KR101231858B1

KR101231858B1 - 노이즈환경에서 부분방전신호를 검출하는 부분방전 진단장치 및 이를 이용한 부분방전 진단방법

Info

Publication number: KR101231858B1
Application number: KR1020120003989A
Authority: KR
Inventors: 이남호; 오승찬
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2013-02-08

Abstract

본 발명은 노이즈환경에서 부분방전신호를 검출하는 부분방전진단장치 및 이를 이용한 부분방전 진단방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 부분방전시 발생되는 임펄스신호를 다중스펙트럼에 의한 각 주파수영역별로 분류하고, 분류된 각 펄스신호를 정형화하여 이의 주파수 패턴을 분석하도록 함으로써 노이즈환경으로부터 부분방전신호를 실시간으로 추출하고 검출신호의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있는 것이다.

Description

노이즈환경에서 부분방전신호를 검출하는 부분방전 진단장치 및 이를 이용한 부분방전 진단방법{PARTIAL DISCHARGE DIAGNOSIS APPARATUS FOR DETECTING PARTIAL DISCHARGE SIGNAL AND PARTIAL DISCHARGE DIAGNOSIS METHOD USING IT}

본 발명은 노이즈환경에서 부분방전신호를 검출하는 부분방전 진단장치 및 이를 이용한 부분방전 진단방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 부분방전시 발생되는 임펄스신호를 다중스펙트럼에 의한 각 주파수영역별로 분류하고, 분류된 각 펄스신호를 정형화하여 이의 주파수 패턴을 분석하도록 함으로써 노이즈환경으로부터 부분방전신호를 실시간으로 추출하고 검출신호의 신뢰성을 향상시키는 부분방전 진단장치 및 이를 이용한 부분방전 진단방법에 관한 것이다.

송변전용 전력설비(Power System)는 발전소에서 나오는 전기를 도시 등의 대규모 사용처에 전송하는 송전 또는 변전 설비로 고압 및 특고압(수만볼트 이상)을 사용하는 변압기를 포함하는 전력설비가 설치된다.

이러한 전력설비는 기계적 스트레스, 온도 등의 영향으로 절연열화가 발생하여 내부절연부분에서의 국부적인 부분방전이 발생하게 되며 이러한 부분방전현상은 초기에는 시스템의 성능 및 작동에 문제가 없더라도 지속적인 시간동안 발생하는 경우 전기트리 및 부분방전 시 발생하는 산화물 등에 의하여 절연열화의 정도가 증가하게 된다. 이러한 절연열화현상은 전력설비의 기능정지를 초래할 수 있으며 극단적일 경우 폭발로 이어져, 정전(shutdown)과 같은 문제가 발생하여 도시 전체 또는 산업공단 등으로의 전기공급이 중단되어 도시나 공단 등의 기능이 마비되는 치명적인 상황이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 미연에 방지하기 위해 다양한 방법이 강구되고 있는데, 종래 전력설비내의 절연열화 상태를 실시간으로 측정 및 진단하기 위한 방법으로 고압가스(SF6)를 절연매체로 하는 고압 전력기기인 가스절연 개폐장치(Gas Insulated Switchgear: 이하 'GIS'이라 함)가 사용되고 있다. 상기 GIS는 높은 절연내력과 밀폐화에 의한 초소형화, 고신뢰화, 정비 간편화 등의 장점을 가지고 있어 발전소/변전소에 널리 사용되고 있으나, GIS 가공 설치과정에서 도체의 돌기, 스페이서 크랙 및 도전성 금속 이물질 등이 발생할 수 있으며, 이러한 결함에 의해 GIS 내 전계집중 현상이 발생하게 되므로 전계집중 부위에서 부분방전이 일어나 절연파괴에 도달할 가능성이 있다.

따라서, 상기 전력설비의 파손에 의한 사고를 방지하기 위해서 부분방전신호를 감지하여 이로부터 이상징후를 판단하는 방법이 제시되었다. 그러나 상기 감지는 다양한 현장잡음에 의해 부분방전신호의 감도가 저하되고 측정오류가 발생되는 문제점이 있다.

