KR100206661B1 - 송전선로에 침입하는 뇌파형 자동 측정 방법 및 장치 - Google Patents

송전선로에 침입하는 뇌파형 자동 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3상 4선식 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형 자동 검출장치에 관한 것으로서, 종래 기술에서 IKL의 10%를 그 지역의 송전선로에 가해지는 뇌(雷) 횟수로 가정함으로써 발생하는 기기고장, 송전 불가능 등의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 송전선로로부터 입력된 3상 전류 및 전압 신호를 측정하는 데이타 측정부와, 그 데이터 측정부에서 측정된 신호들을 뇌(雷) 파형 검출을 하기위한 데이터로 저장시키기 위해 그 데이터를 분석하는 데이터 분석부와, 데이터 분석부에서 분석되어 저장된 데이터를 읽어 미리 저장해 놓은 프로그램에 따라 각 파형을 판단하는 파형 판단부와, 파형 판단부에서 연산된 파형 데이터를 사용자에게 출력해주는 출력부로 구성되어, 자동으로 송전선로에 가해지는 뇌(雷) 파형을 측정함으로써 송전선로의 사고를 미연에 방지할 수가 있고, 작업상의 간편성과 정확성 및 신뢰성을 제공할 수 있다.

Description

송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형 자동 측정장치
본 발명은 3상 4선식 송전선로에 가해지는 뇌(雷) 파형을 자동으로 측정하여 사고를 미연에 방지할수 있고 신속한 대처와 각종 전력공급설비의 내전설계(耐電設計)나 운전 및 유지보수에 활용하도록 참고자료를 제공하기 위한 송전선로의 뇌(雷)파형 자동측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
일반적으로 각종 통신 및 전력설비에 장애를 일으키는 주된 요인으로 뇌(雷)에 의한 서지(Surge)와 차단기 등의 스위치 동작에 의한 개폐 서지를 들 수 있다. 그중 전기를 띠고 있는 구름이 갖는 전하가 지표상의 전하에 대하여 섬락방전을 일으키는 현상을 직격뢰라고 부르며, 뇌운이 존재하면 그 뇌운이 갖는 전하의 영향으로 지표근방의 도체는 완전히 대전(帶電)하게 되는데, 직격뢰와 공간전하에 의해 뇌운중의 전하가 소멸되면 축적되어 있던 전하는 서지로 진행하여 도체중을 이동하게 되는데 이것이 2차적으로 진전되어 아래와 같은 3가지 형태의 장애현상을 일으키며 이것을 유도뢰라 한다.
(1) 직격뢰와 같은 전자유도 장애 (2) 대지전위 상승
(3) 통신설비에 축적된 전하가 약전설비의 회로내를 직접 서지로서 이동함에 따라 피해가 야기된다.
년간 평균 뇌우(雷雨) 발생일수인 IKL(ISO KERAUNIC LEVEL)이 11일 이상은 다뇌지역(多雷地域)으로 정해두고 있으며, 이러한 IKL은 뇌(雷)의 발생상황, 지형, 기상조건 등에 따라 상이(相異)하기 때문에 뇌(雷) 사고가 과다한 지역의 선로, 중요 수용가 또는 공단선로 및 수용밀도가 높은 지역의 선로에 대해서는 내전대책(耐電對策)을 효과적으로 실시 및 보강하고 있는 실정이다.
따라서 송전선로에서 전지역에 가공지선의 설치를 원칙으로 하고 있으며, 특히 발전소 모선으로부터의 배전선로의 인출개소와 분기주, 말단주, 내장주, 인류주 및 IKL 11일 이상인 지역에 대해서는 상기 이외의 장소에 피뢰기를 매 500m미다 설치하여 전력설비를 보호하고 있는 실정이다.
