할 수 있는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈에 관한 것이다.
가스절연기기는 가스절연변압기(Gas Transformer), 가스절연개폐기(Gas Insulated Switchgear)를 포함한다. 가스절연기기 내 부분방전과 같은 이상개소 발생시 내부 절연매체인 SF6 가스가 분해되어 SO2, HF와 같은 분해가스가 발생하였을 경우, 또는 가스절연기기 내 고체 절연물질 또는 가스절연기기 재질의 열화로 인해 CO와 같은 분해가스가 발생할 경우, 현장에서 1차적으로 설비의 상태에 대한 스크리닝을 가능하도록 하는 것이 중요하다.
최근 설비 관리방식이 기존의 TBM(Time Based Management)에서 CBM(Condition Based Management)으로 전환됨에 따라 고장징후를 사전에 도출하여 고장발생 전에 조치를 취할 수 있도록 하는 보호대책이 시급한 실정이다. 때문에 전력설비의 경우 효율적인 진단법을 적용하여 고장개소의 조기 진단 및 이를 바탕으로 한 설비의 운전 신뢰성을 제고하여 전력을 안정적으로 공급하도록 하는 것이 필수적이다.
그러나 가스절연기기의 경우 설비의 이상진단을 판정하고 수명평가를 위해서는 SF6 가스 및 절연물의 분해가스 분석이 필수적인데 반해 아직까지 이들 분해가스 분석을 위한 자체 기준이 제대로 정립되어 있지 않은 상황이다.
종래 가스절연기기에 대한 진단기술은 크게 3가지가 있다.
첫번째로, 부분방전 현장진단을 위한 UHF(Ultra High Frequency) 센서와 공장시험을 위한 Coupler 센서 활용법이다. 이 두 센서의 경우 각각 부분방전의 양을 전압(mV)이나 방전양(pC)으로 측정할 수 있으나 결과값에 대한 상호 호환이 어렵다. 즉, UHF 센서를 활용한 현장측정 결과값과 Coupler 센서를 활용한 공장시험 결과값이 일치하지 않는 경향을 보이며, 특히 현장측정 방식의 경우 장비의 교정방법, 측정값의 pC 단위로 환산방법 등이 확립되지 않아 전체적으로 가스절연기기에 대한 부분방전 진단을 통한 설비 건전성 평가가 어렵다.
또한 UHF 센서를 활용한 측정방식은 가스절연기기 중 가스절연개폐장치의 부분방전 측정에 최적화된 측정장비이므로, 설비구조 및 측정기준이 다른 가스절연변압기에 적용하기에는 부적합하다는 단점이 있다.
두번째로, 현장에서 가스절연기기 진단을 위해 일반적으로 사용 중인 휴대용 분석기와 가스 검지관이다. 이들 진단기기의 경우 현장에서 상대적으로 짧은 시간 내에 분해가스의 존재 유무를 파악할 수 있는 점에서 가스절연기기 진단에 활용중인 장비들이다.
휴대용 분석기의 경우, 주 목적은 SF6 가스의 순도를 분석함으로써 설비의 절연성능 및 현상태를 간접적으로 진단하는 기기이다. 휴대용 분석기는 SF6 가스의 순도와 더불어 장비에 따라 수분, SO2, SOF2와 같은 분해가스를 동시에 분석 가능하지만 가스 내 다른 불순물이 과량 존재하는 경우 정확도가 저하되고, CO와 같은 절연물의 열화가스는 분석가능한 장비가 존재하지 않는 상황이다. 또한 기존 분석장비의 경우 샘플가스를 포집하여 분석한 후 다시 설비 내로 재주입 해야하는 등 분석과정에서의 번거로움이 존재하는 문제점이 있다.
