KR101823010B1 - 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반 - Google Patents

Abstract

본 발명은 몰드 방식으로 구성되어 부분 방전을 검출하는 UHF 센서를 이용하여 노이즈에 의한 검출 오류를 최소화할 수 있고, 배전반의 밀폐 상태를 유지할 수 있는 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반은 육면체 형상으로 전면 도어 및 후면 도어가 구성되는 함체와 상기 함체의 내부에 설치되어 내부 기기들의 부분 방전 및 온도를 검출하여 진단하는 진단장치를 구비한 배전반을 포함하고, 상기 진단장치는 부분 방전을 검출하는 UHF 센서; 측정 부위에 부착 설치되어 온도를 검출하는 온도센서; 상기 UHF 센서와 온도센서로부터 출력되는 신호를 수신하여 송출하는 중계기; 및 상기 중계기로부터 수신된 신호에 근거하여 부분 방전과 온도를 진단하고, 상기 진단 결과를 외부 기기로 전송하는 진단기를 포함하여 이루어지고, 상기 UHF 센서는 상기 함체 또는 상기 함체 내부에 구비되는 GIS(Gas Insulated Switchgear)의 밀폐함에 일체형으로 설치되어 내측에서 발생된 부분 방전을 검출하여 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반{ECO-FRIENDLY SWITCHGEAR HAVING PARTIAL DISCHARGE DIAGNOSIS FUNCTION AND IOT TECHNOLOGY}

본 발명은 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 몰드 방식으로 구성되어 부분 방전을 검출하는 UHF 센서를 이용하여 노이즈에 의한 검출 오류를 최소화할 수 있고, 배전반의 밀폐 상태를 유지할 수 있는 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 관한 것이다.

부분 방전이라 함은 각종 산업체 및 전력계통 변전소에 설치되는 수전설비 및 고압 배전반, 고압 케이블, 변압기, GIS(Gas Insulated Switchgear, 가스절연 개폐장치), 개폐기, 수전설비 등 전력기기 시스템의 어느 한 부분에 생기는 방전을 총칭하는 것으로서, 전극의 첨단 부근에 생기는 코로나 방전, 절연물의 표면을 따라서 생기는 연면방전, 절연물 내의 공극에 생기는 보이드 방전 등을 들 수 있다.

전력기기의 이상 유무 감지 및 절연체의 열화 정도를 감시하고 수리시기를 예측하는 것은 매우 중요하며, 부분방전의 측정 및 감시로 이러한 예측과 관리가 가능하다. 이러한 목적으로 고압 케이블, 변압기, GIS(Gas Insulated Switchgear, 가스절연 개폐장치), 개폐기, 수전설비, 고압반, 저압반, 모터제어반, 배전반 등 전력기기 시스템 내부 전력설비 등의 다양한 전력설비에서 부분방전 측정 장치들이 사용되고 있다.

한편, 산업의 고도화로 전력수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 고압 케이블, 변압기, GIS, 수전설비, 전력기기 시스템 내의 전력설비에 의한 사고가 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 사고는 경제적 손실뿐만 아니라 기술적 손실도 발생시킬 수 있다. 특히, 고전압 전력기기는 국가 기간산업뿐 아니라, 민수용에서도 매우 중요한 시설로 취급되고 있으며, 전력기기의 사고는 인명의 피해, 전력 시설의 직접적 손실과 함께 정보통신망에도 영향을 미치는 국가적으로도 중대한 사안이다.

전력기기에서 부분방전은 전력기기의 절연 열화 시 발생하는 현상으로서 절연 열화의 마지막 단계에서 발생되는 경우가 대부분이기 때문에 열화진단에 가장 우수한 방법으로 평가되고 있다. 그러나 이와 같은 부분방전은 그 전자파 신호대역이 넓고 주변의 잡음으로 인하여 검출하기가 용이하지 않다. 검출 방법으로는 UHF안테나를 이용하는 방법이 제시되고 있다.

UHF안테나를 이용하여 부분 방전을 감시하는 기술로서, 등록특허공보 제10-1426792호에 UHF 부분방전 및 온도 감시 시스템 내장형 수배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반) 시스템이 개시되었다.