기상의 변화에 따라 지역적으로 상이(相異)하게 발생하는 뇌(雷)는 각종 전력설비에 미치는 영향과 피해는 대단히 크므로 이런 뇌피해(雷被害)를 최소한으로 줄이거나 예방하여 전기설비의 안전과 양질(良質)의 전력을 공급하는 것이 무엇보다 중요한 뇌피해(雷被害) 대책(對策)이다. 또한 이러한 뇌(雷)는 철탑의 크기를 좌우하는 중요한 요인으로써 송전선의 내전설계(耐電設計)에 사용될 뿐만 아니라, 송전선사고로 발전 할 경우 정전사태를 유발 할 뿐만 아니라 부분방전 등에 의한 부분열화 등의 문제점을 안고 있다.
이상과 같이 각종 전력설비에 장애 요인이 되고 있는 송전선로에 침입하는 뇌(雷)에 의한 서지에 대해서 현재 국내에서는 IKL의 10%를 그 지역의 송전선로에 가해지는 뇌(雷) 횟수로 가정하고 있다. 이는 작업상 비효율적이고 각종 전력설비의 보호 측면에서 신뢰성을 잃고 있는 실정이다.
그리고 지역별 뇌(雷) 사고 양상 및 송전설비 장소별 뇌(雷) 피해 정도에 대한 일예는 다음 표 1 및 표 2와 같다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 작업상의 간편성과 정확성 및 신뢰성을 제공하기 위하여 선로의 대전류를 소전류로 변환시켜주는 CT(계기용 변류기)와 고전압을 저전압으로 변환시켜주는 PT(계기용 변압기)에서 상전압과 상전류를 측정함과 동시에 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형을 자동으로 검출함으로써 선로사고를 미연에 방지하고 각종 전력공급설비의 내전설계(耐電設計)나 운전 및 유지보수에 활용하도록 참고자료를 제공하기 위한 디지탈 뇌(雷) 파형 자동검출 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 3상 4선식 송전선로에 침입하는 각종 파형중 디지탈 자동 검출장치를 이용하여 뇌(雷) 파형을 검출한다.
뇌(雷)격에 의한 송전선의 섬락사고는 매우 복잡한 전자기현상으로서 그 현상을 명확히 규명하여 사고를 줄이기는 어려우므로, 뇌(雷) 관측 데이터를 이용하여 사고확률을 계산한 후 사고실적과 비교, 보정함으로써 사고율이 목표사고율 범위를 넘지 않도록 내뢰대책을 강구하고 있는 실정이며, 송전선은 가공지선에 의해 차폐되어 도체에의 직격뢰를 방지토록 하고 있으며 뇌(雷) 차폐에 대해서는 여러 가지 방법이 제안되고 있는 실정이다.
또한 송전선로의 뇌격침입양상은 크게
- 차폐실패 : 가공지선이 효과적으로 뇌격을 차폐하지 못하고 직접 가해짐으로써 뇌(雷) 써어지가 침입하는 경우와
- 역섬락 : 가공지선 또는 철탑에 가해진 뇌격에 의해 철탑의 전위가 상승하여 애자 또는 아킹혼에 섬락이 발생하여 뇌(雷) 써어지가 상도체로 침입하는 경우로 나눌 수 있다.
낙뢰에 관한 송전선의 영향은 역섬락사고율(BFOR : back flashover rate)과 차폐실패사고율(SFFOR : shielding failure flashover rate)로 나뉘어질 수있다. 여기서 BFOR은 낙뢰가 찰탑 및 가공지선에 떨어져 철탑의 순간적인 전위상승에 의해 상도체로 역섬락하는 사고를 말하고 SFFOR은 낙뢰가 상도체에 맞는, 즉 가공지선에 의한 차폐가 실패되어 섬락하는 회수를 말한다. BFOR은 주로 낙뢰파형 및 접지저항 등에 크게 좌우되고, SFFOR은 가공지선 및 상도체의 배열, 즉 철탑의 형태에 의해서 좌우되게 된다.
