KR100811684B1 - 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치 - Google Patents

일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치 Download PDF

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Abstract

유입식 전력 기기의 내부 이상으로 발생하는 유중 수소 가스와 절연지 열열화 및 수분 흡입 등으로 생성되는 유중 수분을 하나의 장치로서 검출하는 장치로서 종래기술에 비하여 사용법이 간단하며 경제적으로 유지보수 및 제작이 가능하여 효율적이고 범용적으로 유중 수소 가스와 수분 농도를 검출하는데 이용될 수 있는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치가 개시되어 있다. 제1 셀은 절연유를 수용한다. 제1 검출부는 상기 제1 셀과 일체형으로 설치되어 상기 절연유에 포함된 수소 가스의 농도를 검출한다. 제2 검출부는 상기 제1 셀과 일체형으로 설치되어 상기 제1 셀에 수용된 상기 절연유에 포함된 수분의 농도를 검출한다.
Figure R1020070104421
유중 가스, 유중 수분

Description

일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치{Integral device for detecting hydrogen gas and moisture concentrations}
본 발명은 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유중 수소 가스 및 수분 농도를 하나의 장치로 검출하는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야는 멤브레인(투과막)을 이용한 유중 수소 가스 추출기술, 추출된 유중 수소 가스를 측정하고 농도(ppm)를 결정하는 기술, 유중수분농도(ppm)를 측정하고 결정하는 기술 그리고 유중 수소 가스와 수분농도를 일체형 장치로서 측정할 수 있는 기술이다.
이와 같은 본 발명이 속하는 기술에 대한 종래기술을 설명하면 다음과 같다. 먼저 멤브레인을 이용한 유중 수소 가스 추출기술은 유압에 대한 멤브레인의 기계적 성능을 향상시키기 위하여 모세관형 멤브레인을 이용하거나 평막 멤브레인을 이용할 때는 멤브레인에 금속 소결체를 부착하여 설치하는 기술을 사용하고 있다. 이러한 종래의 기술은 경제성이 떨어지며 수소 가스의 투과시간이 길고 투과량이 작아서 측정 시간이 길어지거나 감도가 저하하고 측정 오차가 큰 문제점이 있다. 추 출된 유중 수소 가스를 측정하고 농도를 결정하는 종래의 기술은 수소 가스의 광 스펙트럼을 이용하여 측정하거나 수소 가스에 대한 TCD(Thermal Conductivity Detection)방식을 이용하는 등 물리 화학적 측정방식을 이용하고 있다. 이러한 방식은 정밀도는 양호하지만 제작 및 유지보수에 경제성이 저하되어 범용적이지 못한 문제점이 나타나고 있다. 최근에는 범용화를 위하여 경제성이 우수한 수소 가스 센서에 의한 측정과 수소 가스 농도를 결정하는 방법이 제안되었다. 유중 수분 농도(ppm)를 측정하고 결정하는 종래의 기술은 주로 칼피셔법을 이용한 화학적 분석법이 주로 이용되어 왔다. 이 방법은 측정 방법이 복잡하고 경비가 많이 들며 유중 수소 가스를 같이 측정할 수 있는 일체형 장비로서의 구성이 불가능하다. 