KR100383177B1 - 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자 및 이를 이용한열화 측정 시스템 - Google Patents

배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자 및 이를 이용한열화 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자 및 이를 이용한 열화 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배전용 변압기에 유입되어 있는 절연유의 열화 정도를 상시 감시하여 변압기의 이상 유무를 실시간으로 판단할 수 있는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자 및 이를 이용한 열화 측정 시스템에 관한 것이다.

Description

배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자 및 이를 이용한 열화 측정 시스템{Sensor and system for measuring oil deterioration in distribution transformer}
본 발명은 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자 및 이를 이용한 열화 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배전용 변압기에 유입되어 있는 절연유의 열화 정도를 상시 감시하여 변압기의 이상 유무를 실시간으로 판단할 수 있는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자 및 이를 이용한 열화 측정 시스템에 관한 것이다.
전력은 각종 산업이나 일상 생활에서 필수 불가결한 존재이며, 전력설비의 원활한 운용과 신뢰성 확보가 중요하다. 따라서, 전력설비의 유지 및 보수를 합리화하고 사고를 미연에 방지하기 위해서는 전력설비의 운전 중에 이상의 징후를 감시하고 진단하는 기술이 필수적이다.
전력 설비에 있어서, 배전용 변압기(주상 및 지상 변압기)는 전력계통의 중요한 구성 요소로서 전력의 안정 공급을 위한 역할이 매우 크다. 특히, 전력계통의 말단에 위치한 배전용 변압기의 부하는 불규칙적으로 변하고, 때로는 과부하가 자주 나타난다. 이러한 요인들은 배전용 변압기의 과열현상 등을 일으키고 열화를 촉진하여 결과적으로 절연 파괴에 따른 정전사고를 유발하여 수용가에 직접적인 피해를 준다. 또한 배전용 변압기는 도로변이나 주거지역에 설치되어 있는 관계로 과열이나 사고에 의한 폭발이나 인적, 물적 자원에 대한 피해가 상당히 크다. 그러나 변압기는 운전 중의 사고를 완전히 제거한다는 것은 불가능하기 때문에 사고를 미리 예견하고, 사고 발생 전에 변압기의 운전을 정지하여 적절한 보수를 하여야 한다. 따라서, 배전계통의 고 신뢰도 운전을 위해서는 배전용 변압기의 상시 감시 및 고장 진단 기술이 요구되고 있다.
종래에 기술에 의하면, 변압기의 절연유가 경년 변화를 일으킬 때 그 열화정도를 측정하는 방식은 현장에서 즉각 측정하여 그 상태를 파악하는 방식이 아니고대부분이 오랜 시간이 경과된 후 샘플링된 시료를 실험실에서 산가분석 시험 및 내전압 인가 시험, 가스분석 시험 등을 행하여 그 결과를 분석하여 측정하는 방식이었기 때문에 현장성이 떨어지고 측정치의 정확도에 문제가 있었다.
또한 배전용 변압기의 경우를 살펴 보면, 현재 설치대수가 130여만대에 이르고 지역적으로 광범위하게 위치한 배전용 변압기에 전력용 변압기에서 사용하는 높은 정밀도와 고가의 감시 및 진단 기기를 설치할 수 없다는 현실적, 경제적 문제점이 있다. 즉, 열화측정에 주로 사용되는 방법인 부분방전 검출법이나 절연유의 유전정접 측정법을 정확하게 시행하기 위해서는 배전용 변압기의 가격에 비해 상당히 고가인 감시 및 진단시스템을 구비하여야 하며, 또한 정밀한 유전정접의 측정을 위한 장치의 대부분이 오프라인 방식인 문제점 등이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배전용 변압기에 유입되어 있는 절연유의 열화 정도를 간편하게 측정할 수 있는 열화 측정 탐촉자 및 열화 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배전용 변압기에 유입되어 있는 절연유의 열화 정도를 간편하게 측정하여 이를 실시간으로 송수신함으로써 배전용 변압기의 이상 상황을 쉽게 파악하여 이상 상황 발생시 즉각적인 조치를 취할 수 있는 열화 측정 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 일실시예에 따른 열화 측정 탐촉자의 사시도,
도 2는 상기 열화 측정 탐촉자의 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자 및 열화 측정 장치로 구성되는 열화 측정 시스템의 구성도,
도 4는 유위 측정 장치의 구성도,
도 5는 도 4의 유위 측정 장치가 커패시턴스값의 변화로부터 절연유의 유위를 측정하는 원리를 설명하기 위한 설명도,
도 6은 유위 측정 장치의 브리지 회로의 구성도,
도 7은 유전정접 측정장치의 구성도이다.
