KR100905058B1 - 전력설비의 고정밀 결함진단장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력설비 내에 스파이럴 형상의 패치안테나를 구비하는 진단센서가 특수절연구조로 매립됨에 따라 패치안테나와 절연체 사이의 열팽창계수의 차에 의한 계면박리현상이나 사용중 크랙발생이 방지되어 진단센서의 신뢰도가 더욱 향상될 수 있으며, 전력설비 내부의 결함원으로 인한 부분방전시 발생되는 방전량 및 그 진행정도를 감쇄 또는 잡음없이 정밀하게 검출하고 그 결함을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 외부환경의 영향에 따라 변형이 발생되지 않으며 장시간 사용하더라도 전자파 감지성능이 변함없이 유지될 수 있도록 한 전력설비의 고정밀 결함진단장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치는, 전력설비 내에 설치되고 스파이럴 형상으로 형성되는 구리합금 소재의 패치안테나가 에폭시수지와 메타크릴수지가 상호침투고분자망목(IPN) 구조로 결합되어 형성되는 절연체에 의해 매립되는 구조로 형성되어 전력설비 내의 결함원으로 인한 부분방전을 검출하는 진단센서와, 전력설비의 외부에 설치되고 상기 진단센서의 검출신호를 전송받아 이를 처리하여 진단결과를 제공하는 진단유닛을 포함하여 이루어진다.
전력설비, 결합진단장치, 진단센서, 진단유닛, 스파이럴, 패치안테나
Description
본 발명은 가스절연개폐장치, 고체절연개폐장치, 복합절연개폐장치 등과 같은 전력설비 내에서 코로나 발생, 금속이물의 유입, 부유전극 등과 같은 결함원에 의한 부분방전을 검출하여 이로 인한 사고발생을 사전에 방지할 수 있도록 하는 전력설비의 결함진단장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력설비는 전력계통 전반에 미치는 산업적 및 경제적 파급 효과로 볼 때 매우 높은 신뢰성이 요구되며 특히 고장을 예측 진단하여 신뢰성을 높이는 것은 필수적이다.
특히 전력설비에서 부분방전으로 인해 발생되는 사고는 이상상태 발생시 다른 징후보다 응답이 빠른 특성을 지니고 있으므로, 전력설비 내에서 발생되는 부분방전을 즉시 검출하여 전기 설비의 절연열화에 의한 사고를 미연에 방지하거나 감소시키는 것이 가장 효과적이라 할 수 있다.
전력설비 내에서 발생되는 부분방전을 검출하는 방법으로서, 로고스키코일(Rogowski coil)을 이용하여 부분방전시 발생되는 전류펄스를 검출하거나, 또는 특정센서를 통해 전력설비 내부의 전자파를 측정하거나, 또는 전기설비의 외부면에 초음파 탐촉자를 설치하여 부분방전에 따른 초음파 신호를 검출하는 방법 등이 제시되고 있지만, 이들 방법에서 이용되고 있는 판별기준인 정량화 신호원에는 전기, 전자, 초음파, 빛 등의 복잡한 환경으로부터 발생되는 잡음으로 인해 신뢰성 있는 신호를 얻는 것이 어려운 문제점이 있다.
특정센서를 통해 전력설비 내부의 전자파 측정을 통해 부분방전을 검출하는종래의 방법으로는 매입전극방식, 외부누설자계형 센서방식 및 내부전극방식으로 나눌 수 있다.
매입전극방식의 경우에는 특성상 VHF 대역을 측정함에 따라 부분방전발생위치로부터 센서까지의 거리가 멀어도 감쇄현상이 적어 1회선에 1개 내지 2개의 센서로 측정할 수 있으나, 잡음의 제거에 어려움이 많고, 잡음 제거시 부분방전에 대한 검출신호까지도 상당히 손상됨에 따라 측정값이 잡음의 강도에 따라 가변되는 문제점이 있다.
