KR101346639B1

KR101346639B1 - 가스절연기기의 부분방전 검출센서

Info

Publication number: KR101346639B1
Application number: KR1020120153023A
Authority: KR
Inventors: 최은혁; 박혜리
Original assignee: (주)신덕엔지니어링
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-01-02

Abstract

본 발명은 가스절연기기의 부분방전 검출센서에 관한 것으로서, 특히 검출센서의 구성을 달리하여 소형화, 경량화함과 동시에 저역대에서 높은 감도를 유지할 수 있게 한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은 전기도체(PEC)로 사각판상의 지지체를 구성하되, 지지체 상면의 원형돌부를 구성하고, 저면에는 하단 돌출부를 구성하고, 지지체 내면에 원형 판상의 중앙패치를 구성하고, 상기 중앙패치 상하부에는 상부패치와 하부패치를 형성하고, 상부패치는 구형절삭돌부와 원형판체로 구성되게 한 다음 원형판체 외면에 다시 전기도체로 된 환형커버가 구성되게 하며, 이때 상부패치와 중앙패치 및 하부패치는 유전율 2.2인 합금소재로 구성한 것이다.

Description

가스절연기기의 부분방전 검출센서{PARTIAL DISCHARGE DETECTING SENSOR OF GAS INSULATED APPARATUS}

본 발명은 가스절연기기의 부분방전 검출센서에 관한 것으로서, 특히 검출센서의 구성을 달리하여 소형화, 경량화함과 동시에 저역대에서 높은 감도를 유지할 수 있게 한 것이다.

일반적으로 가스절연 개폐장치, 가스절연모선, 가스절연 변압기 등 변전소에서 사용되고 있는 전력기기는 절연가스를 충전한 밀폐금속용기 내에 고전압도체를 절연지지하여 이루어지는 가스절연기기로서 금속이물등의 내부결함이 존재하면 국소적으로 전계가 높아져 부분방전이 발생한다.

이와 같이 발생한 부분방전을 그대로 방치해 두면 절연파괴에 이르게 되어 커다란 사고로 연결될 가능성이 있으므로, 금속용기 내부에서 발생하고 있는 부분방전을 조기에 발견하여 대책을 강구할 필요가 있다.

이러한 부분방전을 신호형태로 검출함으로서, 절연파괴를 사전에 예지하는 것이 가능하고 가스절연기기의 예방보전방법으로서 중요시되고 있다.

절연가스 중의 부분방전은 급격한 펄스신호가 발생하는 고전압현상으로 이러한 부분방전에 의하여 발생하는 전자파는 순간에 공간으로 방사되어 금속용기 내를 전파하고 밀폐용기인 금속용기로부터 외부로는 전자파가 거의 발생하지 않는다.

따라서 밀폐용기인 금속용기의 내부에서 발생된 신호를 기밀단자를 사용하여 외부의 측정장치로 검출하는 가스절연기기의 부분방전 검출장치가 제안되어 있다.

가스절연기기의 부분방전 검출장치에 대한 선행기술의 예를 들면 특허 제10-658820호 "가스절연기기의 부분방전 검출장치" (특허문헌 1)와, 특허 제10-923748호 "가스절연기기의 부분방전 검출장치" (특허문헌 2)와, 특허 제893396호 "내장형 센서가 구비된 가스절연기기의 부분방전 검출장치" (특허문헌 3) 등이 제안된바 있다.

상기 특허문헌 1의 경우 가스절연기기의 내부 이상시 발생하는 전자파를 고감도의 안테나를 사용하여 외부의 측정장치로 검출한다는 것이다.

즉 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 가스절연기기의 부분방전 검출장치는, 발생되는 부분방전 신호가 매우 미약하여 외부 노이즈의 영향을 받기 때문에 부분방전 신호의 검출감도, 정밀도를 반드시 만족할 수 있는 것이 아니어서 안테나 지지대(12)에 의해 지지되는 안테나 수신부(11)를 금속용기(17) 내에 반원판을 평면상에 2매 조합시켜 구성함으로서 부분방전의 전자파를 광대역, 그리고 고감도로 검출한다.

이 경우, 상기 안테나 수신부(11)의 면적이 크게 형성됨으로서, 고전압도체(18)와 안테나 수신부(11)의 정전용량(C1)과 플랜지(20)와 안테나 수신부(11)의 정전용량(C2)을 증가시켜 가스절연기기 내의 고감도 전위측정을 가능하게 하고 있다.