가스 검지관의 경우, 검지관 내 분석대상 가스와 반응을 일으키는 물질들이 도포되어 있어, 소량의 가스를 채취한 후 검지관에 주입하게 되면 분해가스가 있는 경우 색상이 변화하여 분해가스 존재 유무와 대략적인 농도를 측정할 수 있도록 하는 장비이다. 가스 검지관은 휴대용 분석기와 마찬가지로 비교적 짧은 시간 내에 분석이 가능한 장점은 있으나 각 분해가스별로 별도의 검지관을 사용해서 분석해야 하며, 검지관 내 도포되어 있는 물질의 경우 다른 분해산물과의 교차 민감성으로 인해 결과에 대한 신뢰도가 현격히 저하되는 단점이 있다.
가스 검지관의 일반적인 측정범위는 제품 및 대상물질에 따라 수 ppm에서 % 단위에 이르기까지 넓은 범위에서 분석이 가능하지만 정확도 자체가 ±15~25%로 매우 떨어지기 때문에 검지관만으로 가스절연기기의 이상진단이 불가능하다.
세번째로, 기존에 일부에서 사용 중인 가스센서들을 들 수 있는데, 일반적으로 넓은 범위에서 통용되는 방식으로는 반도체식, 전기화학식, 접촉연소식 및 광학식의 가스센서들이 있다. 이러한 가스센서들의 원리는 기체 중에 포함된 특정한 성분의 가스를 검지하여 그 농도에 따라 적정한 전기신호로 변환하여 결과를 나타냄으로써 해당가스의 존재유무와 농도를 나타내게 되는 원리이다. 이러한 가스센서들의 특징은 높은 검출속도, 고효율, 소형화가 가능하고 전자신호로 변환하여 결과값을 나타내기 때문에 자동으로 온라인 모니터링이 가능하다는 장점이 있다.
그러나 SO2나 H2S, HF 가스 검출을 위한 기존 가스센서들의 경우에는 감지가스의 선택성이 떨어지며 타 가스군에도 반응하는 등 민감하다는 단점이 있고, 검출가스 최소농도 또한 HF는 10ppm 이상, SO2는 100ppm 이상으로 비교적 고농도에서만 감지 가능하기 때문에 HF와 SO2의 두 가지 가스 검출목적으로 사용하기에는 어려움이 있다.
또한, 기존 가스센서들은 모두 구동을 위해 전력이 소모되기 때문에 이를 고려해야 하는 문제가 있고, 이를 개선하기 위해 광학식 센서를 적용할 수 있으나, 광학식 센서는 느린 반응시간, 고가의 제품가격, 그리고 소형화가 어려워 현장에서 설비 진단용으로 사용하기에는 취약점이 있다.
이와 같이 기존 기술들은 분해가스 유무가 아닌 부분방전 양의 측정으로 가스절연기기의 이상진단을 하므로 진단법 자체에 대한 신뢰성과 정확성이 부족하고, 현장에서 실시간으로 분석하기에는 어려움이 존재한다. 또한 그 외 분해가스를 분석할 수 있는 휴대용 진단기, 검지관, 기존 가스센서들의 경우에는 특정 분해가스에 대한 선택성이 낮고, 교차 민감성 또한 보이고 있어 정확도가 낮은 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 단점들을 극복하기 위해 유기염료를 활용하여 가스절연기기 내 부분방전으로 인한 분해가스 또는 기타 절연물의 열화로 인해 발생하는 분해가스의 유무를 현장에서 간단하게 진단할 수 있도록 한 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 분해가스 중 CO 가스 존재시 분석할 수 있는 전기화학식 센서부를 포함하여 직관적인 가스절연기기의 이상 및 열화 진단이 가능하도록 한 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 SF6의 분해가스인 HF, SO2 중 1종 이상과 반응하여 색가변을 일으키는 색가변 센서부와 CO와 반응하여 CO 농도를 측정하는 전기화학 센서부 중 선택된 1종 또는 동시에 2종을 포함한다.
상기 색가변 센서부는 유기염료와 첨가제를 포함한다.
