KR100799704B1 - 고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 그 제조방법 - Google Patents

고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100799704B1
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마복렬
박순철
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Abstract

본 발명은 고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 전기적 특성이 뛰어난 양질의 천연 마이카를 주재료로 사용한 부분방전 감시센서 및 그 제조방법을 제공하고, 본 발명에 의한 부분방전 감시센서를 이용하여 전력설비에 대한 부분방전 신호를 검출함으로써, 고 신뢰성 및 고 안정성을 보장하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 이를 이용한 감시장치와 더불어, 상기 감시센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
특히, 고전압을 이용하는 고압전동기 또는 발전기(고전압 설비)의 고정자에서 발생하는 부분방전의 고주파 신호를 검출하는 감시센서를 제공하여, 해당 기기의 고장원인인 절연저하 여부판단 및 절연열화에 의한 누전 사고 및 단락 사고를 미연에 방지하는 효과가 있는 것이다.
또한, 본 발명은 고전압 설비의 절연저하를 감시하는 부분방전 검출장치의 안정성과 신뢰성을 향상시킴은 물론, 해당 고전압 설비의 안정성과 신뢰성 또한 향상시킬 수 있는 것이다.
고전압 설비, 부분방전, 감시센서, 마이카(Mica)

Description

고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 그 제조방법{Detecting sensor for partial discharge of high voltage equipment and production method of the same}
도 1은 본 발명에 의한 고전압 설비의 부분방전 감시센서의 제조방법에 대한 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 2는 도 1의 섹션제조방법의 일 예를 나타낸 상세순서도이다.
도 3은 도 1의 본체제조방법의 일 예를 나타낸 상세순서도이다.
도 4는 도 1의 센서제조방법의 일 예를 나타낸 상세순서도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2에 의해 제조된 센서의 단위섹션에 대한 일 예를 나타낸 구성도이다.
도 6은 도 3에 의해 제조된 센서의 본체에 대한 일 예를 나타낸 구성도이다.
도 7은 도 3에 의해 제조된 센서의 본체에 단자를 연결한 일 예를 나타낸 구성도이다.
도 8은 도 4에 의해 제조된 센서의 일 예를 나타낸 사진이다.
도 9a 내지 도 9f는 본 발명에 의해 제조된 부분방전 감시센서의 테스트결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 단위 셀 11 : 유전체
12 : 전극박판 100 : 콘덴서 섹션
200 : 절연시트 300 : 연결부재
400 : 외부연결단자
본 발명은 고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기적 특성이 뛰어난 양질의 천연 마이카를 주재료로 사용하여 부분방전 신호를 검출할 수 있는 부분방전 감시센서 및 그 제조방법을 제공함으로써, 해당 고전압설비의 고장원인인 절연저하 여부판단 및 절연열화에 의한 누전 사고 및 단락 사고를 미연에 방지하기 위한 것이다.
따라서, 고전압 설비의 절연저하를 감시하는 부분방전 검출장치의 안정성과 신뢰성을 향상시킴은 물론, 해당 고전압 설비의 안정성과 신뢰성 또한 향상시킬 수 있는 것이다.
일반적으로, 고전압 설비의 고장원인인 절연저하 여부를 판단하고 절연열화에 의한 누전 사고 및 단락 사고를 미연에 방지하기 위해서, 해당 고전압 설비의 절연상태진단이 필요하며, 이러한 고전압비의 절연상태 진단은 고전압 설비에서 발생되는 부분방전을 감시 및 분석함으로서 이루어진다.