본 발명에 의한 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자는 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정부; 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부; 상기 유전정접 측정부의 상단부에 설치되는 절연부; 및 상기 유전정접 측정부와 외부의 열화 측정 장치 사이에 접속되어 외부의 열화 측정 장치로부터 전원을 인가하는 복수개의 배선을 구비하며, 상기 유전정접 측정부는 각각 내부가 빈 제1 원통형 전극부와, 역시 내부가 비어 있으며 상기 제1 원통형 전극부를 감싸는 형태로 된 제2 원통형 전극부로 구성되고, 상기 유위측정부의 제2 원통형 전극부 외부에는 원주 방향을 따라 적어도 1 이상의 절연유 출입공이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부에는 온도 센서가 포함되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자의 다른 태양에 의하면, 절연유의 유위를 측정하는 유위 측정부; 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정부; 상기 유위 측정부와 유전정접 측정부 사이에 삽입되는 절연부; 상기 유전정접 측정부의 상단부에 설치되는 절연부; 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부; 및 상기 유위 측정부 및 유전정접 측정부와 외부의 열화 측정 장치 사이에 접속되어 외부의 열화 측정 장치로부터 전원을 인가하는 복수개의 배선을 구비하며, 상기 유위 측정부 및 유전정접 측정부는 각각 내부가 빈 제1 원통형 전극부와, 역시 내부가 비어 있으며 상기 제1 원통형 전극부를 각각 감싸는 형태로 된 제2 원통형 전극부로 구성되고, 상기 유위측정부 및 상기 유전정접 측정부의 제2 원통형 전극부 외부에는 원주 방향을 따라 적어도 1 이상의 절연유 출입공이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유위 측정부와 유전정접 측정부 사이에 삽입되는 절연부 또는 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부 중 적어도 어느 하나에는 온도 센서가 포함되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 배전용 변압기의 절연유의 열화를 측정하는 절연유 열화 측정 시스템은 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정부와, 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부와, 상기 유전정접 측정부의 상단부에 설치되는 절연부와, 상기 유전정접 측정부와 외부의 열화 측정 장치 사이에 접속되어 외부의 열화 측정 장치로부터 전원을 인가하는 복수개의 배선을 구비하며, 상기 유전정접 측정부는 각각 내부가 빈 제1 원통형 전극부와, 역시 내부가 비어 있으며 상기 제1 원통형 전극부를 감싸는 형태로 된 제2 원통형 전극부로 구성되고, 상기 유위측정부의 제2 원통형 전극부 외부에는 원주 방향을 따라 적어도 1 이상의 절연유 출입공이 설치되는 것을 특징으로 하는 절연유 열화 측정 탐촉자; 및 상기 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부와 전기적으로 연결되어 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정장치와, 상기 유전정접 측정장치로부터 데이터를 전송받아 처리하는 중앙 제어장치를 포함하는 절연유 열화 측정장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연유 열화 측정 장치의 유전정접 측정 장치는, 정현파 전압을 발생시켜 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부에 인가하는 전압 발생기와, 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부와 연결되어 전류를 전압으로 변환하는 I/V 변환기와, 상기 I/V 변환기의 출력을 증폭하는 제1 증폭기와, 상기 제1 증폭기의 출력을 소정 대역 범위 내로 필터링하는 대역 통과 필터와, 상기 대역 통과 필터의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기와, 상기 전압 발생기의 출력을 증폭하는 제2 증폭기와, 상기 제2 증폭기의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기와, 상기 레벨 검출기들의 출력을 AND 연산하는 AND 게이트와, 상기 AND 게이트로부터의 출력을 입력받아 미리 입력되어 있는 소정의 프로그램에 의하여 유전정접 데이터를 계산하여 상기 중앙 제어 장치로 전송하는 마이크로 컨트롤러를 구비하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부에는 온도 센서가 포함되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어 장치는 상기 온도 센서로부터 취득한 온도 데이터에 대하여 상기 상기 유전정접 측정장치로부터 취득한 데이터를 보정하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어 장치는 원격지의 제어국과 무선 통신을 통해 데이터를 송수신하기 위한 무선 송수신부를 더 구비하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 배전용 변압기의 절연유의 열화를 측정하는 절연유 열화 측정 시스템의 또 다른 태양에 의하면, 절연유의 유위를 측정하는 유위 측정부와, 