상기 기술은 수배전반의 부분방전 신호를 검출하는 UHF 센서; 상기 UHF 센서를 통해 검출된 부분방전 신호를 증폭 및 디지털 신호로 변환하고, 데이터를 축적하여 부분방전 진단장치로 전송하는 부분방전 모니터링장치; 수배전반 내부의 온도를 실시간으로 측정하는 온도센서; 상기 온도센서를 통해 측정된 온도 데이터를 증폭 및 디지털 신호로 변환하고, 부분방전 진단장치로 전송하는 온도 감시장치; 및 상기 부분방전 모니터링장치로부터 입력된 부분방전 신호의 전하량 크기 및 빈도수를 매핑하고, 상기 온도 감시장치로부터 입력된 온도 데이터를 바탕으로 변환된 온도상승 추이곡선을 비교하여 부분방전을 진단하는 부분방전 진단장치를 포함하여 구성된다.

그러나 상기의 기술을 포함한 종래 UHF 센서는 부분방전을 감시하는 영역에 설치되고, 상기 UHF 센서로부터 검출된 신호를 외부로 송신하기 위한 신호라인이 구비되어야 함에 따라 UHF 센서가 공기에 노출되어 노이즈 잡음이 UHF 센서에 의해 검출될 수 있는 문제점이 있다.

또한, GIS(Gas Insulated Switchgear, 가스절연 개폐장치) 등과 같이 그 내부를 절연가스(예를 들면 SF₆)로 충전한 상태에서 신호선을 설치해야 함에 의해, 절연가스의 밀폐를 유지하기가 곤란한 문제점이 발생된다.

KR 10-1426792 B1 (2014. 07. 30.)

본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해소하고자 하는 과제는, 몰드 형태로 구성된 UHF 센서를 이용하여 밀폐된 공간의 내부에서 발생되는 부분 방전을 검출할 수 있는 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반을 제공하는 데 있다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반은 육면체 형상으로 전면 도어 및 후면 도어가 구성되는 함체와 상기 함체의 내부에 설치되어 내부 기기들의 부분 방전 및 온도를 검출하여 진단하는 진단장치를 구비한 배전반을 포함하고, 상기 진단장치는 부분 방전을 검출하는 UHF 센서; 측정 부위에 부착 설치되어 온도를 검출하는 온도센서; 상기 UHF 센서와 온도센서로부터 출력되는 신호를 수신하여 송출하는 중계기; 및 상기 중계기로부터 수신된 신호에 근거하여 부분 방전과 온도를 진단하고, 상기 진단 결과를 외부 기기로 전송하는 진단기를 포함하여 이루어지고, 상기 UHF 센서는 상기 함체 또는 상기 함체 내부에 구비되는 GIS(Gas Insulated Switchgear)의 밀폐함에 일체형으로 설치되어 내측에서 발생된 부분 방전을 검출하여 출력하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 UHF 센서는 함체 또는 밀폐함의 외측면에 결합되는 센서 플랜지; 상기 센서 플랜지의 내측면에 결합되는 센서 서포트; 상기 센서 서포트에 부착 설치되는 센서 안테나; 상기 함체 또는 밀폐함의 내측에서 상기 센서 플랜지에 결합되고, 상기 센서 서포트와 센서 안테나의 외측부를 밀폐하는 센서 커버; 및 상기 센서 플랜지의 외측면에 설치되고, 상기 센서 안테나와 전기적으로 연결되어 신호를 출력하는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서 플랜지와 상기 센서 커버의 접촉면에는 밀폐를 위한 커버오링이 구비되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 센서 안테나에서 검출되는 주파수는 300MHz ~ 1.5GHz인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온도센서는 온도 감시가 요구되는 버스바 및 변압기에 직접 부착되고, 온도의 변화에 따라 주파수를 발진하여 무선으로 상기 중계기에 전송하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 몰드 방식으로 구성되어 부분 방전을 검출하는 UHF 센서가 설치됨에 따라 내외부의 밀폐 상태를 유지할 수 있으므로, 절연가스의 누출에 의한 절연효율의 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 대기 또는 절연가스와의 접촉이 차단됨에 따라 노이즈 등의 입력을 최소화할 수 있으므로, 검출된 신호의 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반의 외형을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반의 내부 구성을 나타낸 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 적용된 진단장치의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 적용된 UHF 센서의 사시도이고, 도 5는 UHF 센서의 분해 사시도이며, 도 6은 UHF 센서의 설치 상태 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 적용된 일 실시 예의 센서 안테나의 평면도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 몰드 방식으로 구성되어 부분 방전을 검출하는 UHF 센서를 이용하여 노이즈에 의한 검출 오류를 최소화할 수 있고, 배전반의 밀폐 상태를 유지할 수 있는 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반의 외형을 나타낸 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반의 내부 구성을 나타낸 측면도이다.

