KR100831960B1 - 자가 진단형 몰드 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자가 진단형 몰드 변압기에 관한 것으로, 특히 변압기 내 부분방전을 측정하는 측정장치에 있어서, 수지로 몰딩하여 고압측 권선의 고주파 부분방전을 검출하도록 상기 변압기의 일측에 내장되는 고압 하이브리드 센서 및 상기 변압기의 일측에 내장되어 상기 고압 하이브리드 센서에서 측정한 감지 신호를 통해 부분방전을 진단하고, 현재 상태를 유무선으로 전송하여 표시수단에 실시간으로 표시하며, 위험 판단 시 상기 표시수단으로 경고메시지를 출력하는 진단수단을 포함하는 장치를 제공함으로써, 기체, 액체 및 고체의 절연상태에서도 측정이 가능하고, 측정장치를 변압기에 내장함으로써 노이즈 유입 및 전송 손실을 최소화하며, 신호 대비 잡음비가 우수한 고압 하이브리드 센서를 이용하여 측정감도를 극대화시킴으로써 정확한 측정이 가능한 효과가 있다.

몰드 변압기, 고압형 하이브리드 센서, 부분방전

Description

자가 진단형 몰드 변압기{Self-examination type cast resin transformer}

본 발명은 자가 진단형 몰드 변압기에 관한 것으로, 특히 신호대비 잡음비가 우수한 고압 하이브리드 센서 및 진단장치를 변압기와 일체화하여 선로의 임피던스를 줄여 측정 감도를 극대화하고, 기체, 액체 및 고체의 절연상태에서도 측정이 가능한 변압기에 관한 것이다.

일반적으로 변압기는 전력수요의 증가와 더불어 대용량화, 초고압화되고 있으며, 변전소는 무인화 되고 있는 추세이다. 이와 같이 대용량화된 변압기에서 사고가 발생하면 그 파급효과가 광범위하고, 경제적 손실과 심리적 불안이 막대하게 되어, 변압기의 사고를 예방하기 위한 절연진단의 필요성이 증가하고 있다.

최근 변압기의 신뢰성을 확보하여 안정적으로 전력을 공급하기 위해 사고의 발단이 되는 이상 징후를 변압기의 운전상태에서 상시로 측정하기 위한 상시 감시장치가 개발되고 있으며, 이러한 상시 감시장치에서의 데이터를 지속적으로 저장하여 그 증가경향으로 이상의 진전여부를 판단하고, 이상검출 데이터간의 상관관계로 이상의 유형을 판단하여 이상 징후가 진전하여 위험할 경우 운전을 정지하고 대책을 강구하기 위한 예방진단시스템이 개발되고 있다.

변압기 상시 감시에 적용되는 온라인 이상검출 기술로는 변압기 절연유의 가스분석 기술, 부분방전 측정기술, 온도 측정기술 등이 있다. 여기서 변압기의 중대사고 요인인 내부절연 이상은 반드시 부분방전을 수반하므로, 부분방전과 변압기의 수명은 깊은 상관관계가 있다고 인정되어 왔다. 특히 부분방전은 이상 징후 발생 시 응답이 빠른 특성을 지니고 있으므로 부분방전을 측정하면 변압기 사고를 미연에 방지할 수 있는 유효한 방식이다. 변압기 내부에서 부분방전이 발생하면 부분방전에 의하여 절연유가 급격한 압축을 받아 펄스형태의 초음파가 발생한다.

이와 같이 부분방전의 측정을 통한 감시장치의 일례가 하기 문헌 1에 개시되어 있다.