또한 상기 안테나 수신부(11)에 지향성이 강한 다이폴 안테나가 사용됨으로서, 가스절연기기에 다수 설치된 부분방전 검출장치의 어느 부분에서 부분방전이 발생하고 있는지를 하나의 안테나에 의해서도 광대역으로 검출할 수 있어 다수의 안테나를 설치할 필요성이 없게 되므로 경제적이다.

뿐만 아니라, 상기 안테나 수신부(11)로부터 검출된 신호는 밀봉단자(13), 동축밀봉단자(14) 및 동축케이블(15)의 동축구조로 전송하게 구성됨으로서, 절연지지대(18)에 의하여 고전압도체(19)가 지지되어 있는 금속용기(17) 내부에서 부분방전에 의해 수신된 100MHz 이상의 신호를 감쇠시키는 일 없이 측정장치(16)까지 전송할 수 있고, 수 GHz의 고주파 대역까지 측정가능하게 된다.

또한 상기 안테나 수신부(11)를 접지하여 사용함으로서, 안테나 자신을 플로트 전극으로 하는 일 없이 접지 전위로 사용할 수 있어, 가스절연기기 내부에 두더라도 장해의 발생을 적게 할 수 있다.

그러나 상기 검출장치에 적용된 기술은, 실질적으로 마이크로 스트립 패치안테나(micro patch antenna)의 원리를 이용한 지향성(directivity) 특성을 갖는 다이폴 안테나를 이용하여 부분방전시에 발생하는 전자파를 검출하는 구조로, 여기서 마이크로 스트립 안테나는 패치와 접지면의 연결을 위해 단락핀(shorting)을 이용하고 있으며, 접지면에 놓인 단락핀의 위치에 따라 안테나의 특성이 결정되며, 안테나의 특성은 도체로 된 접지면의 면적 및 형상에 따라 변한다.

따라서 상기 마이크로 스트립 안테나와 유사한 형태를 가지는 검출장치가 가스절연기기의 금속용기(17)에 결합되어 설치될 경우, 접지면에 해당하는 플랜지(20)는 금속용기(17)와 결합하게 되어 접지면은 커지게 되며, 또한 가스절연기기의 기종에 따라 구간마다 설치되는 검출장치의 위치도 다르며, 형상도 다르기 때문에 검출장치의 접지면이 달라져 임피던스는 변하게 된다.

그렇기 때문에 국내외에 적용되는 가스절연기기에 대한 형상이나 규격이 다르고, 기종에 따라 다이폴 안테나 구조를 갖는 동일한 검출장치를 부착할 경우에도 플랜지(2)와 닿는 접지면이 일정하지 않아 접지인피던스가 바뀌게 되어 감도가 다르게 나오므로 성능이 변할 수 있게 된다.

또한 안테나 수신부(11)를 단순접지하여 사용하는 경우 동축케이블(15)에 흐르는 전류로 인하여 외부요인에 의하여 안테나의 특성이 변할 수 있을 뿐 아니라, 검출장치의 플랜지(20) 크기가 크고 무거워 휴대시에 불편함도 있는 것이었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로서 특허문헌 2 및 특허문헌 3이 제공되었다.

도 3은 특허문헌 2의 검출장치를 도시한 것이다.

상기 검출장치를 개략적으로 설명하면 금속용기(111) 내에 2매의 판형상의 도전성 전극을 가지게 된 안테나 수신부(101)와, 상기 안테나 수신부(101)의 도전성 전극에 각각 접속된 신호선(102) 및 접지종단선(103)을 동일한 크기로 감싸 부착하는 동축형 밸런(104)(105), 상기 안테나 수신부(101)에 접속된 신호선(102)을 통해 금속용기(111) 내부에서 발생된 신호를 외부로 인출하는 동축케이블(108) 및 상기 동축케이블(108)에 접속되어 신호선(102)으로부터 전송되어 오는 신호를 측정하는 측정장치(109)로 이루어지고, 상기 접지종단선(103)에는 신호선(102)에 접속된 동축케이블(108)의 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 종단부하(110)를 연결하여 가스절연기기의 부분방전을 검출하는 것이다.

도 4는 특허문헌 3의 검출장치를 도시한 것이다.

