KR100858270B1 - 개폐기 진단 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개폐기 진단장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 운전 중인 개폐기를 해체하지 않고 결함의 원인을 진단할 수 있으며 특히 지상에 설치되어 있는 개폐기를 외부 노이즈와 무관하게 진단할 수 있는 개폐기 진단장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 개폐기 진단장치는, 개폐기의 PD(Partial Discharge) 신호를 검출하는 Log Periodic 안테나로 이루어진 센서를 가지는 센서 하우징;과 상기 센서 하우징을 상기 개폐기에 장착하는 장착부;와 상기 개폐기 외부에 설치되는 외장형 UHF(Ultra High Frequency)센서를 포함하는 센서부;와 상기 센서부에서 검출한 PD(Partial Discharge) 신호를 증폭하는 증폭부;와 상기 증폭부에서 증폭된 PD(Partial Discharge) 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환하는 주파수 스펙트럼 생성부;와 상기 주파수 스펙트럼을 분석하고 진단하는 분석/진단부;를 포함 포함한다.

Description

개폐기 진단 장치{APPARATUS FOR DIAGONISING GIS}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐기 진단장치의 구성을 설명하는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 UHF 센서의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 UHF 센서의 안테나 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장형 UHF 센서의 구조를 도시하는 사사도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장형 UHF 센서의 안테나 구조를 도시하는 사시도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐기 진단장치
10 : 센서부 12 : 내장형 UHF 센서
14 : 외장형 UHF 센서 20 : 증폭부
30 : 주파수 스펙트럼 생성부 40 : 분석/진단부
42 : 제어수단 44 : 도시수단
46 : 분석수단 G : 개폐기
본 발명은 개폐기 진단장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 운전 중인 개폐기를 해체하지 않고 결함의 원인을 진단할 수 있으며 특히 지상에 설치되어 있는 개폐기를 외부 노이즈와 무관하게 진단할 수 있는 개폐기 진단장치에 관한 것이다.
배전 설비 중 차단, 개폐장치는 전력 계통에 있어서 부하와 직접 접속되어 차단, 투입 통전 설비로 사용된다. 개폐장치의 고장은 산업 설비의 제어 불능, 정지를 의미한다. 그리고 수용가의 광범위한 정전을 유발함과 동시에 전기품질 저하의 원인이 되고 있다. 2006년 6월 현재 국내의 배전급 개폐기는 약 12만대가 설치 및 운전되고 있다.
이러한 국내 배전급 개폐장치의 예방진단 방법으로는 육안점검, 엘보 접속재의 온도 및 가스수분량 측정, 음향 신호 진단법 등이 있으나, 위험도가 높은 내부 절연 상태의 파악이 어려운 실정이다. 따라서 기기의 이상 징후를 검출하여 고신뢰 예방이 가능한 부분방전 진단의 도입이 시급하다.
그러나 국내 지중 배전 계통에 설치되어 있는 개폐장치는 건물 내에 있는 유 럽의 MV 급 개폐기, GIS와 달리 도로변, 녹지 등에 위치하고 있어 차량 소음, 전자파, 빗방울 등의 외부 노이지에 노출되고 있어서 방전신호 검출에 어려움이 있다.
따라서 지상 설치형(pad-mounted) 구조의 가스절연 개폐장치(Gas Insulated Switchgear)에 적용이 가능한 진단장치의 개발이 시급하게 요청되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 운전 중인 개폐기를 해체하지 않고 결함의 원인을 진단할 수 있으며 특히 지상에 설치되어 있는 개폐기를 외부 노이즈와 무관하게 진단할 수 있는 개폐기 진단장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 개폐기 진단장치는, 개폐기의 PD(Partial Discharge) 신호를 검출하는 Log Periodic 안테나로 이루어진 센서를 가지는 센서 하우징;과 상기 센서 하우징을 상기 개폐기에 장착하는 장착부;와 상기 개폐기 외부에 설치되는 외장형 UHF(Ultra High Frequency)센서를 포함하는 센서부;와 상기 센서부에서 검출한 PD(Partial Discharge) 신호를 증폭하는 증폭부;와 상기 증폭부에서 증폭된 PD(Partial Discharge) 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환하는 주파수 스펙트럼 생성부;와 상기 주파수 스펙트럼을 분석하고 진단하는 분석/진단부;를 포함 포함한다.
본 발명에서 상기 센서부는, 주변 전자파 노이즈의 영향이 적은 UHF(Ultra High Frequency) 센서인 것이 바람직하다.
