KR100576908B1 - 가스절연개폐장치의 결함 진단장치 - Google Patents

가스절연개폐장치의 결함 진단장치 Download PDF

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Abstract

가스절연개폐장치 내에 도전성 파티클 존재에 의한 진동 신호를 검출하는 복수의 초음파 센서, 도체의 열팽창에 의해 발생하는 진동신호를 검출하는 가속도 센서, 이들 센서로부터 얻은 신호를 증폭하는 증폭기, 증폭된 신호를 디지털화하기 위한 A/D 컨버터, 컨버터 데이터를 처리하기 위한 프로그램을 내장하는 컴퓨터장치를 포함하여 이루어지는 가스절연개폐장치의 결함 진단장치가 개시된다.
본 발명에 따르면, 가스절연개폐장치 시험시 또는 운전시 전력기기 내부에서 금속 파티클 등에 의해 발생하는 초음파 및 도체의 접속부에서 발생되는 진동의 가속도를 측정하여 파티클의 유무, 위치 및 크기를 알고, 도체 접속 상태를 외부의 영향을 줄이면서 진단할 수 있다.

Description

가스절연개폐장치의 결함 진단장치 {Apparatus for detecting defacts in Gas Insulated Switchgear}
도1은 본 발명의 가스절연개폐장치 결함 진단장치의 일 실시예에 대한 블럭 구성도이며,
도2는 주파수 응답 특성이 다른 두 개의 초음파 센서로부터 측정된 파티클 진동신호의 파형그래프의 예를 나타내는 인터페이스 화면,
도3은 도2의 2개의 초음파 신호로부터 결함 위치 추정을 한 자동 연관(Auto Correlation)의 결과를 나타내는 인터페이스 화면,
도4는 가속도 센서로부터 측정된 도체의 진동신호를 나타내는 인터페이스 화면,
도5는 도4의 고조파 분석을 위한 고속 퓨리에 변환(FFT:Fast Fourier Transform) 결과를 나타내는 인터페이스 화면이다.
본 발명은 가스절연개폐장치(Gas Insulated Switchgear, 가스절연개폐장치)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스절연개폐장치 내부의 금속 파티클이나 내부 도체 사이의 접속의 문제점을 진단하는 결함 진단장치에 관한 것이다.
전력수요의 증가에 따라 전력설비는 대용량화되고 있으나, 변전소 부지 선정의 어려움과 도심의 환경친화성 문제로 인하여, 전력설비는 더욱 축소화가 요구된다. 가스절연개폐장치는 이러한 요구에 의하여 차단기, 단로기, 접지개폐기, 모선, 변류기 등을 밀폐구조의 금속용기에 수납하고, 절연 스페이서로 이격 지지하면서 용기 내부를 절연성 SF6 등의 가스로 충진시킨 구조로 이미 변전소 개폐장치의 주류를 이루고 있다.
가스절연개폐장치는 고전압 도체와 금속용기 사이의 거리를 대폭 축소시키고, 고기압의 절연성 SF6 가스를 충진한 구조이므로, 내부 전계강도가 매우 높은 상태를 유지하고 있다. 가스절연개폐장치 같은 가스절연기기 내부에 부유전극, 도전성 입자 또는 날카로운 부위 등이 존재할 때 부분방전이 발생하며, 이때 경우에 따라서는 가스절연개폐장치의 절연파괴를 유도하여 기기 고장 및 사고의 원인이 되기도 한다. 가스절연개폐장치에서 사고가 발생하면 그 피해의 파급 범위가 광범위하여 경제적 손실과 심리적 불안이 막대하다. 따라서, 가스절연개폐장치의 운전에는 높은 신뢰성이 요구된다.
가스절연개폐장치 설비 고장의 대부분을 차지하는 절연파괴는 파티클의 유입, 도체간의 접촉불량, 도체표면의 손상, 스페이서의 결함 등 여러 종류의 내부결함에 의해 발생한다.