상기 검출장치를 개략적으로 설명하면 금속용기(17) 내에서 발생하는 부분방전의 신호를 수신하며 서로 대칭되게 위치하는 반구형상을 갖는 한쌍의 안테나 수신부(100a)(100b)와, 상기 안테나 수신부(100a)(100b)의 각 도전성 전극에 접속된 신호선(102) 및 접지선(104)으로 이루어진 내장형 센서와, 상기 신호선(102)으로 전송되는 신호를 금속용기(17) 외부로 인출하는 동축케이블(15)과, 상기 동축케이블(15)에 접속된 측정장치(16)를 포함하는 구성이며, 상기 안테나 수신부(100a)(100b)는 고전압도체(19)와 수직으로 설치되며, 접지선(104)에는 동축케이블(15)의 임피던스와 동일한 접합소자(106)가 연결되게 하여 가스절연기기의 부분방전을 검출하는 것이다.

따라서 상기 검출장치들은 접지종단선(103)이나 접지선(104)에 일정한 임피던스를 유지하도록 50Ω의 접합소자를 연결하여 가스절연기기의 기종에 관계없이 일정한 감도특성을 갖게 하는 효과가 있을 뿐 아니라 센서감도가 향상되어 금속용기 내의 각종 결함에 의해 발생하는 부분방전을 효과적으로 검출할 수 있게 되는 것이었다.

그러나 특허문헌 2의 검출장치의 경우 다이폴센서를 적용한 안테나 수신부(101), 동축형 밸런(104)(105)과 안테나 수신부(101)를 절연하기 위한 안테나 지지절연물(113), 종단부하(110)와 커넥터(107)를 안테나 수신부(101)와 연결하기 위한 접지종단선(103)과 신호선(102), 금속용기(107)와 측정장치(109)를 연결하기 위한 동축케이블(108)로 이루어진 구조로서, 구성이 복잡할 뿐 아니라 상대적으로 검출장치가 커지게 되고, 또한 많은 부품들을 오차없이 가공 및 조립하여야 하나, 가공치수 및 조립의 조건차이에 의해 성능의 불균일이 생길 가능성이 있는 등의 단점이 있는 것이었다.

또한 특허문헌 3의 검출장치의 경우 다이폴센서를 적용하되, 반구형상의 안테나 수신부(100a)(100b)가 나란히 마주보게 구성하며, 상기 안테나 수신부(100a)(100b)를 접지선(104)과 신호선(102)으로 연결하되, 접지선(104)은 접합소자(106)와, 신호선(102)은 커넥터(14)와 연결하며, 상기 접합소자(106)와 커넥터(14)를 지지하면서 금속용기(17)를 밀봉하는 플랜지(20)로 구성되며, 커넥터(14)는 동축케이블(15)을 통하여 측정장치(16)와 연결되게 한 구조로서, 역시 구성이 다소 복잡하고 한쌍의 반구형으로 안테나 수신부(100a)(100b)를 구성하는 것으로서, 검출장치의 크기가 커지게 되는 단점이 있는 것이었다.

또한 상기 검출장치들의 경우 커기가 커진 관계로 금속용기에 검출장치를 설치하기 위한 별도의 핸드홀을 구성하고, 상기 핸드홀을 이용하여 검출장치를 설치하여야 하는 단점이 있는 것이었고, 특히 안테나의 구조상 검출감도가 주파수대역 중 1~1.5GHz 고주파 대역에서 -10dB이하의 주파수 특성을 제공하기 때문에 전압 이상으로 발생되는 부분방전을 검출하되, 그 결함의 종류와 위치를 추정하는 데에는 어려움이 있는 것이었다.

특허 제10-658820호 "가스절연기기의 부분방전 검출장치" 특허 제10-923748호 "가스절연기기의 부분방전 검출장치" 특허 제893396호 "내장형 센서가 구비된 가스절연기기의 부분방전 검출장치"

본 발명은 이러한 종래의 제반 단점을 시정하고자 가스절연기기의 부분방전 검출센서를 구성하되, 검출센서의 구성을 달리하여 소형화, 경량화함과 동시에, 저역대에서 높은 감도를 유지할 수 있게 한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은 전기도체(PEC)로 사각판상의 지지체를 구성하되, 지지체 상면에 원형돌부를 구성하고, 저면에는 하단 돌출부를 구성하고, 지지체 내면에 원형 판상의 중앙패치를 구성하고, 상기 중앙패치 상하부에는 상부패치와 하부패치를 형성하고, 상부패치는 구형절삭돌부와 원형판체로 구성되게 한 다음 원형판체에 외면에 다시 전기도체(PEC)로 된 환형커버가 구성되게 하며, 이때 상부패치와 중앙패치 및 하부패치는 유전율 2.2인 합금소재로 구성한 것이다.