이러한 기술적 문제점으로 인하여 최근 온습도 센서를 이용한 유중 수분 측정 기술이 개발되고 있지만 측정 항목이 유중 수분 농도가 아닌 수분 활성도 측정에 맞춰져 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 유입식 전력 기기의 내부 이상으로 발생하는 유중 수소 가스와 절연지 열열화 및 수분 흡입 등으로 생성되는 유중 수분을 하나의 장치로서 검출하는 장치로서 종래기술에 비하여 사용법이 간단하며 경제적으로 유지보수 및 제작이 가능하여 효율적이고 범용적으로 유중 수소 가스와 수분 농도를 검출하는데 이용될 수 있는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치는 절연유를 수용하는 제1 셀; 상기 제1 셀과 일체형으로 설치되어 상기 절연유에 포함된 수소 가스의 농도를 검출하는 제1 검출부; 및 상기 제1 셀과 일체형으로 설치되어 상기 제1 셀에 수용된 상기 절연유에 포함된 수분의 농도를 검출하는 제2 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 셀 내에는 주변 온도가 투과 특성에 미치는 영향을 감소시키기 위하여 상기 절연유를 상기 절연유에 포함된 수소 가스가 투과하기에 적합한 온도로 조절하는 온도 조절부가 설치되고, 상기 온도 조절부는 상기 절연유의 온도를 감지하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에 의해 감지된 절연유의 온도를 상기 수소 가스가 투과하기에 적합한 온도가 되도록 상기 절연유를 가열 제어하는 히터를 포함한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 검출부는 상기 제1 셀에 수용된 절연유에 포함된 상기 수소 가스를 투과시켜 분리하는 수소 가스 분리부; 및 상기 수소 가스 분리부에 의해 분리된 상기 수소 가스를 수용하는 제2 셀; 상기 제2 셀 내에 설치되어 상기 수소 가스와 반응함에 따라 상기 수소 가스의 농도에 비례하는 전압을 출력하는 수소 가스 센서를 포함한다. 가장 바람직하게는, 상기 수소 가스 분리부는
상기 절연유를 차단하면서 수소 가스를 적절한 투과율로 투과시키는 멤브레인; 상기 멤브레인을 고정하기 위하여 압착하는 압착판; 상기 멤브레인의 상부에 설치되며 온도변화에 따른 절연유의 팽창 수축시 상기 멤브레인이 압력에 견딜 수 있도록 상기 멤브레인를 지지하고, 상기 절연유가 통과하는 구멍이 다수 형성되어 있는 상부 지지판; 상기 멤브레인의 하부에 설치되며 온도변화에 따른 절연유의 팽창 수축시 상기 멤브레인이 압력에 견딜 수 있도록 상기 멤브레인를 지지하고, 상기 멤브레인을 투과한 가스가 통과하는 구멍이 다수 형성되어 있는 하부 지지판; 상기 압착판과 상기 상부 지지판 사이에 설치되어 상기 절연유가 상기 상부 지지판의 외경 방향으로 누유되는 것을 방지하는 제 1 오링; 상기 상부 지지판과 상기 멤브레인 사이에 설치되어 상기 상부 지지판의 다수의 구멍을 통과한 절연유가 상기 멤브레인의 외경 방향으로 누유되는 것을 방지하는 제 2 오링; 상기 제1 셀로부터 상기 제2 셀 및 외부로의 상기 절연유의 누유를 방지하면서 상기 수소 가스 분리부를 상기 제1 셀과 상기 제1 검출부 사이에 고정시키고, 내부에는 상기 제1 셀로부터의 상기 수소 가스를 수집하는 수집 공간이 형성되어 있는 플랜지; 상기 압착판과 상기 플랜지 사이에 설치되어 상기 절연유가 상기 압착판과 상기 플랜지가 접하는 면 의 외측으로부터 내측으로 침입하는 것을 방지하는 제 3 오링; 상기 상부 지지판에 형성된 다수의 구멍의 모서리 부분과 접하는 부분에서의 상기 멤브레인의 눌림을 방지하기 위하여 상기 상부 지지판과 상기 멤브레인 사이에 형성된 제1 금속 메쉬; 및 상기 하부 지지판에 형성된 다수의 구멍의 모서리 부분과 접하는 부분에서의 상기 멤브레인의 눌림을 방지하기 위하여 상기 하부 지지판과 상기 멤브레인 사이에 형성된 제2 금속 메쉬를 포함한다.
또한, 상기 수소 농도 결정에 사용되는 상기 수소 가스 센서에 의해 출력되는 상기 전압은 상기 수소 가스 방출 후 측정된 수소 가스센서의 출력중 최대 출력 전압과 상기 수소 가스 방출 직전에 측정된 기저 출력 전압의 차이다. 더욱이, 상기 제2 검출부는 상기 절연유 중 수분과 일정한 시간 동안 반응한 후 상기 절연유 중 상대 습도를 측정하고 상기 측정된 상대 습도를 기초로 하여 상기 수분의 농도를 얻는 온습도 센서; 및 상기 온습도 센서의 하면에 부착되어 상기 온습도 센서가 일정한 온도를 유지하도록 조절하는 마이크로 히터를 포함한다.