상기 문헌 1에 개시된 기술은 부분방전 검출장치에 관한 것으로, 상기 부분방전 검출장치는 변압기 외벽에 설치된 초음파 센서에서 초음파 신호를 전기적 신호로 변경하고, 이 신호를 검파기에서 구형파 신호로 변경한다. 음향신호가 검파기를 통과하면, 신호가 통과한 시점부터 임의로 설정된 지연시간을 가진 펄스파가 펄스 발생기에서 발생된다. 검파기를 거친 초음파 신호와 펄스 발생기에서 발생된 신호가 동시에 판단부로 입력되면, 판단부는 변압기 내부 부분방전 신호로 인식하여 메터로 표시한다. 상기 장치는 변압기 내부 부분방전에 의한 초음파 신호의 지속시간이 외부 유도 노이즈에 비해 길다는 것을 이용한 것으로, 외부 유도 노이즈에 의해 발생되는 신호는 신호의 지속시간이 짧아, 펄스 발생기에서 지연시간만큼 지연된 펄스파를 발생하게 되면 이미 소멸되어 판단부에는 동시에 입력되지 않으므로 초음파 신호로 인식되지 않게 하는 것에 대해 기재되어 있다.

또, 부분방전의 측정을 통한 감시장치의 다른 예가 하기 문헌 2에 개시되어 있다.

상기 문헌 2에 개시된 기술은 변압기내 부분방전 측정용 초음파 상시 감시장치에 관한 것으로, 변압기 내부의 부분방전에 의한 초음파 신호만을 변압기의 운전 중에 지속적으로 측정하고, 변압기의 운전 상태에서 초음파 신호의 중요한 데이터만을 예방진단시스템으로 전송하여 예방진단시스템이 변압기 내부에서 부분방전이 발생하는지 여부와 그 진전 상태를 상시로 감시할 수 있다고 기재되어 있다.

[문헌 1] 일본 특허 공개공보 소화60-100060호

[문헌 2] 대한민국 특허 등록공보 제0482305호(2005.02.31 등록)

그러나 상기 문헌 1에 개시된 기술에 있어서는 단순한 논리회로와 메터 등을 이용하여, 특허 내용에서와 같이 시험원이 휴대하여 정기적으로 변압기의 이상 진단에 사용하도록 고안된 장치로, 변압기의 운전 중에 상시로 초음파 신호를 지속적으로 측정하고, 그 결과를 예방진단시스템으로 전송하여 부분방전의 진전 상태를 감시하기 위한 상시 감시장치에는 적합하지 않다. 특히 이 장치는 변압기 내부 부분방전에 의한 초음파 신호보다 지속시간이 짧은 외부 유도 노이즈는 제거가 가능하나, 변압기의 정상운전 중에 발생하는 고유 진동, 변압기 냉각 팬, 냉각 펌프 및 탭절환장치의 동작시에 발생하는 기계적인 음향 등은 변압기 내부 부분방전에 의한 초음파 신호보다 지속시간이 길게 나타나므로 이러한 노이즈는 제거할 수 없고, 변압기에는 변압기 인입선로 등에서 발생하는 코로나 노이즈 등 복잡하고 다양한 초음파 신호가 많이 존재하므로, 논리회로와 같은 간단한 아날로그 회로를 이용하여서는 이러한 모든 노이즈를 제거할 수 없는 문제가 있었다.

또한, 상기 문헌 2에 개시된 기술에 있어서는 초음파 센서가 변압기 외부에 위치하여 액체의 절연상태에서 방전을 측정하는 것으로, 외부에서 측정하기 때문에 측정감도가 낮고, 측정된 신호를 초음파 신호선을 통해 외부의 초음파 상시 감시장치로 전송하기 때문에 선로의 임피던스에 의해 효율이 떨어지며, 고체 절연체 구조에서는 실질적인 측정이 어려운 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 신호대비 잡음비가 좋은 고압 하이브리드 센서 및 진단장치를 변압기에 내장하여 선로의 임피던스를 줄여 측정 감도를 극대화하고, 기체, 액체 및 고체의 절연상태에서도 측정이 가능한 측정장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1의 특징은, 수지로 몰딩된 몰드 변압기에 있어서, 수지로 몰딩하여 고압측 권선의 고주파 부분방전을 검출하도록 상기 변압기의 일측에 내장되는 고압 하이브리드 센서 및 상기 변압기의 일측에 내장되어 상기 고압 하이브리드 센서에서 측정한 감지 신호를 통해 부분방전을 진단하고, 현재 상태를 유무선으로 전송하여 표시수단에 실시간으로 표시하며, 위험 판단 시 상기 표시수단으로 경고메시지를 출력하는 진단수단을 포함하는 것이다.

