KR101255319B1 - 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기의 외함을 접지하는 접지선과 중성선에서 접지로 연결되는 연결선의 일측에 전압 또는 전류 변환기를 부착하여 변환된 전압 또는 전류신호를 신호전송기를 통해 분석장치로 전송하고, 전송된 전압 또는 전류를 분석장치의 데이터 처리모듈에서 FFT 파형분석 알고리즘을 적용하여 검출된 전압 또는 전류에 포함된 각종파형을 분석하여 변압기 절연손상 특성을 나타내는 파형을 추출하여 절연손상을 나타내는 고조파 파형패턴을 메모리에 저장된 절연손상 시 파형패턴과 비교하여 변압기의 수리여부를 판단하는 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치에 관한 것이다.

Description

고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치{Characterics of the harmonic waveforms by damaged insulation in power equipment}

본 발명은 변압기의 외함을 접지하는 접지선과 중성선에서 접지로 연결되는 연결선의 일측에 전압 또는 전류 변환기를 부착하여 변환된 전압 또는 전류신호를 신호전송기를 통해 분석장치로 전송하고, 전송된 전압 또는 전류를 분석장치의 데이터 처리모듈에서 FFT 파형분석 알고리즘을 적용하여 검출된 전압 또는 전류에 포함된 각종파형을 분석하여 변압기 절연손상 특성을 나타내는 파형을 추출하여 절연손상을 나타내는 고조파 파형패턴을 메모리에 저장된 절연손상 시 파형패턴과 비교하여 변압기의 수리여부를 판단하는 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치에 관한 것이다.

교류전력을 사용하여 전력을 전송하거나 동력을 일으키는 변압기, 차단기, 전동기 등은 사용전압에 따라 정해진 절연 성능을 갖추어야 하며, 절연성능이 떨어질 경우에는 단락 및 지락에 의한 고장이 발생한다.

이러한 전력기기는 사용 중의 고장으로 인한 소손과 화재, 폭발 등으로 다른 기기나 설비까지 피해를 입지 않도록 과전류나 지락전압 등이 발생하면 해당 기기와의 연결을 차단하도록 하는 장치를 부가하여 운영하고 있으며, 이러한 장치들은 고장자체를 예방하는 것이 아닌 고장의 파급을 방지하는 기능을 주목적으로 한다.

최근에는 전력기기의 불시고장을 예방하고 열화상태를 진단하기 위한 여러 가지 장치로서 변압기내 절연유의 유중가스 분석센서와 부분방전 진단장치(초음파 또는 UHF센서)등이 있으나, 고가의 장비임에도 고장예방 실적이 미흡하여 시사용하는 수준에 머물고 있다.

대한민국 공개특허공보 제특2000-0037145호에는 피뢰기의 파괴시험결과를 확인하고 피뢰기 누설전류의 총량과, 2, 3, 5 고조파성분을 분석하여 피뢰기의 열화정도를 판단하는 방법, 장치 및 진단서비스에 관한 것이나, 변압기의 손상여부를 판단하는 것과는 무관하며, 공개특허공보 제10-2010-0061431호에는 상대방 시간대비 전류 크기값이 동일한 파형 정보를 가졌는지 유사도를 산출하여 동일 위상을 찾은 후에 변류비 오차를 정확하게 측정하는 수단을 포함한 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 변압기의 손상여부를 판단하는 것과는 무관하다.