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정부와, 상기 유위 측정부와 유전정접 측정부 사이에 삽입되는 절연부와, 상기 유전정접 측정부의 상단부에 설치되는 절연부와, 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부와, 상기 유위 측정부및 유전정접 측정부와 외부의 열화 측정 장치 사이에 접속되어 외부의 열화 측정 장치로부터 전원을 인가하는 복수개의 배선을 구비하며, 상기 유위 측정부 및 유전정접 측정부는 각각 내부가 빈 제1 원통형 전극부와, 역시 내부가 비어 있으며 상기 제1 원통형 전극부를 각각 감싸는 형태로 된 제2 원통형 전극부로 구성되고, 상기 유위측정부 및 상기 유전정접 측정부의 제2 원통형 전극부 외부에는 원주 방향을 따라 적어도 1 이상의 절연유 출입공이 설치되는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자; 및 상기 열화 측정 탐촉자의 유위 측정부와 전기적으로 연결되어 절연유의 유위를 측정하는 유위 측정장치와, 상기 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부와 전기적으로 연결되어 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정장치와, 상기 유위 측정장치 및 유전정접 측정장치로부터 데이터를 전송받아 처리하는 중앙 제어장치를 포함하는 절연유 열화 측정장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연유 열화 측정 장치의 유위 측정 장치는, 정현파 전압을 발생시켜 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 상기 유위 측정부로 인가하는 전압 발생기와, 상기 절연유 열화 측정 탐촉자와 전기적으로 연결되어 절연유의 커패시턴스를 측정하는 브리지 회로와, 상기 브리지 회로의 출력을 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기의 출력을 직류로 변환하는 A/D 컨버터와, 상기 A/D 컨버터에서 출력되는 직류로부터 미리 입력되어 있는 소정의 프로그램에 의하여 유위를 계산하여 상기 중앙 제어장치로 전달하는 마이크로 컨트롤러를 구비하고, 상기 절연유 열화 측정 장치의 유전정접 측정 장치는, 정현파 전압을 발생시켜 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부에 인가하는 전압 발생기와, 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부와 연결되어 전류를 전압으로 변환하는 I/V 변환기와, 상기 I/V 변환기의 출력을 증폭하는 제1 증폭기와, 상기 제1 증폭기의 출력을 소정 대역 범위 내로 필터링하는 대역 통과 필터와, 상기 대역 통과 필터의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기와, 상기 전압 발생기의 출력을 증폭하는 제2 증폭기와, 상기 제2 증폭기의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기와, 상기 레벨 검출기들의 출력을 AND 연산하는 AND 게이트와, 상기 AND 게이트로부터의 출력을 입력받아 미리 입력되어 있는 소정의 프로그램에 의하여 유전정접 데이터를 계산하여 상기 중앙 제어 장치로 전송하는 마이크로 컨트롤러를 구비하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 상기 유위 측정부와 유전정접 측정부 사이에 삽입되는 절연부 또는 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부 중 적어도 어느 하나에는 온도 센서가 포함되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어 장치는 상기 온도 센서로부터 취득한 온도 데이터에 대하여 상기 유위 측정장치 및 상기 유전정접 측정장치로부터 취득한 데이터를 보정하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어 장치는 원격지의 제어국과 무선 통신을 통해 데이터를 송수신하기 위한 무선 송수신부를 더 구비하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 일실시예에 따른 열화 측정 탐촉자의 사시도이며, 도2는 상기 열화 측정 탐촉자의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 일실시예에 따른 열화 측정 탐촉자(1)는 크게 유위 측정부(10)와, 유전정접 측정부(20)와, 상기 유위 측정부(10)와 유전정접 측정부(20) 사이에 삽입되는 절연부(30)와, 상기 유전정접 측정부(20) 하단부에 설치되는 절연부(40)와, 상기 유위 측정부(10) 및 유전정접 측정부(20)와 열화 측정 장치 사이에 접속되는 복수개의 배선(50)으로 구성된다.
상기 유위 측정부(10)는 배전용 변압기에 유입되어 있는 절연유의 유위를 측정하는 곳이며, 상기 유전정접 측정부(20)는 절연유의 유전정접을 측정하는 곳이다.
유위를 측정하는 것은 배전용 변압기의 절연유가 유출되는가를 확인하기 위한 기본적인 검사이며, 유전정접을 측정하는 것은 다음과 같은 이론에 기인하는 것이다.
배전용 변압기의 내부에 유입되어 있는 절연유는 변압기 내부의 철심과 권선, 권선 상호간 통전부와 접지 사이의 전기적인 절연을 유지시킬 뿐 아니라 철심 및 권선 내부에서 발생하는 열을 발산하는 냉각 매체로 작용한다. 이러한 절연유는 시간이 경과함에 따라 산소, 가열, 동 또는 철 등의 금속과의 접촉에 의해 열화되게 되는데, 이 과정에서 분해 가스, 슬러지(sludge) 등이 생성된다. 이러한 생성물들은 절연유의 유전정접에 영향을 미치게 되므로, 유전정접을 측정함으로써 절연유의 열화 정도를 평가할 수 있게 된다.