상기 유기염료는 Fluorescein, Bromocresol Green, Methyl Red, Bromocresol Purple, Bromophenol Red, Bromopyrogallol Red, Chlorophenol Red 5, 10, 13, 20-tetraphenylporphy(Ⅱ), 5,10,15,20-tetrakis(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrinatocobalt(II), Chlorophenol Red, Nitrazine Yellow, Bromophenol Blue, Bromocresol Green 중 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 유기염료는 HF와 반응하는 HF 분석염료, SO2와 반응하는 SO2 분석염료, HF와 를 SO2 에 모두 반응하는 복합 분석염료 중 선택된 1종일 수 있다.
상기 HF 분석염료는 Fluorescein, Bromocresol Green, Methyl Red, Bromocresol Purple, Bromophenol Red, Bromopyrogallol Red, Chlorophenol Red 5, 10, 13, 20-tetraphenylporphy(Ⅱ), 5,10,15,20-tetrakis(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrinatocobalt(II)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 SO2 분석염료는 Chlorophenol Red, Nitrazine Yellow 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 복합 분석염료는 Bromophenol Blue, Bromocresol Green 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 첨가제는 Tetrabutyllammonium hydroxide 2-methoxyethanol, HgCl2, Zn(OAc)2, AgNO3 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 유기염료와 첨가제는 졸-겔 매트릭스로 고정한다.
상기 졸-겔 매트릭스는 Tetraethoxysilane, Methyltriethoxysilane, Phenethyltrimethoxysilane, Octyltriethoxysilane 중 선택되는 1종 이상인 실란 전구체 물질 기반 졸-겔 매트릭스일 수 있다.
상기 전기화학 센서부는 CO 가스와의 반응에 따른 양극과 음극에서 산화, 환원 반응에 의해 생성되는 전자에 따른 전류값의 변화를 감지하여 결과를 출력한다.
상기 색가변 센서부는 10ppm 이하의 HF, SO2가 존재하는 경우 수십 초 이내로 색변화로 존재유무를 검출한다.
가스절연변압기 또는 개폐기 내부 벽면에 설치한다.
본 발명은 유기염료를 활용하여 SF6의 분해가스인 HF, SO2 가스에 대해 색가변을 일으키는 색가변 센서부와 CO 가스를 측정할 수 있는 전기화학식 센서부를 포함하는 가스센서 모듈을 제작하고, 이를 가스절연변압기 또는 개폐기 내부 벽면에 설치하여 별도의 가스채취 없이 기기 내부에서 부분방전이나 아크 등으로 인해 분해가스가 발생하게 되면 이를 현장에서 즉각적으로 감지하여 색가변과 농도로서 표시한다.
따라서 본 발명은 손쉽게 설비 외부에서 현장 작업자가 분해가스 발생 유무와 대략적인 농도를 확인할 수 있고, 부분방전 및 열화 유무를 동시에 파악하여 설비에 대해 실시간으로 대응이 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 HF와 SO2 에 대해서는 10ppm 이하의 비교적 저농도 가스들에 대해서도 색변화를 통한 존재유무를 파악할 수 있으므로 가스절연기기의 이상개소 발생 또는 가스절연기기의 열화 초기에 현장에서 쉽게 진단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈을 보인 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈을 보인 개념도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈에서 전기화학 센서부를 보인 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈을 보인 개념도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈에서 전기화학 센서부를 보인 개념도.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈(이하 '가스센서 모듈'이라 칭함)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 색가변 센서부(20)와 전기화학 센서부(30)를 포함한다.
가스절연기기(1)는 변압기, 개폐기 및 차단기를 포함한다. 가스절연기기(1)는 내부에 부분방전이나 과열과 같은 이상이 발생하면 고체절연물이나 설비 차체의 열화로 인해 HF, SO2, CO 등의 분해가스가 발생한다.