이들 요인 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 도전성 파티클(particle)에 의한 절연파괴이다. 가스절연개폐장치 내에 금속 파티클이 존재하는 것은 제작시는 물론, 운반, 현장조립 및 정밀점검시 가스절연개폐장치를 개방할 경우에 금속입자가 혼입될 수 있기 때문이다. 가스절연개폐장치 내부에 도전성 파티클이 존재할 경우, 중앙도체에 인가된 전압이 일정값을 초과하게 되면 외측 전극 바닥에 놓여 있던 파티클이 기립동작과 함께 절연공간에서 튀는 동작을 반복하거나 공간을 가로질러 중앙도체까지 접근함으로써 절연파괴의 직접적인 원인으로 작용하게 된다.
따라서, 가스절연개폐장치 현장 설치 후와 개방 상태의 정밀점검이 끝난 후에는 금속 파티클이 가스절연개폐장치 내부에 존재하는지의 여부를 확인하고, 금속 파티클 입자가 존재하면 그 위치와 크기를 확인하여 위험할 경우에는 제거할 필요가 있다.
가스절연개폐장치는 구조 특성상 내부상황이 쉽게 파악되지 않으나, 도전성 파티클이 가스절연개폐장치 내에서 튀는 동작을 계속하고 있을 때 외부에서 운전자가 이러한 결함을 발견하는 것은 최근에 UHF(Ultra High Frequency) 부분방전 검출기술 등의 최신 기술의 개발로 가능하게 되었다. 이러한 기술 등에 힘입어, 부분방전시 발생하는 신호를 진동, 초음파, 고주파, 초고주파 센서로 검출하여, 검출된 신호로부터 방전에 의한 이상신호를 분리하여 분석함으로써 가스절연 고전압기기에서 발생할 수 있는 고장을 미연에 방지하고자 하는 노력이 있어 왔다.
그런데, 종래의 파티클 진단을 위한 초음파 측정 방식은 하나의 센서로 파티클의 유무와 대략적인 위치만을 추정할 수 있었다. 따라서, 가스절연개폐장치의 잔여 수명이나 사고 가능성을 알기 위해 필요한 중요한 요소인 파티클의 크기를 측정 할 수 있는 수단이 요청되고 있다.
또한, 가스절연개폐장치 고장의 중요한 요인으로 도체간 접촉 불량에 의한 절연파괴가 있다. 도체의 접촉 불량은 외측 금속 용기 표면의 온도 상승 효과를 이용하여 진단할 수 있다. 그러나, 온도 상승 효과를 이용하는 방법은 내부 유통 전류의 크기나 외부 온도에 의해 크게 영향을 받으므로 정확한 진단이 매우 어렵다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 가스절연개폐장치의 결함 진단상의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가스절연개폐장치의 운전 상태에서 가스절연개폐장치 내부에 금속 파티클이 존재하는지의 여부와 그 위치뿐 아니라 크기도 검출할 수 있는 가스절연개폐장치의 결함 진단장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 내부의 도체 사이의 접속 불량을 외부 환경이나 내부 전류의 큰 영향 없이 정확히 검출할 수 있는 가스절연개폐장치의 결함 진단장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스절연개폐장치의 결함 진단장치는 가스절연개폐장치 내에 도전성 파티클 존재에 의한 진동 신호를 검출하는 복수의 초음파 센서, 도체의 열팽창에 의해 발생하는 진동신호를 검출하는 가속도 센서, 이들 센서로부터 얻은 신호를 증폭하는 증폭기, 증폭된 신호를 디지털화하기 위한 A/D 컨버터, 컨버터 데이터를 처리하기 위한 프로그램을 내장하는 컴퓨터장치를 포 함하여 이루어진다.
본 발명에서 증폭기는 다채널 증폭기나 광대역 증폭기가 사용될 수 있고, 증폭기로 증폭된 신호는 필터를 거쳐 특정 대상 영역의 신호만을 얻어낼 수 있다.
본 발명에서 복수의 초음파 센서는 통상 가스절연개폐장치의 금속 용기 외부 표면에 설치되며, 주파수 응답 특성이 다른 두 개로 이루어져 피티클의 크기 등의 특징을 분석가능하도록 한다. 이때 파티클의 크기를 얻기 위해 사용될 수 있는 식은 파티클의 크기를 PS, K 및 b를 계수, Y1을 125KHz 공진 주파수를 갖는 초음파 센서의 신호 크기, Y2를 50KHz 공진 주파수를 갖는 초음파 센서의 신호 크기라 할 때 다음 식으로 주어질 수 있음을 경험적 연구를 통해 얻었다.