도 1의 열화 측정 탐촉자는 이러한 절연유의 유위측정 및 유전정접 측정을동시에 탐촉할 수 있는 것으로서, 그 구체적인 구성에 대해서는 도 2의 단면도를 참조하여 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 바람직한 실시예에 따른 열화 측정 탐촉자(1)는 이중 구조의 동축 원통 형태로 구성된다.
즉, 상기 열화 측정 탐촉자(1)는 절연유의 유위를 측정하는 유위 측정부(10)와, 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정부(20)와, 상기 유위 측정부(10)와 유전정접 측정부(20) 사이에 삽입되는 절연부(30)와, 상기 유전정접 측정부(20) 하단부에 설치되는 절연부(40)와, 상기 유위 측정부(10) 및 유전정접 측정부(20)와 외부 측정 장치 사이에 접속되는 복수개의 배선(50)으로 구성되며, 상기 유위 측정부(10) 및 유전정접 측정부(20)는 각각 내부가 빈 제1 원통형 전극부(11,21)와 내부가 비어 있으며 상기 제1 원통형 전극부(11,21)를 각각 감싸는 형태로 된 제2 원통형 전극부(12,22)로 구성된다.
상기 유위측정부(10)의 제2 원통형 전극부(12)와 상기 유전정접 측정부(20)의 제2 원통형 전극부(22) 외부에는 원주 방향을 따라 적어도 1 이상의 절연유 출입공(14,23)이 설치되어 이를 통하여 절연유가 유입 또는 유출하게 된다.
또한, 상기 복수개의 배선(50)은 열화 측정 장치와 탐촉자를 연결하여 전원을 인가하기 위한 것으로서, 각각 상기 유위 측정부(10)의 제1 및 제2 원통형 전극(11,12)과 상기 유전정접 측정부(20)의 제1 및 제2 원통형 전극(21,22)과 접속된다.
한편, 상기 유위측정부(10)와 상기 유전정접 측정부(20)는 예컨대 테프론 소재의 절연부(30)에 의해 전기적으로 절연된다.
상기 절연부(30)에는 온도 센서(60)를 설치하는 것이 바람직하다. 절연유의 유전정접은 특히 온도 변화에 따라 영향을 받기 쉬우므로, 유전정접 측정시 온도를 함께 측정하여 데이터의 신뢰성을 높일 수 있기 때문이다.
또한, 상기 유전정접 측정부(20)의 하단부에도 예컨대 테프론 소재의 절연부(40)를 설치하여 탐촉자 외부와 전기적으로 절연시킨다.
또한, 상기 유위측정부(10)의 제1 원통형 전극(11)과 제2 원통형 전극(12) 사이의 공간 상단부에도 외부와의 절연을 위해 예컨대 테프론 소재의 절연부(13)를 설치한다.
도 3은 도 1 및 도 2에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자(1)가 변압기에 삽입 부착되어 있는 상태와 이러한 열화 측정 탐촉자(1)와 복수개의 배선(50)에 의해 접속되어 있는 열화 측정 장치(2)로 구성되는 열화 측정 시스템을 나타낸 것이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 열화 측정 탐촉자(1)는 배전용 변압기의 상부를 통해 삽입 고정되어 열화 측정 탐촉자(1)의 유위 측정부(10)까지 절연유 속에 잠기어 있다.
열화 측정 탐촉자(1)의 상단부를 통해 복수개의 배선(50)이 열화 측정 장치(2)에 연결된다. 본 실시예에 있어서, 복수개의 배선(50)은 유위 측정부(10)용으로 2개, 유전정접 측정부(20)용으로 2개, 온도 센서(60)용으로 3개가 구비되며 이들은 각각 열화 측정 장치(50)의 유위 측정 장치(21), 유전 정접 측정 장치(22)및 중앙 제어 장치(23)와 연결되어 있다.
열화 측정 장치(2)는 상기 열화 측정 탐촉자(1)의 유위 측정부(10)와 전기적으로 연결되어 절연유의 유위를 측정하는 유위 측정장치(21)와, 상기 열화 측정 탐촉자(1)의 유전정접 측정부(20)와 전기적으로 연결되어 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정장치(22)와, 상기 유위 측정장치(21) 및 유전정접 측정장치(22)로부터 데이터를 전송받아 처리하는 중앙 제어장치(23)로 구성된다. 도 3에서는 설명의 편의상 열화 측정 장치(50)를 확대하였으며, 열화 측정 탐촉자(1)와 별개로 구성된 것으로 나타냈으나 예컨대 열화 측정 탐촉자(1)의 상단부에 일체로 구성할 수도 있다.