상기 UHF(Ultra High Frequency) 센서는 상기 개폐기의 내부에 설치되는 내장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서로 구성되어 새로 출시되는 개폐기의 내부에 설치될 수 있다.
이때 이 내장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서는, 상기 개폐기 내부의 PD 신호를 검출하는 제1 센서를 가지는 제1 센서 하우징; 상기 제1 센서 하우징과 상기 개폐기 외함 사이에 개재되며, 상기 제1 센서 하우징을 절연시키는 절연부재; 상기 제1 센서 하우징 상면을 덮는 커버; 상기 제1 센서 하우징과 커버 사이에 개재되어 상기 제1 센서 하우징 내부의 기밀을 유지하는 기밀 유지부재;를 포함한다.
그리고 상기 제1 센서는, archimedean 스파이럴 안테나를 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 제1 센서는, 상기 안테나 전체의 길이가 파장과 같은 최저 동작 주파수를 가지며, 상기 최저 동작 주파수보다 높은 주파수 영역에서는 방사패턴과 임피던스 특성이 무관한 것을 특징으로 한다.
한편 상기 UHF(Ultra High Frequency) 센서는, 상기 개폐기 외부에 설치되는 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서로 구성되어, 이미 설치되어 운전 중인 개폐기의 외부에 장착될 수도 있다.
이때 상기 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서는, 상기 개폐기의 PD(Partial Discharge) 신호를 검출하는 제2 센서를 가지는 제2 센서 하우징; 상기 제2 센서 하우징을 상기 개폐기에 장착하는 장착부;를 포함한다.
상기 제2 센서는 Log Periodic 안테나를 가지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서에는, 외부 노이즈를 차폐하는 차폐수단이 더 구비되는 것이 외부 노이즈의 영향을 더욱 줄일 수 있어서 바람직하다.
한편 상기 분석/진단부는, 상기 증폭부와 상기 주파수 스펙트럼 생성부를 제어하는 제어수단; 상기 주파수 스펙트럼을 도시하는 도시수단; 상기 주파수 스펙트 럼을 분석하여 부분 방전 패턴을 생성하는 분석수단;을 포함한다.
그리고 상기 분석수단은 PRPDA(Phase Resolved Partial Discharge Analysis) 알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 분석수단은 통계 분석기를 더 구비하는 것이, 개폐기의 방전 특성을 패턴화할 수 있어서 바람직하다.
이때 상기 통계 분석기는 Back-Propagation 알고리즘과 L2 Distance Classifier 알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 일 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐기 진단장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
본 실시예에 따른 개폐기 진단장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 센서부(10), 증폭부(20), 주파수 스펙트럼 생성부(30) 및 분석/진단부(40)를 포함하여 구성된다.
먼저 센서부(10)는 개폐기의 PD(Partial Discharge) 신호를 검출하는 구성요소이다. 여기에서 PD 신호는 배전급 개폐기의 경연 열화 또는 내부 절연 문제로 인해 발생하는 방전 신호이다. 이 센서부(10)는 개폐기에서 발생하는 이 PD(Partial Discharge) 신호를 검출하는 것이다.
본 실시예에서는 이 센서부(10)를 전자파 노이즈로부터 비교적 자유로운 UHF 센서로 구성한다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따른 이 UHF(Ultra High Frequency) 센서는 전자파 노이즈의 영향이 상대적으로 적은 300 MHz ~ 3 GHz 대역에서 PD 신호를 측정한다.
한편 본 실시예에서는 이 센서부(10)를 내장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(12)와 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(14) 2가지 종류로 구성하는데, 내장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(12)는 신설분 개폐기의 내부에 취부하여 개폐기 자체를 생산하고, 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(14)는 이미 설치 운영 중인 개폐기의 외부에 장착하여 사용한다.
구체적으로 본 실시예에 따른 내장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(12)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 센서 하우징(12a), 절연부재(12b), 커버(12c), 기밀 유지부재(12d)를 포함하여 구성된다.
먼저 제1 센서(12e)는 개폐기(G) 내부의 PD 신호를 검출하는 센서이며, 제1 센서 하우징(12a)은 이 제1 센서(12e)를 내장하는 구성요소이다. 이 제1 센서 하우징(12a)은 개폐기(G) 내부에서 제1 센서(12e)를 보호하여야 하므로, 개폐기(G) 내부의 환경에 견딜 수 있는 소재로 이루어진다.