또한 변전소에 발생되는 뇌(雷) 과전압은 송전선로에 침입한 뇌(雷) 써어지가 변전소로 침입함으로써 발생되는데
- 침입하는 뇌(雷) 써어지의 형태
- 송전선로 절연물의 섬락 특성
- 변전소내 기기 배치 및 구성
- 소내 기기의 진행파에 대한 응동특성
등의 영향을 받게된다.
제1a, b도는 본 발명을 설명하기 위한 뇌(雷) 및 개폐(開閉) 임펄스전압파형도.
제2a, b도는 본 발명을 설명하기 위한 파형의 스펙트럼 밀도 유형 예시도.
제3도는 본 발명에서 설명을 위한 새로운 스펙트럼 진폭 유형 예시도.
제4a, b도는 본 발명에서 설명을 위한 비주기 신호의 스펙트럼 밀도 특성도.
제5도는 본 발명에서 설명을 위한 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형 자동측정장치의 블록 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 데이터 측정부
110 : 계기용 변류부(CT : Current Transformer)
120 : 계기용 변압부(PT : Potention Transformer)
130 : 저항 분압기 200 : 데이터 분석부
210 : 고역통과 필터 220 : 신호 검출기
230 : 파형분석 알고리즘 300 : 파형 판정부
400 : 출력부 410 : 표시부
이상과 같이 각종 전력설비에 큰 장애요인이 되고 있는 뇌(雷) 파형의 검출방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
스펙트럼 범위가 같은 여러 개의 서로 다른 신호는, 모든 신호를 단일 통신로상으로 전송시킬 때, 수신단에서는 서로 다른 신호를 구분하여 분리할 수 있어야 한다. 이때 통신로는 유선일 수도 있고 무선일 수도 있다. 이러한 다중전송(즉 다중화)은 각각의 원래 신호가 지니고 있는 주파수 범위를 다른 주파수범위로 천이시킴으로써 실현된다. 하나의 신호를 f1'에서 f2'까지의 주파수범위로 천이시키고 또 다른 하나를 f1에서 f2까지의 범위로 천이시키며 나머지 신호들도 이와 같이 새로운 주파수범위로 천이시킨다고 하자. 이러한 새로운 주파수범위들이 서로 겹치지 않는다면 이 신호들을 수신단에서 적당한 대역통과필터로 분리할 수 있으며 필터의 출력을 처리하여 원래 신호로 복원할 수 있다.
이러한 신호의 복원을 위한 주파수 천이방법은, 임의의 신호를 새로운 스펙트럼범위로 천이시키려면 보조의 정현신호를 곱하여야 한다. 이러한 과정을 설명하기 위해 신호를 정현파라 하면
로 표시되며 Am은 진폭,은 주파수를 나타낸다. 도2 (a)는 이 신호의 양측 스펙트럼 진폭유형을 나타낸 것이다. 이 그림은 f = fm과 f = -fm에서 진폭이 각각인 2개의 선으로 구성되어 있다. 다음으로 um(t) 와 아래와 같은 보조정현신호와의 곱에 대한 결과는,
이다. 여기서 Ac는 진폭이며, fc는 주파수이다.
와 같다. 도2(b)는 새로운 스펙트럼 진폭유형을 표시한 것이다. 원래 2개의 스펙트럼 선들은 fc만큼 (+)주파수방향과 (-)주파수방향으로 천이되었다. 두 개의 정현파형(주파수 fc+ fm에 있는 한 파형과 fc- fm에 있는 다른 파형)으로 4개의 스펙트럼성분이 발생한다. 곱신호는 각각 진폭인 4개의 스펙트럼성분을 가지고 있는 반면 각 정현파성분의 진폭은이며 단지 2개의 주파수만 존재한다.
