KR100919785B1 - Ａｅ센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 AE(Acoustic Emission) 센서를 이용하여 음향 신호를 측정하여 측정된 음향신호로부터 도달 시간차를 분석하여 부분방전 즉 절연물 결함의 위치를 정확하게 추정하도록 한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치 및 방법에 관한 것으로서, 유입 변압기의 서로 다른 면에 구성되어 음향 신호를 측정하여 출력하는 다수의 AE 센서와, 상기 AE 센서에 전원단을 통해 전원을 인가하고 상기 AE 센서로 신호가 인가되지 않도록 차단하는 역결합 회로와, 상기 AE 센서에서 출력된 음향신호를 감쇄없이 통과시키는 증폭기와, 상기 각 AE 센서로부터 측정된 음향 신호를 입력받아 도달 시간차를 분석하여 부분방전 위치를 추정하는 분석부를 포함하여 구성되고, 상기 역결합 회로는 전원단과 접지단 사이에 병렬로 연결되는 다수의 캐패시터와, 상기 전원단과 상기 AE 센서의 입력단 사이에 직렬로 연결되는 리덱턴스 및 저항으로 이루어지고, 상기 AE 센서의 출력단에 접지되는 저항으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

ＡＥ센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치 및 방법{DETECTING DEVICE A PARTIAL DISCHARGEIN IN OIL FILLED TRANSFORMER USING AE SENSOR AND METHOD FOR DETECTING A PARTIAL DISCHARGEIN}

본 발명은 유입 변압기에 관한 것으로, 특히 부분 방전의 발생위치를 정확하게 검출할 수 있도록 AE센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전력수요의 증가와 더불어 변압기는 대용량화, 초고압화되고 있으며 변전소는 무인화되고 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 이상징후를 변압기의 운전상태에서 상시로 측정하기 위한 상시 감시장치가 개발되고 있으며, 이러한 상시 감시장치에서의 데이터를 지속적으로 저장하여 그 증가경향으로 이상의 진전 여부를 판단하고, 이상검출 데이터간의 상관관계로 이상의 유형을 판단하여, 이상징후가 진전하여 위험할 경우에는 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.

일반적으로 변압기는 전신주를 통하여 공급되는 고전압을 공장 및 가정 등과 같은 전력수요에서 사용할 수 있도록 하는 것으로 도 1과 같은 구조를 가지고 있다. 즉, 도 1은 일반적인 변압기의 외형과 회로를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 1차코일과 2차 코일로 이루어진 트랜스코일과 상기 트랜스코일의 상호유도 작용의 원활함을 위한 계자철심과, 상호 결합된 트랜스코일과 계자철심을 수납하는 하우징으로 구성되며, 상기 하우징에는 변압과정에 발생하는 열을 냉각하기 위하여 절연성을 갖는 절연 냉각유(이하 '절연유'라 한다)가 채워져 있고, 이러한 절연유는 그 대부분이 석유계의 것이나, 일부는 불연성 합성 절연유로서, 용도에 따라서 성상은 여러 가지이며, 일반적으로 부피 전기저항이 크고 점도가 낮으며, 산화에 대하여 안정성이 있는 것으로 사용하고 있다.

하지만 이러한 변압기는 고온운전에 따른 열적열화, 외부 단락에 따른 열적열화, 기계적 손상 및 부분 방전에 따른 방전열화가 빈번하게 발생되어 기계적 강도저하, 진동증가, 가연성 가스발생 등의 문제점에 의해 절연파괴로 진전된다.

따라서 과열에 따른 변압기의 절연파괴는 변압기의 폭발, 단전사고 등 많은 문제점을 일으키고 있었다.