또한 외부누설자계형 센서방식 및 내부전극방식의 경우에는 특성상 UHF 대역을 측정하는데, 잡음의 제거면에서는 VHF 대역을 측정하는 것보다 훨씬 우수한 면이 있으나 부분방전 발생위치로부터 센서까지의 거리가 멀어지면 감쇄하는 현상이 있어 적어도 20m 정도마다 센서가 설치되어나 하므로 비교적 많은 개수로 설치되어야 하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 전력설비 내에 스파이럴 형상의 패치안테나를 구비하는 진단센서를 특수절연구조로 매립함으로써 패치안테나와 절연체 사이의 열팽창계수의 차에 의한 계면박리현상이나 사용중 크랙발생이 방지되어 진단센서의 신뢰도가 더욱 향상될 수 있으며 전력설비 내부의 결함원(코로나 발생, 금속이물의 유입, 부유전극 등)으로 인한 부분방전시 발생되는 방전량 및 그 진행정도를 감쇄 또는 잡음없이 정밀하게 검출하고 그 결함을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 외부환경의 영향에 따라 변형이 발생되지 않으며 장시간 사용하더라도 전자파 감지성능이 변함없이 유지될 수 있도록 한 전력설비의 고정밀 결함진단장치를 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 전력설비 내에 설치되고 스파이럴 형상으로 형성되는 구리합금 소재의 패치안테나가 에폭시수지와 메타크릴수지가 상호침투고분자망목(IPN) 구조로 결합되어 형성되는 절연체에 의해 매립되는 구조로 형성되어 전력설비 내의 결함원으로 인한 부분방전을 검출하는 진단센서와, 전력설비의 외부에 설치되고 상기 진단센서의 검출신호를 전송받아 이를 처리하여 진단결과를 제공하는 진단유닛을 포함하여 이루어지는 전력설비의 고정밀 결함진단장치를 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 진단센서는, 전력설비의 외함 상에 설치되는 접지판과, 상기 접지판으로부터 이격되어 설치되고 스파이럴 형상으로 형성되어 전방위의 전자파를 감지하는 패치안테나와, 상기 패치안테나를 매립하여 상기 접지판에 이격고정시키는 절연체와, 상기 접지판을 관통하여 상기 패치안테나에 연결되는 커넥터를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 진단센서가 설치되는 전력설비는, Dry-Air 절연개폐장치, N₂가스 절연개폐장치, 고체절연개폐장치, 복합절연개폐장치 및 친환경개폐기(Dry-Air/ N₂가스/에폭시 몰드 타입) 중 하나이다.
본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치는, 구리합금 소재의 진단센서가 에폭시와 메타크릴수지로 이루어지는 상호침투고분자망목(IPN) 구조를 가지는 절연체로 매립됨으로써, 패치안테나와 절연체 사이의 열팽창계수의 차에 의한 계면박리현상이나 사용중 크랙발생이 방지되어 진단센서의 신뢰도가 더욱 향상될 수 있는 탁월한 효과가 있다.
또한 설치방향에 관계없이 전방위의 전자파 감지가 가능한 스파이럴 형상의 패치안테나를 구비하는 진단센서가 전력설비 내에 설치됨으로써 전력설비 내부의 결함원(코로나 발생, 금속이물의 유입, 부유전극 등)으로 인한 부분방전시 발생되는 방전량 및 그 진행정도를 감쇄 또는 잡음없이 정밀하게 검출하고 그 결함을 분석할 수 있어, 운전중인 전력설비를 정지시키지 않고도 전력설비의 내부상태를 진단할 수 있고 결함의 종류나 발생위치 또는 위험정도를 진단할 수 있는 탁월한 효 과가 있다.
뿐만 아니라 전력설비 내부에 진단센서가 내장됨에 따라 외부환경에 따른 감지신호의 변경이나 자체손상이 방지될 수 있어 진단센서 자체의 신뢰도가 오래 유지될 수 있는 탁월한 효과가 있다.
또한 전력설비의 신뢰성 확보 및 설비관리의 효율화를 가져오고, 절연열화현상의 규명 및 대책수립이 가능하므로 전력설비의 수명을 연장시킬 수 있으며 그 안정성도 대폭 증대시킬 수 있는 효과도 있다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 1에는 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치의 개략구조도가 도시되고, 도 2에는 진단센서가 설치된 전력설비의 일 실시예의 개략구조도가 도시되며, 도 3에는 진단센서의 개략구조도가 도시되고, 도 4a 및 도 4b에는 진단센서의 상세구조도가 도시되며, 도 5에는 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치의 작동을 설명하는 블럭다이아그램이 도시된다.