본 발명이 해결하려는 과제는 변압기의 외함을 접지한 접지선과 중성선을 접지로 연결한 접지선에 전압 또는 전류의 측정할 수 있는 PT 센서 또는 CT 센서를 설치하고, 각각의 센서에서 측정된 전압 또는 전류신호를 분석장치에 탑재된 FFT 파형분석 알고리즘을 이용하여 기본파, 3 고조파, 5 고조파 및 7 고조파 등으로 고조파형으로 분석하여 절연손상 특성을 나타내는 파형패턴을 추출하여 절연손상 시 파형패턴과 비교하여 변압기의 수리여부 판단하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치를 구현하되, 온 라인 감시가 가능한 고정형 장치로 사용할 뿐만이 아니라 이동형 측정장치로 구성하여 편리하게 사용할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 검출된 전류 및 전압신호에 포함된 고조파 신호를 분석하여 송전선로간 전력을 공급하는 초고압용 변압기, 배전선로용 주상변압기 및 지상 설치형 변압기, 전력용 리액터, 권선형 전압변성기, 초고압용 차단기 등 절연유지 확보가 중요한 전력기기에 절연손상 발생여부를 진단하는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단은 운전중인 전력용변압기에 본 발명을 적용하며, 변압기의 외함을 접지한 접지선과 중성선을 접지로 연결한 접지선에 전압 또는 전류의 측정할 수 있는 PT 센서 또는 CT 센서를 설치하고, 각각의 센서에서 측정된 전압 또는 전류신호가 분석장치로 전송되며, 분석장치로 전송된 신호를 데이터 처리모듈에서 기본파, 제3 고조파, 제5 고조파 및 제7 고조파 등으로 고조파형패턴으로 분석되고, 분석된 각종 파형패턴들을 데이터 처리 알고리즘 모듈에서 절연손상 특성을 나타내는 파형패턴을 추출하여 메모리에 저장된 절연손상 시 나타나는 파형패턴과 비교하여 변압기 고장발생 또는 정상여부를 판단하도록 구성된 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치를 구현하되, 온 라인 감시가 가능한 고정형 장치로 사용할 뿐만이 아니라 이동형 측정장치로 구성할 수 있으며, 절연손상 특성을 갖는 파형이 발생할 경우 자동으로 경보신호를 발생시켜 사용자가 이상상태의 여부를 진단하도록 구성하고, 이를 송전선로간 전력을 공급하는 초고압용 변압기, 배전선로용 주상변압기 및 지상 설치형 변압기, 전력용 리액터, 권선형 전압변성기, 초고압용 차단기 등 절연유지 확보가 중요한 전력기기에 절연손상 발생여부를 진단하는 고조파형 분석에 의한 절연손상 여부를 진단하는 장치를 구현하는데 있다.

본 발명은 변압기의 외함을 접지한 접지선과 중성선을 접지로 연결한 연결선에 전압 또는 전류를 측정할 수 있는 PT 센서 또는 CT 센서를 설치하고, 각각의 센서에서 측정된 전압 또는 전류신호를 분석장치에 탑재된 알고리즘을 이용하여 기본파, 제3 고조파, 제5 고조파 및 제7 고조파 등으로 고조파형패턴을 분석하여 절연손상 특성을 나타내는 파형패턴을 추출하여 메모리에 저장된 절연손상 시 파형패턴과 비교하여 변압기 고장발생 또는 정상상태 여부를 판단함으로써 변압기 고장을 예방할 수 있는 유리한 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치를 구현하되, 온 라인 감시가 가능한 고정형 장치로 사용할 뿐만이 아니라 이동형 측정장치로 구성하여 편리하게 사용할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 검출된 전류 및 전압신호에 포함된 고조파 신호를 분석하여 송전선로간 전력을 공급하는 초고압용 변압기, 배전선로용 주상변압기 및 지상 설치형 변압기, 전력용 리액터, 권선형 전압변성기, 초고압용 차단기 등 절연유지 확보가 중요한 전력기기에 절연손상 발생여부를 진단하는데 있다.

도 1은 통상의 전력신호에 포함된 고조파형 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 변압기의 고조파형 특성시험용 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 변압기의 절연손상에 의한 고조파형의 외형(Distortion)특성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 발명의 구성 및 전반적인 동작원리를 설명하기 위한 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고조파형 특성 알고리즘 모듈의 내부 블록도이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 살펴본다. 본 발명에 따른 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치는 운전중인 전력용변압기에 본 발명을 적용하며, 변압기의 외함을 접지한 접지선과 중성선을 접지로 연결한 접지선에 전압 또는 전류를 측정할 수 있는 PT 센서 또는 CT 센서를 설치하고, 각각의 센서에서 측정된 전압 또는 전류신호가 분석장치로 전송되며, 분석장치로 전송된 신호를 데이터 처리모듈에서 기본파, 제3 고조파, 제5 고조파 및 제7 고조파 등으로 고조파형패턴으로 분석되고, 분석된 각종 파형패턴들을 데이터 처리 알고리즘 모듈에서 절연손상 특성을 나타내는 파형패턴을 추출하여 메모리에 저장된 절연손상 시 나타나는 파형패턴과 비교하여 변압기 고장발생 또는 정상여부를 판단하도록 구성되어 있다. 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 살펴본다.

<실시 예>

본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도 1은 통상의 전력신호에 포함된 고조파형 개요도이다.

도 2는 본 발명에 따른 변압기의 고조파형 특성시험용 회로 구성도이다.

