KR100666505B1 - External Sensor for Diagnosis Partial Discharge of Gas-Insulated Switchgear - Google Patents

External Sensor for Diagnosis Partial Discharge of Gas-Insulated Switchgear Download PDF

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KR100666505B1
KR100666505B1 KR1020050013256A KR20050013256A KR100666505B1 KR 100666505 B1 KR100666505 B1 KR 100666505B1 KR 1020050013256 A KR1020050013256 A KR 1020050013256A KR 20050013256 A KR20050013256 A KR 20050013256A KR 100666505 B1 KR100666505 B1 KR 100666505B1
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(주) 피에스디테크
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Abstract

본 발명은 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서에 관한 것으로, GIS(가스 절연 개폐장치) 스페이서(Spacer) 외부에 설치되어 GIS 내부에서 발생된 부분 방전 UHF(초고주파) 신호를 감지하는 패치 안테나(Patch Antenna)가 구비되고, 상기 패치 안테나가 수용되고 외관은 노출에 의한 외부 잡음을 최소화하기 위한 금속 차폐재로 구성되며, 상기 패치 안테나를 고정시키기 위한 절연체가 금속 차폐재 내부에 채워진 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서에 있어서, 상기 패치 안테나는 GIS의 감지창에 설치되어 5pC의 부분 방전신호를 검출하는 것으로서, 안테나의 길이가 주파수의 함수로서 반파장(λ/2)에 비례하고, 무지향성 방사특성을 갖는 다이폴(Dipole) 패치 안테나; 상기 다이폴 패치 안테나의 변형된 형태로서 길이와 너비가 동일한 패트(Fat) 다이폴 패치 안테나; 광대역 안테나 소자로 주파수의 대수로서 주기적으로 변하는 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나; 도체면이 각도로서 표현되는 기하학적 구조를 갖는 등각 스파이럴 패치 안테나; 및 등각 나선형에 대하여 극각(polar)에 선형적으로 비례하고 주파수 독립 특성을 갖는 스파이럴 패치 안테나 중에서 어느 하나가 적용되어 가스 절연 개폐장치의 부분 방전을 진단하여 검출해내는 고감도의 초고주파 센서이다.The present invention relates to an external partial discharge detection sensor of a gas insulated switchgear, which is installed outside a GIS (Gas Insulated Switchgear) spacer and a patch antenna for detecting a partial discharge UHF signal generated in the GIS ( (Patch Antenna) is provided, the patch antenna is accommodated and the appearance is composed of a metal shielding material for minimizing external noise due to exposure, the insulator for fixing the patch antenna is an external type of gas insulated switchgear filled inside the metal shielding material In the partial discharge detection sensor, the patch antenna is installed in the detection window of the GIS to detect the partial discharge signal of 5pC, the length of the antenna is proportional to the half wavelength (λ / 2) as a function of the frequency, omni-directional radiation Dipole patch antenna having a characteristic; A Fat dipole patch antenna having a modified length of the dipole patch antenna and having the same length and width; A pair of planar logarithmic periodic patch antennas that periodically vary as a logarithm of frequency with a wideband antenna element; An conformal spiral patch antenna having a geometry in which the conductor surface is expressed as an angle; And a spiral patch antenna that is linearly proportional to polar with respect to the conformal spiral and has a frequency independence characteristic, thereby detecting and detecting partial discharge of the gas insulated switchgear.

가스 절연, 개폐장치, 불화유황, 부분 방전, 검출 센서, 초고주파, 광대역  Gas Insulation, Switchgear, Sulfur Fluoride, Partial Discharge, Detection Sensor, Ultra High Frequency, Broadband

Description

가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서{External Sensor for Diagnosis Partial Discharge of Gas-Insulated Switchgear}External Sensor for Diagnosis Partial Discharge of Gas-Insulated Switchgear}

도 1a는 일반적인 가스 절연 개폐장치 내부의 외함 고정 돌출부에 의한 부분 방전 발생시에 내부 전계 및 내부 현상을 나타낸 도면이다.1A is a view illustrating an internal electric field and an internal phenomenon when partial discharge occurs due to an enclosure fixing protrusion inside a general gas insulated switchgear.

도 1b는 전형적인 부분 방전에 의한 전류 펄스를 나타낸 그래프이다.1B is a graph showing a current pulse by a typical partial discharge.

도 2는 가스 절연 개폐장치(GIS) 내부의 전자파 진행 및 전달 상태를 나타낸 도면이다.2 is a view showing the electromagnetic wave propagation and transmission state inside the gas insulated switchgear (GIS).

도 3은 GIS 내부의 전자파 발생과 진행경로 및 검출방법을 예시한 도면이다.3 is a diagram illustrating an electromagnetic wave generation, a traveling path, and a detection method inside a GIS.

도 4a 내지 도 4d는 스파이럴 선형 안테나를 예시한 도면이다.4A through 4D are diagrams illustrating a spiral linear antenna.

도 5a는 스파이럴 평판을 나타낸 것이고, 도 5b는 슬롯 안테나를 예시한 것이다.Figure 5a shows a spiral plate, Figure 5b illustrates a slot antenna.

도 6a는 평면형 대수 주기 안테나를 나타낸 것이고, 도 6b는 도선형 대수 주기 안테나를 예시한 것이다.FIG. 6A illustrates a planar logarithmic periodic antenna, and FIG. 6B illustrates a lead logarithmic periodic antenna.

도 7a는 사다리꼴 톱날 평면형 대수 주기 안테나를 나타낸 것이고, 도 7b는 사다리꼴 톱날 도선형 대수 주기 안테나를 예시한 것이다.FIG. 7A illustrates a trapezoidal saw blade planar logarithmic periodic antenna, and FIG. 7B illustrates a trapezoidal saw blade leaded logarithmic periodic antenna.

도 8은 본 발명의 일 실시예로서 외장형 센서의 구조를 나타낸 도면이다.8 is a view showing the structure of an external sensor as an embodiment of the present invention.

도 9a 내지 도 9b는 외장형 센서에 적용되는 패치 안테나의 구조를 예시한 도면이다.9A to 9B are views illustrating a structure of a patch antenna applied to an external sensor.

도 10은 외장형 센서에 적용되는 패치 안테나의 RL(반사손실) 계산값과 측정값을 비교한 그래프이다.FIG. 10 is a graph comparing a measured value and a reflection loss (RL) calculation value of a patch antenna applied to an external sensor.

도 11은 실제 규모급 GIS용 외장형 센서를 예시한 도면이다.11 is a diagram illustrating an external sensor for an actual scale GIS.

도 12는 외장형 센서에 적용되는 패치 안테나의 구조에 따른 센서의 RL(반사손실) 계산값과 측정값을 비교한 그래프이다.FIG. 12 is a graph comparing the calculated RL (reflection loss) calculated value and the measured value according to the structure of a patch antenna applied to an external sensor.

도 13은 다이폴 패치 안테나의 자유공간과 금속 케이스가 있는 상태에서의 RL 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 13 is a graph illustrating RL characteristics in the presence of a free space and a metal case of a dipole patch antenna; FIG.

도 14는 자유공간에 설치된 다이폴 패치 안테나의 RL 변화를 나타낸 그래프이다.14 is a graph illustrating RL change of a dipole patch antenna installed in a free space.

도 15a는 부분 방전 발생장치를 나타낸 것이고, 도 15b는 겉보기 방전량(5pC)을 나타낸 그래프이다.FIG. 15A shows a partial discharge generator, and FIG. 15B is a graph showing the apparent discharge amount 5pC.

도 16은 외장형 센서의 성능시험을 위한 실제 규모급 GIS 목업을 예시한 도면이다.16 is a diagram illustrating an actual scale GIS mockup for performance test of an external sensor.

도 17은 외장형 센서 시험장치의 구성도이다.17 is a configuration diagram of an external sensor test apparatus.

도 18a 내지 도 18e는 외장형 UHF(초고주파) 센서의 RL을 비교한 그래프이다.18A to 18E are graphs comparing RL of an external UHF (ultra high frequency) sensor.

도 19a 내지 도 19e는 외장형 UHF 센서의 주파수 응답 특성을 비교한 그래프이다.19A to 19E are graphs comparing frequency response characteristics of an external UHF sensor.

도 20a 내지 도 20e는 외장형 UHF 센서의 부분 방전신호 측정 파형을 나타낸 그래프이다.20A to 20E are graphs illustrating waveforms of measurement of partial discharge signals of an external UHF sensor.

본 발명은 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 전력설비로서 사용되는 SF6(불화유황) 가스 절연 개폐장치의 부분 방전을 진단하여 검출해내는 고감도의 초고주파 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an external partial discharge detection sensor of a gas insulated switchgear, and more particularly, to a high-sensitivity ultra-high frequency sensor that detects and detects a partial discharge of a SF 6 (sulfur fluoride) gas insulated switchgear used as a power equipment. It is about.

SF6 가스 절연 개폐장치(Gas-Insulated Switchgear, GIS)는 우수한 절연내력, 차단성능과 신뢰성이 높은 전력설비로서, 고장이 발생하면 그 파급효과에 의한 경제적 손실이 매우 크다. 현재 GIS 사고를 예방하기 위한 기술개발 및 노력이 꾸준히 진행되고 있고, 유럽이나 일본 등 극소수 국가에서 현장 적용기술이 제시되어 적용되고 있다. 그러나 최신 기술로서는 기술의 장벽이 높을 뿐만 아니라, 실제 현장적용에는 다소 미흡한 부분이 있기 때문에 적용이 보편화되어 있지 않은 실정이다.SF 6 Gas-Insulated Switchgear (GIS) is a power equipment with excellent dielectric strength, breaking performance and reliability. In case of a failure, the economic effect of the ripple effect is very high. At present, technology development and efforts to prevent GIS accidents are steadily progressing, and on-site application technology is proposed and applied in very few countries such as Europe and Japan. However, the state-of-the-art technology is not only because of high technical barriers, but also somewhat lacking in actual field application, the application is not universal.