본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반은 육면체 형상으로 전면 도어 및 후면 도어가 구성되는 함체(10)와 상기 함체(10)의 내부에 설치되는 전력기기 및 상기 전력기기들의 부분 방전과 온도를 검출하여 진단하는 진단장치(20)를 포함하여 구성된다.

첨부된 도 2를 참조하면, 상기 함체(10)는 중심부의 프레임을 기준으로 전면측 공간부와 후면측 공간부로 구성되며, 전면측 공간부의 전면부에는 전면 도어(11)가 설치되며, 후면부에는 후면 도어(12)가 설치된다.

상기의 전면 도어(11) 및 후면 도어(12)에는 잠금장치가 구비되어 관계자 이외에 의한 도어 열림을 방지하여 안전 사고를 방지하도록 구성된다.

또한, 전면 도어(11)의 내측에는 전면 안전 도어가 더 구비된다.

전면 도어(11)에는 수배전반에서 이루어지는 수전 및 배전 전력 상황, 차단기의 동작 버튼 및 보호계전기 등의 제어 회로가 설치되는 데, 상기 제어 회로를 점검하기 위해서 전면 도어(11)를 개방하는 경우가 빈번히 발생된다.

상기 전면 안전 도어는 전면 도어(11)를 개방하였을 경우 그 내측에 설치된 접속부에 대한 접촉을 방지하기 위한 것으로, 전체적으로 금속 패널로 이루어지되, 주요 부분은 육안으로 확인할 수 있도록 투명창이 구비된다. 이에 따라 사용자는 전면 도어(11)를 개방하는 것으로, 전면 안전 도어에 의해 안전 사고를 방지하면서, 전면 안전 도어에 구비된 투명창을 통해 주요 접속부를 육안으로 확인할 수 있는 장점이 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 배전반 내부에 구성에 대해서 설명한다.

첨부된 도 2를 참조하면, 인입구를 통해 수전된 전력은 부하개폐기(13)에 연결된다.

상기 부하개폐기(13, LBS(load breaker switch))는 상기 함체를 관통하는 부싱을 통해 연결된 모선 전력선에 연결되며 무부하 상태에서 전력을 개방하거나 통전시키는 기능을 수행한다. 즉, 활선 상태에서 소정의 전류를 투입, 차단 및 통전하고, 그 전로에 단락상태가 되어 이상전류가 흐르면 규정 시간 동안 통전할 수 있는 것으로서, 수변전설비의 인입구 개폐기로 많이 사용되며 고장전류는 차단할 수 없다. 이에 고장전류는 전력퓨즈를 사용하며 퓨즈의 용단시 결상을 방지하는 목적으로 채용된다. 상기 부하개폐기는 3상 부하가 있는 경우 트립장치(Trip Device)가 있는 3극 부하개폐기와 조합한 전력퓨즈를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 부하개폐기(13)를 대신하여 단로기(DS)가 설치될 수 있다. 상기 단로기(DS(disconnecting switch))는 기기의 점검을 위해 회로를 일시 전원에서 차단하기 위한 것으로서, 활선 상태에서는 절대로 동작시켜서는 안 된다. 이유는 나이프스위치를 개방할 때 스위치의 블레이드와 클립 간에 아크가 발생되며, 아크의 발생으로 공간이 전리되어 3상 단락이 발생되고, 3상 단락으로 사용자(조작자)가 감전사고에 노출될 위험이 있기 때문이다.

상기 부하개폐기(13)의 후단에는 계기용변압변류기(14)가 설치된다.