본 발명은 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치로서 유입식 전력기기의 내부 이상으로 발생하는 유중 수소 가스와 절연지 열 열화 및 수분 흡입 등으로 생성되는 유중 수분을 하나의 장치로서 검출하는 장치이다. 본 발명과 동일 목적의 기존의 발명은 각각 별도의 장치를 이용하여 유중 수분과 수소 가스를 측정하거나 또는 일체형 장치를 사용하여 측정을 하더라도 부품의 구성이 복잡하고 물리화학적 측정기술을 사용하기 때문에 제작 및 유지보수에 있어 작업성 및 경제성 이 저하되는 문제점이 있다. 본 발명은 유중 수소 가스와 수분 측정이 일체형으로 되어 있는 것은 물론 멤브레인, 수소 가스센서, 온습도센서, 마이크로히터와 같은 주요 부품을 상용화 되어 있는 일반적인 부품으로 구성이 가능하며, 부품의 탈착이 간단하고 주위 환경의 변화에 대한 영향을 덜 받는 구조로 되어있고 신뢰성과 감도가 우수한 농도 결정알고리즘을 사용하고 있다. 따라서 기존의 발명에 비하여 부품의 조달이 원만하고 제작공정과 유지보수가 용이하고 경제적이며 측정결과에 대한 감도와 신뢰성이 높기 때문에 보다 많은 유입식 전력 기기에 적용할 수 있어 시장성 향상 및 유입식 전력 기기의 고장률을 저감시킬 수 있다.
이하, 첨부된 예시 도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 따른 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치는 제1 셀(1), 제1 검출부(100), 및 제2 검출부(4)를 포함한다.
제1 셀(1)은 절연유를 수용한다. 상기 제1 셀(1) 내에는 주변 온도가 투과 특성에 미치는 영향을 감소하기 위하여 상기 절연유를 상기 절연유에 포함된 수소 가스가 투과하기에 적합한 온도로 조절하는 온도 조절부(105)가 설치된다. 상기 제1 셀(1)의 하부에는 절연유가 유입되는 입유관(15), 상부에는 상기 유입된 절연유가 배출되는 배유관(13)에 설치되어 있다. 상기 제1 셀(1)의 상부에는 상기 제1 셀(1) 내의 공기가 배출되는 배기관(14)이 상기 배유관(13)으로부터 소정 거리 이격되어 설치된다. 상기 온도 조절부(105)는 상기 절연유의 온도를 감지하는 온도 센서(12); 및 상기 온도 센서(12)에 의해 감지된 절연유의 온도를 상기 수소 가스가 투과하기에 적합한 온도가 되도록 상기 절연유를 가열 제어하는 히터(11)를 포함한다. 상기 제1 셀(1)의 외부에는 제1 전원선(110) 및 제1 신호선(42)를 통하여 상기 온습도 센서(43) 및 상기 마이크로히터(45)의 전원 및 신호를 외부에 연결하기 위한 제1 터미널(41)이 설치된다.
상기 제1 검출부(100)는 상기 제1 셀(1)과 일체형으로 설치되어 상기 수소 가스의 농도를 검출한다.
상기 제1 검출부(100)는 수소 가스 분리부(2), 제2 셀(3), 및 수소 가스 센서(31)를 포함한다.
수소 가스 분리부(2)는 상기 제1 셀(1)에 수용된 절연유에 포함된 상기 수소 가스를 투과시켜 분리한다. 제2 셀(3)은 상기 수소 가스 분리부(2)에 의해 분리된 상기 수소 가스를 수용한다. 수소 가스 센서(31)는 상기 제2 셀(3) 내에 설치되어 상기 수소 가스와 반응함에 따라 상기 수소 가스의 농도에 비례하는 전압을 출력한다.