이에 스펙트럼분석기를 이용하여 감도저하와 측정오류를 최소화하면서 측정된 신호로부터 부분방전신호를 취득하고 있으나, 측정신호가 UHF대역임으로 이를 분석하기 위해서는 시간이 오래 소요되는 단점이 있다. 이러한 분석시간을 단축시키기 위해 고속 샘플링방법과 FFT(fast Fourier transform)분석 등을 이용하여 비교적 신속하게 분석이 이루어지도록 하고 있으나, 상기 고속 샘플링방법과 FFT분석은 시스템상에서 복잡한 신호계산 처리과정을 수반됨으로 계산을 위해 장비가 고가로 형성되는 단점이 있다.

대한민국 공개특허 10-2008-0076328에서는 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단시스템 및 방법을 제시하고 있다. 상기 선출원건은 가스절연 개폐장치의 내부에서 이상 발생시의 부분방전신호를 UHF대역의 광대역센서를 이용하여 측정한 후 UHF대역의 전자식 전환기와 주파수/위상 스펙트럼을 이용하여 분석이 이루어지도록 하고 있다. 여기서 상기 주파수/위상 스펙트럼은 부분방전시에 발생하는 주파수 영역인 UHF대역 내의 신호레벨을 시간영역의 신호크기로 변환하는 고속 프리에 변환방식(FFT)을 적용하여 분석이 이루어짐으로 장비가 고가이어서 쉽게 사용하기 곤란하다.

이에 본 발명의 노이즈환경에서 부분방전신호를 검출하는 부분방전 진단장치 및 이를 이용한 부분방전 진단방법은,

현장잡음에 의한 감도저하 및 측정오류 등으로 인한 문제점을 개선하기 위해 멀티스펙트럼분석방식을 적용하여 노이즈로부터 검출된 부분방전신호의 정확성을 향상시키는 부분방전진단장치 및 방법의 제공을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 UHF대역의 임펄스신호를 최종적으로 VHF대역으로 변환하여 피크정보를 추출함으로 UHF대역의 신호를 처리하기 위한 복잡한 계산과정이 필요 없어 하드웨어적인 멀티스펙트럼 분석만으로도 분석 신뢰성을 개선할 수 있는 장치 및 방법의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 노이즈환경에서 부분방전신호를 검출하는 부분방전 진단장치는

전력설비의 절연열화에 의한 부분방전현상에서 부분방전신호를 검출하는 부분방전진단장치에 있어서, 전력설비에 설치되어 절연열화에 의해 발생된 UHF대역의 부분방전신호를 감지하는 부분방전검출센서와; 상기 부분방전검출센서로부터 입력된 UHF대역의 아날로그신호인 부분방전신호를 주파수별로 필터링하여 신호를 검출하는 다수의 BPF(band-pass filter)가 배열된 멀티필터처리부와; 상기 멀티필터처리부에서 출력되는 주파수별 UHF대역의 다중스펙트럼신호를 VHF대역의 다중스펙트럼신호로 변환시키는 펄스정형화부와; 상기 펄스정형화부로부터 출력된 VHF대역 신호를 다중처리방식의 디지털신호로 변환하는 A/D신호변환부와; 상기 디지털신호로 변환된 다중주파수신호를 분석하여 부분방전 및 방전유형을 판단하고 부분방전원인을 분석하는 멀티채널 신호처리부;를 포함하여 구성된다.