PS=-K(Y2/Y1)+b
본 발명에서 가속도 센서는 통상 금속 용기의 접속 플랜지에 설치된다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 가스절연개폐장치 결함 진단장치의 일 실시예에 대한 블럭 구성도이며, 도2는 주파수 응답 특성이 다른 두 개의 초음파 센서로부터 측정된 파티클 진동신호의 파형그래프의 예를 나타내는 인터페이스 화면, 도3은 도2의 2개의 초음파 신호로부터 결함 위치 추정을 한 자동 연관(Auto Correlation)의 결과를 나타내는 인터페이스 화면, 도4는 가속도 센서로부터 측정된 도체의 진동신호를 나타내는 인터페이스 화면, 도5는 도4의 고조파 분석을 위한 고속 퓨리에 변환(FFT:Fast Fourier Transform) 결과를 나타내는 인터페이스 화면이다.
도1을 참조하면, 가스절연개폐장치 결함 진단장치는 개략적으로 파티클 특성을 파악하기 위한 복수의 초음파 센서 및 부착기구, 도체의 열팽창에 의해 발생하는 진동신호를 검출하는 가속도 센서 및 부착기구, 이들 센서들로부터 얻은 신호를 증폭하는 다채널 증폭기와 증폭된 신호에서 필요한 신호만을 검출하는 필터, 증폭된 신호를 처리를 위해 디지털화하기 위한 A/D 컨버터, 컨버터 데이터를 처리하기 위한 프로그램을 내장하는 컴퓨터장치를 포함하여 이루어진다.
초음파 센서는 주파수 응답 특성이 다른 복수의 초음파 센서, 가령, 125KHz의 공진 주파수를 가지는 초음파 센서와 50KHz의 공진 주파수를 가지는 2개의 초음파 센서로 구성된다. 이들 초음파 센서는 통상 가스절연개폐장치의 금속 용기 외부 표면에 설치되며, 가스절연개폐장치에 센서를 설치할 때의 편의를 위해 통상 별도의 부착용 취구가 제공된다.
다채널 증폭기와 필터는 초음파용과 가속도용으로 구성되며 각각 두개의 채널을 가지도록 한다. 일 적용예를 보면, 초음파용은 최대 15배의 증폭율을 갖고 주파수 대역 40 내지 300 kHz를 가지고, 가속도용은 최대 20배의 증폭율을 갖고 주파수 대역 10 내지 20 kHz를 가진다.
A/D 컨버터도 초음파용과 가속도용으로 나뉘어 설치될 수 있으며, 초음파용 컨버터는 최대 8MHz의 샘플링 주파수를 갖는 것으로 하였고, 가속도용 컨버터는 최대 2MHz의 샘플링 주파수를 갖는 것으로 하였으며, 샘플링 주파수는 가변 가능하도록 할 수 있다.
컴퓨터 장치는 장비의 전용 콘트롤러 컴퓨터로 이루어지거나 일반적인 컴퓨터 시스템 가운데 계산 속도가 충분한 것을 연결시켜 사용할 수 있다. 컴퓨터 장치는 내장된 프로그램을 통해 복수의 초음파 센서로부터 얻은 신호의 크기 비로부터 파티클의 크기를 진단하고, 복수의 초음파 센서로부터 얻은 신호의 자동 상호 연관을 구하여 시간차로부터 파티클의 위치를 진단할 수 있다. 또한, 가속도 센서로부터 얻은 신호를 고속 퓨리에 전환을 통해 처리하여 도체의 접속상태를 진단할 수 있도록 이루어진다. 이때 소프트 웨어는 사용이 편리한 메뉴 방식으로 하여 인터페이스가 용이하도록 한다.
도2는 본 발명의 일 실시예를 통해 측정된 초음파신호 파형으로, 하나는 125KHz의 공진 주파수를 갖는 초음파센서의 측정 파형이고, 다른 하나는 50KHz 공진 주파수를 갖는 초음파센서의 측정파형이다. 이들 신호의 측정치의 크기 비율로부터 파티클의 크기 등의 특징을 분석, 추정할 수 있게 된다. 즉, 파티클의 크기를 PS, K 및 b를 계수, Y1을 125KHz 공진 주파수를 갖는 초음파 센서의 신호 크기, Y2를 50KHz 공진 주파수를 갖는 초음파 센서의 신호 크기라 할 때 파티클의 크기는 PS=-K(Y2/Y1)+b 로 얻는다.