이러한 변압기의 종래 고장을 최소화 하기 위해 정기적으로 변압기 내의 절연유를 채취하여 실험실에서 열화를 측정하여 변압기의 이상상태를 점검하여 왔었고, 이때의 절연유 측정방법은 절연유를 밸브에서 일정량 측정시마다 채취하여야 함에 따라 절연유의 손실이 발생되며 또한 채취시 대기중의 다른 가스 및 습기가 유입되는 문제점이 발생되었고, 더불어 운반중에도 외부와 노출될 우려가 발생되어 절연유의 채취 및 정확한 분석이 힘든 문제점이 있었다.

상기 부분방전 측정에는 전기적 방법과 비전기적 방법이 있으며, 전기적 방법은 감도가 우수하여 정밀 측정이 가능하지만 주변 전자계에 의한 영향을 받기 쉬우며, 운전 중 결합회로망의 설치가 불가능한 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 다수의 AE(Acoustic Emission) 센서를 이용하여 음향 신호를 측정하여 측정된 음향신호로부터 도달 시간차를 분석하여 부분방전 즉 절연물 결함의 위치를 정확하게 추정하도록 한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치는 유입 변압기의 서로 다른 면에 구성되어 음향 신호를 측정하여 출력하는 다수의 AE 센서와, 상기 AE 센서에 전원단을 통해 전원을 인가하고 상기 AE 센서로 신호가 인가되지 않도록 차단하는 역결합 회로와, 상기 AE 센서에서 출력된 음향신호를 감쇄없이 통과시키는 증폭기와, 상기 각 AE 센서로부터 측정된 음향 신호를 입력받아 도달 시간차를 분석하여 부분방전 위치를 추정하는 분석부를 포함하여 구성되고, 상기 역결합 회로는 전원단과 접지단 사이에 병렬로 연결되는 다수의 캐패시터와, 상기 전원단과 상기 AE 센서의 입력단 사이에 직렬로 연결되는 리덱턴스 및 저항으로 이루어지고, 상기 AE 센서의 출력단에 접지되는 저항으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출방법은 유입 변압기 측면의 서로 다른 위치에 다수개의 AE 센서를 부착하는 단계와, 상기 AE 센서로부터 상기 유입 변압기의 음향신호를 측정하여 출력하는 단계와, 상기 각 AE 센서로부터 측정된 음향신호를 입력받아 각 음향신호의 도달 시간을 분석하여 상기 유입 변압기의 부분방전 위치를 추정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

즉, 변압기 측면의 서로 다른 위치에 다수의 AE(Acoustic Emission) 센서를 이용하여 음향 신호의 도달 시간차를 측정하여 절연물의 부분방전을 정확하게 측정할 수 있다.

도 1은 일반적인 변압기의 외형과 회로를 나타내는 도면

도 2a는 본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치를 설명하기 위한 개략적인 회로도

도 2b는 도 2a의 주파수 특성을 나타낸 그래프

도 3은 도 2a의 증폭기를 나타낸 회로도

도 4는 도 2a의 AE 센서용 증폭기의 주파수 특성을 나타낸 그래프

도 5는 본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치를 설명하기 위한 도면

도 6은 도 5를 이용하여 유입 변압기의 부분방전 검출장치를 나타낸 블록도

도 7a 내지 도 7d는 침-평판 전극, 평판-평판 전극, 보이드(void) 전극, 플로팅(floating) 구조의 결함에 따른 방전발생 모델로 나타낸 도면

도 8a 내지 도 8d는 도 7a 내지 도 7d의 전극계에서 측정된 부분방전의 음향신호와 주파수 스펙트럼 관계를 나타낸 그래프

도 9는 본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출방법을 설명하기 위한 순서도

도 10은 부분 방전 전계의 위치를 설명하기 위한 도면

도 11은 도 10에서 음향신호의 측정 결과를 나타낸 도면

도 12는 AE 센서를 개략적으로 나타낸 회로도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110 : AE 센서 120 : 역결합 회로