또한, 부분방전 진단장치를 이용한 부분방전 진단방법은,

전력설비에 설치된 검출센서에 의해 절연열화에 의해 발생된 UHF대역의 부분방전신호를 감지하는 단계와; 감지된 부분방전신호를 다수의 BPF가 배열된 멀티필터처리부에서 주파수 영역별로 필터링하여 다중스펙트럼신호를 검출하는 단계와; 검출된 UHF대역의 다중스펙트럼신호를 펄스정형화부에서 엔벨로프화하여 펄스크기와 펄스주기 정보를 유지하면서 VHF대역의 다중스펙트럼신호로 변환시키는 펄스정형화단계와; 정형화된 VHF대역의 다중스펙트럼신호를 A/D신호변환부에서 각 출력신호의 펄스크기에 대한 디지털정보로 변환하는 단계와; 디지털정보로 변환된 다중주파수신호는 멀티채널 신호처리부에서 시험을 통해 수취한 방전유형별 주파수패턴이 저장된 특성정보DB 데이터와 비교하여 일치되는 패턴을 부분방전신호로 판단하여 실시간으로 수취하는 부분방전 판정단계;를 포함하여 이루어진다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 노이즈환경에서 부분방전신호를 검출하는 부분방전 진단장치 및 이를 이용한 부분방전 진단방법은,

멀티스펙트럼 분석방식을 적용하여 노이즈환경에서도 부분방전신호 검출의 정확성을 향상시킬 수 있으며, UHF대역의 임펄스신호를 최종적으로 VHF대역으로 변환하여 피크정보를 추출함으로 UHF대역의 신호를 처리하기 위한 복잡한 계산과정이 필요없어 하드웨어적인 멀티스펙트럼 분석만으로도 분석 신뢰성을 개선할 수 있어 저가형으로 장비를 개발보급할 수 있다.

또한, 부분방전유형에 따라 전력설비의 고장유형 및 발생위치추적이 가능하게 함으로 전력설비의 신속한 수지가 가능하게 하여 고장수리비용을 절감시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부분방전진단장치를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정형화된 다중주파수신호를 나타난 그래프.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

본 발명에 따른 부분방전신호를 검출하는 부분방전진단장치(10)는, 전력설비에 설치되는 부분방전 검출센서(20)를 구비한다.

상기 검출센서는 절연열화에 의해 발생된 부분방전신호를 전기적, 음향, RF 신호로 입력받아 멀티필터처리부(30)로 출력하며, 신호의 스펙트럼분석이 용이하도록 전처리증폭기부(70)를 통해 신호를 증폭하여 출력되도록 한다.

상기 증폭된 부분방전신호는 부분방전신호의 특징주파수영역의 신호를 추출하는 멀티필터처리부(30)에서 다중스펙트럼신호로 변환된다.

상기 멀티필터처리부에는 부분방전신호의 여러 가지 특징주파수 영역 중 구분된 하나의 주파수영역만 통과하는 BPF(band-pass filter; 31)가 다수 배열되어 있어 UHF 대역의 아날로그신호인 부분방전신호를 주파수영역별로 신호검출이 동시에 이루어지도록 한다.

상기 배열되는 BPF는 부분방전신호시 예상되는 주파수영역별로 선택적으로 배열하여 필요한 주파수영역에서만 신호를 검출하여 다수의 BPF에서 동시 출력되도록 한다.

또한, 상기 멀티필터처리부에는 신호증폭기(32)를 추가로 설치하여 다수 배열된 BPF에서 필터링 된 미소신호를 증폭하여 출력되도록 한다.

다음으로 펄스정형화부(40)에서는 엔벨로프회로로 각 BPF에 연결되어 구성된다.

이러한 펄스정형화부는 상기 멀티필터처리부에서 출력되는 주파수별 UHF대역의 다중스펙트럼신호인 임펄스형태의 부분방전신호를 각 주파수대역별 크기정보를 추출할 수 있도록 엔벨로프(Envelope)화 한다.

상기 펄스정형화부는 임펄스형태의 부분방전신호를 엔벨로프화하여 부분방전신호의 유효성을 분석하기 위한 패턴분석에 필요한 신호의 크기, 펄스주기 등의 정보를 보다 효율적으로 추출하기 위한 것이다.

이러한 펄스정형화부의 엔벨로프화는 UHF대역의 고속신호를 VHF대역의 신호로 변환시키면서 펄스 크기(Pulse Hight) 및 주기 등의 특성정보를 유지한 형태로 변환되기 때문에 후술되는 멀티채널신호처리부에서의 신호처리과정을 단순화 시킬 수 있는 장점이 있다.