상기 계기용변압변류기(14, MOF(metering out fit))는 고전압 고전류의 전력을 소정의 전력으로 변성하여 공급하는 기능을 수행하는 것으로, 고압 전기를 수전하여 배전하는 수배전반에서 안전하게 적산 전력량계를 연결하기 위한 것이다. 상기 계기용변압변류기(23)의 내부에는 PT와 CT를 조합하여 고전압과 대전류를 저전압과 소전류로 각각 변압/변성하여 적산 전력량계를 설치할 수 있도록 구성된다.

상기 계기용변압변류기(14)에 연결되어 최대 수용 전력량을 표시하는 최대 수용 전력량계가 설치된다.

또한, 상기 부하개폐기(13)와 상기 계기용변압변류기(14) 사이에 연결되며 서지(surge) 전압을 접지시키는 피뢰기가 설치된다.

상기 피뢰기는 서지 전압을 접지시키는 기능을 수행한다.

전기설비는 그 계통전압에 따라 임펄스전압 및 교류전압 등의 절연강도가 정해져 있으며, 정해진 값 이상의 과전압이 가해지면 전기설비는 절연 파괴된다. 이때, 정해진 임펄스전압 및 교류전압을 초과하는 것으로 낙뢰 또는 회로의 개폐 등으로 인한 과전압 등이 있다. 이에 따라, 피뢰기는 파고값이 정해진 값을 초과한 경우 전류를 분류하여 특성요소(산화아연)에 의해 과전류를 단시간에 접지선을 통해 대지로 방전하고, 속류(정상전류)는 단시간에 차단하여 계통의 정상적인 상태로 자동 복귀시키는 장치이다.

진공 차단기(15, VCB(vacuum circuit breaker))는 상기 계기용변압변류기(14)의 후단에 연결되어 과부하 및 단락 사고 등의 이상 전류에 대해 전력을 차단하는 개폐장치이다. 상기 진공 차단기(15)는 과전류, 단락 및 지락사고 등의 이상전류 발생시 외부의 보호 계전기에 의해 그 내부의 진공 인터럽터(vacuum-intertupter)에서 진공 소호방식으로 회로를 차단하여 인명 및 부하기기를 보호하는 차단기이다.

상기 진공 차단기(15)로 인터럽트 신호를 발생시키는 구성으로서 보호계전기가 설치된다.

상기 보호계전기는 상기 진공 차단기와 병렬로 연결되어 전력선의 고장을 감시하며, 전력선의 고장 발생시에 상기 진공 차단기에 트립 신호를 발생시키는 기능을 수행하는 것으로서, 과전류 계전기(OCR), 과전압 계전기(OVR), 부족전압 계전기(UVR) 및 지락 계전기(GR) 등이 있으며, 설계조건에 따라서 주파수 계전기, 비율차동 계전기, 결상 계전기 및 선택지락 계전기 등이 부가되어 설치될 수 있다.

상기 진공 차단기와 병렬로 연결되어 고전압을 일정 수준의 전압으로 변성하여 제공하는 계기용변압기(16)가 설치된다.

상기 계기용변압기(16, PT(potential transformer))는 전압계, 전력계, 주파수계, 역률계, 보호계전기 및 표시램프 등 각종 계기용으로 사용할 수 있도록 고압회로의 전압을 저압으로 변압하는 기기로서, 1차측은 전압에 따라 다르지만 2차측 정격전압은 110V로 출력하도록 구성된다. 이때, 코일의 소손 등 고장전류를 차단하여 사고의 확대를 방지할 목적으로 1차측에 전력퓨즈가 설치되나, 상기 전력퓨즈는 계기용변압기(16)를 보호하는 것이 목적이 아니고, 계기용변압기(16)에 고장이 생겼을 때 전력퓨즈가 즉시 끊어져 계기용변압기(16)를 고압 회로로부터 분리하는 역할을 수행한다.

상기 진공 차단기(15)의 후단에 흐르는 전류를 일정 수준의 전류로 변류하여 상기 보호 계전기에 제공하는 변류기(17)가 설치된다.