가스절연기기 내에서 HF, SO2 가스가 검출된다는 것은 이미 절연매체인 SF6 가스의 메커니즘상 고장전류 차단이나 아크 발생 등 부분방전 이상개소로 인해 가스의 분해가 상당부분 진행된 것을 의미한다.
CO 가스는 고체절연물의 열분해나 경년열화로 인해 발생되는 가스로 HF, SO2에 비해 상대적으로 고농도(300ppm)로 존재하더라도 큰 문제가 없다. 그러나 CO 가스의 발생은 고체절연물의 분해가 시작되었다는 뜻이기 때문에 HF, SO2와 같은 부분방전 분해가스 검출과 더불어 CO 가스의 분석도 동시에 수행되면 가스절연기기 진단의 신뢰성과 정확도를 높일 수 있다.
가스절연기기 진단용 가스센서 모듈(10)은 변압기, 개폐기, 차단기 등의 내부벽면에 설치할 수 있다. 이는 가스절연기기(1)에서 별도로 가스를 채취하지 않고도 가스절연기기(1) 내부에서 어떤 이상조건이나 아크 등으로 인해 분해가스가 발생하게 되면 즉각적으로 감지할 수 있도록 한다.
예를 들어, 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈(10)은 가스절연기기(1) 내부의 절연매체인 SF6 가스가 존재하는 격실, 공간에 설치하거나 또는 SF6 가스의 압력이나 밀도, 온도를 측정하는 부위 주변부에 설치하여 동시에 모니터링이 가능하도록 할 수 있다. SF6 가스의 압력이나 밀도, 온도를 측정하는 부위 주변부 가스센서 모듈(10)을 설치하는 경우, 손쉽게 설비 외부에서 현장 작업자가 가스발생 유무 및 대략적인 농도를 확인할 수 있다.
SF6의 분해가스인 HF, SO2는 색가변 센서부(20)로 진단한다.
색가변 센서부(20)는 유기염료와 첨가제를 포함한다. 유기염료와 첨가제는 화학적 반응의 색변화 지시제 역할을 한다.
“Chemoresponsive dye”로 불리는, 색변화를 일으키는 핵심물질인 1) Lewis acid/base dye, 2) Bronsted acid/base dye, 3) Permonent dipole dye와 같은 유기염료가 분자간 상호작용에 의해 화학적으로 반응하여 가스절연기기의 이상 및 열화유무를 색변환으로 나타내게 된다.
유기염료가 특정 유기물과 반응을 일으킬 수 있는 금속염을 가지고 있거나 산 또는 염기성 물질과 반응하여 색변화를 일으킬 수 있는 활성점을 포함하고 있어야 하므로, 루이스 염기도(전자쌍 공여나 금속이온의 결합)에 반응하는 금속이온을 함유하는 유기염료, 브렌스테드 산도/염기도에 반응하는 pH 지시약과 첨가제, 국부적 극성에 반응하는 영구 쌍극자를 갖는 유기염료, 그리고 산화 환원반응에 참여하는 금속염 등을 유기염료로 사용할 수 있다.
유기염료는 Fluorescein, Bromocresol Green, Methyl Red, Bromocresol Purple, Bromophenol Red, Bromopyrogallol Red, Chlorophenol Red 5, 10, 13, 20-tetraphenylporphy(Ⅱ), 5,10,15,20-tetrakis(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrinatocobalt(II), Chlorophenol Red, Nitrazine Yellow, Bromophenol Blue, Bromocresol Green 중 선택되는 1종 이상일 수 있다.
첨가제는 Tetrabutyllammonium hydroxide 2-methoxyethanol, HgCl2, Zn(OAc)2, AgNO3 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
구체적으로, 유기염료는 HF와 반응하는 HF 분석염료, SO2와 반응하는 SO2 분석염료, HF와 SO2 에 모두 반응하는 복합 분석염료로 구분할 수 있다.