종래에 일본에서는 전력설비로서, 계통 최고 전압인 500kV에서 1,000kV로 격상시키기 위하여 시험용 3상 변전소 1개소를 건설하여 1996년부터 장기간 동안 시험 운전을 하고 있다. 해당 업체가 개발한 1,000kV 변압기 및 GIS의 시험 운전 과 정에서 운전 사고가 발생하여 이러한 기기들의 성능에 대한 검증 및 보완작업이 꾸준히 이루어지고 있다. 더욱이 수많은 연구기관들이 GIS의 내부결함을 검출해 내기 위하여 다양한 방법들이 적용 및 제시되고 있다.Conventionally, as a power facility in Japan, a test three-phase substation was constructed in order to upgrade the system's maximum voltage from 500 kV to 1,000 kV and has been in trial operation for a long time since 1996. Operational accidents occurred during the test operation of the 1,000kV transformer and GIS developed by the company, and the performance of these devices is continuously verified and supplemented. Moreover, numerous research institutes have applied various methods to detect internal defects of GIS.

한편, 영국이나 일본의 경우에는 UHF(Ultra High Frequency, 초고주파) 진단기술 중심으로 발전하였고, 스웨덴이나 노르웨이 등에서는 음향신호 진단기술 중심으로 연구가 진행되고 있다.Meanwhile, in the UK and Japan, UHF (Ultra High Frequency) diagnostic technology has been developed, and in Sweden and Norway, research is being conducted on acoustic signal diagnosis technology.

이와 같이 현장적용에 적합한 기술들을 선정하기 위한 기술검증 노력이 CIGRE(국제전력기술회의)를 중심으로 집중적인 연구가 이루어졌고, 그 결과 CIGRE 전문 분과 그룹에서는 전기적 방법으로는 UHF 진단법을, 기계적 방법으로는 음향신호 진단법을 병행할 것을 추천하고 있다.As a result, intensive efforts have been focused on CIGRE (International Power Engineering Conference) to select suitable technologies for field application. As a result, the CIGRE specialized group uses UHF diagnostic method as electrical method and mechanical method. Recommends a combination of acoustic signal diagnostics.

특히 영국의 DMS(Diagnostic Monitering System)사는 UHF 기술을 최초로 개발한 회사로서, 1980년대 초부터 연구를 시작하여 1988년부터 영국에서 신설되는 모든 GIS는 UHF 센서를 내장시키는 것을 표준 사양화하였다. 이러한 기술추세를 감안할 때, 부분 방전으로 인하여 발생하는 UHF 대역의 신호를 측정하여 GIS 내부의 상태를 항상 감시할 수 있는 진단 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.In particular, the UK's Diagnostic Monitering System (DMS) was the first company to develop UHF technology. Starting in the early 1980s, all GISs introduced in the UK since 1988 standardized the inclusion of UHF sensors. In light of these technical trends, there is an urgent need for a diagnosis technology that can always monitor the status of the GIS by measuring signals in the UHF band generated by partial discharge.

불화유황(SF6)으로 절연된 GIS 내부에서 부분 방전이 발생되면 부분 방전 펄스는 수 ns 정도의 가파른 상승 시간을 가진 펄스로 수 백 ㎒에서 수 ㎓에 이르는 주파수 성분을 포함하고 있는 것으로 알려져 있다.  GIS 내부 결함에 의해 발생된 전자파 신호는 복잡한 공진 및 반사, 감쇠 현상을 수반하며 GIS 내부를 전파하게 된다. 내부에서 전파되는 전자파 신호는 UHF 대역에서 반응하는 센서를 GIS 내에 장착하거나 외부에 장착하여 검출할 수 있으며, 이를 UHF 부분 방전 검출기법(UHF Method)라고 한다.Insulated with sulfur fluoride (SF 6 ) When partial discharge is generated in the GIS, the partial discharge pulse is a pulse having a steep rise time of several ns and is known to contain a frequency component of several hundred MHz to several kHz. Electromagnetic signals generated by GIS internal defects are accompanied by complex resonance, reflection and attenuation and propagate inside the GIS. The electromagnetic wave signal propagated from the inside can be detected by mounting a sensor that reacts in the UHF band in the GIS or externally, which is called the UHF partial discharge detector method (UHF method).

종래에 도 1a는 GIS 내부 외함 고정 돌출부에 의하여 부분 방전이 발생하였을 때에 내부 전계 및 내부 현상을 도식화한 것이고, 도 1b는 전형적인 전류 펄스 파형을 나타낸 것이다. GIS 내부에서 부분 방전이 발생하면 GIS 내부에는 도 1b에서와 같이, 수십 ps의 매우 빠른 상승 시간을 갖는 과도전류(transient electric current)가 흐르게 된다. 이때 전류펄스를 가우시안(Gaussian) 형태의 펄스라 가정하고, 펄스폭이 1ns라고 하면 전류펄스의 주파수 분포는 DC에서 1GHz 대역까지 분포하게 되며, 이때의 전류펄스로 인해 20GHz에 이르는 전자파(electromagnetic wave)가 방사(radiation)된다. 여기서 방사되는 전자파의 파워(power, PEM)와 주파수(fEM)는 각각 전류펄스의 크기(it) 및 전류펄스의 상승, 그리고 하강부에서의 전류 변화율(

Figure 112005008461053-pat00001
)에 따라 결정된다.In the related art, FIG. 1A illustrates an internal electric field and an internal phenomenon when partial discharge occurs due to the GIS internal enclosure fixing protrusion, and FIG. 1B shows a typical current pulse waveform. When partial discharge occurs in the GIS, a transient electric current having a very fast rise time of several tens of ps flows in the GIS, as shown in FIG. 1B. In this case, assuming that the current pulse is a Gaussian pulse, and the pulse width is 1 ns, the frequency distribution of the current pulse is distributed from DC to 1 GHz band, and the electromagnetic pulse reaches 20 GHz due to the current pulse. Is radiated. Here, the power of the electromagnetic wave (power, P EM ) and the frequency (f EM ) are respectively the magnitude of the current pulse (i t ), the rise of the current pulse, and the rate of change of the current at the falling portion (
Figure 112005008461053-pat00001
Is determined by).

상기와 같이 부분 방전 전류에 의해 방사된 초고주파 신호는 내부 도체를 따라 파장이 다른 주파수의 형태로 전파(propagation)되고, 또한 반사(reflection)로 인해 전자파는 분산(dispersion)되어 전파되면서 신호 사이에 간섭이 일어나 지연(delay)되거나 유전율이 다른 매질(예로, 스페이서)을 만나면서 감쇠(attenuation)되어 전파된다.As described above, the ultra-high frequency signal radiated by the partial discharge current propagates in the form of frequencies with different wavelengths along the inner conductor, and the electromagnetic waves are dispersed and propagated due to reflection, thereby interfering between signals. This occurs and propagates by attenuation as it encounters a medium that is delayed or has a different dielectric constant (eg, a spacer).

GIS 챔버 구조는 UHF 신호 전달을 위한 저 손실 도파관(waveguide)으로 작용 하는 동축 전극형태의 급전선(transmission line)으로 가정할 수 있으므로, 만일 스페이서나 불연속점이 없다면 0.5m 반경을 가진 도파관의 경우에 1GHz 신호의 전달 손실은 이론적으로는 3-5dB/km에 불과하다. 그러나 GIS 내부의 복잡한 구조와 수많은 불연속점들에 의한 반사현상이 반복되어 발생된 신호는 2dB/m정도의 감쇠와 공진현상이 발생하게 된다.The GIS chamber structure can be assumed to be a transmission line in the form of coaxial electrodes acting as a low loss waveguide for UHF signal transmission, so if there is no spacer or discontinuity, a 1 GHz signal in the case of a 0.5 m radius waveguide The propagation loss of is theoretically only 3-5dB / km. However, due to the complex structure inside the GIS and the reflection caused by numerous discontinuities, the generated signal has attenuation and resonance of about 2dB / m.

이러한 결함으로 발생된 UHF신호는 GIS 챔버 내부를 전파하면서 신호 중에서 각 모드(mode)별로 차단 주파수 이하에 해당하는 부분은 급격히 감쇠한다. 신호는 빛의 속도에 가까운 속도로 동축 전극형태의 급전선을 따라 전파되며 스페이서를 통과할 때는 속도가

Figure 112005008461053-pat00002
로 감소된다. 여기서
Figure 112005008461053-pat00003
는 스페이서 절연체(에폭시)의 비유전율이다. GIS 내부 구조의 불균일에 의해 UHF 신호는 복잡한 형태의 반사를 일으키며, 이에 의한 효과는 이론적으로 분석될 수 없지만 크게 단순화시켜 표현할 수 있다.The UHF signal generated by such a defect propagates inside the GIS chamber while rapidly attenuating the portion of the signal that falls below the cutoff frequency for each mode. The signal propagates along a feed line in the form of a coaxial electrode at a speed close to the speed of light.
Figure 112005008461053-pat00002
Is reduced. here
Figure 112005008461053-pat00003
Is the dielectric constant of the spacer insulator (epoxy). UHF signals cause complex reflections due to non-uniformity of the GIS internal structure, and their effects cannot be analyzed theoretically but can be greatly simplified.

도 2는 GIS 내부의 전자파 진행 및 전달 상태를 나타낸 것으로, GIS 내부에서 발생된 전자파는 부분 방전이 발생한 지점에서부터 시작하여 SF6 가스와 동축 전극형태의 급전선을 따라 진행된다. 진행 중인 전자파는 금속 외함, 스페이서 및 점검창에 도달하게 되는데, 전자기 이론에 의하면 전자파는 완전 도체의 경우에 있어서 모든 계의 성분들이 도체 내부 영역에서 0이 되어야 한다는 조건이 있다. 따라서 GIS 외함에 도달한 전자파는 투과되지 못하고 전반사가 이루어져 GIS 내부에 존재하게 된다.Figure 2 shows the electromagnetic wave propagation and transfer state inside the GIS, the electromagnetic wave generated inside the GIS proceeds along the feed line of the SF 6 gas and coaxial electrode starting from the point where the partial discharge occurs. Ongoing electromagnetic waves reach the metal enclosures, spacers and inspection windows. Electromagnetic theory states that in the case of a complete conductor, all components of the system must be zero in the region inside the conductor. Therefore, the electromagnetic waves that reach the GIS enclosure are not transmitted but are internally reflected inside the GIS.