본 실시예에서 상기 제1 센서 하우징(12a)은 전체적으로 원통 형상을 가지며, 그 내부에 제1 센서(12e) 및 안테나(12f)를 내장한다. 그리고 제1 센서의 안테나(12f)는 도 3에 도시된 바와 같은 구조의 archimedean 스파이럴 안테나인 것이 바람직하다. 이때 이 archimedean 스파이럴 안테나의 사양은 도 3에 도시된 바와 같은 것이 바람직하다.
또한 상기 제1 센서(12e)는, 상기 안테나(12f) 전체의 길이가 파장과 같은 최저 동작 주파수를 가지며, 상기 최저 동작 주파수보다 높은 주파수 영역에서는 방사 패턴과 임피던스 특성이 무관한 것이 바람직하다.
다음으로 절연부재(12b)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 센서 하우징(12a)과 상기 개폐기(G) 외함 사이에 개재되며, 상기 제1 센서 하우징(12a)을 절연시키는 구성요소이다. 내장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(12)는 개폐기(G) 내부에 장착되므로, 개폐기(G) 외함과 철저하게 절연되어야 한다. 따라서 상기 절연부재(12b)가 상기 제1 센서 하우징(12a)과 개폐기(G) 외함 사이에서 절연재 기능을 하는 것이다. 본 실시예에서는 이 절연부재(12b)를 커플링으로 구성한다. 이 커플링에는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 센서(12e)가 통과할 수 있는 관통공이 형성된다.
그리고 커버(12c)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 센서 하우징(12a) 상면을 덮는 구성요소이다. 이 커버(12c)에 의하여 안테나(12f)가 보호되므로 이 커버(12c) 역시 개폐기(G) 내부의 환경에서 견딜 수 있는 소재로 이루어진다.
그리고 기밀 유지부재(12d)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 센서 하우징(12a)과 커버(12c) 사이에 개재되어 상기 제1 센서 하우징(12a) 내부의 기밀을 유지한다. 이 기밀 유지부재(12d)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 센서 하우징(12a)과 커플링(12b) 사이에도 배치되어 기밀을 유지할 수 있다. 본 실시예에서는 이 기밀 유지부재(12d)를 O-ring으로 구성한다.
한편 본 실시예에 따른 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(14)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 센서 하우징(14a)과 장착부(14c)로 구성된다.
먼저 제2 센서 하우징(14a)은 상기 개폐기의 PD(Partial Discharge) 신호를 검출하는 제2 센서(도면에 미도시)를 가지는 구성요소이다. 그리고 제2 센서는 개폐기의 외부에서 개폐기 내부의 PD(Partial Discharge) 신호를 검출한다. 이를 위해 상기 제2 센서는 도 5에 도시된 바와 같은 구조의 Log Periodic 안테나(14b)를 가지는 것이 바람직하다.
그리고 본 실시예에 따른 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(14)에는 외부 노이즈를 차폐하는 차폐수단(도면에 미도시)이 더 구비되는 것이 바람직하다. 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(14)는 내장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(12)에 비하여 많은 외부 노이즈에 노출되므로, 외부 노이즈의 영향을 최소화하기 위하여 차폐수단을 더 구비하는 것이다.
한편 장착부(14c)는 상기 제2 센서 하우징(14a)을 상기 개폐기에 장착하는 구성요소이다. 본 실시예에 따른 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(14)는 개폐기의 부싱에 용이하게 장탈착될 수 있도록, 도 4, 5에 도시된 바와 같이, 상기 장착부(14c)를 잭형상으로 구성한다. 따라서 상기 부싱에 형성되어 있는 홈에 이 잭 형상을 삽입하기만 하면 용이하게 이 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서(14)를 장착할 수있는 것이다.
다음으로 증폭부(20)는 상기 센서부(10)에서 검출한 PD 신호를 증폭하는 구성요소이다. 본 실시예에서는 이 증폭부(20)를 Pre-amp로 구성하며, PD(Partial Discharge) 신호와 주변의 전자파 노이즈의 S/N(Signal/Noise)비를 증폭시킨다. 이렇게 증폭하면 순수한 PD(Partial Discharge) 신호만을 노이즈로부터 분리하기가 쉬워진다.
다음으로 주파수 스펙트럼 생성부(30)는 상기 증폭부(20)에서 증폭된 PD 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환하는 구성요소이다. 본 실시예에서는 이 주파수 스펙트럼 생성부(30)를 SA(Spectrum Analyzer)로 구성한다.
다음으로 분석/진단부(40)는 상기 주파수 스펙트럼을 분석하고 진단하는 구성요소로서 소프트 웨어로 구성된다. 본 실시예에서는 이 분석/진단부(40)를 도 1 에 도시된 바와 같이, 제어수단(42), 도시수단(44) 및 분석수단(44)으로 구성한다.