도 2는 도 1에 도시된 수소 가스 분리부(2)의 세부 구성을 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 여러 가지 유중 수소 가스 농도에 대하여 반응시간에 따른 수소 가스 센서(31)의 출력 특성을 나타낸 도면이다. 도 4는 도 1에 도시된 수소 가스 센서의 최대 출력상승치(ΔV)와 유중 수소 가스 농도의 관계를 나 타낸 도면이다. 상기 수소 가스 분리부(2)는 멤브레인(26), 압착판(21), 상부 지지판(23), 하부 지지판(28), 제 1 오링(22), 플랜지(210), 제2 오링(24), 제 3 오링(29), 제1 금속 메쉬(25), 및 제2 금속 메쉬(27)를 포함한다.
멤브레인(26)는 상기 절연유를 차단하면서 수소 가스를 적절한 투과율로 투과시킨다. 상기 멤브레인(26)은 테프론계 고분자 필름으로 형성되는 것이 바람직하다. 압착판(21)은 상기 멤브레인(26)을 고정하기 위하여 압착한다. 상부 지지판(23)은 상기 멤브레인(26)의 상부에 설치되며 온도변화에 따른 절연유의 팽창 수축시 상기 멤브레인(26)이 압력에 견딜 수 있도록 상기 멤브레인(26)을 지지하고, 상기 절연유가 통과하는 적절한 크기의 구멍(232)이 다수 형성되어 있다. 하부 지지판(28)은 상기 멤브레인(26)의 하부에 설치되며 온도변화에 따른 절연유의 팽창 수축시 상기 멤브레인(26)이 압력에 견딜 수 있도록 상기 멤브레인(26)을 지지하고, 상기 멤브레인(26)을 투과한 가스가 통과할 수 있는 적절한 크기의 구멍(282)이 다수 형성되어 있다. 상기 상부 지지판(23) 및 상기 하부 지지판(28)은 금속 또는 강화 플라스틱으로 만들어지는 것이 바람직하다.
제 1 오링(22)은 상기 압착판(21)과 상기 상부 지지판(23) 사이에 설치되어 상기 절연유가 상기 멤브레인(26)의 외경 방향으로 누유되는 것을 방지한다. 제 2 오링(24)은 상기 상부 지지판(23)과 상기 멤브레인(26) 사이에 설치되어 상기 상부 지지판(23)의 다수의 구멍(232)을 통과한 상기 절연유가 상기 멤브레인(26)의 외경 방향으로 누유되는 것을 방지한다. 플랜지(210)은 상기 제1 셀(1)로부터 상기 제2 셀(3) 및 외부로의 상기 절연유의 누유를 방지하면서 상기 수소 가스 분리부(2)를 상기 제1 셀(1)과 상기 제1 검출부(100) 사이에 고정시키고, 내부에는 상기 제1 셀(1)로부터의 상기 수소 가스를 수집하는 수소 가스 수집 공간(211)이 형성되어 있다. 제 3 오링(29)은 상기 압착판(21))과 상기 플랜지(210) 사이에 설치되어 상기 압착판(21)과 상기 플랜지(210)가 접하는 면의 외측으로부터 내측으로 침입하는 것을 방지한다.
제1 금속 메쉬(25)는 상기 상부 지지판(23)에 형성된 다수의 구멍의 모서리 부분과 접하는 부분에서의 상기 멤브레인(26)의 눌림을 방지하기 위하여 상부 지지판(23)과 상기 멤브레인(26) 사이에 설치되며 상기 제1 금속 메쉬(25)의 간격은 구멍의 직경에 비하여 조밀하게 형성된다. 제2 금속 메쉬(27)는 상기 하부 지지판(28)에 형성된 다수의 구멍의 모서리 부분과 접하는 부분에서의 상기 멤브레인(26)의 눌림을 방지하기 위하여 상기 하부 지지판(28)과 상기 멤브레인(26) 사이에 설치되며 제2 금속 메쉬(25)의 간격은 구멍의 직경에 비하여 조밀하게 형성된다.