스페이서로 진행된 전자파는 SF6 가스와 유전율이 다른 매질(스페이서)을 통과하게 되므로 유전율의 차이에 의해 일부는 반사되고, 일부는 투과된다. 반사된 전자파는 투과되기 전에 베이(bay)의 GIS 내부에 존재하며 스페이서를 투과한 전자파는 다음 베이 GIS의 내부에 존재하거나 공기 중으로 방사된다. 부분 방전으로 인하여 발생된 전자파는 스페이서를 통과할 때마다 반사와 투과를 반복하면서 전자파 에너지가 감소하게 되며, 결국 감쇠되어 소멸된다Electromagnetic waves propagated through the spacer pass through a medium (spacer) having a different dielectric constant from that of SF 6 gas, so that some of them are reflected and some are transmitted by the difference in dielectric constant. The reflected electromagnetic waves are present inside the GIS of the bay before being transmitted and the electromagnetic waves passing through the spacer are present inside the next bay GIS or radiated into the air. The electromagnetic waves generated by the partial discharge decrease the electromagnetic energy by repeating reflection and transmission every time they pass through the spacer, and eventually become attenuated and extinguished.

전자파 검출에 의한 부분 방전 측정법은 부분 방전에 의한 초광대역(Ultra Wide Bandwidth, UWB) 전자파(Electro-Magnetic Wave, EM Wave) 신호를 초고주파 대역(300MHz ~ 3GHz)에서 검출하는 방법으로 외부 잡음에 의한 영향이 적어 현장에서의 부분 방전 측정 감도가 우수하여 결과적으로 결함 위치 판별이 가능하다.Partial discharge measurement by electromagnetic wave detection method detects Ultra Wide Bandwidth (UWB) Electro-Magnetic Wave (EM Wave) signal due to partial discharge in ultrahigh frequency band (300MHz ~ 3GHz). This makes it possible to measure the partial discharge in the field with high sensitivity, resulting in the determination of the defect location.

초고주파 센서는 GIS 점검창(Maintenance hall or Window)에 부착하는 내장형과 개방형 스페이서(Barrier) 또는 폐쇄형 스페이서에 부착하는 외장형으로 분류될 수 있으며, 각각의 특성은 설계하는 안테나의 형태와 재료의 재질에 따라 다르다. 개발 초기에 사용된 초고주파 센서는 용량성 분압기(capacitive coupler)의 원리를 이용하여 단일 디스크(disk) 형태의 검출부를 갖는 구조이고, 단일 주파수 대역에서의 공진(resonance)원리를 이용하여 전자파를 검출하였다. 이러한 단일 디스크 형태의 초고주파 센서는 검출 대역폭이 좁은 협대역(narrow bandwidth; Δf ≪ 1.5fc, fc; 중심주파수) 센서로서 부분 방전에 의한 방사 전자파의 주파수 분석에 한계가 있으며, 구조적으로 검출부인 금속 디스크가 점검창 내부의 SF6 가스 중 에 그대로 노출되어 있어 고전계(高電界)가 인가될 경우에 검출부인 금속 디스크에서의 절연파괴 위험도 제기되었다.Ultra-high frequency sensors can be classified into internal type attached to GIS maintenance hall or window and external type attached to open or closed spacers. Depends. The ultra-high frequency sensor used in the early stage of development has the structure of a single disk type detection unit using the principle of capacitive coupler, and the electromagnetic wave is detected by using the principle of resonance in a single frequency band. . This single disk type ultra-high frequency sensor is a narrow bandwidth (narrow bandwidth; Δf ≤ 1.5f c , f c ; center frequency) sensor, which is limited in the frequency analysis of radiated electromagnetic waves by partial discharge. Since the metal disk was exposed to the SF 6 gas inside the inspection window, the risk of breakdown of the metal disk as a detection part was raised when a high field was applied.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 초광대역(ultra wide-bandwidth; Δf > 1.5fc) 또는 주파수 비의존성(Frequency independent) 패치(Patch) 형태의 안테나를 초고주파 센서로 이용하는 연구들이 활발히 진행되고 있다.In order to solve this problem, studies using an ultra wide-bandwidth (Δf> 1.5f c ) or frequency independent patch type antenna as an ultra-high frequency sensor have been actively conducted.

상기와 같이 부분 방전 전류에 의해 방사된 초고주파 신호가 GIS 도파관을 따라 진행하다가 점검창에 도달하면 진행하던 매질이 다르므로 유전율의 차이에 의해 일부는 반사되며 일부는 투과된다. 반사된 전자파는 GIS 내부에 존재하고 투과된 전자파는 공기 중으로 방사된다.As described above, when the ultra-high frequency signal emitted by the partial discharge current reaches the inspection window after reaching the GIS waveguide, the medium is different, so that some parts are reflected and some are transmitted by the difference in dielectric constant. The reflected electromagnetic waves exist inside the GIS and the transmitted electromagnetic waves are emitted into the air.

결국, GIS 내부의 어떤 결함으로 인하여 발생된 부분 방전 신호들 중에서 전자파 신호는 GIS 내부 구조를 전송매체로 하여 진행하면서 스페이서나 점검창을 통과하여 공기 중으로 방사된 전자파 신호는 외장형 UHF 센서를 통해 검출할 수 있으며, 반사된 일부 전자파는 내장형 UHF 센서로 검출할 수 있다. 도 3은 전자파의 발생, 진행 및 검출 경로를 나타낸 것이다.As a result, among the partial discharge signals generated due to a defect in the GIS, the electromagnetic signal passes through the spacer or the inspection window while the internal structure of the GIS is transmitted as a transmission medium, and the electromagnetic signal can be detected through the external UHF sensor. Some reflected electromagnetic waves can be detected by the built-in UHF sensor. 3 shows the generation, progress and detection path of electromagnetic waves.

본 발명은 상기 초광대역 센서로서 가스 절연 개폐장치의 스페이서 외부에 설치되는 외장형 센서를 제공하기 위한 것이 목적이다.An object of the present invention is to provide an external sensor that is installed outside the spacer of the gas insulated switchgear as the ultra-wideband sensor.

더욱이 본 발명은 외장형 센서에 장착되는 다양한 형태 및 성능을 갖는 패치 안테나를 제공하기 위한 것이 다른 목적이다.Furthermore, another object of the present invention is to provide a patch antenna having various shapes and performances mounted on an external sensor.

본 발명에 따른 목적을 달성하기 위하여, GIS(가스 절연 개폐장치) 스페이서(Spacer) 외부에 설치되어 GIS 내부에서 발생된 부분 방전 UHF(초고주파) 신호를 감지하는 패치 안테나(Patch Antenna)가 구비되고, 상기 패치 안테나가 수용되고 외관은 노출에 의한 외부 잡음을 최소화하기 위한 금속 차폐재로 구성되며, 상기 패치 안테나를 고정시키기 위한 절연체가 금속 차폐재 내부에 채워진 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서에 있어서, In order to achieve the object according to the present invention, a patch antenna is installed outside the GIS (Gas Insulated Switchgear) spacer to detect a partial discharge UHF (Ultra High Frequency) signal generated inside the GIS, In the external partial discharge detection sensor of the gas insulated switchgear which the patch antenna is accommodated and the exterior is made of a metal shielding material for minimizing external noise by exposure, and the insulator for fixing the patch antenna is filled inside the metal shielding material,

상기 패치 안테나는 5pC의 부분 방전신호를 검출하는 것으로서, The patch antenna detects a partial discharge signal of 5pC,

안테나의 길이가 주파수의 함수로서 반파장(λ/2)에 비례하고, 무지향성 방사특성을 갖는 다이폴(Dipole) 패치 안테나;A dipole patch antenna having a omnidirectional radiation characteristic whose length of the antenna is proportional to the half wavelength [lambda] / 2 as a function of frequency;

상기 다이폴 패치 안테나의 변형된 형태로서 길이와 너비가 동일한 패트(Fat) 다이폴 패치 안테나;A Fat dipole patch antenna having a modified length of the dipole patch antenna and having the same length and width;

광대역 안테나 소자로 주파수의 대수로서 주기적으로 변하는 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나;A pair of planar logarithmic periodic patch antennas that periodically vary as a logarithm of frequency with a wideband antenna element;

도체면이 각도로서 표현되는 기하학적 구조를 갖는 등각 스파이럴 패치 안테나; 및An conformal spiral patch antenna having a geometry in which the conductor surface is expressed as an angle; And

등각 나선형에 대하여 극각(polar)에 선형적으로 비례하고 주파수 독립 특성을 갖는 스파이럴 패치 안테나 중에서 어느 하나가 적용된 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서를 제공한 것이 특징이다.An external partial discharge detection sensor of a gas insulated switchgear having any one of spiral patch antennas linearly proportional to a polar angle and having a frequency independence with respect to a conformal spiral is provided.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서에 관하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the external partial discharge detection sensor of the gas insulated switchgear according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 본 발명에서는 실제 규모, 예를 들어, 170kV급 목업(Mock-up) GIS에 적용할 수 있는 다양한 형태의 외장형 UHF 센서로서 170kV급 GIS에 적용할 수 있도록 설계하여 제작 및 그 성능을 시험하였다. 더욱이 외장형 센서에 내장되는 패치 안테나는 광대역 안테나 소자를 이용하여 설계하였고, 3차원 고주파 전자기장 해석 툴을 이용하여 센서의 특성을 확인하였다. 해당하는 센서마다 다양한 종류의 패치 안테나를 설계하여 그 형태에 따른 센서의 반사손실(Return Loss, RL) 특성을 비교하였고, 또한 실제 규모로 제작된 170kV급 GIS 목업 센서를 설치하여 IEC 60270에 의한 5pC의 부분 방전(Partial Discharge, PD) 신호에 대한 센서들의 검출 주파수 특성과 최대출력(Peak Power)을 측정하여 비교함으로서, 각 특성들에 대한 상호 연관성 및 설치 구조에 가장 적합한 패치 안테나의 형태를 선정 및 적용한 것이다.First, in the present invention, various types of external UHF sensors that can be applied to a real scale, for example, 170kV mock-up GIS, are designed to be applied to 170kV GIS and tested for their fabrication and performance. . In addition, the patch antenna embedded in the external sensor was designed using a broadband antenna element, and the characteristics of the sensor were confirmed using a 3D high frequency electromagnetic field analysis tool. Various kinds of patch antennas were designed for each sensor, and the return loss (RL) characteristics of the sensors were compared according to the shape. Also, 170kV class GIS mock-up sensor was installed at actual scale to install 5pC according to IEC 60270. By measuring and comparing the detection frequency characteristics and peak power of the sensors with respect to the Partial Discharge (PD) signal, the type of patch antenna most suitable for the correlation and installation structure for each characteristic is selected and It is applied.