상기 펄스정형화부로부터 출력된 엔벨로프화된 신호는 A/D신호변환부(50)에서 다중처리방식의 디지털신호로 변환하게 된다.

즉, 상기 펠스정형화부 엔벨로프회로에서 출력된 각 주파수영역별 출력신호는 아날로그디지털변화기를 통하여 각 출력신호의 펄스크기에 대한 디지털정보로 변환된다.

상기 디지털신호로 변환된 다중주파수신호는 멀티채널 신호처리부(60)에서 분석하여 부분방전 및 방전유형을 판단한다.

상기 멀티채널 신호처리부는 중앙처리장치를 내장한 판단로직으로 측정된 주파수영역별 신호들의 크기 발생형태를 분석한 다중주파수신호의 피크정보(주파수패턴)를 시험을 통해 수취한 방전유형별 주파수 패턴이 저장된 특성정보DB의 데이터와 비교해 일치여부를 판단해 노이즈신호로부터 유효한 부분방전신호를 추출함으로 부분방전신호 판단의 신뢰도를 증가시킬 수 있다.

또한 유효한 부분방전신호가 판단된 이후 검출된 신호의 최대펄스크기신호를 이용하여 부분방전신호의 발생량(pC)을 계산할 수 있다.

또한, 피크검출 대역대, 피크 수, 피크 배열 및 크기에 따라 방전유형을 판단함으로 판단된 방전유형으로 전력설비의 고장유형 및 발생위치를 추적할 수 있는 정보를 제공하여 신속한 수리가 가능하게 하여 고장수리 비용을 절감시킬 수 있다. 즉, 상기 시험을 통해 수취한 데이터가 저장된 특성정보DB에는 위치별 또는 고장유형별 부분방전신호에 따른 피크검출 대역과 검출 피크수, 배열된 피크의 각 크기순 등의 정보가 저장되어 센서를 통해 검출된 부분방전신호를 분석한 데이터를 특성정보DB와 대비하여 고장유형과 발생위치 등을 유추해 우선적으로 점검하도록 함으로써 신속한 대응이 가능하도록 한 것이다.

예컨대 도 2를 참조한 바와 같이 검출된 부분방전신호의 피크가 f1 내지 f3로 수취되고, 크기가 f3>f1>f2 순이며, 각각의 주파수대역에 따른 피크수와 피크크기 등의 정보를 저장된 패턴과 비교하여 일치 또는 유사한 패턴을 찾아 부분방전신호 여부판단과 부분방전원인 정보를 수취하여 신속한 대처가 이루어지도록 할 수 있다.

이와같은 부분방전 진단장치를 이용한 부분방전 진단방법을 간략하게 살펴보면,

전력설비에 설치된 검출센서(20)에 의해 절연열화에 의해 발생된 UHF대역의 부분방전신호를 감지하는 단계와; 감지된 부분방전신호를 다수의 BPF가 배열된 멀티필터처리부(30)에서 주파수 영역별로 필터링하여 다중스펙트럼신호를 검출하는 단계와; 검출된 UHF대역의 다중스펙트럼신호를 펄스정형화부(40)에서 엔벨로프화하여 펄스크기와 펄스주기 정보를 유지하면서 VHF대역의 다중스펙트럼신호로 변환시키는 펄스정형화단계와; 정형화된 VHF대역의 다중스펙트럼신호를 A/D신호변환부(50)에서 각 출력신호의 펄스크기에 대한 디지털정보로 변환하는 단계와; 디지털정보로 변환된 다중주파수신호는 멀티채널 신호처리부(60)에서 시험을 통해 수취한 방전유형별 주파수패턴이 저장된 특성정보DB 데이터와 비교하여 일치되는 패턴을 부분방전신호로 판단하여 실시간으로 수취하는 부분방전 판정단계;를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 부분방전 판정단계에는 부분방전으로 판정된 신호의 피크배열 및 크기를 특성정보DB 데이터와 대비하여 방전유형과 발생위치의 정보를 더 제공하여 신속한 수리보수가 이루어지도록 할 수 있다.