이러한 부분 방전에 따른 고주파신호를 검출할 때 이용되는 재료에는 세라믹 콘덴서와 마이카 콘덴서가 있는데 세라믹은 유전율이 커서 고용량 콘덴서도 작게 만들수있는 장점은 있으나 온도계수 즉 온도에 대한 용량 변화율이 매우 크다는 것이다.사용 온도 범위에서 변화율이 작은것은 15% 정도이고 최대 50~60%까지의 용량 변화를 가진다하지만 마이카 콘덴서는 사용온도 범위내에서 콘덴서 용량값 변화가 거의발생하지 않는다
따라서, 부분방전을 감시하고 분석 하기 위해 부분 방전에 따른 고주파신호를 검출할 때 이용되는 콘덴서는 정밀도가 높고 온도계수가 낮아 손실률이 작은 적합한 재료로 만들어질 필요가 생기게 되었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 세라믹 콘덴서를 사용하지 않고 전기적 특성이 뛰어난 양질의 천연 마이카가 주재료인 마이카 콘덴서를 사용하여 부분방전 신호를 검출하며, 고 신뢰성 및 고 안정성을 보장하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
특히, 본 발명은 고압전동기 또는 발전기 등의 고정자에서 발생되는 부분방전을 검출하는 감시센서를 제공하여, 해당 고압설비의 고장원인인 절연저하 여부판단 및 절연열화에 의한 누전 사고 및 단락 사고를 미연에 방지하기 위한 고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고전압 설비의 부분방전 감시센서는, 적어도 하나의 전극박판과 유전체를 반복 적층한 적어도 하나의 콘덴 서 섹션; 상기 적어도 하나의 콘덴서 섹션 사이에 구성한 절연시트; 상기 적어도 하나의 콘덴서 섹션 중 상기 절연시트를 중심으로 한 서로 다른 콘덴서 섹션의 일측을 전기적으로 연결하는 연결부재; 상기 적어도 하나의 콘덴서 섹션 중 양측 종단에 구성한 콘덴서 섹션과 전기적으로 연결되는 외부연결단자; 및 상기 외부연결단자의 일측이 노출되도록, 상기 적어도 하나의 콘덴서 섹션을 몰딩하는 몰딩부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 고전압 설비의 부분방전 감시센서의 제조방법은, a) 요구되는 센서의 사양에 기초하여 전극박판과 유전체를 적층하여 단위셀을 제조하는 단계; b) 상기 단위셀을 적어도 하나 적층하고, 열간 압착하여 콘덴서 섹션을 제조하는 단계; c) 상기 콘덴서 섹션을 적어도 하나 적층하고, 상기 적어도 하나의 콘덴서 섹선 중 양측 종단에 구성한 콘덴서 섹션과 외부연결단자를 연결하여 센서본체를 제조하는 단계; 및 d) 상기 외부연결단자가 노출되도록 상기 센서본체를 절연부재로 몰딩하고 외형을 형성한 후, 상기 요구되는 센서의 사양에 대한 적합여부를 검사하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 그 제조방법에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 고전압 설비의 부분방전 감시센서의 제조방법에 대한 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 5a에 나타난 바와 같이 전극박판(12)과 유전체(11)에 의해 단위셀(10)을 구성하고, 본 발명에 의해 제조된 부분방전 감시센서를 사용하고자 하는 설비 등에 의해 요구되는 센서의 사양에 기초하여, 도 5a에 나타난 바와 같이 서로 다른 두개 또는 그 이상의 단위셀을 적층하고 열간 압착하여, 도 5b와 같은 콘덴서 섹션(Section)(100)을 제조한다(S100).
여기서, 상기 열간 압착은 100~150℃의 압착온도에서 80kg/cm2의 압착압력으로 수행하는 것이나, 이에 한정하지는 않는다.
또한, 본 발명의 부분방전 감시센서에 사용되는 유전체로는 다양한 것을 적용할 수 있으나, 바람직하게는 천연 마이카(Mica)를 주 재료로 사용하며, 상기 마이카는 환경 변화에 따른 용량의 변화가 적고, 고온에서도 안정적으로 사용이 가능하며, 내전압 특성이 매우 양호하고, 정밀도가 놓고 손실이 매우 작음은 물론, 반영구적으로 사용이 가능하다.
또한, 상기 단위셀은 하기의 [수학식 1]에 의해 그 크기와 높이가 결정된다.
Figure 112007025530387-pat00001
여기서, C는 정전용량(pF), ε은 유전재료의 유전률, S는 전극대향면적, t는 전극간의 거리(유전체의 두께)이다.