HF 분석염료는 Fluorescein, Bromocresol Green, Methyl Red, Bromocresol Purple, Bromophenol Red, Bromopyrogallol Red, Chlorophenol Red 5, 10, 13, 20-tetraphenylporphy(Ⅱ), 5,10,15,20-tetrakis(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrinatocobalt(II), m-Cresol Purple로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
Methyl Red, Bromocresol Green, m-Cresol Purple과 같은 유기염료 중 1종 이상을 동시에 사용할 경우 농도 차이에 따른 색변화를 검출할 수 있다. 이때, 검출하기 위한 농도 범위에 따라, 그리고 선택한 유기염료에 따라 첨가제로 1.0M의 Tetrabutyllammonium hydroxide 2-methoxyethanol를 추가하거나, 1.0M의 Tetrabutyllammonium hydroxide 2-methoxyethanol과 HgCl2 또는 Zn(OAc)2를 추가할 수 있다.
SO2 분석염료는 Chlorophenol Red, Nitrazine Yellow 중 선택된 1종 이상일 수 있다. SO2 분석염료를 포함하는 색가변 센서부(20)는 첨가제로 1.0M의 Tetrabutyllammonium hydroxide 2-methoxyethanol를 사용할 수 있다.
복합 분석염료는 HF와 SO2 를 모두 분석하기 위한 염료로, Bromophenol Blue, Bromocresol Green 중 선택된 1종 이상일 수 있다. 이때, 첨가제는 AgNO3를 사용할 수 있다.
실제, HF의 경우 단일물질 존재유무 가능성의 파악도 중요하지만 HF만의 상대적인 존재량을 정량적으로 결정하는 것은 어려움이 존재한다. 이는 SF6 가스가 분해되어 생성될 수 있는 SF4의 추가반응 생성물 중 하나가 바로 HF이기 때문이다. HF 외에도 SOF2, SO2가 생성되는데, 이들 가스의 생성속도가 다르기 때문에 필요에 따라서는 HF와 더불어 SO2 가스를 동시에 분석하여 SF6 가스 분해여부를 판단하는 것이 중요할 수 있다.
유기염료와 첨가제는 졸-겔 매트릭스로 고정한다. 정확하게는 유기염료와 첨가제는 다공성 졸-겔 매트릭스로 고정한다.
이는 넓은 표면적, 기상과 액상 모두에서 비활성, 넓은 pH 범위에서 우수한 안정성을 기반으로 하여 대상 분해물질에 대한 선택성과 정확도를 확보할 수 있도록 하기 위함이다. 졸-겔 매트릭스 위에 화학적 반응의 색변화 지시제 역할을 할 수 있는 유기염료와 첨가제를 고정시킨 상태에서 분해가스가 존재하게 되면 수십초 내로 분해가스와 유기염료 간의 화학적 반응이 일으나 색변화가 발생한다. 이를 통해 가스절연기기 내부 이상개소 유무를 파악할 수 있다. 더 나아가 분해가스의 농도에 따른 색변화를 통해 설비상태 이상정도도 파악 가능하다.
졸-겔 매트릭스는 Tetraethoxysilane, Methyltriethoxysilane, Phenethyltrimethoxysilane, Octyltriethoxysilane 중 선택되는 1종 이상인 실란 전구체 물질 기반 졸-겔 매트릭스를 기본 구성으로 한다. 이러한 실란 전구체 기반 졸-겔 매트릭스는 물리적, 화학적 특성(소수성, 다공성)을 졸-겔 제제 변화를 통해 쉽게 변형시킬 수 있으므로 유기염료에 따라 변형시켜서, 색가변 센서부의 안정성과 유효기간을 향상시키고 외부요인인 상대습도, 온도에 대한 매트릭스 자체의 반응성도 저하시키도록 한다.
색가변 센서부(20)는 도 1에 도시된 바와 같이, HF 가스에 반응하는 제1 색가변 센서부(21)와, SO2 가스에 반응하는 제2 색가변 센서부(23)를 포함할 수 있다.