유위 측정 장치(21)는 도 4에 나타낸 바와 같이 구성된다.
즉, 유위 측정 장치(21)는 정현파 전압을 발생시켜 탐촉자의 유위 측정부로 인가하는 전압 발생기(211)와, 상기 탐촉자와 연결되어 절연유의 커패시턴스를 측정하기 위한 브리지 회로(212), 상기 브리지 회로(212)의 출력을 증폭하는 증폭기(213), 상기 증폭기의 출력을 직류로 변환하는 A/D 컨버터(214), 상기 A/D 컨버터(214)에서 출력되는 직류로부터 유위를 계산하여 중앙 제어장치(23)로 전달하는 마이크로 컨트롤러(215)로 구성된다.
이러한 유위 측정 장치(21)가 커패시턴스값의 변화로부터 절연유의 유위를 측정하는 원리에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5와 같이, 원통형 탐촉자의 길이가 L이고, 내부 전극의 외부 반지름이 a이고, 외부 전극의 내부 반지름이 b인 두 개의 동심 원통이 있다고 할 때, 탐촉자의 길이가 매우 길어서(L>>b) 탐촉자 끝에서 전기력선의 영향을 커패시턴스의 계산에서 무시할 수 있다고 가정하면, 평면 덮개로 씌워진 공기 중의 지름 r, 길이 L의 동심 원통형의 가우스 표면을 생각하고 가우스 법칙을 적용하면 다음과 같다.
여기에서 도 5의 탐촉자에는 상 ·하 유전율이 다른 물질로 채워져 있지만 수학식 2는 공기라는 가정하에서 수식을 표현한 것이다. 선속은 전부가 원통의 표면을 통하고 양쪽 끝면을 통하지 않는다. 따라서, 상기 수학식 2를 E에 대해서 풀면
이고,
극판 사이의 전위차는
이 된다.
즉, 전위차는
따라서, 커패시턴스는 다음 식과 같이 표현된다.
즉, 커패시턴스는 탐촉자의 기하학적 요소인 L,a,b에만 의존한다.
만약, 도 5와 같은 동심 원통형 탐촉자에 높이 l까지 비유전율이 εr인 매질이 채워져 있을 때, 공기 중의 유전율을 ε0라고 하면, 전극 사이의 커패시턴스 C는 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
단, C1: 매질이 있는 부분(l)의 커패시턴스[F],
C2: 진공부분 (L-l)의 커패시턴스[F],
C0: 진공에서의 유전율[F/m]
εr: 매질의 비유전율[F/m]
L : 탐촉자 전극의 길이[m]
l : 채워진 매질의 높이[m]
a : 내부 전극의 외부 반지름[m]
b : 외부 전극의 내부 반지름[m]
ε : 매질의 유전율(ε= ε0·εr)[F/m]
상기 수학식 7을 l에 관하여 풀면 다음 식과 같으며 탐촉자에 채워진 매질의 높이(유위) 즉 변압기에 채워져 있는 절연유의 높이를 알 수 있다.
도 6은 도 5에서 설명한 바와 같은 원리에 의하여, 커패시턴스의 측정에 의해 유위를 측정하기 위한 유위 측정 장치(21)의 브리지 회로(212)를 나타낸 것이다.
도 6의 회로에서 Cs는 기준용량으로써 측정 대상값의 범위를 결정할 수 있으며, Cs를 조절함으로써 초기의 평형값을 조절할 수 있다. Cx가 변화를 일으키면 변화량이 a점에 나타나므로 다음 단에 연결된 증폭회로에서 측정할 수 있다. 설계된 회로의 커패시턴스를 계산하는 식을 유도하면 다음과 같다.
도 6에서 a와 d간에 걸리는 전압 Vout은 다음 식과 같다.
그런데 a와 c간에 걸리는 전압 Vac는 a와 d에 걸리는 전압 Vad에서 b와 d간에 걸리는 전압 Vbd를 뺀 값이며 R1= R2이므로, b와 d간의 전압값은 0.5es가 된다.
또한 연산 증폭기는 반전증폭을 하므로 es가 d점에 걸리므로 2배의 es가 인가되는 결과가 되므로 출력전압 Vo는 다음과 같다.
이러한 측정 전압을 이용하여 커패시턴스를 역으로 연산하기 위한 수식은 다음과 같다.
여기에서,
라고 하면,
이므로,
가 된다.