상기와 같이 구성된 콘덴서 섹션(100)은 도 6에 나타난 바와 같이, 원하는 센서의 용량과 내압에 대응하도록 다수개를 적층하고, 상기 적층한 콘덴서 섹션의 사이에는 절연시트(200)를 구성하며, 상기 적층한 다수개의 콘덴서 섹션은 연결부 재(300)에 의해 직렬로 연결한다. 그리고, 적층한 다수개의 콘덴서 섹션 중 양측 종단에 구성한 콘덴서 섹션은 도 7에 나타난 바와 같이, 외부연결단자(400)를 연결하여 센서본체를 제조한다(S200).
여기서, 상기 연결부재(300)는 납을 이용한 솔더링(Soldering)으로 형성한다.
이후, 상기 제조한 센서본체의 외부로는 고압용 에폭시(Epoxy)를 이용하여 몰딩하되, 도 8의 왼쪽 사진에 나타난 바와 같이 상기 외부연결단자가 노출되도록 하고, 최종적으로 제조된 본 발명에 의한 부분방전 감시센서가 상기 요구되는 센서의 사양에 적합한지에 대한 적합성 검사를 수행한다(S300).
이하에서, 도 2를 참조하여 도 1의 섹션제조방법에 대하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
우선, 단위셀에 사용될 재료를 검사한다(S101). 상기 재료로는 마이카, 세라믹, 알루미나, 천연고무 등을 포함하며, 검사항목으로는 정전용량, 손실율, 사용전압/내압, 사용온도 등을 포함한다.
본 발명에 의한 부분방전 감시센서는 약 80pF 및 50pF, 손실율은 0.08%이하, 사용전압/내압은 8/17 KV 및 28/56 KV, 사용온도는 -35 ~ +135℃ 등으로 설정되며, 이에 바람직한 유전재료는 천연 마이카, 전극재료는 연박판(Lead Foil), 절연재료는 고압용 절연 에폭시, 단자재질은 황동 등이다.
상기 검사한 재료에 기초하여 센서의 사양을 결정하며(S102), 이때 고려해야 할 조건으로는 유전체 손실이 작을 것, 절연 저항이 클 것, 고주파 특성이 좋을 것, 온도변화에 대한 용량변화가 작을 것, 경년변화가 작을 것, 외형적으로 견고할 것, 내전압 특성과 파괴 전압 특성이 좋을 것 등이 있다.
상기 결정한 센서의 사양에 기초하여, 마이카인 유전체와 연박판의 전극박판을 각각 1매씩 교대로 적층하여 단위셀을 제조한다(S103). 여기서 바람직한 마이카인 유전체의 두께는 0.03 ~ 0.07 mm이고, 연박판의 전극박판의 두께는 0.025 ~ 0.04 mm이다.
상기 단위셀은 100~150℃의 압착온도에서 80kg/cm2의 압착압력으로 열간 압착하여 콘덴서 섹션을 제조하며(S104), 상기 제조된 콘덴서 섹션의 용량 및 내압을 검사하여(S105), 정상이면(S106) 콘덴서 섹션의 제조를 완료(S108)하고, 정상이 아니면 보정작업을 수행하여(S107), 콘덴서 섹션의 제조를 완료(S108)하게 된다.
여기서, 상기 콘덴서 섹션의 용량 및 내압의 검사 방법과 보정작업에 대해서는 당업자의 요구에 따라 다양한 방법을 적용할 수 있으므로, 특별한 것에 한정하지 않음은 당연하다.
이하에서, 도 3를 참조하여 도 1의 센서본체제조방법에 대하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
상기와 같이 콘덴서 섹션을 제조하면, 최종적으로 제조하고자 하는 부분방전 감시센서의 용량과 내압에 기초하여, 상기 콘덴서 섹션의 직렬연결 개수를 결정하고, 각 콘덴서 섹션간의 절연을 위하여 절연시트(Mica Sheet)를 상기 콘덴서 섹션의 사이마다 구성하여 적층한다(S201).
이후, 상기 절연시트에 의해 격리된 각 콘덴서 섹션을 납에 의한 솔더링(Soldering)으로 직렬연결하고(S202) 압착 한 후(S203), 최상부의 콘덴서 섹션과 최하부의 콘덴서 섹션을 외부연결단자와 연결한다(S204). 이때 상기 연결단자는 황동재질이며, 단자선의 재질은 구리(Copper Sheet)를 사용한다.