130 : 증폭기 140 : 분석기

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2a는 본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치를 설명하기 위한 개략적인 회로도이고, 도 2b는 도 2a의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 음향신호를 검출하여 출력하는 AE 센서(110)와, 상기 AE 센서(110)에 전원단(Vdc)을 통해 전원을 인가하고 상기 AE 센서(110)로 신호가 인가되지 않도록 차단하는 역결합(decoupler) 회로(120)와, 상기 AE 센서(110)에서 출력된 음향신호를 감쇄없이 통과시키는 증폭기(Amplifier)(130)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 역결합 회로(120)는 전원단(Vdc)과 접지단(GND) 사이에 병렬로 연결되는 다수의 캐패시터(C1,C2,C2)와, 상기 전원단(Vdc)과 상기 AE 센서(110)의 입력단 사이에 직렬로 연결되는 리덱턴스(L1) 및 저항(R1)으로 이루어지고, 상기 AE 센서(110)의 출력단에 접지되는 저항(R2)을 포함하여 구성되어 있다.

또한, 도 2b에서와 같이, 상기 AE 센서(110)의 공진 주파수는 150[kHz]이며, 80~250[kHz] 대역의 음향신호를 검출한다.

도 3은 도 2a의 증폭기를 나타낸 회로도이고, 도 4는 도 2a의 AE 센서용 증폭기의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.

본 발명의 실시예에서는 상기 AE 센서(130 )의 주파수 대역을 포함하는 증폭기를 도 3과 같이 제작하여 평가한 결과 도 4와 같이 -3[dB]의 주파수 대역이 1.6[kHz]~1.8[MHz]로 평가됨을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5를 이용하여 유입 변압기의 부분방전 검출장치를 나타낸 블록도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 유입 변압기(100) 측면의 서로 다른 위치에 음향 신호를 측정하기 위해 다수의 AE 센서(AE1, AE2, AE3)(110)를 부착한다.

상기와 같이 유입 변압기(110)에 부착된 AE 센서(110)는 상기 유입 변압기(100)의 초음파 대역의 음향 신호를 측정한다.

또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 다수의 AE 센서(110)를 이용하여 유입 변압기(100)에서 초음파 대역의 음향신호를 측정하고, 상기 다수의 AE 센서(110)로부터 측정된 초음파 대역의 음향신호를 입력받아 상기 음향신호의 도달 시간차를 분석하여 방전의 발생 위치를 분석하는 분석기(140)를 포함하여 구성되어 있다.

상기와 같이 본 발명은 유입 변압기 및 MOF(Metering Out.fits)의 상시 진단을 위해 AE 센서(110)를 이용한 음향신호 검출을 적용하고 있고, 결함에 따른 음향신호의 측정과 주파수 특성을 분석하고 있다.

한편, 유중 부분방전을 모의하기 위하여 금속제 외함에서 절연물의 결함에 따른 방전을 발생시키고, 결함에 따른 방전발생 모델로 침-평판 전극, 평판-평판 전극, 보이드(void) 전극, 플로팅(floating) 구조의 전계를 도 7a 내지 도 7d와 같이 제작했다.

여기서, 상기 평판 전극은 텅스텐과 구리의 합금으로 두께 15㎜, 지름 60㎜로 설계하였고, 가장자리를 둥글게 처리하여 전계 집중이 발생하지 않도록 했다.

상기와 같은 방전발생 모델은 유중 부분방전에 의한 음향신호는 금속 외함에 설치된 AE 센서로 검출되며 증폭기를 통해 오실로스코프로 전달된다. 4가지 형태의 전극계에서 측정된 부분방전의 음향신호와 주파수 스펙트럼을 도 8a 내지 도 8d에 나타내었다.즉, 본 발명은 AE 센서를 이용하여 유입변압기 내의 부분방전에 의한 초음파 신호를 이용하여 발생유무를 판단하고 또한 다수의 AE 센서에 검출된 신호의 도달시간차를 이용하여 부분방전원의 위치를 검출하는 것으로서, 도 8a 내지 도 8d는 AE 센서를 설정하기 위하여 각 전극계에 따른 부분방전의 음향 특성을 분석한 도면이다.