본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치(1)는 전력설비(3) 내에 스 파이럴 형상의 패치안테나(13)를 구비하는 진단센서(10)가 특수절연구조로 매립됨에 따라 패치안테나(13)와 절연체(15) 사이의 열팽창계수의 차에 의한 계면박리현상이나 사용중 크랙발생이 방지될 수 있고 전력설비(3) 내부의 다양한 결함원(코로나 발생, 금속이물의 유입, 부유전극 등)으로 인한 부분방전시 발생되는 방전량 및 그 진행정도를 감쇄 또는 잡음없이 정밀하게 검출하고 그 결함을 분석할 수 있도록 하는 것으로, 도 1 내지 도 5에 도시되는 바와 같이, 전력설비(3) 내에 설치되고 스파이럴 형상으로 형성되는 구리합금 소재의 패치안테나(13)가 에폭시수지와 메타크릴수지가 상호침투고분자망목(IPN) 구조로 결합되어 형성되는 절연체(15)에 의해 매립되는 구조로 형성되어 전력설비(3) 내의 결함원으로 인한 부분방전을 검출하는 진단센서(10)와, 전력설비(3)의 외부에 설치되고 진단센서(10)의 검출신호를 전송받아 이를 처리하여 진단결과를 제공하는 진단유닛(20)을 포함하여 이루어진다.
전력설비(3) 내에는 진단센서(10)가 설치되는데, 이 진단센서(10)는 전력설비(3) 내부의 코로나 발생, 금속이물의 유입, 부유전극 등과 같은 다양한 결함원으로 인한 부분방전을 정밀하게 검출하는 것으로, 도 3 내지 도 4b에 도시되는 바와 같이, 전력설비(3)의 외함 상에 설치되는 접지판(11)과, 접지판(11)으로부터 이격되어 설치되고 스파이럴 형상으로 형성되어 전방위의 전자파를 감지하는 패치안테나(13)와, 패치안테나(13)를 매립하여 접지판(11)에 이격고정시키는 절연체(15)와, 접지판(11)을 관통하여 패치안테나(13)에 연결되는 커넥터(17)를 포함하여 이루어진다.
접지판(11)은 패치안테나(13)의 안정성을 위해 전기적 접지를 형성하고 차후 에 설명될 절연물(15) 내부에서 부분적인 전계집중현상이 발생되지 않고 전체에 걸쳐 균등한 전계분포를 가질 수 있도록 하는 것으로 전력설비(3)의 외측으로 노출되도록 전력설비(3)의 외함의 일부분을 형성하는 것이 바람직하다.
전술한 접지판(11)으로부터는 패치안테나(13)가 이격되어 설치되는데, 이 패치안테나(13)는 전력설비(3) 내부에서 코로나 발생, 금속이물의 유입, 부유전극 등과 같은 다양한 결함원으로 인해 부분방전현상이 발생될 경우에 발생되는 전자파(UHF 신호)를 감지하는 것으로, 차후에 설명될 절연체(15)의 중심점을 기준으로 서로 대칭을 이루게 절연체(15) 상에 부설되는 2개의 스파이럴 형상의 도전성 전극으로 형성된다.
전술한 패치안테나(13)는 절연체(15)에 의해 매립되어 지지되는데, 이 절연체(15)는 패치안테나(13)를 지지하는 것으로, 단지 소정의 두께를 가지는 원판형상으로 형성되어 체결볼트에 의해 접지판(11)에 고정되는 것이 바람직하다.
전술한 접지판(11)으로는 커넥터(17)가 관통되는데, 이 커넥터(17)는 그 일단이 패치안테나(13)에 연결되고 외측으로 돌출되는 타단은 차후에 설명될 진단유닛(20)에 연결되어 부분방전시 패치안테나(13)에 의해 검출된 전자파신호를 진단유닛에 제공하여 전력설비(3) 내의 결함진단을 가능하게 하는 역할을 한다.