상기와 같이 센서본체의 구성연결이 완료되면, 상기 제조한 센서본체의 용량 및 내압을 검사하고(S205), 상기 검사한 용량 및 내압이 정상이면(S206) 센서본체의 제조를 완료(S208)하고, 정상이 아니면 보정작업을 수행하여(S207) 센서본체의 제조를 완료(S208)하게 된다.
이하에서, 도 4를 참조하여 도 1의 센서제조방법에 대하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
우선, 센서의 외형을 만들기 위한 금형을 제작하고, 상기와 같이 제조된 센서본체를 금형 내부에 위치시킨 후, 상기 센서본체와 금형물 사이에 고압용 에폭시의 절연부재를 진공함침하여 약 24시간 동안 건조하고(S301), 상기 건조가 완료되면 상기 제조한 부분방전 감시센서의 용량 및 내압을 검사한다(S302).
상기 부분방전 감시센서에 대한 용량 및 내압 검사가 정상이면(S303) 부분방전 감시센서의 제조를 완료하고, 정상이 아니면 보정작업을 수행한다(S304).
이후, 상기 부분방전 감시센서의 외부, 다시 말해 에폭시의 절연부재 외부면을 가공 또는 코팅(Coating)처리하고(S305), 상기 가공한 부분방전 감시센서에 대하여 상기 요구되는 센서의 사양에 대한 적합여부 등의 최종검사를 수행하며(S306), 상기 검사한 적합성 여부가 정상이면(S307) 부분방전 감시센서의 제조를 완료하고(S309), 정상이 아니면 보정작업을 수행하여(S308) 부분방전 감시센서의 제조를 완료한다(S309).
도 8은 도 4에 의해 제조된 센서의 일 예를 나타낸 사진으로, 당업자의 요구에 따라 제조된 부분방전 감시센서의 외부를 도 8에 나타난 바와 같이 가공 및 코팅(Coation)처리할 수 있다.
그리고, 도 8에 나타난 바와 같은 부분방전 감시센서의 테스트결과는 도 9a 내지 도 9f에 나타난 바와 같으며, 도 9a는 임피던스 대 주파수 특성을 나타낸 그래프이고, 도 9b는 주파수 대 용량 특성을 나타낸 그래프이며, 도 9c는 주파수 대 손실률 특성을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 9d는 1KV에 대한 잡음(Noise) 신호 검출 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9e는 5KV에 대한 잡음(Noise) 신호 검출 결과를 나타낸 그래프이며, 도 9f는 부분방전 신호(코로나 방전)를 검출한 것을 나타낸 것이다.
이상에서 본 발명에 의한 고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 그 제조방법에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범 위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상기와 같은 본 발명은 전기적 특성이 뛰어난 양질의 천연 마이카를 주재료로 사용한 부분방전 감시센서 및 그 제조방법을 제공하고, 본 발명에 의한 부분방전 감시센서를 이용하여 전력설비에 대한 부분방전 신호를 검출함으로써, 고 신뢰성 및 고 안정성을 보장하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서 및 이를 이용한 감시장치와 더불어, 상기 감시센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
특히, 고전압을 이용하는 고압전동기 또는 발전기(고전압 설비)의 고정자에서 발생하는 부분방전의 고주파 신호를 검출하는 감시센서를 제공하여, 해당 기기의 고장원인인 절연저하 여부판단 및 절연열화에 의한 누전 사고 및 단락 사고를 미연에 방지하는 효과가 있는 것이다.
따라서, 고전압 설비의 절연저하를 감시하는 부분방전 검출장치의 안정성과 신뢰성을 향상시킴은 물론, 해당 고전압 설비의 안정성과 신뢰성 또한 향상시킬 수 있는 것이다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 일측이 돌출된 적어도 하나의 전극박판과 유전체를 적층한 후, 열간 압착을 하여 형성한 적어도 하나의 콘덴서 섹션;
    상기 적어도 하나의 콘덴서 섹션 사이에 구성한 절연시트;
    상기 적어도 하나의 콘덴서 섹션 중 상기 절연시트를 중심으로 한 서로 다른 콘덴서 섹션의 일측을 전기적으로 연결하는 연결부재;
    상기 적어도 하나의 콘덴서 섹션 중 양측 종단에 구성한 콘덴서 섹션과 전기적으로 연결되는 외부연결단자; 및
    상기 외부연결단자의 일측이 노출되도록, 상기 적어도 하나의 콘덴서 섹션을 몰딩하는 절연부재를 포함하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유전체는, 천연 마이카(Mica)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 연결부재는, 납을 이용한 솔더링(Soldering)으로 형성한 것을 특징으로 하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서.