한편, 본 발명의 외장형 센서의 설계에 응용된 대역폭이 40 : 1 이상인 등각 스파이럴(Log-Spiral) 패치 안테나와 대수 주기(Log-Periodic) 패치 안테나 등에 대한 기본적인 특성과 설계 요소들에 대하여도 설명한다.On the other hand, the basic characteristics and design elements for a log-spiral patch antenna and a log-periodic patch antenna having a bandwidth of 40: 1 or more applied to the design of an external sensor of the present invention will be described. .

통상적으로 광대역 안테나(Broadband antenna)는 대역폭의 범위가 넓은 안테나를 의미하지만, '광대역'이라는 용어는 대역폭의 상대적인 척도이므로 여러 가지 조건에 따라 변하게 된다. 대역폭은 동작 주파수의 상한값(fu)과 하한값(fL)의 비 로 나타낸다. 중심 주파수(또는 설계주파수)를 fC 라고 하면 중심 주파수에 대한 대역폭 Bp 는 다음의 수학식과 같다.In general, a broadband antenna refers to an antenna having a wide bandwidth, but the term 'wideband' is a relative measure of bandwidth and thus varies according to various conditions. The bandwidth is represented by the ratio of the upper limit value f u and the lower limit value f L of the operating frequency. Assuming that the center frequency (or design frequency) is f C , the bandwidth B p for the center frequency is given by the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112005008461053-pat00004
Figure 112005008461053-pat00004

상기 대역폭 Bp 은 또한 비율 Br 로 정의되며 다음의 수학식과 같다.The bandwidth B p is also defined by the ratio B r and is given by the following equation.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112005008461053-pat00005
Figure 112005008461053-pat00005

협대역 안테나들의 대역폭은 수학식 1을 사용하여 백분율로 표현하는 반면에, 광대역 안테나들은 수학식 2를 사용하여 비율로 인용된다.The bandwidth of the narrowband antennas is expressed in percentage using Equation 1, while the broadband antennas are quoted in ratio using Equation 2.

만약, 안테나의 임피던스와 패턴이 대략 한 옥타브(fU/fL = 2) 또는 그 이상에 대해 크게 변하지 않는다면, 광대역 안테나로 분류된다.If the impedance and pattern of the antenna do not vary significantly for approximately one octave (f U / f L = 2) or more, it is classified as a broadband antenna.

그러나 GIS에 적용되는 UHF 센서는 초고주파 대역(300MHz ∼ 3GHz)을 포함하는 범위에서 1GHz 이상의 주파수 대역에 대해 전자파 신호를 검출할 수 있어야 하므로, 대역폭이 40 : 1 이상인 초광대역(Ultra Wide Band, UWB)의 안테나가 요구된다.However, UHF sensor applied to GIS should be able to detect electromagnetic signal for frequency band over 1GHz in the range including ultrahigh frequency band (300MHz ~ 3GHz), so ultra wide band (UWB) with bandwidth over 40: 1 Antenna is required.

등각 스파이럴(Log-Spiral) 안테나는 도체면이 각도로 표현되는 기하학적 구조이다. 따라서 광대역 안테나를 설계하는데 사용될 수 있는 형태에 대한 어떤 요 구조건도 만족시킬 수 있다. 표면을 따라 곡선은 무한히 길기 때문에, 유한한 길이인 경우에는 길이를 정할 필요가 있다. 최저 동작 주파수는 전체의 길이가 파장과 같을 때이다. 최적의 동작 주파수보다 높은 주파수에서는 방사 패턴과 임피던스 특성은 주파수와 무관하다.A Log-Spiral Antenna is a geometry in which the conductor plane is expressed in degrees. Thus, any requirements for the form that can be used to design a wideband antenna can be met. Since the curve along the surface is infinitely long, it is necessary to determine the length for finite lengths. The lowest operating frequency is when the entire length is equal to the wavelength. At frequencies above the optimum operating frequency, the radiation pattern and impedance characteristics are frequency independent.

럼시(Rumsey)가 도입하고 엘리엇(Elliott)이 단순화시킨 광대역 안테나의 해석법은 구 좌표계(r, θ, φ)에서 가장 설명이 잘 될 수 있도록 다음의 가정이 뒤 따른다.The interpretation of the broadband antenna introduced by Rumssey and simplified by Elliott follows the following assumptions for the best explanation in the sphere coordinate system (r, θ, φ).

1. 안테나는 원점에 무한히 접근해 가는 두 단자를 갖고 있다.1. The antenna has two terminals that approach the origin indefinitely.

2. 안테나 단자는 각각 θ = 0, π 축과 대칭으로 놓여 있다.2. Antenna terminals are symmetrical with θ = 0 and π axes, respectively.

3. 안테나는 완전 도체로서 무한균일 등방성 매질로 둘러싸여 있다.3. The antenna is a perfect conductor and is surrounded by an infinitely uniform isotropic medium.

상기 가정에 의하여 안테나 도체면이나 가장자리는 다음 수학식과 같이 곡선으로 잘 표현될 수 있다According to the above assumption, the antenna conductor surface or edge may be well represented by a curve as in the following equation.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112005008461053-pat00006
Figure 112005008461053-pat00006

여기서, r은 도체면 또는 가장자리의 거리이며, 수학식 3의 일반해는 다음의 수학식과 같다.Here, r is the distance between the conductor surface or the edge, and the general solution of Equation 3 is as follows.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112005008461053-pat00007
Figure 112005008461053-pat00007

등각 스파이럴 곡선은 수학식 4의 도함수를 다음과 같이 놓으면 유도될 수 있다.The conformal spiral curve can be derived by setting the derivative of Equation 4 as follows.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112005008461053-pat00008
Figure 112005008461053-pat00008

여기서, A는 상수, δ는 Dirac 델타 함수이다. 수학식 5를 사용하면, 수학식 4는Where A is a constant and δ is a Dirac delta function. Using Equation 5, Equation 4

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112005008461053-pat00009
Figure 112005008461053-pat00009

가 된다. 여기서 A는Becomes Where A is

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112005008461053-pat00010
Figure 112005008461053-pat00010

이고, 파장으로 표현하면 수학식 6은 다음과 같이 쓸 수 있다.In terms of wavelength, Equation 6 can be written as follows.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112005008461053-pat00011
Figure 112005008461053-pat00011

여기서 φ1Where φ 1 is

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112005008461053-pat00012
Figure 112005008461053-pat00012

이다. 수학식 6의 또 다른 형태는 다음과 같다.to be. Another form of Equation 6 is as follows.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112005008461053-pat00013
Figure 112005008461053-pat00013

여기서, 1/a는 나선의 확장비이고, ψ는 도 4a에 나타나 있는 것처럼 방사거리 ρ와 나선의 접선이 이루는 각이다. 그리고 수학식 8로부터 파장의 변화는 무한대 구조의 패턴을 단지 회전시키는 것에 불과한 φ0 의 변화와 같다는 것이 분명하다. 따라서 안테나의 길이에 의해서 정해지는 범위 내에서 비슷한 특성들을 유한한 구조에서 알 수 있다.Here, 1 / a is the expansion ratio of the spiral, and ψ is an angle formed by the tangent of the radial distance p and the spiral as shown in FIG. 4A. And it is clear from Equation 8 that the change in wavelength is equal to the change in φ 0 which merely rotates the pattern of infinity structure. Therefore, similar characteristics can be seen in the finite structure within the range determined by the length of the antenna.

동일한 결과를 수학식 10을 조사하여 얻을 수 있다. C0 에 의하여 주파수를 대수적 (lnf)으로 증가시키는 것은 C0tanψ에 의하여 구조를 회전시키는 것과 같다. 결과적으로 방사패턴은 회전될 뿐 변동되지 않는다. 그러므로 주파수로부터 독립적인 안테나를 얻게 된다.The same result can be obtained by examining Equation 10. The C 0 that by increasing the frequency in logarithmic (ln f) the same as for rotating the structure by C 0 tanψ. As a result, the radiation pattern only rotates and does not change. Thus, you get an antenna that is independent of frequency.

더욱이 스파이럴의 전체 길이 L은Moreover, the total length L of the spiral

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112005008461053-pat00014
Figure 112005008461053-pat00014

에 의하여 계산할 수 있고, 이것은 수학식 8을 사용하면,Can be calculated by using Equation 8,

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112005008461053-pat00015
Figure 112005008461053-pat00015

와 같다. 여기서 ρ0와 ρ1은 스파이럴의 내측과 외측의 반경이다.Same as Where ρ 0 and ρ 1 are the radius inside and outside the spiral.

서로 다른 형태의 안테나 시스템을 만들기 위해서 나선의 다양한 구조가 사용되고 있다. 상기 수학식 6에서 φ0가 0과 π이면 선형 스파이럴 안테나는 도 4b의 형태가 되고, 도 4c 및 도 4d의 구조는

Figure 112005008461053-pat00016
일 때이다. 이외에 여러 가지 구성이 가능하다.Various structures of spirals are used to make different types of antenna systems. When φ 0 is 0 and π in Equation 6, the linear spiral antenna is in the form of FIG. 4B, and the structures of FIGS. 4C and 4D are
Figure 112005008461053-pat00016
When Many other configurations are possible.

그리고 P라고 표시한 등각 금속 표면은 수학식 6을 사용하여 가장자리 곡선을 다음과 같이 표현함으로써 가능하다.The conformal metal surface denoted by P can be expressed by using Equation 6 to express the edge curve as follows.