도 1을 참조하면, 상기 수소 가스 분리부(2)와 상기 제2 셀(3) 사이에는 상기 수소 가스의 상기 수소 가스 분리부(2)로부터 상기 제2 셀(3)로의 유입 및 차단을 조절하는 제1 밸브(36)가 설치된다. 상기 제2 셀(3)의 외벽에는 상기 제1 셀(1)로부터 상기 제2 셀로 유입된 상기 수소 가스를 배기하는 제2 밸브(32)가 설치되고, 상기 제2 셀의 타벽에는 외부터로부터의 공기 흡입을 조절하는 제3 밸브(33)가 설치되어 있다. 상기 제2 셀(3)의 외부에는 제2 전원선(120) 및 제2 신호선(35)를 통하여 상기 수소 가스 센서(31)의 전원 및 신호를 외부와 연결하기 위한 제2 터미 널(34)이 설치되어 있다.
상기 수소 가스 방출 후, 측정된 상기 상기 수소 가스 센서(31)의 출력 중 최대 출력 전압과 상기 수소 가스의 방출 직전에 측정된 상기 수소 가스센서(31)의
기저 출력 전압의 차를 기초로 하여 유중 수소 가스 농도가 결정된다.
도 5는 도 1에 도시된 제2 검출부의 일예를 나타낸 단면도이다. 제2 검출부(4)는 상기 제1 셀(1)과 일체형으로 설치되어 상기 제1 셀(1)에 수용된 상기 절연유에 포함된 상기 수분의 농도를 검출한다. 상기 제2 검출부(4)는 온습도 센서(43) 마이크로 히터(45)를 포함한다.
온습도 센서(43)는 상기 절연유 중 수분과 일정한 시간 동안 반응한 후 상기 절연유 중 상대 습도를 측정하고 상기 측정된 상대 습도를 기초로 하여 상기 수분의 농도를 얻는다. 마이크로 히터(45)는 상기 온습도 센서(43)의 하면에 부착되어 상기 온습도 센서(43)가 일정한 온도를 유지하도록 조절한다.
상기 제2 검출부(4)는 상기 온습도 센서(43)와 상기 마이크로 히터(45)를 부착하는 제1 접착제(44); 및 상기 제1 접착제(45)에 의해 부착된 둘레에는 상기 제1 접착제(44)에 의한 부착을 견고히 하기 위한 제2 접착제(46)를 더 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 유중 수소 가스와 유중수분을 검출하는 작용은 다음과 같다. 먼저 유중 수소 가스 측정은 투과막인 멤브레인(26)이 설치되어 있는 일정한 크기의 제1 셀(1)에 수소 가스가 용해되어 있는 절연유가 들어 있으면 절연유 유입은 차단되고 수소 가스는 확산에 의하여 멤브레인(26)을 투과한다. 단 주변 온도가 투과 특성에 미치는 영향을 감소하기 위하여 절연유는 일정한 온도에서 유지된다. 즉, 상기 제1 셀(1) 내에 설치된 온도 조절부(105)에 의해 상기 절연유의 온도가 상기 절연유에 포함된 수소 가스가 투과하기에 적합한 온도로 조절된다.
다음 멤브레인(26)을 투과한 수소 가스를 일정 시간 동안 폐쇄된 수소 수집공간(211)에 모은 후 제1 밸브(36)를 통하여 방출시켜 수소 가스 센서(31)와 접하게 하면 수소 가스 센서(31)는 반응을 한다. 방출되는 유중 가스의 양은 한정되어 있기 때문에 방출된 수소 가스가 수소 가스 센서(31)에 반응한 후 외부로 배기되면 반응 시간에 따라서 수소 가수 센서(31)의 출력치가 점차 증가하다가 최대치를 보인 후 감소하는 특성을 보이게 된다. 이때 측정된 최대 출력치(Vp)와 수소 가스 방출 직전(수소 가스가 없을 때) 측정된 기저 출력치(Vo)의 차, 즉 최대 출력상승치(ΔV=Vp-Vo)는 유중 수소 가스농도와 일정한 특성이 있게 되며 따라서 최대 출력상승치와 유중 수소 가스농도와의 관계를 미리 구해 놓으면 최대 출력상승치의 측정으로 유중 수소 가스 농도를 알 수 있다. 이러한 관계가 도 3 및 도 4에 나타나 있다. 도 3은 여러 가지 유중 수소 가스 농도에 대하여 반응시간에 따른 수소 가스센서(31)의 출력 특성을 보이고 있고 가스 농도 a<b<c<d<e<f<g<h ppm에 대하여 최대 출력 전압(Va<Vb<Vc<Vd<Ve<Vf<Vg<Vh)도 상승하고, 그에 따라 최대 출력 상승 전압도 상승하게 된다. 도 4은 도 3에서 구한 최대 출력상승 전압(ΔV:예 H=Vh-V0)과 수소 가스 농도의 관계 예를 보여주고 있다.