  6. a) 요구되는 센서의 사양에 기초하여 전극박판과 천연 마이카(Mica)를 포함한 유전체를 적층하여 단위셀을 제조하는 단계;
    b) 상기 단위셀을 적어도 하나 적층하고, 열간 압착하여 콘덴서 섹션을 제조하는 단계;
    c) 상기 콘덴서 섹션을 적어도 하나 적층하고, 상기 적어도 하나의 콘덴서 섹선 중 양측 종단에 구성한 콘덴서 섹션과 외부연결단자를 연결하여 센서본체를 제조하는 단계; 및
    d) 상기 외부연결단자가 노출되도록 상기 센서본체를 절연부재로 몰딩하고 외형을 형성한 후, 상기 요구되는 센서의 사양에 대한 적합여부를 검사하는 단계로 이루어진 고전압 설비의 부분방전 감시센서의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 단계 a)는,
    a-1) 단위셀에 사용될 재료를 검사하는 과정;
    a-2) 상기 검사한 재료에 기초하여 센서의 사양을 결정하는 과정; 및
    a-3) 상기 결정한 센서의 사양에 기초하여 단위셀을 제조하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 단계 b)는,
    b-1) 요구되는 센서의 사양에 기초하여 적어도 하나의 상기 단위셀을 적층하는 과정;
    b-2) 상기 단위셀을 열간 압착하여 콘덴서 섹션을 제조하는 과정;
    b-3) 상기 제조한 콘덴서 섹션의 용량 및 내압을 검사하는 과정; 및
    b-4) 상기 검사한 용량 및 내압이 정상이면 콘덴서 섹션의 제조를 완료하고, 정상이 아니면 보정작업을 수행하여 콘덴서 섹션의 제조를 완료하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서의 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 단계 c)는,
    c-1) 상기 콘덴서 섹션을 적어도 하나 적층하는 과정;
    c-2) 상기 적층된 적어도 하나의 콘덴서 섹션을 직렬연결하는 과정;
    c-3) 상기 직렬연결된 적어도 하나의 콘덴서 섹션을 압착하는 과정;
    c-4) 상기 압착한 적어도 하나의 콘덴서 중 양측 종단에 구성한 콘덴서 섹션에 외부연결단자를 연결하여 센서본체를 제조하는 과정;
    c-5) 상기 제조한 센서본체의 용량 및 내압을 검사하는 과정; 및
    b-4) 상기 검사한 용량 및 내압이 정상이면 센서본체의 제조를 완료하고, 정상이 아니면 보정작업을 수행하여 센서본체의 제조를 완료하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서의 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 단계 d)는,
    d-1) 상기 센서본체에 절연부재를 진공함침하여 건조하여 부분방전 감시센서를 제조하는 과정;
    d-2) 상기 제조한 부분방전 감시센서의 용량 및 내압을 검사하는 과정; 및
    d-3) 상기 검사한 용량 및 내압이 정상이면 부분방전 감시센서의 제조를 완료하고, 정상이 아니면 보정작업을 수행하여 부분방전 감시센서의 제조를 완료하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 단계 d)는,
    d-4) 상기 부분방전 감시센서의 외부를 가공하는 과정;
    d-5) 상기 가공한 부분방전 감시센서에 대하여 상기 요구되는 센서의 사양에 대한 적합여부를 검사하는 과정; 및
    b-6) 상기 검사한 적합성 여부가 정상이면 부분방전 감시센서의 제조를 완료하고, 정상이 아니면 보정작업을 수행하여 부분방전 감시센서의 제조를 완료하는 과정을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고전압 설비의 부분방전 감시센서의 제조방법.
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