음향신호의 주파수 스펙트럼 분석결과, 도 7a의 침-평판 전극에서 발생한 음향신호의 주파수 대역은 도 8a에서와 같이, 50[kHz]~230[kHz]에 분포하며 최대 주파수는 132[kHz]의 주파수 특성을 나타내고 있다.

도 7b의 평판-평판 전극에서 발생한 음향신호의 주파수 대역은 도 8b에서와 같이, 60[kHz]~260[kHz]에 분포하며, 최대 주파수는 125[kHz]의 주파수 특성을 나타내고 있다.

도 7c의 보이드 전극에서 발생한 음향신호의 주파수 대역은 도 8c에서와 같이, 76[kHz]~210[kHz]에 분포하며, 최대 주파수는 130[kHz]의 주파수 특성을 나타내고 있다.

도 7b의 평판-평판 전극과 도 7c의 보이드 전극에서의 음향신호는 도 7a의 침-평판 전극에 비해 넓음을 알 수 있다.

도 7d의 플로팅 전극에서 발생한 음향신호의 주파수 대역은 도 8d에서와 같이, 60[kHz]~193[kHz]에 분포하며, 최대 주파수 126[kHz]의 주파수 특성을 나타내고, 침-평판 전극, 평판-평판 전극, 보이드 전극에 비해 낮게 분석됨을 알 수 있다.

일반적으로 음향신호의 측정에 의한 변압기 진단기술은 절연상태와 결함 즉, 부분방전 발생위치의 추정도 가능하다. 이런 결함의 위치는 전기신호와 음향신호를 측정함으로써 추정할 수 있으며, 측정방법에 따라 전기-음향법과 음향-음향법이 있다.

전기-음향법은 전기신호를 기준신호로 하고, 음향신호를 측정함으로써 두 시간의 시간차로부터 방전의 발생위치를 계산하는 방법이다.

그러나 변압기가 설치된 환경은 전자계 노이즈 및 각종 고주파 잡음이 존재하고, 또한 방전펄스의 크기가 매우 작기 때문에 많은 오차가 발생할 수 있다.

반면에 음향-음향법은 초음파 대역의 음향신호를 측정함으로써 전자계 노이즈에 강하며 다수의 AE 센서를 설치하여 음향신호의 도달 시간차를 이용하여 방전의 발생위치를 추정할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 3개의 AE 센서를 이용하여 유중에서 부분방전 음향신호 측정하고 도달시간차로부터 2차원 평편상에 방전위치를 산출한다.

도 9는 본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출방법은 도 9에 도시한 바와 같이, 변압기 측면의 서로 다른 위치에 음향신호를 검출하기 위한 다수개의 AE 센서를 부착한다(S210).

이어서, 상기 AE 센서는 상기 변압기 측면에 일정한 간격을 갖고 부착되어 초음파 대역의 음향신호를 측정한다(S220).

그리고, 상기 각 AE 센서로부터 측정된 초음파 대역의 음향신호를 입력받아 상기 음향신호의 도달 시간차를 분석하여 부분방전 위치를 추정한다(S230).

본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출방법을 설명하기 위해 도 5를 참조하면서 설명하면 다음과 같다.

도 5에 도시한 바와 같이, 유입 변압기(100)의 측면에 일정한 간격으로 다수개의 AE 센서(AE1, AE2, AE3)를 부착하고, 상기 AE 센서로부터 음향신호를 검출한다.

여기서, 음파의 전파 속도를 라고 하면, 시간을 로 하고, 상기 AE1, AE2 및 AE3에서 부분방전 발생점 P까지의 거리 은 다음의 수학식 1 내지 수학식 3과 같이 표현된다.

여기서, 본 발명에 의한 실험장치는 유중 부분방전을 발생시키기 위한 금속제 외함, 방전전극 및 3개의 AE 센서로 구성된다. 음향신호로 방전위치를 계산하기 위해 외함에 평면 좌표를 부여하였으며, 부분 방전 전계는 도 10에 나타낸 위치(P점)에 설치하였다.