두 번째로 유중 수분 측정에서 일반적으로 온습도 센서는 어떠한 온도에서 대기 중의 수분이 있는 정도를 측정하는 데 사용되지만 이러한 온습도 센서를 이용하여 유중의 수분 농도를 측정하는 것이 본 발명으로부터 가능한 것으로 밝혀졌다. 도 3은 수분 농도가 다른 절연유 속에 온습도 센서(43)를 담군 상태에서 측정된 반응 시간별 유중 상대 습도의 변화 특성을 보이고 있다. 이때 유중 상대 습도는 대기 중에서처럼 온습도 센서(43)의 온도에 의존하여 측정되기 때문에 유중 수분 농도와 온습도 센서(43)가 표시하는 유중 상대 습도의 관계를 보기 위해서는 온습도센서(43)의 온도를 일정하게 유지해야 한다. 본 발명에서는 마이크로 히터(45)를 온습도 센서(43) 하면에 부착하여 온습도 센서(43)로부터 측정된 온도로서 온습도 센서(43)의 온도를 제어하면서 온습도 센서(43)의 온도를 일정하게 유지하였다. 도 6에서와 같이 어떠한 온도에서 유중 상대 습도는 유중 수분 농도에 따라서 일정한 값으로 포화되는 경향을 보이고 있으며 유중 수분 농도 A, B, C, D에 대해서 시간 T에서 측정된 유중 상대 습도는 a, b, c, d로 측정되고 있다. 이러한 그래프로부터 온습도 센서가 유중 수분과 일정한 시간 동안 반응한 후에 측정된 유중 상대 습도와 유중 수분 농도의 관계를 나타내면 도 7과 같다. 따라서 일정한 온도 t에서 온습도 센서(43)로 유중 상대 습도를 측정하면 도 7의 특성을 이용하여 유중 수분 농도를 구할 수 있다.
이상의 유중 가스 농도 측정과 유중 수분 농도 측정 기술을 종합하면 수소 가스와 수분이 용해되어 있는 절연유가 들어 있는 용기의 한쪽 면에 수소 가스가 투과하는 멤브레인(26)를 설치하여 투과시키고 투과된 수소 가스를 수소 가스 센서(31)와 반응시켜 최대 출력 상승치를 측정한 후, 도 4의 관계를 이용하여 수소 가스 농도를 구하고 또한 제1 셀(1) 내부에 마이크로 히터(45)가 부착된 온습도 센서(43)를 설치하여 상기 온습도 센서(43)로부터 측정된 유중 상대 습도로서 도 7의 관계로부터 유중 수분 농도를 구하면 하나의 장치로서 유중 수소 가스와 유중 수분농도를 측정할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
유입식 변압기나 리액터, OF 케이블과 같은 유입 전력 기기는 운전 중에 열적, 전기적, 기계적 그리고 수분침입과 같은 환경적인 스트레스를 받으면 내부에 국부과열, 부분 방전, 아크 방전과 같은 이상이 발생하며, 이와 같은 고장을 방치하면 고장이 진행되어 최종적으로 절연 파괴되어 영구 고장을 일으키게 된다. 일반적으로 유입식 전력 기기의 이상은 유중에 수소 가스를 발생시키고, 수분 양을 증가시킨다. 그러므로 수소 가스농도와 수분의 검출법은 초기에 고장을 검출하여 치명적인 고장으로의 이행을 예방할 수 있다. 본 발명은 일체형 유중 수소 가스 및 수분농도 검출장치로서 유입식 전력 기기의 유중 수소 가스와 수분농도를 검출하는 데 활용된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 수소 가스 분리부의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 여러 가지 유중 수소 가스 농도에 대하여 반응시간에 따른 수소 가스 센서의 출력 특성도이다.