도2를 일반화시킨 그림이 도3에 나타나 있다. 여기서 신호는 4개의 정현파 신호가 중첩된 것이며 주파수 fM은 최고주파수이다. 곱에 의한 천이가 일어나기 전에 양측 스펙트럼 유형은 0 주파수에 중심을 둔 8개의 성분을 갖는다. 곱셈후에 (+) 및 (-)주파수 방향으로 천이된 이러한 스펙트럼 유형이 나타난다. 이러한 양측 스펙트럼유형에서 16개의 스펙트럼성분들은 8개의 정현파형을 발생시킨다. 원래 신호의 주파수범위는 fM까지 이르는 반면 곱한 결과 발생한 2fM, 즉 fc- fM에서 fc+ fM까지 이르는 정현파 성분들을 가지고 있다.
도4에서 천이신호가 정확하게 규정된 주파수성분을 갖는 다수의 정현성분의 중첩으로 표현될 수 없는 경우를 고찰해 보자. 이러한 경우는 신호가 유한한 에너지를 가지며 비주기적인 경우이다. 또한 신호는 푸리에 변환, 즉 신호의 스펙트럼 밀도로써 주파수영역에서 표현된다. 따라서 신호 m(t)는 주파수범위 0에서 fM까지 대역폭이 제한된다고 가정한다.
이 신호의 푸리에변환은 M(jw) =│m(t)│이다. │M(jw)│의 크기는 도4(a)에 나타나 있다. m(t)가 실제 신호라고 가정하고 있으므로 변환 M(jw)는 f = 0에 대해 대칭이다. m(t)에 cos wct를 곱하여 발생한 신호의 스펙트럼밀도는 도4(b)에 나타나 있다. 이러한 스펙트럼유형은 도2와 도3에서 나타난 결과들을 확장한 것으로 생각할 수 있다. 따라서 M(jw) =│m(t)│일 때,
임을 입증할 수 있다.
원래 신호가 차지한 스펙트럼범위를 기저대역 주파수범위(baseband frequency range) 또는 단순히 기저대역이라 하며 원래 신호 그 자체를 기저대역신호라고 한다. 어떠한 신호와 보조정현파신호를 곱하는 작업을 혼합 또는 헤테로다잉(heterodying)이라고 한다. 천이된 신호에 있어서 fc에서 fc+ fM까지의 보조신호 이상의 스펙트럼성분들로 이루어지는 부분의 신호를 상측파대 신호라고 하며 fc- fM에서 fc까지의 보조신호 이하의 스펙트럼성분들로 이루어지는 부분의 신호를 하측파대 신호라고 한다. 또한 양측파대 신호는 각각 합과 차주파수라고 한다. 주파수 fc인 보조신호를 그 응용에 따라 국부발진신호, 혼합신호, 헤테로다잉신호 또는 반송파신호라 한다.
이러한 기적대역신호의 복원을 위하여 cos wct를 곱한 신호 m(t)는 m(t)의 기적대역으로부터 천이된다. 이 때 신호의 복원은 逆遷移에 의해 이루어지며 역천이는 천이된 신호와 cos wct 를 곱함으로써 간단히 수행된다. 도3이나 도4처럼 스펙트럼 성분을 도시함으로써 m(t)cos wct에 cos wct를 곱하여 얻어진 차주파수 신호는 스펙트럼신호가 기저대역으로 되돌아가는 신호임을 알 수 있다. 즉,
와 같다. 따라서 기저대역신호 m(t)는 다시 나타나게 된다. 물론 복원된 기저대역신호 이외에도 스펙트럼범위가 2fc- fM에서 2fc+ fM까지 이르는 신호가 존재하게 된다.
뇌(雷) 및 개폐(開閉) 임펄스전압 파형은 도1에 나타내었으며, 이 데이터는 사전에 뇌(雷) 파형 자동측정장치에 기억된다.
또한 각 전파의 주파수는 다음과 같다.
이와같이 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형을 검출하는 원리를 이용하여 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도5는 본 발명에 따른 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형 자동 검출장치의 블록 구성도이다.