이 경우 제1 및 제2 색가변 센서부(21,23)의 좌측에는 기준색(21a,23a)을 두어 색가변 확인이 용이하도록 한다.
따라서, 제1 색가변 센서부(21)는 좌측 기준색(21a)과 색상이 동일하고 제1 색가변 센서부(21)가 HF 가스에 반응하여 색가변을 일으키면 제1 색가변 센서부(21)와 좌측 기준색(21a)이 상이하게 되어 현장 작업자가 쉽게 확인할 수 있다.
또한, 제2 색가변 센서부(23)는 좌측 기준색(23a)과 색상이 동일하고 제2 색가변 센서부(23)가 SO2 가스에 반응하여 색가변을 일으키면 제2 색가변 센서부(23)와 좌측 기준색(23a)이 상이하게 되어 현장 작업자가 쉽게 확인할 수 있다.
또는, 도 2에 도시된 바와 같이, 색가변 센서부(20)는 HF 가스에 반응하는 제1 색가변 센서부(21)와 SO2 가스에 반응하는 제2 색가변 센서부(23)와 HF와 SO2에 모두 반응하는 제3 색가변 센서부(25)를 포함할 수 있다.
이 경우, 제3 색가변 센서부(25)는 유기염료로 Bromophenol Blue, Bromocresol Green 중 선택된 1종 이상이 사용되고, 첨가제는 AgNO3를 사용할 수 있으며, 유기염료와 첨가제는 졸-겔 매트릭스로 고정한다.
제3 색가변 센서부(25)는 제1 및 제2 색가변 센서부(21,23)와 마찬가지로 좌측에 기준색(25a)을 두어 색가변 확인이 용이하도록 한다. 그에 따라 HF와 더불어 SO2 가스를 동시에 분석하여 SF6 가스 분해여부를 판단할 수 있다.
색가변 센서부(20)는 10ppm 이하의 HF, SO2가 존재하는 경우 수십 초 이내로 색변화로 존재유무를 검출한다.
색가변 센서부(20)는 일종의 화학적 방응성인 분자간 상호작용력(Intermolecular Interaction)을 기반으로 하는 화학적 센서이다. 따라서 목표로 하는 분해가스와 이를 검지하는 유기염료 간의 분자간 인력으로 인해 센서의 감지 목적물에 대한 선택성과 분석 정확도가 높다. 특히 이상개소 진단을 위한 분석 핵심가스인 HF, SO2에 대해서 각각 가스의 노출허용가능농도(HF: 3ppm, SO2: 5ppm) 수준에서도 수십 초내의 짧은 시간동안 분석이 가능하므로 현장에서 조기에 이상진단이 가능하다.
한편, SF6의 분해가스인 CO 가스는 전기화학 센서부(30)로 진단한다.
전기화학 센서부(30)는 CO 가스와의 반응에 따른 양극과 음극에서 산화, 환원 반응에 의해 생성되는 전자에 따른 전류값의 변화를 감지하여 결과를 출력하는 원리이다.
전기화학 센서부(30)의 CO 가스 분석 농도는 최소 50ppm이고 최대 300ppm 이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전기화학 센서부(30)는 기판(31) 상에 반응전극(Working Electrode)(33), 상대전극(Counter Electrode)(35) 및 기준전극(Reference Electrode)(37)이 형성되며, 반응전극(33), 상대전극(35) 및 기준전극(37)은 모두 기판(31)의 한 면에 형성된다. 전해질(Electrolyte)은 액체와 고체 전해질 모두 사용 가능하다. 반응전극(33)과 상대전극(35)에서의 반응을 통해 두 전극 간에 전류가 흐르게 되며 이때 흐르는 전류는 CO 가스 농도에 비례하므로 이를 통해 CO 가스 농도를 측정할 수 있다.