도 4은 도 1에 도시된 수소 가스 센서의 최대 출력상승치(ΔV)와 유중 수소 가스 농도의 관계도이다.
도 5는 도 1에 도시된 제2 검출부의 일예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 수분 농도별 반응 시간에 대한 도 5에 도시된 온습도 센서의 유중상대습도의 변화 특성이다.
도 7은 일정한 시간 동안 반응한 후에 측정된 유중 상대 습도와 유중 수분 농도의 관계를 보여주고 있다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 제1 셀 2: 수소 가스 분리부
3: 제2 셀 4: 제2 검출부
11: 히터 12: 온도 센서
13: 배유관 14: 배기관
15: 입유관 21: 압착판
22: 제1 오링 23: 상부 지지판
24: 제2 오링 25: 제1 금속 메쉬
26: 멤브레인 27: 제2 금속 메쉬
28: 하부 지지판 29: 제3 오링
31: 수소 가스 센서 32: 제2 밸브
33: 제3 밸브 35: 제2 신호선
36: 제1 밸브 41: 제1 터미널
42: 제1 신호선 43: 온습도 센서
44: 제1 접착제 45: 마이크로 히터
46: 제2 접착제 100: 제1 검출부
105: 온도 조절부 110: 제1 전원선
120: 제2 전원선 210: 플랜지
211: 수소 가스 수집 공간 232, 282: 구멍

Claims (11)

  1. 절연유를 수용하는 제1 셀;
    상기 제1 셀과 일체형으로 설치되어 상기 절연유에 포함된 수소 가스의 농도를 검출하는 제1 검출부; 및
    상기 제1 셀과 일체형으로 설치되어 상기 제1 셀에 수용된 상기 절연유에 포함된 수분의 농도를 검출하는 제2 검출부를 포함하는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 셀 내에는 주변 온도가 투과 특성에 미치는 영향을 감소하기 위하여 상기 절연유를 상기 절연유에 포함된 수소 가스가 투과하기에 적합한 온도로 조절하는 온도 조절부가 설치되는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 온도 조절부는 상기 절연유의 온도를 감지하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에 의해 감지된 절연유의 온도를 상기 수소 가스가 투과하기에 적합한 온도가 되도록 상기 절연유를 가열 제어하는 히터를 포함하는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 셀의 외부에는 제1 전원선 및 제1 신호선을 통하 여 상기 온습도 센서 및 상기 마이크로 히터의 전원 및 신호를 외부에 연결하기 위한 제1 터미널이 설치되는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 검출부는
    상기 제1 셀에 수용된 절연유에 포함된 상기 수소 가스를 투과시켜 분리하는 수소 가스 분리부; 및
    상기 수소 가스 분리부에 의해 분리된 상기 수소 가스를 수용하는 제2 셀;
    상기 제2 셀 내에 설치되어 상기 수소 가스와 반응함에 따라 상기 수소 가스의 농도에 비례하는 전압을 출력하는 수소 가스 센서를 포함하는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 수소 가스 분리부는
    수소 가스 수집 공간을 형성하고 상기 절연유를 차단하면서 수소 가스를 적절한 투과율로 투과시키는 멤브레인;
    상기 멤브레인을 고정하기 위하여 압착하는 압착판;
    상기 멤브레인의 상부에 설치되며 온도변화에 따른 절연유의 팽창 수축시 상기 멤브레인이 압력에 견딜 수 있도록 상기 멤브레인를 지지하고, 상기 절연유가 통과하는 구멍이 다수 형성되어 있는 상부 지지판;