그 구성은, 3상 4선식 송전선로에 적용되는 예로서 설명하면, 크게 송전선로의 3상정보인 A, B, C상 전압(Va, Vb, Vc) 및 A, B, C, N상 전류(즉 Ia, Ib, Ic, In) 신호를 측정하는 데이터 측정부(100)와, 상기 데이터 측정부(100)에서 측정된 신호들을 송전선로에 가해지는 뇌(雷) 파형을 검출하기 위해 고역통과 필터를 거침으로써 60㎐의 기본 파형은 필터링하고 나머지 데이터 값을 메모리에 저장하는 데이터 분석부(200)와, 상기 데이터 분석부(200)에서 분석되어 저장된 데이터를 읽어 미리 저장해 놓은 프로그램에 따라 선로에 가해지는 뇌(雷) 파형을 판정하기 위해 중앙처리장치를 사용하는 파형 판정부(300)와, 상기 파형 판정부(300)에서 판정된 선로에 침입하는 각종 서지의 주파수대별 데이터를 사용자의 선택에 따라 출력을 하는 출력부(400)로 구성되어 있다.
상기한 구성을 구체적으로 설명하면, 상기 데이터 측정부(100)는 송전선로로부터 입력된 3상(A, B, C)의 전류와 중성선(N)의 전류를 측정하는 계기용 변류부(110)와, 같은 시간에 송전선로로부터 입력된 3상(A, B, C)의 전압을 측정하는 계기용 변압부(120)로부터 송전선로 각각의 선간전압·상전류에 대한 정보를 측정하며 여기서 출력된 신호를 최대 출력전압 5V이하로 분압시켜 출력하는 저항 분압기(130)로 구성되어 있다.
이 결선도에서 계기용 변류기(110) 4대는 각상의 전류와 중성선의 전류를 측정한다. 계기용 변압기(120) 3대는 상간전압을 측정하도록 연결되어 있다.
변전소 배전반 판넬에 계기용 변류기(CT), 계기용 변압기(PT)단자에 뇌(雷)파형 자동검출장치 단자를 이곳에 연결하여 전압, 전류를 측정하여 읽어 들인다. 계기용 변류기, 계기용 변압기의 정보는 BNC단자로된 7개의 Probe를 연결하여 측정된다. CT, PT 각각의 정보는 같은 시간에 한 번에 측정해야하므로 7개의 채널로 구성되어 있으며 채널당 4주기의 파형을 읽어들인다. 한주기 동안 200 포인트를 샘플링하게 되어있어 83㎲마다 1개씩 데이터를 읽어들여 반주기동안 100개의 데이터를 얻을 수 있다.
분압기 CT, PT에서 나오는 신호는 저항 소자를 이용하여 20 : 1의 분압기(130)를 이용하여 최대 출력 전압 5[V]이하가 되게 처리한다. CT에서 읽어들인 정보는 전압 형태로 읽어들인다.
고역통과필터(210)는 분압되어 들어오는 정보중 60㎐ 전파신호는 하드웨어적으로 필터링을 하고 나머지 데이터가 다 모이면 신호 검출기(220)로 전송한다. 필터링 된 데이터는 다시 신호 검출기(220)로 전송되며, 이때 오실로스코프를 사용하여 급준신호를 검출한다. 검출된 데이터는 파형분석 알고리즘(230)에 누적된다. 신호 검출기(220)는 고역통과 필터(210)를 통과할 신호를 미분기를 사용하여 버퍼메모리에 저장하여 누적되며, 데이터가 사전에 입력시킨 SI(Switching Impulse : 개폐 임펄스), LI(Lightning Impulse : 뢰 임펄스)의 신호가 아닐경우에는 버퍼메모리에 저장된 데이터는 사라지며, 해당되는 데이터가 입력될 때에는 그때부터의 데이터와 그 이전에 버퍼메모리에 저장된 데이터를 저장하여 누적시킨다. 신호검출기(220)를 거친 신호를 파형분석 알고리즘(230)에서 파형의 주파수 및 크기를 측정, 분석한다.