통상의 전력기기내 입력된 전압 또는 전류는 도 1에서와 같이 전원측에서 공급된 60㎐의 기본주파수와 기본주파수의 3배, 5배, 7배수 등에 해당하는 고조파 성분이 포함되어 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 1에 도시되어 있다.

변압기 등의 전력기기는 그 자체가 일정한 임피던스 값을 갖는 부하이며, 부하특성에 해당하는 고조파의 특성도 가지고 있다. 일반적으로 반도체 스위칭회로를 갖는 인버터나 전기로 같은 경우에 고조파가 많이 발생하는 것으로 알려져 있다.

그러나, 본 발명은 내부에 절연손상이 생겨 발열이나 부분방전이 발생하고 있는 사용중인 변압기를 포함하는 전력기기 또는 변압기의 전류 또는 전압은 기본파 파형의 특정차수배(3배 또는 3,5,7배등) 고조파에서 외형(Distortion)이 발생하는 특성이 있음을 발견하였고, 이를 본 발명의 주요 기술적 구성요소로 하고, 이 기술적 구성을 활용한 변압기를 포함하는 전력기기의 이상유무를 진단하는 고조파형 분석에 의한 변압기 또는 전력기기 진단장치에 대하여 기술한다.

도 1과 도 3에서, 변압기의 절연이 손상되었으나, 사용이 가능한 변압기에서 부하의 종류에 따라 기본파의 고조파에서 외형이 나타나 부하의 종류에 따라 3배, 또는 3,5,7배차수등의 고조파형패턴이 증가하는 사실을 확인할 수 있다.

본 발명에서는 이러한 특성을 활용하여 변압기와 같은 전력기기에 중선선 또는 접지선에 흐르는 고조파 전류나 누설전류를 CT 또는 PT 센서를 통해 신호를 취득하고, 이의 고조파형패턴을 분석해 절연손상 특성파형을 추출할 수 있도록 구현하여 컴퓨터와 연동하는 모니터 또는 단말기로 전송하여 보여주거나 메모리에 저장된 절연손상 시 나타나는 파형패턴과 비교하여 절연손상 여부를 판단해줌으로서 평상시 실시간으로도 변압기를 포함하는 전력기기의 절연손상의 유무를 진단할 수 있도록 구성되어 있다.

본 발명은 변압기를 포함하는 전력기기의 절연손상의 유무를 진단할 수 있는 것이며, 본 발명의 실시 예에서는 본 발명을 적용하여 구체적으로 실험 실시한 변압기를 바탕으로 기재한 것이나, 변압기를 포함하는 전력기기의 절연손상의 유무를 판단할 수 있음으로 이해하여야 하고, 간단한 고조파파형 분석 실험을 통해서 이를 확인할 수 있었다.

운전중인 전력용 변압기에 본 발명을 적용하면, 변압기의 외함을 접지한 접지선(51)과 중성선측을 접지로 연결한 접지선(52)에 전압(PT) 또는 전류(CT) 변환기(11, 12)를 부착하여 변환된 전압 또는 전류 신호가 신호 수신기 및 필터(21)를 거쳐 및 데이터 처리모듈(22)로 전송된다.

내부의 절연손상으로 발열이나 부분방전이 발생하고 있는 변압기는 공급하고 있는 부하의 형태(저항성 부하 또는 유도성 부하)에 따라 공급하는 전류 또는 전압의 기본파 파형의 특정차수배(3배 또는 3,5,7배등)의 고조파에서 왜형(Distortion)이 발생하게 된다.

발생한 왜형 고조파는 데이터처리 알고리즘모듈(23)에서 FFT(Fast Fourier Transform) 파형분석 알고리즘으로 고조파 함유율에 따라 각 주파수별 분석을 자동으로 수행하고, 각각 분석된 내용을 바탕으로 절연손상 특성을 나타내는 파형인 기본파의 특정차수배에서 발생된 왜형파로 추출하도록 구성하며, 고조파 함유율과 전류등의 크기를 비교 분석하여 최종 결과를 분석장치와 연동하는 모니터(24) 또는 단말기에 표시하도록 구성되어 있다.