반응전극(33)에서는 C0 + H2O -> CO2 +2H+ + 2e- 반응이 일어나고, 상대전극(35)에서는 1/2O2 + 2H- +2e- -> H2O 반응이 일어나면서 전류가 흐르게 된다.
기판(31)은 실리콘, 쿼츠, 유리 등의 재질로 이루어지며, 반응전극(33)과 상대전극(35) 사이에 기준전극(37)이 배치되고 반응전극(33), 기준전극(37), 상대전극(35)의 사이에는 멤버레인(membrane)(39)이 경계를 이루고 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 색가변 센서부(20)는 HF, SO2의 측정범위 최대농도가 10ppm 이하이며, 수 ppm에 불과한 분해가스에 노출되는 경우에도 수십 초 이내에 색변화가 일어난다. 따라서 가스절연기기(1) 내 가스 생성 유무를 파악하여 가스절연기기(1) 내 부분방전과 같은 이상진단을 현장에서 1차적으로 확인할 수 있도록 한다.
더욱이, 색가변 센서부(20)는 유기염료에 따라 2종 이상의 가스존재 유무도 분석 가능하다. 이와 같이, 가스센서 모듈(10)을 적용하는 환경에 따라 최대 PEL 농도의 20%에 해당되는 저농도까지 색변화를 인지할 수 있기 때문에 부분방전이나 고장전류 발생, 아크 발생 직후 가스분해 초기에 바로 확인이 가능하다.
또한, 전기화학 센서부(30)는 최소 50ppm에서 최대 300ppm의 범위에서 CO 가스의 분석이 가능하므로 색가변 센서부(20)와 전기화학 센서부(30)라 포함된 가스센서 모듈(10)의 도입시 가스절연기기(1)의 부분방전 및 열화 유무를 동시에 파악하여 설비에 대해 실시간 대응이 가능하다.
이와 같이, 본 발명은 유기염료 기반의 다공성 졸-겔 매트릭스를 구성하여, 유기염료와 분해가스 간의 화학적 반응으로 인한 상호인력으로 인해 분해가스 존재시 색변화가 발현되는 시스템이다. 따라서 분해가스별 선택성이 높고 이로 인해 결과값에 대한 정확도가 향상되어 현장에서 작업자가 직관적으로 가스절연기기의 이상 및 열화상태를 색변화 스크리닝을 통해 진단할 수 있는 이점이 있다.
특히, HF와 SO2 에 대해서는 10ppm 이하의 비교적 저농도 가스들에 대해서도 색변화를 통한 존재유무를 파악할 수 있고, 이를 통해 가스절연기기의 이상개소 발생 또는 가스절연기기의 열화 초기에 현장에서 쉽게 진단할 수 있다. 또한 분석장비에 대한 별도 교정이 필요로 하지 않으므로 고비용 및 고가의 진단장비를 활용한 정량 분석 이전에 저비용의 정성분석을 현장에서 즉각적으로 가능하게 하므로 시간 및 비용소모가 현저히 줄어들 수 있는 이점이 있다.
또한, 전력설비의 안정적인 운영을 위한 예방진단의 중요성이 강화되고 있는 상황에서, 현장에서 별도의 정밀분석장비 없이 작업자들이 쉽게 분해가스를 측정할 수 있어 필요에서 따라 현장에서 바로 실시간 확인이 가능하며, 가스센서 모듈을 통한 1차 스크리닝 후 정밀분석장치와 병행하여 사용할 경우 간편성과 높은 정확성, 그리고 설비의 상태진단 및 원인규명의 근거를 모두 확보하여 진단신뢰성 또한 제고할 수 있다.
본 발명의 가스센서 모듈은 기존의 현장에서 많이 사용되던 가스 검지관과 비교시 가스 검지관 대비 1)선택염료에 따라 분석대상 가스를 동시에 분석가능(HF, SO2 가스 분석에 대하여 각각 반응하는 유기염료를 선택하게 되면 동시에 가스를 검출할 수 있음)하고, 2)변압기나 개폐기 내부에서 별도의 가스 채취없이, 기기 내부에서 분해가스가 발생하면 바로 검출되는 이점이 있다.