상기 3개의 AE 센서(AE1, AE2, AE3)에서 측정된 음향신호는 도 11과 같으며, AE1과 AE2 사이에 측정된 도달 시간차는 42[㎲]이고, AE1과 AE 3 사이에 측정된 도달 시간차는 388[㎲]이다.

상기의 수학식 1 내지 3과 외함의 평면좌표로부터 다음의 수학식 4 및 5를 계산할 수 있다.

여기서, 은 센서 AE1과 AE2 사이의 도달시간차(S), 은 센서 AE1과 AE3 사이의 도달시간차(s), 는 음향신호의 전파속도(m/s)이다.

상기 수학식 4 및 5로부터 계산된 방전위치는 x=882[㎜], y=428[㎜]이다. 실제 전극의 설치 위치가 x=880[㎜], y=450[㎜]이므로 금속제 외함의 크기가 1000[㎜]×740[㎜]임을 고려하면 3%이내의 오차로 위치 산출이 가능함을 알 수 있다.

도 12는 본 발명에 의한 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치에서 AE 센서를 개략적으로 나타낸 회로도이다.

도 12에 도시한 바와 같이, 111은 AE 변환자를 나타내고, 112는 AE 변환자(111)를 수용하는 케이스를 나타내며, 113은 프리증폭기를 나타낸다.

상기 AE 변환자(111)는 지르콘산티타늄산납계 압전 세라믹 (PZT), 니오브산리튬, 수정 등의 압전 재료로 만들어진다. 상기 AE 변환자(111)는 프리증폭기(113)에 접속되고, 상기 프리증폭기(113)로부터 AE파에 의한 AE 변환자(111)의 임피던스의 변화에 따른 출력을 얻을 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (5)

1. 유입 변압기의 서로 다른 면에 구성되어 음향 신호를 측정하여 출력하는 다수의 AE 센서와,

   상기 AE 센서에 전원단을 통해 전원을 인가하고 상기 AE 센서로 신호가 인가되지 않도록 차단하는 역결합 회로와,

   상기 AE 센서에서 출력된 음향신호를 감쇄없이 통과시키는 증폭기와,

   상기 각 AE 센서로부터 측정된 음향 신호를 입력받아 도달 시간차를 분석하여 부분방전 위치를 추정하는 분석부를 포함하여 구성되고, 상기 역결합 회로는

   전원단과 접지단 사이에 병렬로 연결되는 다수의 캐패시터와, 상기 전원단과 상기 AE 센서의 입력단 사이에 직렬로 연결되는 리덱턴스 및 저항으로 이루어지고, 상기 AE 센서의 출력단에 접지되는 저항으로 이루어진 것을 특징으로 하는 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출장치.
2. 삭제
3. 유입 변압기 측면의 서로 다른 위치에 다수개의 AE 센서를 부착하는 단계;

   상기 AE 센서로부터 상기 유입 변압기의 음향신호를 측정하여 출력하는 단계;

   상기 각 AE 센서로부터 측정된 음향신호를 입력받아 각 음향신호의 도달 시간을 분석하여 상기 유입 변압기의 부분방전 위치를 추정하는 단계를 포함하여 이루어지고,

   상기 부분방전의 위치를 추정하는 것은 다음의 식으로

   (여기서, 은 센서 AE1과 AE2 사이의 도달시간차(S), 은 센서 AE1과 AE3 사이의 도달시간차(s), 는 음향신호의 전파속도(m/s)이다.) 이루어진 것을 특징으로 하는 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출방법.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서, 상기 각 AE 센서(AE1, AE2, AE3)에서 부분방전 발생점까지의 거리()는 다음의 식

   , ,

   (여기서, 음파의 전파 속도를 라고 하면, 시간을 로 한다)로 구하는 것을 특징으로 하는 AE 센서를 이용한 유입 변압기의 부분방전 검출방법.