삭제

본 발명의 제3의 특징은 제1의 특징에 있어서, 상기 고압 하이브리드 센서는 고압 단자측에 연결되는 중심도체와 절연체를 통해 일정 거리를 유지하도록 형성되는 금속 메시를 전극으로 하는 커패시터, 부분방전 신호의 파두와 파미의 듀레이션(duration)을 조정을 위하여 상기 고압 단자측과 메시에 병렬로 연결한 저항으로 구성한 고압 커플러를 포함하고, 상기 절연체는 수지인 것이다.

본 발명의 제4의 특징은 제3의 특징에 있어서, 상기 고압 하이브리드 센서는 상기 고압 커플러의 출력전압을 분압하는 더미(dummy)를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 제5의 특징은 제1의 특징에 있어서, 상기 자가 진단형 몰드 변압기는 상기 몰드 변압기의 상부로 돌출된 돌출부에 고압 하이브리드 센서가 변압기 본체와 일체로 몰딩되고, 상기 돌출부의 내부에는 고압 권선에서 고압단자로 연결되는 선로가 고압 하이브리드 센서와 결합되어 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자가 진단형 몰드 변압기에 의하면, 기체, 액체 및 고체의 절연상태에서도 측정이 가능하다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 자가 진단형 몰드 변압기에 의하면, 측정장치를 변압기에 내장함으로써 노이즈 유입 및 전송 손실을 최소화하는 효과도 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 자가 진단형 몰드 변압기에 의하면, 신호 대비 잡음비가 우수한 고압 하이브리드 센서를 이용하여 측정감도를 극대화시킴으로써 정확한 측정이 가능하다는 효과도 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 자가 진단형 몰드 변압기에 의하면, 몰드 변압기 내에 장착한 센서에 의해 상시 부분방전 측정이 가능하여 부분방전에 의한 변압기의 파손을 미연에 방지함으로써, 양질의 전력공급에 기여 할 수 있는 효과도 얻어진다.

본 발명에 대해 간략하게 설명하자면, 본 발명은 고압 하이브리드 센서(200) 및 진단장치(300)를 변압기(100)와 일체화하여 선로의 임피던스를 줄여 측정 감도를 극대화하고, 기체, 액체 및 고체의 절연상태에서도 측정이 가능하게 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자가 진단형 몰드 변압기의 구성을 간략하 게 보인 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자가 진단형 몰드 변압기에 내장되는 부분방전 측정장치의 구성을 간략하게 보인 단면도이다.

일반적으로 하이브리드 센서는 노이즈 제거 특성과 안정성 및 감도면에서 우수한 특성을 가지고 있지만, 도 5에 도시된 바와 같이 접지선을 통하여 측정하는 것으로, 고압에서는 하이브리드 센서를 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 개선하여 고압에서 사용이 가능하도록 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 에폭시 수지로 몰딩하여 고압 권선에 연결된 고압 단자(400)의 고주파 부분방전을 검출하도록 변압기(100)의 일측에 내장되는 고압 하이브리드 센서(200) 및 상기 변압기(100)의 일측에 내장되어 상기 고압 하이브리드 센서(200)에서 측정한 감지 신호를 통해 부분방전을 진단하고, 현재 상태를 유무선으로 전송하여 모니터(500)에 실시간으로 표시하며, 위험 판단 시(일반적으로 설정된 값 이상인 경우) 경고메시지를 상기 모니터(500)로 출력하는 진단수단(300)을 포함하여 구성된다. 즉 상기 고압 하이브리드 센서(200)에서 측정된 감지신호는 진단수단(30)에 내장된 통상의 마이크로프로세서에 의해 연산처리되고, 그 연산처리된 값은 유선 또는 통상의 무선 통신 기술을 사용하여 모니터(500)에 표시된다. 또한 상기 진단수단(30)에 내장된 통상의 마이크로프로세서는 상기 연산처리된 값이 미리 설정된 값 이상으로 되면, 부분 방전으로 판단하고 통상의 스피커 등을 통해 경고 메시지인 경고음을 발생하게 한다.