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112005008461053-pat00017
Figure 112005008461053-pat00017

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112005008461053-pat00018
Figure 112005008461053-pat00018

여기에서,

Figure 112005008461053-pat00019
과 K는 각각From here,
Figure 112005008461053-pat00019
And K are respectively

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112005008461053-pat00020
Figure 112005008461053-pat00020

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112005008461053-pat00021
Figure 112005008461053-pat00021

이다.to be.

도체 표면의 가장자리로서 명시된 2개의 곡선은 상대편 쪽으로 확대하거나 각도 δ만큼 회전시키면 똑같은 모양이 된다. 확대나 회전은 도 5에서와 같이 유한한 폭을 갖는 도체 소자 P에도 적용된다. 상대편 소자 Q는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.The two curves, specified as the edges of the conductor surface, have the same shape when zoomed in toward the opposite side or rotated by an angle δ. Magnification or rotation is also applied to the conductor element P having a finite width as in FIG. The counter element Q may be expressed by the following equation.

[수학식 17][Equation 17]

Figure 112005008461053-pat00022
Figure 112005008461053-pat00022

여기서, 여기에서,

Figure 112005008461053-pat00023
Figure 112005008461053-pat00024
는 각각Where, here,
Figure 112005008461053-pat00023
and
Figure 112005008461053-pat00024
Are each

[수학식 18]Equation 18

Figure 112005008461053-pat00025
Figure 112005008461053-pat00025

[수학식 19][Equation 19]

Figure 112005008461053-pat00026
Figure 112005008461053-pat00026

이고, 여기서

Figure 112005008461053-pat00027
는, Where
Figure 112005008461053-pat00027
Is

[수학식 20][Equation 20]

Figure 112005008461053-pat00028
Figure 112005008461053-pat00028

이다.to be.

두 개의 도체 P와 Q로 구성된 시스템은 도 5a에 나타낸 것과 같이 평형 시스템을 이룬다. 유한 구조의 길이는 도체의 중앙선을 따라 나선 모양을 하고 있는 고정 길이 L0 로서 나타낸다. 안테나 전체 구조는 회전각 δ, 도체의 길이 L0 , 나 선 확장율

Figure 112005008461053-pat00029
, 단자의 길이 ρ2 로서 나타낸다. 또한 각 도체는 종단에서 정합이 잘 되도록 도 5a의 점선으로 표시된 것처럼 끝에서 테이퍼져 있다.The system consisting of two conductors P and Q constitutes an equilibrium system as shown in FIG. 5A. The length of the finite structure is shown as a fixed length L 0 which is spirally formed along the center line of the conductor. The overall structure of the antenna is the rotation angle δ, conductor length L 0 , spiral expansion rate
Figure 112005008461053-pat00029
, The length of the terminal ρ 2 . Each conductor is also tapered at the end as indicated by the dashed line in FIG. 5A so that it is well matched at the end.

도 5b는 큰 도체 평면 위에 스파이럴 슬롯이 있는 구조이며, 또한 종단 정합을 위해 테이퍼져 있다. 슬롯 안테나는 전체적으로 평형을 유지하기 위하여 평형형 동축 급전으로 용이하게 급전이 이루어지기 때문에 가장 실용적이다.5B is a structure with a spiral slot over a large conductor plane and tapered for termination matching. Slot antennas are most practical because they are easily fed by balanced coaxial feeding to maintain overall balance.

양호한 방사특성을 갖는 스파이럴 슬롯 안테나는 1/2∼3바퀴로 만들 수 있다. 최적의 설계치는 전체 길이가 1파장 또는 그 이상이 되는 1.25∼1.5바퀴 정도가 된다. 확장비는 한바퀴 당 10을 초과하지 않아야 한다. 방사 패턴은 단일 빔이 안테나 면과 직각인 양방향으로 최대가 되고, 무한 구조로 정해지는 방향으로는 0이 되어야 한다. 방사되는 전파는 사용 가능한 대역폭에서 주엽의 축 부근에 원형 편파로 방사된다. 끝 부분을 절단하면 빔 폭은 패턴의 회전으로 인하여 주파수에 따라 변화한다. Spiral slot antennas with good radiation characteristics can be made from 1/2 to 3 turns. The optimal design is about 1.25 to 1.5 laps, with a total length of one wavelength or more. Expansion rates should not exceed 10 per turn. The radiation pattern should be maximum in both directions perpendicular to the antenna plane and zero in the direction defined by the infinite structure. The radiated radio waves radiate in circular polarization near the axis of the main lobe at the available bandwidth. When cutting off the tip, the beam width changes with frequency due to the rotation of the pattern.

그러나 일반적으로 안테나 폭을 좀 더 넓게 하고 나선의 간격을 좀 더 가깝게 만든 슬롯 안테나는 주파수에 따른 빔 폭의 변화가 작은 매끄럽고 더 일정한 방사패턴을 갖는다. 대칭 구성인 경우에는 방사 패턴의 지향성도 기울지 않고 역시 대칭이 된다.In general, however, slot antennas that have wider antenna widths and closer spiral spacings have smoother, more uniform radiation patterns with small variations in beam width with frequency. In the case of a symmetrical configuration, the directivity of the radiation pattern is not inclined and is also symmetrical.

주파수 변화에 대하여 독립적인 또 다른 안테나로서 더하멜(DuHamel)과 이스벨(Isbell)이 소개한 대수 주기(Log-Periodic) 구조는 안테나의 구조 전체를 전적으로 각도만으로는 표현할 수 없기 때문에 완전하게 주파수에 대하여 독립적이라고 할 수는 없다.As another antenna independent of frequency change, the Log-Periodic structure introduced by DuHamel and Isbell is completely independent of frequency because the entire structure of the antenna cannot be expressed entirely by angle. I can not say.

도 6a에 있는 평판형 대수 주기 안테나 평면의 전류 분포는 도체 상에서 전계가 거리에 따라 매우 급격히 감쇠하는데, 이것은 전류가 대부분 도체 가장자리나 그 부근에 집중한다는 것을 의미한다. 따라서 도 6b와 같은 선형 안테나를 만들기 위하여 도체 평면의 가장자리로 이루어진 형태와 동일한 구조의 선형 안테나를 만들어 실험한 결과, 그 성능은 도 6a와 거의 동일한 것으로 나타났다. 따라서 선형 구조는 평판형 보다 구조적으로 단순하고, 가벼우며, 경제적이면서 풍압에 잘 견디는 특징을 갖게 된다. 양쪽 소자를 구부려서 V자 형태로 만든 같은 평면 구조가 아닌 형태도 널리 이용된다.The current distribution of the planar logarithmic periodic antenna plane in FIG. 6A shows that the electric field on the conductor decays very rapidly with distance, which means that the current mostly concentrates at or near the edge of the conductor. Therefore, in order to make a linear antenna as shown in FIG. 6b, a linear antenna having the same structure as the shape of the edge of the conductor plane is made and tested, and the performance is almost the same as in FIG. 6a. Therefore, the linear structure is characterized by structurally simpler, lighter, more economical and wind-resistant than the flat plate. The same non-planar structure made by bending both elements into a V-shape is also widely used.

도 6에서 평판의 가장자리나 선을 곧게 펴서 곡선을 직선이 되게 하면 도 7과 같은 사다리꼴의 톱날형 대수 주기 구조가 된다. 이렇게 단순화된 구조는 특성을 저하시키지 않으면서도 제작이 다소 편리하다. 대수 주기 어레이 구조를 포함하여 형태는 특이하지만 실용적인 대수 주기 안테나가 많이 있다. 도 7의 구조에서 톱날이 동일한 주기로 이루어졌다면 대수 주기의 크기 비는In FIG. 6, when the edge or line of the flat plate is straightened to form a straight line, a trapezoidal saw blade logarithmic periodic structure as shown in FIG. 7 is obtained. This simplified structure is somewhat convenient to manufacture without degrading the properties. There are many algebraic periodic antennas that are unusual in form, including algebraic periodic array structures. In the structure of Figure 7, if the saw blade is made of the same period the ratio of the logarithmic period is

[수학식 21][Equation 21]

Figure 112005008461053-pat00030
Figure 112005008461053-pat00030

과 같으며, 또한 안테나 슬롯의 폭은And the width of the antenna slot is

[수학식 22][Equation 22]

Figure 112005008461053-pat00031
Figure 112005008461053-pat00031

와 같다. τ는 크기 비를 나타내는데, 만일 f1 과 f2 가 1주기만큼 떨어져 있다면 τ는 주파수와 다음과 같은 관계를 갖는다.Same as τ represents the magnitude ratio. If f 1 and f 2 are separated by one period, τ is related to frequency as follows.

[수학식 23][Equation 23]

Figure 112005008461053-pat00032
Figure 112005008461053-pat00032

도 7b에 있는 안테나에서 α, β, τ 및 χ에 의하여 결정되는 특성에 관한 폭 넓은 연구들이 이루어졌다. 일반적으로 이들 구조는 평판형 및 원추형 구조와 성능은 거의 비슷하다. 차이점은 대수 주기 구조는 원형 편파대신에 직선 편파라는 것이 큰 차이점이다.Extensive studies have been made on the properties determined by α, β, τ and χ at the antenna in FIG. 7B. In general, these structures have almost the same performance as flat and conical structures. The difference is that the logarithmic periodic structure is linearly polarized instead of circularly polarized.

본 발명에 적용되는 외장형 센서의 구조로서, 도 8은 GIS 스페이서 외부에 장착되는 형태로 GIS 내부 결함에 의하여 발생되는 부분 방전신호를 센서에 내장되어 있는 패치 안테나를 통하여 감지하는 안테나형 센서이다. 노출에 의한 외부 잡음 영향을 최소화하기 위하여 외관은 금속 차폐재(Shield Case)로 차폐되어 있고, 센서의 내부는 패치 안테나를 고정시키기 위한 절연체(Insulator)로 채워져 있다.As a structure of an external sensor applied to the present invention, FIG. 8 is an antenna type sensor that detects a partial discharge signal generated by a GIS internal defect in a form mounted outside the GIS spacer through a patch antenna embedded in the sensor. In order to minimize the influence of external noise caused by exposure, the exterior is shielded with a metal shield case, and the inside of the sensor is filled with an insulator for fixing a patch antenna.