10 : 부분방전진단장치 20 : 부분방전검출센서
30 : 멀티필터처리부 31 : BPF
32 : 신호증폭기 40 : 펄스정형화부
50 : A/D신호변환부 60 : 멀티채널신호처리부
70 : 전처리증폭기부

Claims

전력설비의 절연열화에 의한 부분방전현상에서 부분방전신호를 검출하는 부분방전진단장치에 있어서,
전력설비에 설치되어 절연열화에 의해 발생된 UHF대역의 부분방전신호를 감지하는 부분방전검출센서(20)와;
상기 부분방전검출센서로부터 입력된 UHF대역의 아날로그신호인 부분방전신호를 주파수영역별로 필터링하여 신호를 검출하는 다수의 BPF(band-pass filter)가 배열된 멀티필터처리부(30)와;
상기 멀티필터처리부에서 출력되는 주파수별 UHF대역의 다중스펙트럼신호를 엔벨로프화하여 펄스크기와 주기를 유지하면서 VHF대역의 다중스펙트럼신호로 변환시키는 펄스정형화부(40)와;
상기 펄스정형화부로부터 출력된 VHF대역 신호를 다중처리방식의 디지털신호로 변환하는 A/D신호변환부(50)와;
상기 디지털신호로 변환된 다중주파수신호를 분석하여 부분방전 및 방전유형을 판단하고 부분방전원인을 분석하는 멀티채널 신호처리부(60);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 부분방전신호를 검출하는 부분방전진단장치.
제1항에 있어서,
상기 부분방전검출센서로부터 입력된 부분방전신호를 증폭시켜 멀티필터처리부로 출력하는 전처리증폭기부(70)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 부분방전신호를 검출하는 부분방전진단장치.
제1항에 있어서,
상기 멀티필터처리부에는 BPF(31)에 필터링된 신호를 증폭하는 신호증폭기(32)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 부분방전신호를 검출하는 부분방전진단장치.
제1항에 있어서,
상기 멀티채널 신호처리부에는 시험을 통해 수취한 방전유형별 주파수 패턴이 저장된 특성정보DB를 더 구성하여 디지털신호로 변환된 다중주파수신호를 분석한 주파수패턴과 특성정보DB의 데이터를 비교하여 부분방전과 부분방전원인을 판단하도록 한 것을 특징으로 하는 부분방전신호를 검출하는 부분방전진단장치.
전력설비에 설치된 검출센서(20)에 의해 절연열화에 의해 발생된 UHF대역의 부분방전신호를 감지하는 단계와;
감지된 부분방전신호를 다수의 BPF가 배열된 멀티필터처리부(30)에서 주파수 영역별로 필터링하여 다중스펙트럼신호를 검출하는 단계와;
검출된 UHF대역의 다중스펙트럼신호를 펄스정형화부(40)에서 엔벨로프화하여 펄스크기와 펄스주기 정보를 유지하면서 VHF대역의 다중스펙트럼신호로 변환시키는 펄스정형화단계와;
정형화된 VHF대역의 다중스펙트럼신호를 A/D신호변환부(50)에서 각 출력신호의 펄스크기에 대한 디지털정보로 변환하는 단계와;
디지털정보로 변환된 다중주파수신호는 멀티채널 신호처리부(60)에서 시험을 통해 수취한 방전유형별 주파수패턴이 저장된 특성정보DB 데이터와 비교하여 일치되는 패턴을 부분방전신호로 판단하여 실시간으로 수취하는 부분방전 판정단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 부분방전 진단방법.
제5항에 있어서,
상기 부분방전 판정단계에는 부분방전으로 판정된 신호의 피크배열 및 크기를 특성정보DB 데이터와 대비하여 방전유형과 발생위치의 정보를 더 제공하여 신속한 수리보수가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 부분방전 진단방법.