상술한 가스센서 모듈은 절연매체로 SF6 가스를 활용하는 모든 가스절연기기의 이상개소 및 열화를 평가하는데 활용가능하다. 상술한 가스센서 모듈은 페이퍼 형태, 센서 어레이(array) 형태로 제작 가능하다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 가스절연기기
10: 가스센서 모듈
20: 색가변 센서부 21: 제1 색가변 센서부
23: 제2 색가변 센서부 25: 제3 색가변 센서부
30: 전기화학 센서부 31: 기판
33: 반응전극 35: 상대전극
37: 기준전극 39: 멤버레인(필터)
20: 색가변 센서부 21: 제1 색가변 센서부
23: 제2 색가변 센서부 25: 제3 색가변 센서부
30: 전기화학 센서부 31: 기판
33: 반응전극 35: 상대전극
37: 기준전극 39: 멤버레인(필터)
Claims (13)
- SF6의 분해가스인 HF, SO2 중 1종 이상과 반응하여 색가변을 일으키는 색가변 센서부; 및
CO와 반응하여 CO 농도를 측정하는 전기화학 센서부;
중 선택된 1종 또는 동시에 2종을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 1에 있어서,
상기 색가변 센서부는 유기염료와 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 2에 있어서,
상기 유기염료는 Fluorescein, Bromocresol Green, Methyl Red, Bromocresol Purple, Bromophenol Red, Bromopyrogallol Red, Chlorophenol Red 5, 10, 13, 20-tetraphenylporphy(Ⅱ), 5,10,15,20-tetrakis(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrinatocobalt(II), Chlorophenol Red, Nitrazine Yellow, Bromophenol Blue, Bromocresol Green 중 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 2에 있어서,
상기 유기염료는
HF와 반응하는 HF 분석염료;
SO2와 반응하는 SO2 분석염료; 및
HF와 를 SO2 에 모두 반응하는 복합 분석염료 중 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 4에 있어서,
상기 HF 분석염료는 Fluorescein, Bromocresol Green, Methyl Red, Bromocresol Purple, Bromophenol Red, Bromopyrogallol Red, Chlorophenol Red 5, 10, 13, 20-tetraphenylporphy(Ⅱ), 5,10,15,20-tetrakis(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrinatocobalt(II)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 4에 있어서,
상기 SO2 분석염료는 Chlorophenol Red, Nitrazine Yellow 중 선택된 1종 이상이며 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 4에 있어서,
상기 복합 분석염료는 Bromophenol Blue, Bromocresol Green 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 3에 있어서,
상기 첨가제는 Tetrabutyllammonium hydroxide 2-methoxyethanol, HgCl2, Zn(OAc)2, AgNO3 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 2에 있어서,
상기 유기염료와 첨가제는 졸-겔 매트릭스로 고정하는 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 9에 있어서,
상기 졸-겔 매트릭스는
Tetraethoxysilane, Methyltriethoxysilane, Phenethyltrimethoxysilane, Octyltriethoxysilane 중 선택되는 1종 이상인 실란 전구체 물질 기반 졸-겔 매트릭스인 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 1에 있어서,
상기 전기화학 센서부는
CO 가스와의 반응에 따른 양극과 음극에서 산화, 환원 반응에 의해 생성되는 전자에 따른 전류값의 변화를 감지하여 결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 1에 있어서,
상기 색가변 센서부는 10ppm 이하의 HF, SO2가 존재하는 경우 수십 초 이내로 색변화로 존재유무를 검출하는 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈. - 청구항 1에 있어서,
가스절연변압기 또는 개폐기 내부 벽면에 설치하는 것을 특징으로 하는 가스절연기기 진단용 가스센서 모듈.
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