도 8은 외장형 센서의 기본적인 구조이고, 센서의 특성을 좌우하는 설계요소는 다음과 같다.8 is a basic structure of an external sensor, and design elements that influence the characteristics of the sensor are as follows.

1. 패치 안테나의 구조1. Structure of Patch Antenna

2. 스페이서와 패치 안테나 사이의 거리2. Distance between spacer and patch antenna

3. 내부 절연체의 비유전율(εr)3. The dielectric constant of the internal insulator (ε r )

따라서 이들 구성 요소들을 적절히 조절함으로써 원하는 주파수대역에서 최적화된 센서를 설계할 수 있다.Therefore, by properly adjusting these components, it is possible to design the sensor optimized in the desired frequency band.

본 발명에서는 실제 규모의 170kV GIS를 기준으로 센서를 설계하였으며, 센서의 외관과 내부 절연체는 고정된 상태에서 패치 안테나의 형태를 변경해가며, 패치 안테나 구조에 따른 센서의 특성변화를 분석하였다.In the present invention, the sensor was designed based on the actual scale of 170kV GIS, and the appearance and internal insulator of the sensor were changed while changing the shape of the patch antenna and analyzed the characteristic change of the sensor according to the patch antenna structure.

외장형 센서의 패치 안테나의 설계 및 제작에 있어서, 가장 기본적인 안테나 형태인 다이폴(Dipole) 안테나의 특성에 대하여 다른 형태의 안테나를 서로 비교하기 위하여 다양한 종류의 패치안테나를 설계하였으며, 비교 대상으로 변형된 패트 다이폴(Fat-Dipole, 너비 W와 길이 L이 동일), 광대역 안테나 소자로 널리 이용되고 있는 한 쌍의 평판형 대수 주기(Log-Periodic) 패치 안테나, 스파이럴(Spiral) 패치 안테나, 등각 스파이럴(Log-Spiral) 패치 안테나를 설계하여 제작하였다.In the design and fabrication of the patch antenna of the external sensor, various types of patch antennas were designed to compare different antennas with respect to the characteristics of the dipole antenna, which is the most basic antenna type, and the modified patch was compared Fat-Dipole, same width W and length L, a pair of flat log-periodic patch antennas, spiral patch antennas, and conformal spirals that are widely used as broadband antenna elements. Spiral) patch antenna was designed and fabricated.

이러한 외장형 센서의 패치 안테나 구조는 도 9a 내지 도 9e와 같다. 각 안테나 소자들은 금속 케이스와 안테나에서 형성되는 자기장의 커플링(Coupling)이 최소화되고 검출 감도를 높이도록 배치하였다.The patch antenna structure of the external sensor is shown in FIGS. 9A to 9E. Each antenna element is arranged to minimize the coupling between the metal case and the magnetic field formed in the antenna and to increase the detection sensitivity.

또한, 패치 안테나의 크기는 너비, 길이 및 두께가 각각 40mm, 106mm, 및 1.6mm 이고, 비유전율 εr =4.4(FR4) 기판을 사용하였으며. 각 패치 안테나의 반사손실(RL)은 도 10의 그래프와 같다. 도 9a의 기본적인 다이폴 패치 안테나의 경우 에는 크기의 제한으로 인해 2.7GHz에서 공진이 발생하였으며, 도 9b의 다이폴 패치 안테나에서 변형된 패트 다이폴 패치 안테나의 경우는 1~3GHz에 걸쳐 넓게 분포되어 있다.In addition, the patch antenna has a width, a length, and a thickness of 40 mm, 106 mm, and 1.6 mm, respectively, and a dielectric constant ε r = 4.4 (FR4) substrate was used. The return loss RL of each patch antenna is shown in the graph of FIG. 10. In the case of the basic dipole patch antenna of FIG. 9A, resonance occurred at 2.7 GHz due to size limitation, and the case of the modified pet dipole patch antenna of the dipole patch antenna of FIG. 9 b is widely distributed over 1 to 3 GHz.

더욱이 도 9f는 패트 다이폴 패치 안테나의 제작을 위한 기판의 크기와 패트 다이폴의 파라미터들을 나타낸 것으로, 다이폴의 너비와 길이는 동일하다. 즉 다이폴은 정사각형의 형태를 취하고 있다. 상기 패트 다이폴 패치 안테나의 다이폴 너비(W)가 18mm이고, 길이(L)가 18mm이며, 다이폴 사이의 간격(d)이 2mm인 것이 바람직하다. 기판 크기는 너비(SW)가 40mm이고, 길이(SL)가 106mm로서 직사각형의 형태이다.Furthermore, FIG. 9F shows the size of the substrate and the parameters of the pad dipole for the manufacture of the pad dipole patch antenna. In other words, the dipole has a square shape. The dipole width W of the pad dipole patch antenna is preferably 18 mm, the length L is 18 mm, and the distance d between the dipoles is 2 mm. The substrate size is 40 mm in width SW and 106 mm in length SL, and is rectangular in shape.

또한, 도 9c의 한 쌍의 평판형 대수 주기 패치 안테나는 다중 공진을 이루지만, 500MHz~3GHz에서 -3dB 이하의 낮은 반사손실을 보였다. 도 10의 결과로 볼 때, 대수 주기 패치 안테나, 등각 스파이럴 패치 안테나 및 패트 다이폴 패치 안테나가 외장형 센서로서 적용하기에 가장 적합한 RL 특성을 지니고 있다.In addition, the pair of flat logarithmic periodic patch antennas of FIG. 9C achieve multiple resonances, but show a low return loss of less than -3 dB at 500 MHz to 3 GHz. As a result of FIG. 10, the logarithmic periodic patch antenna, the conformal spiral patch antenna and the pad dipole patch antenna have the most suitable RL characteristics for application as an external sensor.

더욱이 도 9g는 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나의 제작을 위한 기판의 크기와 다이폴의 파라미터들을 나타낸 것으로, 상기 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나의 슬롯 폭

Figure 112005008461053-pat00033
로서 0.86이고, 기판 크기는 너비(SW) 40mm에 길이(SL) 40mm로서 직사각형의 형태이며, 기판의 두께는 1.5mm이다.Furthermore, FIG. 9G illustrates the size of the substrate and the dipole parameters for the fabrication of a pair of planar logarithmic patch antennas, and the slot width of the pair of planar logarithmic patch antennas.
Figure 112005008461053-pat00033
It is 0.86, and the substrate size is 40 mm in width (SW) and 40 mm in length (SL) in the form of a rectangle, and the thickness of the substrate is 1.5 mm.

그리고 안테나 톱날 내측의 길이(L0)는 20mm이고, 톱날의 외측 길이(L1)는 44mm이며, 기판의 비유전율 εr은 4.4(FR4)이고, 중심 단자 거리는 2mm인 것이 바람 직하다.The length L 0 of the inner side of the antenna saw blade is 20 mm, the outer length L 1 of the saw blade is 44 mm, the relative dielectric constant? R of the substrate is 4.4 (FR4), and the center terminal distance is preferably 2 mm.

외장형 센서는 170kV급 GIS용으로 설계하였고, 도 11은 센서의 외관은 금속 케이스로 차폐되어 있으며, 센서가 취부되는 면은 스페이서(Barrier) 면에 적합하도록 환형으로 제작되었다.The external sensor is designed for a 170kV class GIS, and the external appearance of the sensor is shielded by a metal case, and the surface on which the sensor is mounted is manufactured in an annular shape so as to be suitable for a spacer surface.

외장형 센서는 외관이 금속 케이스로 차폐되어 있으므로, 일반적인 안테나의 자유공간(Free Space) 특성과는 다르다. 효율적인 설계와 검증을 위해 고주파 전자기장 해석프로그램을 이용하여 구한 RL값과 실제 제작된 센서들에서 측정한 RL값을 비교하였다.The external sensor is shielded by a metal case, which is different from the free space characteristic of a general antenna. For efficient design and verification, the RL values obtained using the high frequency electromagnetic field analysis program are compared with those measured by the actual sensors.

도 12는 각각의 패치 안테나가 내장된 외장형 센서의 RL 측정값과 계산값을 비교한 결과이다. 도 12에서 실선은 측정된 RL값이며, 점선은 계산된 값을 나타낸 것이다. 도 12의 결과로 볼 때, 다이폴 패치 안테나의 경우에 계산된 RL값과 실제 제작된 RL값의 공진 특성이 거의 일치하고 있으며, 다른 구조의 경우에 공진 특성은 유사하나, 오차가 뚜렷하게 나타난 원인은 안테나들과 케이스 사이의 결합 및 시뮬레이션 모델(Simulation Model)과 실제 안테나에서 RL값 측정시의 급전 구조가 다르기 때문으로 판단된다.12 is a result of comparing the RL measurement value and the calculated value of the external sensor with a built-in patch antenna. In FIG. 12, the solid line represents the measured RL value, and the dotted line represents the calculated value. As a result of FIG. 12, the calculated RL value of the dipole patch antenna and the resonance characteristics of the actual manufactured RL value are almost the same. In other structures, the resonance characteristics are similar, but the cause of the error is clearly It is determined that the coupling structure between the antennas and the case and the feeding structure for measuring the RL value in the actual antenna and the simulation model are different.

외장형 센서에 장착되는 패치 안테나는 센서의 금속 케이스와 내부 절연체의 비유전율에 의해 RL값이 변화하게 된다. 도 13은 기본적인 다이폴 패치 안테나의 전산모사에 의한 자유공간과 금속 케이스가 있는 상태에서의 특성 차이를 보여준다. 금속 케이스가 존재할 때에는 내부 절연체의 비유전율(εr = 3∼4)에 의해 패 치 안테나의 공진점이 1GHz 정도 낮은 대역으로 이동하였으며, 금속 케이스와의 결합에 의해 1.2GHz에서 또 다른 공진 특성이 나타났다.In the patch antenna mounted on the external sensor, the RL value is changed by the relative dielectric constant of the metal case of the sensor and the internal insulator. FIG. 13 shows the difference in characteristics between the free space and the metal case of the basic dipole patch antenna. In the presence of a metal case, the resonance point of the patch antenna shifted to a band as low as 1 GHz due to the relative dielectric constant of the internal insulator (ε r = 3-4), and another resonance characteristic appeared at 1.2 GHz by coupling with the metal case. .