    상기 멤브레인의 하부에 설치되며 온도변화에 따른 절연유의 팽창 수축시 상 기 멤브레인이 압력에 견딜 수 있도록 상기 멤브레인를 지지하고, 상기 멤브레인을 투과한 가스가 통과하는 구멍이 다수 형성되어 있는 하부 지지판;
    상기 압착판과 상기 상부 지지판 사이에 설치되어 상기 절연유가 상기 상부 지지판의 외경 방향으로 누유되는 것을 방지하는 제 1 오링;
    상기 상부 지지판과 상기 멤브레인 사이에 설치되어 상기 상부 지지판의 다수의 구멍을 통과한 절연유가 상기 멤브레인의 외경 방향으로 누유되는 것을 방지하는 제 2 오링;
    상기 제1 셀로부터 상기 제2 셀 및 외부로의 상기 절연유의 누유를 방지하면서 상기 수소 가스 분리부를 상기 제1 셀과 상기 제1 검출부 사이에 고정시키고, 내부에는 상기 제1 셀로부터의 상기 수소 가스를 수집하는 수집 공간이 형성되어 있는 플랜지;
    상기 압착판과 상기 플랜지 사이에 설치되어 상기 절연유가 상기 압착판과 상기 플랜지가 접하는 면의 외측으로부터 내측으로 침입하는 것을 방지하는 제 3 오링;
    상기 상부 지지판에 형성된 다수의 구멍의 모서리 부분과 접하는 부분에서의 상기 멤브레인의 눌림을 방지하기 위하여 상기 상부 지지판과 상기 멤브레인 사이에 형성된 제1 금속 메쉬; 및
    상기 하부 지지판에 형성된 다수의 구멍의 모서리 부분과 접하는 부분에서의 상기 멤브레인의 눌림을 방지하기 위하여 상기 하부 지지판과 상기 멤브레인 사이에 형성된 제2 금속 메쉬를 포함하는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장 치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 멤브레인은 테프론계 고분자 필름으로 형성되고, 상기 상부 지지판 및 상기 하부 지지판은 금속 또는 강화 플라스틱으로 만들어지는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
  8. 제5 항에 있어서, 상기 수소 가스 분리부와 상기 제2 셀 사이에는 상기 수소 가스의 상기 수소 가스 분리부로부터 상기 제2 셀로의 유입 및 차단을 조절하는 제1 밸브가 설치되고, 상기 제2 셀의 외벽에는 상기 제1 셀로부터 상기 제2 셀로 유입된 상기 수소 가스를 배기하는 제2 밸브가 설치되고, 상기 제2 셀의 타벽에는 상기 제1 셀로부터 상기 제2 셀로 흡입된 공기를 조절하는 제3 밸브가 설치되고, 상기 제2 셀의 외부에는 제2 전원선 및 제2 신호선을 통하여 상기 수소 가스센서의 전원 및 신호를 외부와 연결하기 위한 제2 터미널이 설치되는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
  9. 제5 항에 있어서, 상기 수소 가스 센서에 의해 출력되는 상기 전압은 상기 수소 가스 방출 후 측정된 수소 가스센서의 출력중 최대 출력 전압과 상기 수소 가스 방출 직전에 측정된 기저 출력 전압의 차인 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 제2 검출부는
    상기 절연유 중 수분과 일정한 시간 동안 반응한 후 상기 절연유 중 상대 습도를 측정하고 상기 측정된 상대 습도를 기초로 하여 상기 수분의 농도를 얻는 온습도 센서; 및
    상기 온습도 센서의 하면에 부착되어 상기 온습도 센서가 일정한 온도를 유지하도록 조절하는 마이크로 히터를 포함하는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 제2 검출부는 상기 온습도 센서와 상기 마이크로 히터를 부착하는 제1 접착제; 및
    상기 제1 접착제에 의해 부착된 둘레에는 상기 제1 접착제에 의한 부착을 견고히 하기 위한 제2 접착제를 더 포함하는 일체형 유중 수소 가스 및 수분 농도 검출 장치.
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