도3은 파티클이 존재하는 곳의 위치를 알기 위해 두 신호를 프로그램 상으로 상호 자동 연관(auto correlation)시킨 결과를 나타내며, 이 결과로부터 그래프 상의 피크 위치에서의 시간축 상의 값을 알면 두 신호간의 시간차를 알 수 있다. 두 센서의 위치와 초음파의 속도를 통해 각 센서에서의 진동원까지의 거리를 연산할 수 있고, 진동원의 위치를 추정할 수 있게 된다.
도4는 도체의 열응력으로 인하여 발생하는 진동을 가속도 센서로 측정한 결과를 나타낸다. 도체의 내부 접속이 불량하면 전류의 주울열에 의해 열팽창이 생기고 팽창과정에서 120Hz 정도의 고조파 진동이 발생하므로 이 진동 신호를 감지하게 된다. 신호에 대해 한 번에 두 개의 센서로 두 지점에서 동시에 측정이 가능하다. 측정된 가속도 신호를 컴퓨터에서 고속 퓨리에 전환(FFT)을 통해 처리하여 도5와 같은 결과를 얻을 수 있다. 이때, 2.5kHz 이상의 영역에서 고조파가 나타나면 접속상태가 좋지 않은 것으로 추정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스절연개폐장치 시험시 또는 운전시 전력기기 내부에서 금속 파티클 등에 의해 발생하는 초음파 및 도체의 접속부에서 발생되는 진동의 가속도를 측정하여 파티클의 유무, 위치 및 크기를 알고, 도체 접속 상태를 외부의 영향을 줄이면서 진단할 수 있다.
따라서, 가스절연개폐장치의 적절한 진단을 통해 가스절연개폐장치를 경제적으로 유지 보수할 수 있고, 고장을 사전에 방지하여 운전의 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (6)

  1. 가스절연개폐장치(GIS) 내에 파티클 결함에 의한 진동 신호를 검출하는 복수의 초음파 센서,
    도체의 열팽창에 의해 발생하는 진동신호를 검출하는 가속도 센서,
    상기 초음파 센서 및 상기 가속도 센서로부터 얻은 신호를 증폭하는 증폭기,
    상기 증폭기에서 증폭된 신호를 디지털화하기 위한 A/D 컨버터,
    상기 A/D 컨버터로부터 얻은 컨버터 데이터를 처리하는 컴퓨터장치를 포함하여 이루어지는 가스절연개폐장치의 결함 진단장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 초음파 센서는 주파수 응답 특성을 달리하는 두 개의 초음파 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스절연개폐장치의 결함 진단장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는 다채널 증폭기이며,
    상기 증폭기로 증폭된 신호로부터 특정 대상 영역의 신호만을 얻어낼 수 있도록 상기 증폭기에 이어 주파수 필터가 더 구비됨을 특징으로 하는 가스절연개폐장치의 결함 진단장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 장치는 내장된 프로그램을 통해 상기 복수의 센서로부터 얻은 신호의 크기 비로부터 파티클의 크기를 진단하되, 파티클의 크기를 PS, K 및 b를 계수, Y1을 125KHz 공진 주파수를 갖는 초음파 센서의 신호 크기, Y2를 50KHz 공진 주파수를 갖는 초음파 센서의 신호 크기라 할 때 PS=-K(Y2/Y1)+b 의 식에 의해 크기를 진단하는 것을 특징으로 하는 가스절연개폐장치의 결함 진단장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 센서로부터 얻은 신호의 자동 상호 연관을 구하여 시간차로부터 파티클의 위치를 진단하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스절연개폐장치의 결함 진단장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 장치는 내장된 프로그램을 통해 상기 가속도 센서로부터 얻은 신호를 고속 퓨리에 전환을 통해 처리하여 도체의 접속상태를 진단하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스절연개폐장치의 결함 진단장치.
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