본 발명에 따른 알고리즘은 전압 및 전류 파형을 분석하기 위해 기본 주파수와 고조파의 크기 및 위상분석에 필요한 해석 기법으로는 FFT 파형분석 알고리즘을 적용하여 파형을 분석하고, FFT 파형분석 알고리즘을 이용한 분석외에 유한 순환신호를 처리하는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 사용하여 DFT변환방식을 FFT 파형분석 알고리즘을 통해 전류의 주파수 스펙트럼, 전류의 상대적 위상 스페트럼으로 분석함으로서 오차없이 판별할 수 있도록 왜형파형패턴을 서로 비교할 수 있는 프로그램이 본 발명에 따른 분석장치에 탑재되어 있다.

도 5는 본 발명에 따른 고조파 특성을 분석하는 데이터처리 알고리즘 모듈을 블록도로 도시한 것이다. 데이터처리 알고리즘 모듈의 세부내용으로서, 디지털 입력파형은 FFT 파형분석 알고리즘을 통해 기본파의 기수 고조파로 분리된 후, 일정시간 동안(약1Sec)의 평균데이터로 변환된 파형패턴으로 이루어진다.

이 과정에서 이미 변압기 내부에 권선 층간 단락, 절연열화, 부분방전 현상 등으로 이상이 발생된 왜형파는 FFT 파형분석 알고리즘을 거쳐서 나온 파형패턴과 메모리에 저장된 절연손상 시 파형패턴을 서로 비교하여 유사성 여부를 판단하며, 유사할 경우에 절연손상으로 판단하도록 구성되어 있다.

도 3을 바탕으로 구체적으로 살펴본다. 동력 부하일 경우에는 절연손상 여부를 판단하기 위하여 정상상태 시 변압기 파형패턴과 절연손상 시 변압기 파형패턴이 서로 차이를 보이는 것은 제3, 제5 및 제7 고조파이며, 이중에서 가장 파형패턴의 차이가 심한 것은 제 3고조파임을 알 수 있다.

절연손상이 발생한 변압기의 제3, 제5 및 제7 고조파 파형패턴 중 적어도 하나 이상을 선택하여 각각의 고조파에 대하여 절연손상 시 파형패턴을 분석장치의 메모리에 저장한다. 메모리에 저장된 절연손상 시 각각의 고조파에 대한 파형패턴을 기준으로 하여 절연손상 여부를 판단하기 위하여 해당 PT 또는 CT 센서로 측정한 신호를 FFT 알고리즘을 적용하여 얻은 각각의 고조파 파형패턴을 서로 대비하여 동일 또는 유사할 경우에 절연손상으로 판단하여 분석장치와 연동하는 모니터 또는 단말기에 표시하도록 구성되어 있다.

상기 비교 대상 파형패턴은 절연손상 여부를 판단하는 정확도를 높이기 위하여 도 3에서 제3, 제5 및 제7 고조파 파형패턴 모두에 대하여 서로 비교 판별하는 것이 바람직하나, 신속한 판단을 위하여 파형패턴의 형상의 차이가 큰 제 3고조파에 대하여서만 행할 수도 있다.

다음은 저항 부하일 경우에는 절연손상 여부를 판단하기 위하여 정상상태 시 변압기 파형패턴과 절연손상 시 변압기 파형패턴이 서로 차이를 보이는 것은 제3, 제5 및 제7 고조파이며, 이 들 3가지 파형패턴은 정상상태와 절연손상 시 그 파형패턴의 차이가 심함을 알 수 있다.

이러한 경우에는 절연손상이 발생한 변압기의 제3, 제5 및 제7 고조파 파형패턴 중 적어도 하나 이상을 선택하여 분석장치의 메모리에 그 파형패턴을 저장하고, 절연손상 여부를 판단하기 위하여 해당 PT 또는 CT 센서로 측정한 신호를 FFT 분석알고리즘을 적용하여 얻은 파형(저장된 패턴에 서로 대응되는 패턴임)과 저장된 파형패턴을 서로 대비하여 동일 또는 유사할 경우에 절연손상으로 판단하여 분석장치와 연동하는 모니터 또는 단말기에 표시하도록 구성되어 있다.

저항 부하 역시 절연손상 여부의 판별 정확도를 높이기 위하여 상기 비교 대상 파형패턴을 도 3에서 제3, 제5 및 제7 고조파 파형패턴 모두에 대하여 행할 수도 있다.