금속 케이스와 내부 절연체에 의해 특성이 변한 패치 안테나가 스페이서에 설치되면, 그 반사손실(RL)은 스페이서 절연체의 비유전율(에폭시)에 의해 다시 특성이 변화하게 된다. 도 14는 스페이서 절연체에 의한 다이폴 패치 안테나 센서의 RL 변화이다. 센서의 RL은 스페이서 절연체의 비유전율에 의해 공진점이 약 500MHz(1.2GHz => 700MHz)의 낮은 대역으로 이동함을 알 수 있다.When the patch antenna whose characteristics are changed by the metal case and the internal insulator is installed in the spacer, the reflection loss RL is changed again by the relative dielectric constant (epoxy) of the spacer insulator. 14 is a RL change of the dipole patch antenna sensor by the spacer insulator. It can be seen that the resonance point of the sensor moves to a low band of about 500 MHz (1.2 GHz => 700 MHz) by the relative dielectric constant of the spacer insulator.

한편, 본 발명에 따른 외장형 센서에 관하여 특성시험을 위한 장치들이 구비되는 데, 이에 대하여 설명한다.On the other hand, with respect to the external sensor according to the present invention is provided with a device for the characteristic test, it will be described.

우선, 센서의 특성 시험은 크게 3가지로 분류될 수 있다. 첫 번째는 센서 자체의 성능을 평가할 수 있는 반사손실(Return Loss, RL) 측정이고, 두 번째는 센서의 검출주파수 대역(500MHz∼1.5GHz)에서의 응답특성, 그리고 세 번째로 센서의 검출감도(Sensitivity) 및 출력(Peak Power) 측정이다.First, the characteristic test of the sensor can be classified into three types. The first is a return loss (RL) measurement to evaluate the performance of the sensor itself. The second is the response characteristic of the sensor's detection frequency band (500MHz to 1.5GHz), and the third is the sensitivity of the sensor. Sensitivity and Peak Power measurements.

상기 반사손실의 경우에는 센서 자체의 RL과 센서가 GIS에 설치되었을 때의 RL이 다르기 때문에 최종적인 센서의 RL 성능을 평가하기 위해서는 센서가 GIS에 설치된 상태에서 측정해야 한다. 또한 센서의 주파수 응답특성 및 출력을 측정하기 위해서는 일정한 부분 방전 신호를 낼 수 있는 방전원이 필요하다. CIGRE에서는 전자파로 측정되는 시스템의 경우에 5pC의 겉보기 방전량을 측정할 수 있어야 한다고 권고하고 있다. 따라서 5pC의 겉보기 방전량을 발생시키기 위하여 부분 방전 발생장치(PD-Cell)를 제작하였다. 부분 방전 발생장치의 제작은 CIGRE의 권고 안에 따라 방전량(5pC)이 지속적으로 발생하여야 하며 GIS에서 발생될 수 있는 방전의 형태를 고려하여 도 15a와 같이 제작하였다.In the case of the return loss, since the RL of the sensor itself and the RL when the sensor is installed in the GIS are different, the sensor must be measured while the sensor is installed in the GIS to evaluate the RL performance of the final sensor. In addition, in order to measure the frequency response characteristics and the output of the sensor, a discharge source capable of generating a constant partial discharge signal is required. CIGRE recommends that an apparent discharge amount of 5pC be measured for systems measured with electromagnetic waves. Therefore, a partial discharge generator (PD-Cell) was fabricated to generate an apparent discharge amount of 5 pC. The manufacture of the partial discharge generator should be consistent with the discharge amount (5pC) according to the recommendations of CIGRE, and was manufactured as shown in FIG. 15A in consideration of the type of discharge that can be generated in the GIS.

그리고 도 15b는 제작된 부분 방전 발생장치를 IEC60270에 의한 5pC의 겉보기 방전량을 측정한 그래프이다. 부분 방전 발생장치의 내부에는 금속이물(ball-type)을 넣고, 내부 압력은 0.5MPa의 SF6 가스를 넣어 실제 GIS의 압력과 동일하게 적용하였다. 주파수 응답특성은 GIS 내부의 부분 방전신호에 대한 센서의 주파수 스펙트럼을 측정한 후에 채널파워(Channel Power)를 계산함으로서 비교할 수 있다. 채널파워는 센서의 검출주파수 대역(500MHz∼1.5GHz)에서의 평균파워(Average Power)로서 다음 수학식에 의해 구할 수 있다.And 15b is a graph measuring the apparent discharge amount of 5pC by the IEC 60270 fabricated partial discharge generator. Inside the partial discharge generator was put a metal-type (ball-type), the internal pressure was 0.5MPa SF6 gas was applied to the same as the actual GIS pressure. The frequency response characteristics can be compared by calculating the channel power after measuring the frequency spectrum of the sensor for the partial discharge signal inside the GIS. The channel power is average power in the detection frequency band (500 MHz to 1.5 GHz) of the sensor and can be obtained by the following equation.

[수학식 24][Equation 24]

Figure 112005008461053-pat00034
Figure 112005008461053-pat00034

여기서, CP = 채널파워(Channel power, dBm)이고, CHBW = 채널 대역폭(Channel bandwidth, kHz)이며, RBW = 측정에 사용된 분해도 대역폭(Resolution bandwidth) in kHz이고, kn = RBW에 사용된 노이즈 대역폭(noise bandwidth)의 교정 인자이며, N = 채널의 픽셀(pixel) 수이고, Pi = dBm을 픽셀 i로 대체한 레벨(Level)이며, ai(RRC) = 픽셀 i에 대한 RRC 필터의 감쇠(attenuation)이다.Where CP = Channel power (dBm), CHBW = Channel bandwidth (kHz), RBW = Resolution bandwidth in kHz used for measurement, k n = Noise used for RBW Correction factor for the bandwidth, where N = number of pixels in the channel, P i = Level at which dBm is replaced by pixel i, and a i (RRC) = RRC filter Attenuation.

본 발명에 의하여 제작된 외장형 센서로서, 다이폴 패치 안테나, 패트 다이폴 패치 안테나, 스파이럴 패치 안테나, 대수 주기 패치 안테나 및 등각 스파이럴 패치 안테나의 반사손실과 주파수 응답특성 및 출력을 측정하기 위하여, 도 16과 같이 실제 규모 170kV급 GIS 목업(mock-up)을 제작하였다.As an external sensor manufactured according to the present invention, in order to measure the return loss, frequency response characteristics and output of a dipole patch antenna, a pet dipole patch antenna, a spiral patch antenna, an algebraic periodic patch antenna and a conformal spiral patch antenna, as shown in FIG. The actual scale 170kV GIS mock-up was produced.

외장형 센서는 GIS의 스페이서(Barrier)에 설치하여 내부에서 발생되는 부분 방전신호를 검출하기 때문에 GIS의 여러 부분 중에서 스페이서(Barrier)에 가장 많은 영향을 받는다. 도 17은 외장형 센서의 시험장치 구성도이다. 도면에서 센서를 목업 GIS 스페이서에 설치하고 센서와 떨어진 GIS의 한 쪽 끝에 부분 방전 발생장치를 설치하였다.Since the external sensor is installed in a spacer of the GIS to detect a partial discharge signal generated internally, the external sensor is most affected by the spacer among various parts of the GIS. 17 is a configuration diagram of a test apparatus of an external sensor. In the figure, the sensor is installed at the mock-up GIS spacer and a partial discharge generator is installed at one end of the GIS away from the sensor.

그리고 전압을 인가하지 않은 상태에서 네트워크 분석기(Network Analyzer, S332B, Anritsu)로 센서의 RL을 측정한 후에 부분 방전을 발생시켜 센서의 출력부에 오실로스코프(Oscilloscope, TDS-7404, Tektronix)와 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer, FSP7, Rohde-Schwarz)를 연결하여 5pC의 부분 방전신호에 대한 센서의 출력 및 주파수 응답특성을 확인하였다. 부분 방전량은 IEC-60270 부분 방전 측정기(DDX8003, Robinson)를 이용하여 확인하였다.After measuring the RL of the sensor with no voltage applied (Network Analyzer, S332B, Anritsu), a partial discharge is generated and an oscilloscope (TDS-7404, Tektronix) and spectrum analyzer ( Spectrum Analyzer, FSP7, Rohde-Schwarz) were connected to check the output and frequency response of the sensor for 5pC partial discharge signal. The partial discharge amount was checked using an IEC-60270 partial discharge meter (DDX8003, Robinson).

본 발명에 따르면, 도 18a 내지 도 18e는 외장형 센서로서, 다이폴 패치 안테나, 패트 다이폴 패치 안테나, 스파이럴 패치 안테나, 대수 주기 패치 안테나 및 등각 스파이럴 패치 안테나를 스페이서(Barrier)에 설치하여 네트워크 분석기(8753D, HP)로 측정한 RL 결과이다. 센서와 스페이서가 밀착되는 부분에 의해 많은 공진현상이 발생한다. 이러한 센서의 RL은 스페이서 절연체(에폭시)의 비유전율과 스페이서 크기에 의해 변하게 된다. 따라서 외장형 센서를 설계하기 위해서는 우선적으로 스페이서와 관련된 특성을 고려하여야 한다.According to the present invention, Figures 18a to 18e is an external sensor, a network analyzer (8753D) by installing a dipole patch antenna, a pad dipole patch antenna, a spiral patch antenna, a logarithmic cycle patch antenna and a conformal spiral patch antenna in a spacer (Barrier) RL results measured in HP). The resonance between the sensor and the spacer causes a lot of resonance. The RL of such a sensor is changed by the dielectric constant and spacer size of the spacer insulator (epoxy). Therefore, in order to design an external sensor, the characteristics related to the spacer should be considered first.