상기 변류기(17, CT(current transformer))는 고압 회로의 대전류를 소전류로 변류하기 위해서 회로에 직렬로 접속하여 사용하는 장치이다. 즉, 상기 변류기(17)에서 변류된 전류는 수배전반의 전류계, 전력계의 전류코일 및 과전류계전기의 트립코일의 전원으로 사용된다. 여기서 주의할 것은 변류기 1차코일에 전류가 흐르는 상태에서 2차측을 개방하면 2차측 단자에 고압이 발생하여 손상 또는 감전사고를 유발하므로 유의하여야 한다.

상기 차단기(15)의 후단에 설치되어 전력선에 공급되는 전압 및 전류를 일정 수준으로 감압하여 출력하기 위해서 몰드 변압기(18)가 설치된다.

상기 몰드 변압기(18)는 변압기 본체를 에폭시 수지로 절연하여 몰드화한 것으로서, 크기가 작고 화재위험이 낮은 장점이 있으나, 충격전압에 약한 단점이 있다.

상기 몰드 변압기(18)의 입/출력단에 각각 구비되어 과도 전류를 차단하기 위해서 전력퓨즈가 설치되며, 상기 몰드 변압기(18)의 후단에 설치되어 전력을 분배시키기 위해서 버스바가 구비된다.

상기 버스바의 전단측에 병렬로 설치되어 전압과 전류의 위상차이를 보상하여 역률을 개선하기 위한 역률보상부가 설치된다.

상기 역률보상부는 도면에 도시하지 않았으나, 수전측 전력선에 연결되는 전력용 콘덴서와 스위칭제어에 따라 상기 전력용 콘덴서의 동작 여부를 결정하는 IGBT 스택으로 구성되는 역률 보상부; 상기 IGBT 스택의 동작을 결정하는 스위칭제어 신호를 출력하는 스위칭신호 제어부; 상기 전력용 콘덴서의 전압과 설정된 제1 기준전압을 비교하여 전압 보상치를 결정하는 전압 제어부; 배전측 전력선에서 검출되는 기본주파수와 상기 전압 제어부에서 결정된 전압 보상치에 근거하여 배전측 전류를 보상하며, 상기 보상된 전류와 수전측 전력선의 입력전압에서 검출된 위상에 근거하여 상기 역률 보상부에서 출력되는 목표전류를 생성하는 전류지령 생성부; 및 상기 전류지령 생성부에서 생성된 목표전류와 상기 역률 보상부에서 출력되는 전류를 검출하여 보상전류를 생성하고, 상기 생성된 보상전류에 따라 상기 스위치신호 제어부로 동작 신호를 제공하는 전류 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 역률보상부의 전단에는 고조파를 제거하는 직렬리액터가 설치되며, 상기 전력용 콘덴서와 상기 직렬리액터 사이에 병렬로 설치되어 상기 전력용 콘덴서의 잔류 전하를 방전하는 방전코일이 구비된다.

상기와 같은 구성에서, 154KVA 이상의 특고압을 송전하는 시설에서는 차단기, 단로기, 접지개폐기 등의 개폐기류와, 변류기, 계기용 변압기, 피뢰기 등의 전력기기 및 버스바 등은 외부와 접촉을 차단하는 밀폐함의 내부에 배치하고 절연가스(SF₆)를 충진하여 절연시키는 GIS(가스절연 개폐장치)가 설치된다.

즉, GIS는 고전압이 인가되는 전기부품 일체를 외부와 접촉이 차단된 상태로 유지하고, 절연을 해치지 않도록 밀폐함으로 감싸며, 상기 밀폐함의 내부에는 폭발의 위험성이 배제된 비연소성과 무독성을 갖는 육불화황(SF₆)을 충전하게 된다.

이와 같은, GIS는 특고압 뿐만 아니라 고압에서도 큐비클형 GIS가 사용되고 있다. 즉, 배전반의 함체 내부에도 차단기, 전력용 부스바 등을 일정 형태의 밀폐함 내부에 배치하고, 그 내부를 절연가스로 충전한 큐비클형 GIS가 사용되고 있다.

다음으로, 부분 방전과 온도를 감지하여 진단하기 위한 진단장치(20)에 대해서 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 적용된 진단장치의 구성을 나타낸 도면이다.

첨부된 도 3을 참조하면, 상기 진단장치(20)는 UHF 센서(100), 온도센서(200), 중계기(300) 및 진단기(400)를 포함하여 구성된다.