또한, 상기 고압 하이브리드 센서(200)는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 중심도체(미도시)와 절연체(에폭시 수지)를 통해 일정 거리(d)를 유지하도록 형성되는 금속 메시(mesh, 미도시)를 전극으로 하는 커패시터(C1)와, 부분방전 신호의 파두와 파미의 듀레이션(duration)을 조정을 위한 저항(R1)이 서로 병렬로 고압 단자(400)에 연결하여 구성한 고압 커플러(C_HV) 및 상기 고압 커플러(C_HV)의 출력전압을 분압하는 더미(dummy)인 저항(R2)을 포함한다

따라서, 본 발명에서의 커패시터(C1) 용량은 다음과 같은 수학식 1에 의해 결정된다.

(여기서, C는 용량, ε는 에폭시의 유전율 3.4, S는 금속 메시 면적, d는 이격 거리)

상기한 고압 하이브리드 센서와 몰드 변압기의 고압 권선과의 구체적 연결을 살펴보면, 몰드 변압기(100)는 저압 권선과 고압 권선으로 형성된 권선부(미도시)와 이 권선부가 권취되는 철심부가 형성되는 본 분야의 일반적인 몰드 변압기이며, 이는 권선부가 에폭시 수지 등으로 몰링된 본 분야의 관용 구조이다.

상기 몰딩된 고압 권선과 저압 권선으로부터 전원 연결을 위하여 권선이 몰드된 수지제를 통과하여 저압 권선은 저압단자로, 고압 권선은 고압단자로 연결되게 된다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이 상기 몰드 변압기(100)의 상부로 돌출된 돌출부에 고압 하이브리드 센서(200)가 변압기 본체와 일체로 몰딩되고, 상기 돌출된 형태의 내부에는 고압 권선에서 고압단자(400)로 연결되는 선로가 상기한 고압 하이브리드 센서(200)의 고압 커플러(C_HV)와 결합된다.

이와 같이 구성한 본 발명에 따른 부분방전 측정 과정을 설명하면 다음과 같다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 고압 단자(400)로부터 입력되는 고압 전류는 상태에 따라 각기 다른 경로를 통해 유입된다.

즉, 인덕터(La)는 유도성 리액턴스에 의하여 낮은 임피던스를 형성하여, 저주파수의 전원 신호(60Hz)에 대한 신호경로를 형성한다. 여기서, 유도성 리액턴스(X_L)는

(여기서, f는 신호의 주파수이고, L은 인덕턴스값이다)로서, 주파수에 비례하여 변화된다. 따라서, 저주파수의 신호에 대해서는 낮은 임피던스가 형성되어 저주파수 신호는 통과되고, 고주파신호에 대해서는 높은 임피던스가 형성되어 고주파신호는 통과되지 못한다.

다음으로, 상기 커패시터(C1)는 높은 임피던스를 형성하는 부분으로서, 고주파 부분방전 전류에 대한 신호경로를 형성한다. 일반적으로, 용량성 리액턴스(X_c)는

(여기에서, f는 주파수이고, C는 커패시터(C1)의 커패시턴스 값이다)로서, 주파수에 반비례하여 변화되므로, 저주파수에 대해서는 임피던스가 커지고 고주파수에 대해서 임피던스가 작아진다. 따라서, 상기 커패시터(C1)에 의해 저주파수의 전원신호 또는 잡음은 저지되고, 고주파의 부분방전 전류만이 통과되며, 이 전류의 크기에 대응하는 전압이 저항(R)의 양단에 발생되고, 이는 상기 저항(R)의 양단에 연결된 제1,2출력단자(+, -)를 통해 고주파 부분방전 검출신호로 서 출력된다.