이러한 방법으로 유위 측정 장치(21)에서 배전용 변압기에 유입되어 있는 절연유의 유위 변화를 감지할 수 있게 된다.
다음으로, 유전정접 측정 장치(22)에 대하여 설명한다.
유전정접의 측정에는 여러 가지 방법이 있으나, 본 발명에서는 위상 검출 방식에 의해 유전정접을 측정한다. 즉, 위상 검출 방식에 의한 유전정접측정은 피측정체에 인가된 전압성분과 피측정체를 흐르는 전류의 각 벡터성분을 추출하여 연산처리를 함으로써 유전정접을 측정하는 방식이다.
이러한 원리에 따라, 도 3의 유전정접 측정장치(22)는 도 7과 같이 구성할수 있다.
즉, 유전정접 측정 장치(22)는 정현파 전압을 발생시켜 탐촉자의 유전정접 측정부에 인가하는 전압 발생기(221)와, 상기 탐촉자의 유전정접 측정부와 연결되어 전류를 전압으로 변환하는 I/V 변환기(222), 상기 I/V 변환기(222)의 출력을 증폭하는 증폭기(223), 상기 증폭기(223)의 출력을 소정 대역 범위 내로 필터링하는 대역 통과 필터(band pass filter)(224), 상기 대역 통과 필터(224)의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기(225)와, 상기 전압 발생기(221)의 출력을 증폭하는 증폭기(226), 상기 증폭기(226)의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기(227), 상기 레벨 검출기(226,227)들의 출력을 AND 연산하는 AND 게이트(229), 상기 AND 게이트(228)로부터의 출력을 입력받아 유전정접 데이터를 계산하여 중앙 제어 장치(23)로 전송하는 마이크로 컨트롤러(229)로 구성된다.
이들의 동작을 설명하면 다음과 같다.
즉, 탐촉자측의 미지의 임피던스 Zx에 전압 발생기(221)로부터의 교류 전압 E를 인가하고, 이 때 흐르는 전류 I를 측정한다. 이 때, E1은 인가전압과 출력 전류의 위상차를 구하기 위해 정규화된 증폭전압으로서 인가 전압 E와 동상이다.
측정된 I를 전류-전압 변환기(222), 증폭기(223), 대역 통과 필터(224) 및 레벨 검출기(225)를 이용하여 I1으로 변환시킨다. 이 I1과 E1은 AND 게이트(228)로 입력되어 AND 연산을 통해 E2로 출력된다. 이 출력신호 E2는 I1과 E1이 겹치는 시간을 나타낸다. 이 출력신호 E2에 의해 전압신호 E1과 전류신호 I1의 위상차이를 측정할 수 있다. 즉, 반 주기 시간에 대한 출력 전압 E2는 전압신호 E1과 전류신호 I1의 위상차이를 나타내는 정보가 된다.
한편, 상기에 있어서, 실제 시스템 구축시에는 대역 통과 필터(224)를 통과한 신호는 일정 시간의 위상차가 발생하므로 이 값을 보상해 주어야 한다. 이는 하드웨어적으로 해결할 수도 있으나 본 실시예에서는 마이크로 컨트롤러(229) 또는 중앙 제어 장치(23)측에서 소프트웨어적으로 처리하도록 하였다.
이러한 방식에 의하여, 중앙 제어 장치(23)는 열화 측정 탐촉자(1)의 온도센서(60)로부터 수집된 온도에 따라 변압기에 유입되어 있는 절연유의 유위 및 유전정접값을 취득하게 된다. 수집된 온도, 유위, 유전정접 데이터는 중앙 제어 장치(23) 내부에 구비된 바람직하게는 비휘발성 메모리부에 데이터를 저장하는 동시에 무선 송수신부를 통해 원격 감시국에 데이터를 전송하게 된다.
원격 감시국은 무선 통신 방식을 이용하여 배전용 변압기의 정보를 취득하는 동시에 사용자 인터페이스인 표시부를 통해 데이터를 표시하고 또한 필요한 경우 중앙 감시국으로 변압기의 감시 및 진단 정보를 유선 또는 무선으로 송신한다.
또한, 원격 감시국은 중앙 감시국으로부터 각종 제어 명령을 전송받아 이 명령에 따라 변압기의 감시 및 진단을 시작하여 데이터를 취득 및 전송하도록 할 수도 있다.
이상, 본 발명의 구성 및 작용을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나,본 발명이 상기 바람직한 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
예를 들어, 상기 실시예에서 열화 측정 탐촉자는 원통형 구조로 형성되어 있으나, 필요에 따라 사각, 삼각형의 형태로 구성할 수도 있다.