본 발명은 전기도체(PEC)로 사각판상의 지지체를 구성하되, 지지체 내면에 원형판상의 중앙패치를 매립구성하고, 상기 중앙패치 상하부에는 상부패치와 하부패치를 구성하고, 상기 상부패치는 구형절삭돌부와 원형판체로 구성되게 한 다음 원형판체 외면에 전기도체(PEC)로 된 환형커버가 구성되게 하며, 이때 상부패치와 중앙패치 및 하부패치는 유전율 2.2인 합금소재로 하여 검출센서를 구성케 함으로서, 검출센서를 소형화, 경량화 함과 동시에 저역대에서 높은 감도를 가지며, 센서측정 대역폭이 0.3~1.7GHz로 유지되게 하여 기존의 GIS설비의 가스킷에 장착이 가능케 할 뿐 아니라 배전급 가스차폐기에도 장착이 가능케 하는 등의 효과가 있는 것이다.

도 1 : 종래 검출센서장치의 예시도
도 2 : 종래 검출센서장치의 예시도
도 3 : 종래 검출센서장치의 예시도
도 4 : 종래 검출센서장치의 예시도
도 5 : 본 발명 검출센서의 사시도
도 6 : 본 발명 검출센서의 단면구성도
도 7 : 본 발명 지지체의 구성도
도 8 : 본 발명 상부패치 및 환형커버의 구성도
도 9 : 본 발명 중앙패치의 구성도
도 10 : 본 발명 하부패치의 구성도
도 11 : 본 발명 검출센서의 사용상태 예시도

이하 본 발명에서 제공하고자 하는 가스절연기기의 부분방전 검출센서의 구성을 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.

가스절연기기의 부분방전 검출센서(30)는 도 5 내지 도 11에, 구성 및 사용상태가 상세히 도시되어 있으며, 고압가스를 절연매체로 하는 가스절연개폐장치나 변압기와 같은 전력기기의 운용에 있어, 기기의 운용중 부분방전에 따른 이상유무를 검출하는 것으로서 센서의 측정 대역폭은 0.3~1.7GHz이며, 특히 저역대에서 높은 감도를 가지게 한 것이다.

상기 검출센서(30)의 구성은 전기도체(PEC)로 얇은 사각판상의 지지체(40)를 구성하되, 지지체(40) 상면 테두리에는 원형돌부(41)를 구성하고, 하단 중앙부에는 하단돌출부(42)를 구성한다.

이때 지지체(40)는 정사각형으로 구성되면서 한면의 길이(C)는 60㎜이고, 두께(D)는 3㎜이고, 원형돌부(41)의 높이(E)는 1.5㎜, 직경폭(F)은 3㎜이고, 전체 외경(P)은 56㎜이고, 하단돌출부(42)의 외경(G)은 14㎜이고, 돌출높이(H)는 3㎜이다.

지지체(40) 내면중앙에는 유전율 2.2의 합금소재로 된 원판형의 중앙패치(50)가 매립구성된다.

상기 중앙패치(50)의 두께(K)는 1㎜이고 직경(L)은 40㎜이다.

지지체(40) 상면 중앙에는 원형판체(61)와 절삭면(63)이 형성된 구형절삭돌부(62)로 된 상부패치(60)를 구성하되, 상부패치(60)는 유전율 2.2의 합금소재로 구성된다.

이때 상부패치(60)의 원형판체(61)의 두께(M)는 3㎜이고, 직경(N)은 14㎜이고, 구형절삭돌부(62)의 직경(O)은 8㎜이고, 높이(R)는 3㎜이다.

상기 상부패치(60)의 원형판체(61) 외면에는 전기도체(PEC)로 된 환형커버(70)를 구성하되, 환형커버(70)의 반경(S)은 2㎜이다.

지지체(40) 하단 중앙에 구성된 하단돌출부(42) 내면에는 유전율 2.2의 합금소재로 된 하부패치(80)를 구성하되, 하부패치(80)의 직경(T)은 8㎜이고, 두께(U)는 3㎜로 구성되게 한 것이다.

미설명부호

(90)--검출장치 (91)--측정장치

(92)--동축케이블 (93)--커넥터

(94)--밀봉마개 (95)--절연가스주입구

(96)--고전압도체 (97)--금속용기

(98)--절연지지체

이와 같이 구성된 본 발명의 검출센서(30)는 도 11에서와 같이 금속용기(97)에 필수적으로 구성되는 절연가스주입구(95)의 밀봉마개(94) 내면에 검출센서(30)를 설치한 다음 커넥터(93)와 동축케이블(92)을 통하여 측정장치(91)와 연결되게 함으로서 검출장치(90)의 설치가 완료되며, 따라서 금속용기(97) 내부에서 부분방전이 발생하게 되면 이를 검출한다는 것은 종래와 다를바 없다.