패치안테나(13)는 보통 황동계 구리합금의 제조되고 절연체(15)는 에폭시수지로 형성되는 것이 일반적인데, 이 경우에는 양 재료 사이의 열팽창계수의 차에 의해 계면박리현상이나 사용중 크랙이 발생될 수 있어 진단센서(10)의 신뢰도에 치명적인 문제점을 야기시킬 수 있다.
본 발명의 경우에는 에폭시수지의 상분리를 억제하면서 가교밀도를 증가시키기 위해 에폭시수지에 투명도와 투과율이 높고 내후성이 뛰어난 메타크릴수지(Methacrylic resin)를 상호침투고분자망목(IPN; Interpenetrating Polymer Network) 구조로 결합시켜 절연체(15)를 형성하고 이 절연체(15) 내에 패치안테나(13)를 매입시키는 구조로 형성함으로써 패치안테나(13)와 절연체(15) 사이의 열팽창계수의 차에 의한 계면박리현상이나 사용중 크랙발생을 방지하는 점에 큰 특징이 있다.
이 경우 에폭시수지는 중합개시제(dicumyl peroxide)에 의해 라디칼 중합반응시키고 메타크릴수지는 중합개시제(N,N-benzyldimethylamine)에 의해 이온 중합반응을 동시에 진행시켜 상호침투고분자망목(IPN) 구조를 형성한다.
이러한 상호침투고분자망목(IPN) 구조는 절연체(15) 자체의 기계적 물성, 즉 절연체의 강도나 경도, 내마모성, 내화성, 내후성, 내진성 등을 증대시킴으로써, 온도, 습도, 압력 등과 같은 외부환경의 영향에도 불구하고 매입구조에 변형이 발생되지 않도록 하며 오랜 시간이 경과되더라도 자체 성능이나 특성이 그대로 유지됨에 따라 패치안테나(13)의 전자파 감지성능이 변함없이 지속적으로 유지도힐 수 있도록 한다.
전력설비(3)의 외부에는 진단유닛(20)이 설치되는데, 이 진단유닛(20)은 전술한 진단센서(10)의 검출신호를 전송받아 이를 처리하여 진단결과를 제공하는 것으로, 도 1 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 진단센서(10)에 직접 연결되어 진단센서(10)로부터 검출된 주파수신호를 처리하여 분석하는 로컬진단유닛부(20a)와, 로 컬진단유닛부(20a)에 유선연결되어 진단결과를 제공하며 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치(1)를 통제하는 메인진단유닛부(20b) 또는 로컬진단유닛부(20a)에 무선통신수단을 통해 연결되어 진단결과를 제공하며 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치(1)를 통제하는 무선진단유닛부(20c)를포함하여 이루어진다.
로컬진단유닛부(20a)는 진단센서(10)로부터 검출된 주파수신호를 처리하는 RF 신호처리모듈(21)과, RF 신호처리모듈(21)에서 처리된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D 변환모듈(22)과, A/D 변환모듈(22)에 의해 변환된 디지털신호를 처리하는 디지털신호처리모듈(23)과, 디지털신호처리모듈(23)로붙 전송된 신호를 계측하고 판별하며 그 신호로부터 부분방전의 패턴과 위치를 추정하는 연산 알고리즘을 수행하는 메인컨트롤모듈(MCU)과, 메인컨트롤모듈(MCU)에서 측정 및 분석된 정보를 메인진단유닛부(20b) 또는 무선진단유닛부(20c)로 전송하여 상위단 연계기능을 수행하는 통신모듈(25)를 포함하여 이루어진다.
메인진단유닛부(20b) 내에는 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치(1)를 운영 및 관리하고 펄스측정 및 파형분석에 의한 진단결과를 제공하는 소프트웨어가 내장된다.