또한, 상기 실시예에서 열화 측정 탐촉자는 유위 측정부와 유전정접 측정부를 모두 구비하고 있으나, 필요에 따라 유위 측정부는 생략하고 유전정접 측정부만으로 구성할 수도 있다.
또한, 상기 실시예에서 열화 측정 장치는 열화 측정 탐촉자와 분리하여 구성하였으나 열화 측정 탐촉자와 일체로 구성할 수도 있다.
또한, 상기 실시예에서 원격 감시국은 열화 측정 탐촉자 및 열화 측정 장치와 분리 구성되어 무선 통신을 통해 데이터를 송수신하도록 하였으나, 열화 측정 장치와 일체로 구성할 수도 있음은 물론이다.
본 발명에 의하면, 간이한 구조의 배전용 변압기의 절연유 열화 탐촉자 및 열화 측정 장치를 사용함으로써 간편하게 배전용 변압기의 절연유의 열화 정도를 실시간으로 측정할 수 있으며 또한 이상 상황 발생시 이를 원격 감시국으로 실시간으로 통보할 수 있게 된다. 따라서, 고가의 감시 진단 장치를 사용하지 않고 적은 비용으로도 변압기의 교체 시기를 파악할 수 있으며, 변압기로 인해 발생되는 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정부;
    상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부;
    상기 유전정접 측정부의 상단부에 설치되는 절연부; 및
    상기 유전정접 측정부와 외부의 열화 측정 장치 사이에 접속되어 외부의 열화 측정 장치로부터 전원을 인가하는 복수개의 배선
    을 구비하며,
    상기 유전정접 측정부는 각각 내부가 빈 제1 원통형 전극부와, 역시 내부가 비어 있으며 상기 제1 원통형 전극부를 감싸는 형태로 된 제2 원통형 전극부로 구성되고,
    상기 유위측정부의 제2 원통형 전극부 외부에는 원주 방향을 따라 적어도 1 이상의 절연유 출입공이 설치되는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부에는 온도 센서가 포함되는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자.
  3. 절연유의 유위를 측정하는 유위 측정부;
    절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정부;
    상기 유위 측정부와 유전정접 측정부 사이에 삽입되는 절연부;
    상기 유전정접 측정부의 상단부에 설치되는 절연부;
    상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부; 및
    상기 유위 측정부 및 유전정접 측정부와 외부의 열화 측정 장치 사이에 접속되어 외부의 열화 측정 장치로부터 전원을 인가하는 복수개의 배선
    을 구비하며,
    상기 유위 측정부 및 유전정접 측정부는 각각 내부가 빈 제1 원통형 전극부와, 역시 내부가 비어 있으며 상기 제1 원통형 전극부를 각각 감싸는 형태로 된 제2 원통형 전극부로 구성되고,
    상기 유위측정부 및 상기 유전정접 측정부의 제2 원통형 전극부 외부에는 원주 방향을 따라 적어도 1 이상의 절연유 출입공이 설치되는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유위 측정부와 유전정접 측정부 사이에 삽입되는 절연부 또는 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부 중 적어도 어느 하나에는 온도 센서가 포함되는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자.
  5. 배전용 변압기의 절연유의 열화를 측정하는 절연유 열화 측정 시스템에 있어서,
    절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정부와, 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부와, 상기 유전정접 측정부의 상단부에 설치되는 절연부와, 상기 유전정접 측정부와 외부의 열화 측정 장치 사이에 접속되어 외부의 열화 측정 장치로부터 전원을 인가하는 복수개의 배선을 구비하며, 상기 유전정접 측정부는 각각 내부가 빈 제1 원통형 전극부와, 역시 내부가 비어 있으며 상기 제1 원통형 전극부를 감싸는 형태로 된 제2 원통형 전극부로 구성되고, 상기 유위측정부의 제2 원통형 전극부 외부에는 원주 방향을 따라 적어도 1 이상의 절연유 출입공이 설치되는 것을 특징으로 하는 절연유 열화 측정 탐촉자; 및
    상기 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부와 전기적으로 연결되어 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정장치와, 상기 유전정접 측정장치로부터 데이터를 전송받아 처리하는 중앙 제어장치를 포함하는 절연유 열화 측정장치
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연유 열화 측정 장치의 유전정접 측정 장치는,