앞서 기술한 기술적 구성에 기초하여 고조파형 분석에 의한 변압기의 절연손상 진단장치는 변압기의 외함을 접지한 접지선과 중성선을 접지로 연결한 연결선에 고정 설치된 전압 또는 전류의 측정할 수 있는 PT 센서 또는 CT 센서와, 각각의 센서에서 측정된 전압 또는 전류신호가 분석장치로 전송되며, FFT 파형분석 알고리즘을 적용하여 기본파, 제3 고조파, 제5 고조파 및 제7 고조파로 고조파형을 분석하는 데이터 처리모듈과, 분석된 각종 파형들로부터 절연손상 특성을 나타내는 파형패턴을 추출하고, 추출된 파형패턴과 메모리에 저장된 절연손상 시 파형패턴을 서로 비교하여 동일 또는 유사하다고 판단하는 경우에 절연이 손상된 것으로 판단하는 데이터 처리 알고리즘 모듈로 이루어져 있다.

상기 고조파형으로 분석하는 데이터 처리모듈과 데이터 처리 알고리즘 모듈은 모두 소프트웨어로 구성되어 분석장치의 메모리에 탑재되어 있다.

상기 고조파형을 분석하는 데이터 처리모듈에는 FFT 파형분석 알고리즘을 사용하여 파형을 분석하고, 데이터 처리 알고리즘 모듈은 FFT 파형분석 알고리즘을 적용하여 분석된 파형패턴과 메모리에 저장된 절연손상 시 파형패턴을 서로 비교하여 절연손상 또는 정상상태를 판별하도록 구성되어 있다.

본 발명에 따른 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치는 어떠한 장소에 고정하여 사용할 수 있는 고정형과 이동하면서 사용할 수 있는 이동형으로 제작 사용할 수 있다.

상기 파형패턴은 열화의 종류와 전류등의 크기를 고려해 일정한 경향성을 포함해 추출하여 메모리 저장한다.

또한, 파형패턴 크기의 증감수준을 이전에 측정한 파형패턴과 서로 비교 분석함으로써 열화의 진행정도까지 예측할 수 있도록 구현할 수도 있다.

본 발명은 변압기의 외함을 접지하는 접지선과 중성선에서 접지로 연결되는 연결선의 일측에 전압 또는 전류 변환기를 부착하여 변환된 전압 또는 전류신호를 신호전송기를 통해 분석장치로 전송하고, 전송된 전압 또는 전류를 분석장치의 데이터 처리모듈에서 FFT 파형분석 알고리즘을 적용하여 검출된 전압 또는 전류에 포함된 각종파형을 분석하여 변압기 절연손상 특성을 나타내는 파형을 추출하여 절연손상을 나타내는 고조파 파형패턴을 메모리에 저장된 절연손상 시 파형패턴과 비교하여 변압기의 수리여부를 판단하는 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치를 제공하여 절연손상 및 열화정도를 파별할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 높다.

Claims (4)

1. 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치에 있어서,
   변압기의 외함을 접지한 접지선과 중성선을 접지로 연결한 연결선에 고정 설치된 전압 또는 전류의 측정할 수 있는 PT 센서 또는 CT 센서;
   각각의 센서에서 측정된 전압 또는 전류신호는 분석장치로 전송되며, FFT 파형분석 알고리즘을 적용하여 기본파, 제3 고조파, 제5 고조파 및 제7 고조파의 파형패턴을 분석하는 데이터 처리 알고리즘 모듈;
   분석된 각종 파형패턴들로부터 절연손상 시 나타나는 파형패턴을 추출하고, 추출된 파형패턴과 메모리에 저장된 절연손상 시 나타나는 파형패턴을 서로 비교하여 동일 또는 유사하다고 판단하는 경우에 절연이 손상된 것으로 판단함을 특징으로 하는 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 데이터 처리 알고리즘 모듈은 절연손상 여부를 판별하기 위하여 제3 고조파, 제5 고조파 및 제7 고조파 파형패턴을 분석 비교하되,
   상기 데이터 처리 알고리즘 모듈은 FFT 파형분석 알고리즘을 적용함을 특징으로 하는 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치는 동력부하인 경우에 절연손상 여부를 판별하기 위하여 제3 고조파 파형패턴으로 비교 판단하고,
   저항부하인 경우에는 제3 고조파, 제5 고조파 및 제7 고조파 파형패턴 중에서 하나를 선택하여 변압기의 절연손상 여부를 비교 판단함을 특징으로 하는 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치는 임의의 장소에 고정하여 사용할 수 있는 고정형과 이동하면서 사용할 수 있는 이동형으로 구성됨을 특징으로 하는 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치.
   
   

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