전술한 진단센서(10)를 포함하는 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치(1)는 가스절연개폐장치(GIS ; Gas Insulated Switchgear), Dry-Air 절연개폐장치, N₂가스절연개폐장치, 고체절연개폐장치, 복합절연개폐장치 및 , Dry-Air 절연개폐장치, N₂가스 절연개폐장치, 고체절연개폐장치 또는 복합절연개폐장치나, Dry-Air/ N₂가스/에폭시 몰드 타입의 개폐기 모두에 적용될 수 있으나, 지구 온난화를 야기시키는 SF6(Sulfur hexa-fluoride) 가스를 절연매질로 사용하는 가스절연개폐장치를 제외하고 Dry-Air 절연개폐장치, N₂가스 절연개폐장치, 고체절연개폐장치 또는 복합절연개폐장치나, Dry-Air/ N₂가스/에폭시 몰드 타입의 개폐기와 같은 환경친화형 전력설비에 적용되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치(1)의 경우에는 설치방향에 관계없이 전방위의 전자파 감지가 가능한 스파이럴 형상의 패치안테나(13)를 구비하는 진단센서(10)가 전력설비(1) 내에 설치됨으로써 전력설비 내부의 결함원(코로나 발생, 금속이물의 유입, 부유전극 등)으로 인한 부분방전시 발생되는 방전량 및 그 진행정도를 감쇄 또는 잡음없이 정밀하게 검출하고 그 결함을 분석할 수 있어, 운전중인 전력설비를 정지시키지 않고도 전력설비의 내부상태를 진단할 수 있고 결함의 종류나 발생위치 또는 위험정도를 진단할 수 있다.
또한 패치안테나(13)가 에폭시수지와 메타크릴수지로 이루어지는 상호침투고분자망목(IPN) 구조를 가지는 절연체(15)에 의해 매립됨으로써, 패치안테나(13) 사이의 열팽창계수의 차에 의한 계면박리현상이나 사용중 크랙발생이 방지되어 진단센서(10)의 신뢰도가 더욱 향상될 수 있으며, 특히 전력설비(3) 내부에 진단센서(10)가 내장됨에 따라 외부환경에 따른 감지신호의 변경이나 자체손상이 방지될 수 있어 진단센서(10) 자체의 신뢰도가 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치의 개략구조도.
도 2는 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치에 있어서, 진단센서가 설치된 전력설비의 일 실시예의 개략구조도.
도 3은 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치에 있어서, 진단센서의 개략구조도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치에 있어서, 진단센서의 상세구조도.
도 5는 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치의 작동을 설명하는 블럭다이아그램.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 본 발명에 따른 전력설비의 고정밀 결함진단장치
3 : 전력설비
10 : 진단센서
11 : 접지판
13 : 패치안테나
15 : 절연물
17 : 커넥터
20 : 진단유닛
20a : 로컬진단유닛부
20b : 메인진단유닛부
21 : RF 신호처리모듈
22 : A/D 변환모듈
23 : 디지털신호처리모듈
24 : 메인칸트롤유닛
25 : 통신유닛
Claims (3)
- 전력설비 내에 설치되고 스파이럴 형상으로 형성되는 구리합금 소재의 패치안테나가 에폭시수지와 메타크릴수지가 상호침투고분자망목(IPN) 구조로 결합되어 형성되는 절연체에 의해 매립되는 구조로 형성되어 전력설비 내의 결함원으로 인한 부분방전을 검출하는 진단센서; 및전력설비의 외부에 설치되고 상기 진단센서의 검출신호를 전송받아 이를 처리하여 진단결과를 제공하는 진단유닛;을 포함하여 이루어지고,상기 진단센서는, 전력설비의 외함 상에 설치되는 접지판과, 상기 접지판으로부터 이격되어 설치되고 스파이럴 형상으로 형성되어 전방위의 전자파를 감지하는 패치안테나와, 상기 패치안테나를 매립하여 상기 접지판에 이격고정시키는 절연체와, 상기 접지판을 관통하여 상기 패치안테나에 연결되는 커넥터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력설비의 고정밀 결함진단장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 진단센서가 설치되는 전력설비는, Dry-Air 절연개폐장치, N₂가스 절연개폐장치, 고체절연개폐장치, 복합절연개폐장치 및 친환경개폐기 중 하나인 것을 특징으로 하는 전력설비의 고정밀 결함진단장치.
- 삭제
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