따라서, 서지 및 역항복(breakdown) 발생 시(초고주파)에는 고압 커플러(C_HV)-->커패시터(Cb)-->출력단(output)의 경로로 유입되고, 전원주파수 및 접지노이즈(저주파)는 고압 커플러(C_HV)-->(La, Lb)-->출력단(output)의 경로로 유입되지만, 부분방전(고주파)의 경우에는 고압 커플러(C_HV)-->더미(R2)-->저항(R)의 경로로 유입되기 때문에 이 경로를 통해 진단수단(300)에서 부분방전 여부를 진단한다.

상기 진단수단(300)에서 진단한 결과들은 무선(또는 유선)으로 전송되어 모니터(500)에 실시간으로 표시되며, 진단 결과 위험 판단 시에는 경고메시지(음성, 문자 등)를 관리자에게 출력한다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 몰드 변압기의 부분방전을 측정하여 사전에 변압기의 절연 파괴 사고를 미연에 방지할 수 있는 기술에 관한 것이다. 그 응용 분야로는 이상 징후를 변압기의 운전 상태에서 상시로 측정하기 위한 상시 감시장치 등을 들 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자가 진단형 몰드 변압기의 부분방전 측정장치의 구성을 간략하게 보인 평면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자가 진단형 몰드 변압기에 내장되는 부분방전 측정장치의 구성을 간략하게 보인 단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 센서의 구성을 간략하게 보인 회로도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 센서의 등가 회로도.

도 5는 종래 하이브리드 센서의 구성을 간략하게 보인 등가 회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 몰드 200 : 고압 하이브리드 센서

300 : 진단수단 400 : 고압 단자

500 : 모니터 C_HV : 고압 커플러

C1, Cb : 커패시터 R, R1, R2 : 저항

Claims (5)

1. 수지로 몰딩된 몰드 변압기에 있어서,

   수지로 몰딩하여 고압측 권선의 고주파 부분방전을 검출하도록 상기 변압기의 일측에 내장되는 고압 하이브리드 센서 및

   상기 변압기의 일측에 내장되어 상기 고압 하이브리드 센서에서 측정한 감지 신호를 통해 부분방전을 진단하고, 현재 상태를 유무선으로 전송하여 표시수단에 실시간으로 표시하며, 위험 판단 시 상기 표시수단으로 경고메시지를 출력하는 진단수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 진단형 몰드 변압기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 고압 하이브리드 센서는

   중심도체와 절연체를 통해 일정 거리를 유지하도록 형성되는 금속 메시(mesh)를 전극으로 하는 커패시터와, 부분방전 신호의 파두와 파미의 듀레이션(duration)을 조정을 위한 저항이 서로 병렬로 고압 단자에 연결하여 구성한 고압 커플러를 포함하고,

   상기 절연체는 수지인 것을 특징으로 하는 자가 진단형 몰드 변압기.
4. 제3항에 있어서, 상기 고압 하이브리드 센서는

   상기 고압 커플러의 출력전압을 분압하는 더미(dummy)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 진단형 몰드 변압기.
5. 제1항에 있어서, 상기 자가 진단형 몰드 변압기는

   상기 몰드 변압기의 상부로 돌출된 돌출부에 고압 하이브리드 센서가 변압기 본체와 일체로 몰딩되고,

   상기 돌출부의 내부에는 고압 권선에서 고압단자로 연결되는 선로가 고압 하이브리드 센서와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자가 진단형 몰드 변압기.

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