    정현파 전압을 발생시켜 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부에 인가하는 전압 발생기와, 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부와 연결되어 전류를 전압으로 변환하는 I/V 변환기와, 상기 I/V 변환기의 출력을 증폭하는 제1 증폭기와, 상기 제1 증폭기의 출력을 소정 대역 범위 내로 필터링하는 대역 통과 필터와, 상기 대역 통과 필터의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기와, 상기 전압 발생기의 출력을 증폭하는 제2 증폭기와, 상기 제2 증폭기의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기와, 상기 레벨 검출기들의 출력을 AND 연산하는 AND 게이트와, 상기 AND 게이트로부터의 출력을 입력받아 미리 입력되어 있는 소정의 프로그램에 의하여 유전정접 데이터를 계산하여 상기 중앙 제어 장치로 전송하는 마이크로 컨트롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부에는 온도 센서가 포함되는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 중앙 제어 장치는 상기 온도 센서로부터 취득한 온도 데이터에 대하여 상기 상기 유전정접 측정장치로부터 취득한 데이터를 보정하는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 중앙 제어 장치는 원격지의 제어국과 무선 통신을 통해 데이터를 송수신하기 위한 무선 송수신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
  10. 배전용 변압기의 절연유의 열화를 측정하는 절연유 열화 측정 시스템에 있어서,
    절연유의 유위를 측정하는 유위 측정부와, 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정부와, 상기 유위 측정부와 유전정접 측정부 사이에 삽입되는 절연부와, 상기 유전정접 측정부의 상단부에 설치되는 절연부와, 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부와, 상기 유위 측정부 및 유전정접 측정부와 외부의 열화 측정 장치 사이에 접속되어 외부의 열화 측정 장치로부터 전원을 인가하는 복수개의 배선을 구비하며, 상기 유위 측정부 및 유전정접 측정부는 각각 내부가 빈 제1 원통형 전극부와, 역시 내부가 비어 있으며 상기 제1 원통형 전극부를 각각 감싸는 형태로 된 제2 원통형 전극부로 구성되고, 상기 유위측정부 및 상기 유전정접 측정부의 제2 원통형 전극부 외부에는 원주 방향을 따라 적어도 1 이상의 절연유 출입공이 설치되는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 탐촉자; 및
    상기 열화 측정 탐촉자의 유위 측정부와 전기적으로 연결되어 절연유의 유위를 측정하는 유위 측정장치와, 상기 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부와 전기적으로 연결되어 절연유의 유전정접을 측정하는 유전정접 측정장치와, 상기 유위 측정장치 및 유전정접 측정장치로부터 데이터를 전송받아 처리하는 중앙 제어장치를 포함하는 절연유 열화 측정장치
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 절연유 열화 측정 장치의 유위 측정 장치는,
    정현파 전압을 발생시켜 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 상기 유위 측정부로 인가하는 전압 발생기와, 상기 절연유 열화 측정 탐촉자와 전기적으로 연결되어 절연유의 커패시턴스를 측정하는 브리지 회로와, 상기 브리지 회로의 출력을 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기의 출력을 직류로 변환하는 A/D 컨버터와, 상기 A/D 컨버터에서 출력되는 직류로부터 미리 입력되어 있는 소정의 프로그램에 의하여 유위를 계산하여 상기 중앙 제어장치로 전달하는 마이크로 컨트롤러를 구비하고,
    상기 절연유 열화 측정 장치의 유전정접 측정 장치는,
    정현파 전압을 발생시켜 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부에 인가하는 전압 발생기와, 상기 절연유 열화 측정 탐촉자의 유전정접 측정부와 연결되어 전류를 전압으로 변환하는 I/V 변환기와, 상기 I/V 변환기의 출력을 증폭하는 제1 증폭기와, 상기 제1 증폭기의 출력을 소정 대역 범위 내로 필터링하는 대역 통과 필터와, 상기 대역 통과 필터의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기와, 상기 전압 발생기의 출력을 증폭하는 제2 증폭기와, 상기 제2 증폭기의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출기와, 상기 레벨 검출기들의 출력을 AND 연산하는 AND 게이트와, 상기 AND 게이트로부터의 출력을 입력받아 미리 입력되어 있는 소정의 프로그램에 의하여 유전정접 데이터를 계산하여 상기 중앙 제어 장치로 전송하는 마이크로 컨트롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 유위 측정부와 유전정접 측정부 사이에 삽입되는 절연부 또는 상기 유전정접 측정부 하단부에 설치되는 절연부 중 적어도 어느 하나에는 온도 센서가 포함되는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 중앙 제어 장치는 상기 온도 센서로부터 취득한 온도 데이터에 대하여 상기 유위 측정장치 및 상기 유전정접 측정장치로부터 취득한 데이터를 보정하는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 중앙 제어 장치는 원격지의 제어국과 무선 통신을 통해 데이터를 송수신하기 위한 무선 송수신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배전용 변압기의 절연유 열화 측정 시스템.
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