파형 판정부(300)는 중앙처리장치로서 파형분석 알고리즘(230)에 저장된 데이터를 불러들여 미리 저장해놓은 프로그램에 따라 SI, LI 및 기타파형 여부를 판단하게 된다. 내장된 프로그램 중에는 CT, PT의 보정값을 입력받아 계산 할 수 있게 되어 있으며, 내장된 프로그램은 전원이 끊어져도 내용이 없어지지 않는 ROM에 들어있으며 버퍼메모리회로와 데이터 메모리 회로에는 수행시간에 빠른 RAM을 이용하였다. 또 전원이 끊겨도 내용이 지워지지않는 불휘발성 NVM(Non-volatile memory) 메모리를 이용한다. 표시부(400)는 계산한 정보를 액정화면을 통해 시간, 크기 및 SI, LI 여부를 표시한다.
이상과 같은 본 발명은 변전소에 침입하는 뇌(雷)로 인한 선로사고를 미연에 방지함으로써 작업상의 간편성과 정확성 및 신뢰성을 얻는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 3상 4선식 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형을 측정하는 장치에 있어서, 송전선로의 3상 전압 및 전류 신호를 측정하는 데이터 측정부(100)와, 상기 데이터 측정부(100)에서 측정된 신호들을 고역통과 필터를 통과시켜 60㎐의 기본 파형을 필터링하고 개폐 임펄스와 뇌 임펄스 정보만을 파형의 주파수 및 크기로 분석하여 메모리에 저장하는 데이터 분석부(200)와, 상기 데이터 분석부(200)에서 분석되어 저장된 데이터를 읽어 미리 저장해 놓은 프로그램에 따라 개폐 임펄스, 뇌 임펄스 및 기타 임펄스를 판단하는 파형 판정부(300)와, 상기 파형 판정부(300)에서 판정된 선로에 침입하는 각종 서지의 주파수대별 데이터를 사용자의 선택에 따라 표시 출력을 하는 출력부로 구성된 것을 특징으로 하는 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형 자동측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 데이터 측정부(100)는, 성전선로로부터 3상(A, B, C)의 전류와 중성선(N)의 전류를 측정하는 계기용 변류부(110)와, 상기 계기용 변류부(110) 같은 시각에 송전선로로부터 3상(A, B, C)의 전압을 측정하는 계기용 변압부(120)와, 상기 계기용 변류부(110)와 상기 계기용 변압부(120)로부터 출력된 신호를 읽어들여 최대 5V 전압 이하가 되도록 분압시켜 출력하는 분압기(130)로 구성된 것을 특징으로 하는 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형 자동측정장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 데이터 분석부(200)는, 상기 데이터 측정부(100)에서 출력된 신호들중 60㎐ 신호를 하드웨어적으로 필터링을 하고 필터링된 신호를 보정하는 고역 통과 필터(210)와, 그 고역통과 필터(210)를 통과한 신호를 미분기를 사용하여 미리 입력시킨 기준이 되는 개폐 임펄스, 뇌 임펄스의 신호만을 검출하여 출력하는 신호 검출기(220)와, 그 신호 검출기(220)에서 출력되는 개폐 임펄스, 뇌 임펄스 데이터를 버퍼메모리에 저장하여 누적하고, 파형분석 알고리즘을 이용하여 파형의 주파수 및 크기를 측정, 분석하는 파형 알고리즘부(230)로 구성된 것을 특징으로 하는 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형 자동측정장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 출력부는, 상기 파형 판정부(300)에서 판단된 뇌(雷) 파형과 개폐 서지 및 기타 파형의 데이터를 데이터 저장수단에 기억시켜, 액정화면을 통해 시간, 크기 및 개폐 임펄스, 뇌 임펄스 여부를 표시하는 표시부(400)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 송전선로에 침입하는 뇌(雷) 파형 자동측정장치.
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