그러나 본 발명에서 제공하고자 하는 검출센서(30)는 전기도체(PEC)로 구성된 사각판상의 지지체(40) 내면에 원형판상의 중앙패치(50)를 구성하고, 상하부에는 상부패치(60)와 하부패치(80)를 설치하되, 상기 중앙패치(50)와 상하부패치(60)(80)는 유전율 2.2인 합금소재로 구성되게 하되, 지지체(40) 상면테두리에는 원형돌부(41)가 돌출구성되고, 상부패치(60)에는 절삭면(63)이 형성된 구형절삭돌부(62)와 전기도체(PEC)로 구성된 환형커버(70)가 형성된 구조로서 저역대에서 높은 감도를 가지게 되며, 검출센서(30)의 측정 대역폭은 0.3~1.7GHz대역으로 감지하게 되므로 금속용기(97) 내에서 전압이상으로 발생하는 부분방전을 효과적으로 검출할 수 있게 된다.

본 발명의 검출센서(30)를 구성함에 있어서, 지지체(40) 상단테두리에 구성된 원형돌부(41)와 상부패치(60)에 구성된 환형커버(70)는 광대역범위로 전자파를 검출할 수 있게 하기 위한 구성이며, 상부패치(60)의 절삭면은 저역대의 전자파를 효과적으로 검출할 수 있게 하기 위한 수단이다.

또한 본 발명의 검출센서(30)를 구성하는 지지체(40), 중앙패치(50), 상부패치(60), 환형커버(70) 및 하부패치(80)의 규격은 검출센서(30)의 기능을 최적으로 수행하기 위한 이상적인 조건이다.

검출방법을 개략적으로 설명하면 금속용기(97) 내부에서 부분방전이 발생하게 되면 수 GHz에 이르는 고주파 펄스전류가 발생하고, 전류파가 금속용기(97) 내를 전파하게 되며, 이 전자파가 검출센서(30)로 유기되면서 커넥터(93)를 통하여 외부로 인가된 다음 동축케이블(92)을 통하여 측정장치(91)로 전송되어 이상유무를 검출하게 된다.

(30)--검출센서 (40)--지지체
(41)--원형돌부 (42)--하단돌출부
(50)--중앙패치 (60)--상부패치
(61)--원형판체 (62)--구형절삭부
(63)--절삭면 (70)--환형커버
(80)--하부패치

Claims

가스절연기기의 부분방전 검출센서를 구성함에 있어서, 전기도체(PEC)로 사각판상의 지지체(40)를 구성하되, 지지체(40) 상면테두리에 원형돌부(41)를 구성하고, 저면에는 하단돌출부(42)를 구성하고, 지지체(40) 내면에는 도전율 2.2의 합금소재로 원형판상의 중앙패치(50)를 구성하고, 지지체(40) 상면중앙에는 원형판체(61)와 절삭면(63)이 형성된 구형절삭돌부(62)로 된 상부패치(60)를 구성하고, 상부패치(60)의 원형판체(61) 외면에는 전기도체(PEC)로 된 환형커버(70)를 구성하고, 지지체(40) 저면에 구성된 하단돌출부(42) 내면에는 하부패치(80)가 구성되게 함을 특징으로 하는 가스절연기기의 부분방전 검출센서.
제1항에 있어서, 지지체(40)는 정사각형으로 구성되면서 한면의 길이(C)가 60㎜이고, 두께(D)는 3㎜이며, 지지체(40) 상면테두리에 구성된 원형돌부(41)의 외경(P)은 56㎜이고, 원판 형상의 중앙패치(50)는 두께(K)가 1㎜, 직경(L)이 40㎜이며, 상부패치(60)의 원형판체(61)의 두께(M)는 3㎜, 직경(N)은 14㎜로 구성되며, 구형절삭돌부(62)의 높이(R)는 3㎜, 직경(O)은 8㎜로 구성되게 하며, 원형판체(61) 외면에 커버되는 환형커버(70)의 반경(M)은 2㎜로 구성되게 하며, 하부패치(80)는 두께(U)가 3㎜, 직경(T)이 8㎜로 구성되게 함을 특징으로 하는 가스절연기기의 부분방전 검출센서.