먼저 제어수단(42)은 상기 증폭부(20)와 상기 주파수 스펙트럼 생성부(30)를 제어한다. 즉, 이 제어수단(42)은 노트북 등 외부에서 증폭부(20)와 주파수 스펙트럼 생성부(30) 등을 제거하기 위한 것이다. 이 제어수단(42)의 주요 기능으로는 주파수 설정, 제로스팬 설정, 스윕 타임 설정,전송 데이타 포맷 등이다.
그리고 도시수단(44)은 상기 주파수 스펙트럼을 도시한다. 즉, 주파수 스펙트럼 변환부(30)에서 전달된 데이터를 노트북 화면 등에 도시한다. 구체적으로 주파수 스펙트럼 형성부(30)에서 전달되는 데이터를 측정 범위, 단위 및 측정 조건 등에 대하여 자동으로 플롯(plot)한다.
다음으로 분석수단(46)은, 상기 주파수 스펙트럼을 분석하여 부분 방전 패턴을 생성한다. 이 분석수단(46)은 본 실시예에 따른 분석/진단부(40)에서 가장 중요한 역할을 한다. 즉, 측정된 데이타를 분석하여 3차원 영상으로 도시하며, 가시적으로 부분 방전의 패턴을 표현하고, 더 나아가서는 20개의 파라미터를 추출하여 전력 설비의 결합을 판정한다.
이를 위해 본 실시예에 따른 상기 분석수단(46)은 PRPDA(Phase Resolved Partial Discharge Analysis) 알고리즘을 사용한다. 이 PRPDA 알코리즘에 의해 측정 데이타를 3차원으로 분석하고 도시한다.
또한 이 분석수단(46)은, 통계 분석기(도면에 미도시)를 더 구비하고, 이 통계분석기를 통하여 20개의 파라미터를 추출한다. 그리고 이 통계 분석기는 Back-Propagation 알고리즘과 L2 Distance Classifier 알고리즘을 적용하여 개폐기의 결 함을 판정한다.
본 발명에 따르면 노이즈의 영향을 적게 받는 UHF 센서를 사용하므로 외부에 설치되어 있는 개폐기에 대한 정확한 진단이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 개폐기 진단장치는 내장형 UHF 센서와 외장형 UHF 센서를 통하여 신설되는 개폐기든 이미 설치 운영중인 개폐기든 가리지 않고, 개폐기를 분해하지 않은 상태에서 정확한 절연 상태의 진단이 가능한 장점이 있다.
더구나 통계 분석기를 통하여 20개의 파라미터를 추출한다. 그리고 이 통계 분석기는 Back-Propagation 알고리즘과 L2 Distance Classifier 알고리즘을 적용하여 개폐기의 결함을 판정하므로, 고신뢰성을 가지는 예방 진단이 가능한 장점이 있다.

Claims (15)

  1. 개폐기의 PD(Partial Discharge) 신호를 검출하는 Log Periodic 안테나로 이루어진 센서를 가지는 센서 하우징;과 상기 센서 하우징을 상기 개폐기에 장착하는 장착부;와 상기 개폐기 외부에 설치되는 외장형 UHF(Ultra High Frequency)센서를 포함하는 센서부;
    상기 센서부에서 검출한 PD(Partial Discharge) 신호를 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭부에서 증폭된 PD(Partial Discharge) 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환하는 주파수 스펙트럼 생성부;
    상기 주파수 스펙트럼을 분석하고 진단하는 분석/진단부;를 포함하는 개폐기 진단장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 UHF(Ultra High Frequency) 센서는 300MHz ~ 3GHz 대역의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 개폐기 진단장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 외장형 UHF(Ultra High Frequency) 센서에는, 외부 노이즈를 차폐하는 차폐수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 개폐기 진단장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 분석/진단부는,
    상기 증폭부와 상기 주파수 스펙트럼 생성부를 제어하는 제어수단;
    상기 주파수 스펙트럼을 도시하는 도시수단;
    상기 주파수 스펙트럼을 분석하여 부분 방전 패턴을 생성하는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 개폐기 진단장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 분석수단은 PRPDA(Phase Resolved Partial Discharge Analysis) 알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 하는 개폐기 진단장치
  14. 제13항에 있어서,
    상기 분석수단은 통계 분석기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 개폐기 진단장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 통계 분석기는 Back-Propagation 알고리즘과 L2 Distance Classifier 알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 하는 개폐기 진단장치.
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