도 18a 내지 도 18e의 결과로 볼 때, 검출주파수 대역(500MHz~1.5GHz)에서 패트 다이폴 패치 안테나와 대수 주기 패치 안테나가 장착된 센서가 다른 센서에 비해 우수한 RL 특성을 가짐을 알 수 있다.As a result of FIGS. 18A to 18E, it can be seen that, in the detection frequency band (500 MHz to 1.5 GHz), a sensor equipped with a pad dipole patch antenna and a logarithmic cycle patch antenna has better RL characteristics than other sensors.

도 19a 내지 도 19e는 5pC 부분 방전신호에 대한 외장형 센서의 주파수 응답특성을 스펙트럼 분석기(FSP7, Rohde-Schwarz)로 측정한 결과이다.19A to 19E illustrate the results of measuring the frequency response of an external sensor with respect to a 5pC partial discharge signal by using a spectrum analyzer (FSP7, Rohde-Schwarz).

각 센서는 500MHz~2.0GHz 대역에서 주파수 분포되어 있으며, 센서의 RL 특성과 유사한 주파수 응답특성을 보이고 있다. 표 1은 500MHz~1.5GHz 대역에서 센서의 채널 파워(Channel Power)를 비교한 결과이다. 표 1의 결과로부터 본 발명에서 제시한 다양한 형태의 패치 안테나가 장착된 센서 중에서 RL 성능이 우수한 패트 다이폴 패치 안테나와 대수 주기 패치 안테나가 적용된 센서가 채널 파워 또한 다른 센서에 비해 높은 값을 가짐을 확인할 수 있었다.Each sensor has frequency distribution in 500MHz ~ 2.0GHz band and shows frequency response similar to that of RL. Table 1 compares the channel power of the sensors in the 500MHz to 1.5GHz band. From the results of Table 1, it can be seen that among the sensors equipped with various types of patch antennas presented in the present invention, the sensor having the RL performance and the pad dipole patch antenna and the logarithmic cycle patch antenna have higher values than the other sensors. Could.

[표 1]TABLE 1

종 류Kinds Ch Power (dBm)Ch Power (dBm) 비 고Remarks DipoleDipole -36.60-36.60 Fat-DipoleFat-dipole -40.43-40.43 SpiralSpiral -46.32-46.32 Log-PeriodicLog-periodic -39.56-39.56 Log-SpiralLog-spiral -46.25-46.25

도 20a 내지 도 20e는 5pC 부분 방전신호에 대해 각각의 외장형 센서에서 검출된 신호를 오실로스코프(TDS-7404, Tektronix)로 측정한 결과이다. 도 20a 내지 도 20e는 각 센서의 시간영역에서 측정된 파형과 이 파형을 FFT하여 주파수영역으로 표시하였고, 아울러 측정신호의 파워 계산치(도면에서 M1로 표시)와 에너지(도면에서 M3으로 표시)도 표시하는 등 4개의 파형을 동시에 보이고 있다.20A to 20E illustrate the results of measuring signals detected by each external sensor with respect to a 5pC partial discharge signal with an oscilloscope (TDS-7404, Tektronix). 20A to 20E show the waveforms measured in the time domain of each sensor and the waveforms in the frequency domain by FFT, and the power calculation value (indicated by M1 in the figure) and energy (indicated by M3 in the figure) of the measured signal. Four waveforms are simultaneously displayed.

5pC 부분 방전신호에 대한 각 센서의 최대출력을 계산하여 표 2에 나타냈다. 표 2의 결과로부터 패트 다이폴 패치 안테나와 대수 주기 패치 안테나가 장착된 센서가 다른 센서에 비해 4∼5배 높은 출력을 내었다. 이는 센서의 RL특성과 주파수 응답특성 및 최대출력이 서로 상관관계에 있음을 의미한다.Table 2 shows the maximum output of each sensor for the 5pC partial discharge signal. From the results in Table 2, the sensors equipped with the pet dipole patch antenna and the logarithmic cycle patch antenna produced 4 to 5 times higher output than the other sensors. This means that the RL characteristic, frequency response and maximum output of the sensor are correlated with each other.

[표 2]TABLE 2

종 류Kinds 첨두 전력 (Peak Power)Peak Power 비 고Remarks (㎼) ( ㎼) (dBm)(dBm) DipoleDipole 1.31.3 -28.9-28.9 FAT DipoleFAT Dipole 5.55.5 -22.6-22.6 SpiralSpiral 1.91.9 -27.2-27.2 Log PeriodicLog periodic 6.06.0 -22.2-22.2 Log SpiralLog spiral 1.11.1 -29.5-29.5

더욱이 본 발명의 외장형 센서는 전계(E-field) 진행 방향(GIS 방향 기준; Z축 방향)에 대하여, 패트 다이폴 패치 안테나와 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나는 직선 편파(Liner Polarization) 특성을 갖는다.Furthermore, in the external sensor of the present invention, the flat dipole patch antenna and the pair of planar logarithmic periodic patch antennas have linear polarization characteristics with respect to an E-field propagation direction (based on the GIS direction; Z-axis direction). .

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described in connection with specific embodiments thereof, it is well known in the art that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the claims. Anyone who owns it can easily find out.

상술한 바와 같이 본 발명의 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서는 GIS 스페이서에 500MHz ~ 1.5GHz의 검출주파수 대역에서 가장 우수한 반사손실을 갖도록 설치되고, 실제 규모급 GIS에 적용할 수 있는 다양한 형태의 패치 안테나를 외장형 센서에 적용하여 5pC의 부분 방전신호에 대하여 센서의 검출 주파수 특성과 최대 출력을 측정하여 비교함으로서, 각 특성들에 대한 상호 연관성 및 설치 구조에 가장 적합한 패치 안테나의 선정할 수 있도록 한 것이다. 더욱이 GIS에 적용할 수 있는 다양한 종류의 센서를 개발하는데 필요한 기본적인 특성들에 대해 전산모사(Computer Simulation)와 실험을 통하여 상관관계들을 정립한 것이다.As described above, the external partial discharge detection sensor of the gas insulated switchgear according to the present invention is installed in the GIS spacer so as to have the best return loss in the detection frequency band of 500 MHz to 1.5 GHz, and can be applied to an actual scale GIS. By applying the patch antenna of the sensor to the external sensor, the detection frequency characteristics and the maximum output power of the sensor are measured and compared with respect to the partial discharge signal of 5pC, so that the most suitable patch antenna can be selected for the correlation and installation structure of each characteristic. It is. Moreover, correlations were established through computer simulations and experiments on the basic characteristics required to develop various types of sensors applicable to GIS.

Claims (6)

삭제delete GIS(가스 절연 개폐장치) 스페이서(Spacer)에 설치되어 GIS 내부에서 발생된 부분 방전 UHF(초고주파) 신호를 감지하는 패치 안테나(Patch Antenna)를 포함하는 부분 방전 검출 센서에 있어서,  In the partial discharge detection sensor including a patch antenna installed in a GIS (Gas Insulated Switchgear) spacer to sense a partial discharge UHF (Ultra High Frequency) signal generated inside the GIS, 상기 패치 안테나는 500MHz~1.5GHz의 주파수 검출대역의 부분 방전신호를 검출하는 것으로서,The patch antenna detects a partial discharge signal in a frequency detection band of 500 MHz to 1.5 GHz , 안테나의 길이가 주파수의 함수로서 반파장(λ/2)에 비례하고, 무지향성 방사특성전계진행방향에 대하여 직선편파특성 및 기판 또는 절연체 중 어느 하나 이상의 비유전율(εr)에 의하여 검출 감도 특성이 변화되는 특징을 가지며 길이와 너비가 동일한 패트(Fat) 다이폴 패치 안테나; 또는 광대역 안테나 소자로 주파수의 대수로서 주기적으로 변하는 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나 중에서 어느 하나가 적용된 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서.The length of the antenna is proportional to the half wavelength (λ / 2) as a function of frequency, and the detection sensitivity characteristic is due to the omnidirectional radiation characteristic and the linear polarization characteristic with respect to the field propagation direction and the relative dielectric constant (εr) of at least one of the substrate and the insulator A Fat dipole patch antenna having the same feature of varying length and width ; Or an external partial discharge detection sensor of a gas insulated switchgear, characterized in that one of a pair of planar logarithmic periodic patch antennas periodically changed as the number of frequencies is applied to the broadband antenna element. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 패치 안테나의 기판은 직사각형의 형태로 너비가 30-50mm이고, 길이가 100-110mm이며, 두께가 1-2mm이고, 비유전율(εr)이 4.0-5.0(FR4)인 기판에 실장되는 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서.The patch antenna has a rectangular shape of 30-50 mm in width, 100-110 mm in length, 1-2 mm in thickness, and is mounted on a substrate having a relative dielectric constant (ε r ) of 4.0-5.0 (FR4). External partial discharge detection sensor of the gas insulated switchgear. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 패트 다이폴 패치 안테나의 다이폴 너비가 15-20mm이고, 길이가 15-20mm이며, 다이폴 사이의 간격이 1-3mm인 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서.An external partial discharge detection sensor of a gas insulated switchgear, wherein the pad dipole patch antenna has a dipole width of 15-20 mm, a length of 15-20 mm, and a gap between dipoles of 1-3 mm. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나의 슬롯 폭
Figure 112006075683964-pat00035
로서 0.80-0.90이고, 기판 크기는 너비 30-50mm에 길이 30-50mm이며, 기판의 두께는 1-2mm이고, 안테나 톱날 내측의 길이(L0)는 10-30mm이며, 톱날의 외측의 길이(L1)는 40-50mm이고, 기판의 비유전율 εr은 4.0-5.0(FR4)이며, 중심 단자 거리는 1-3mm인 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 외장형 부분 방전 검출 센서.
Slot width of the pair of planar logarithmic patch antennas
Figure 112006075683964-pat00035
It is 0.80-0.90, the board size is 30-50mm in width and 30-50mm in length, the thickness of the board is 1-2mm, the length (L 0 ) inside the antenna saw blade is 10-30mm, the length of the outside of the saw blade ( L 1 ) is 40-50mm, the relative dielectric constant ε r of the substrate is 4.0-5.0 (FR4), the center terminal distance is 1-3mm, the external partial discharge detection sensor of the gas insulated switchgear.
삭제delete
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