UHF 센서(100)는 부분 방전을 검출하는 것으로서, 상기 함체(10) 또는 상기 함체(10) 내부에 구비되는 GIS(Gas Insulated Switchgear)의 밀폐함에 일체형으로 설치되어 내측에서 발생된 부분 방전을 검출하여 출력하는 기능을 수행한다.

이러한 UHF 센서(100)는 복수 개 구비되며, 부분 방전이 빈번하게 발생되는 부근의 상기 함체(10) 또는 절연가스로 충전되는 GIS의 밀폐함에 설치된다.

도 4는 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 적용된 UHF 센서의 사시도를 나타낸 도면이고, 도 5는 UHF 센서의 분해 사시도를 나타낸 도면이며, 도 6은 UHF 센서의 설치 상태 단면도를 나타낸 도면이다.

첨부된 도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 UHF 센서(100)는 센서 플랜지(110), 센서 서포트(120), 센서 안테나(130), 센서 커버(140) 및 커넥터(150)를 포함하여 구성된다.

센서 플랜지(110)는 밀폐함(B, 또는 함체)의 외측면에 결합되는 것으로서, 형성된 통공(도면부호 미표시)을 관통하는 플랜지고정나사(111)에 의해서 밀폐함(B)과 결합된다.

이때, 상기 센서 플랜지(110)가 설치되는 밀폐함(B)에 소정의 홀이 형성되고, 상기 센서 플랜지의 외경은 밀폐함(B)에는 형성되는 홀의 직경보다 상대적으로 크게 형성된다.

또한, 센서 플랜지(110)가 상기 밀폐함(B)에 결합됨에 따라 상기 밀폐함(B) 내부와 외부를 밀폐시키기 위해서 상기 센서 플랜지(110)와 상기 밀폐함(B)의 접촉면에는 실링을 위한 플랜지오링(113)이 설치된다.

아울러, 상기 플랜지오링(113)이 상기 센서 플랜지(110)의 위치를 가이드 하기 위해서 상기 센서 플랜지(110)에는 플랜지홈(112)이 형성된다.

센서 서포트(120)는 상기 센서 플랜지(110)의 내측면에 결합되어 후술되는 센서 안테나(130)를 지지하는 것으로서, 중심부가 개구되며 도넛 형상으로 이루어진다.

상기 센서 서포트(120)의 중심축과 상기 센서 플랜지(110)의 중심축은 동일축상에 설치될 수 있고, 상기 센서 서포트(120)는 서포트결합나사(121)에 의해서 상기 센서 플랜지(110)에 결합된다.

센서 안테나(130)는 상기 센서 서포트(120)에 부착 설치되고, 부분 방전에 의해서 발생되는 주파수를 검출한다.

부분 방전은 고체 절연물의 공극, 액체 절연물의 기체방울, 이종 절연물의 접촉계면, 금속표면의 첨점에서 일어나는 전극과 전극 사이를 교락하지 않는 불완전한 절연파괴를 의미하며 일종의 방전현상이다. 이와 같은 부분방전이 발생될 경우, 발열, 하전입자의 충돌, 분자와 이온에 의한 화학작용으로 주변의 고체 절연체에 손상을 입히게 된다.

부분 방전은 주파수를 동반하게 되는 데, 발생되는 주파수의 영역은 특고압 전력기기의 경우 300MHz ~ 1.5GHz 범위의 극초단파(UHF, Ultra High Frequency)이다.

이에, 상기 센서 안테나(130)는 부분 방전에 의해 동반되는 UHF 주파수를 검출한다.

도 7은 본 발명에 따른 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반에 적용된 일 실시 예의 센서 안테나의 평면도를 나타낸 도면이다.

부분 방전에 의해 발생되는 300MHz ~ 1.5GHz 범위의 극초단파를 검출하기 위해서는 안테나의 패턴이 중요하다.

첨부된 도 7을 참조하면, 센서 안테나(130)는 좌우 한 쌍으로 이루어지되, 좌측과 우측의 안테나는 점대칭을 이루도록 구성된다.

이때, 일측의 안테나 패턴은 부채꼴 형상의 베이스판(131)과 상기 베이스판(131)의 각 변에서 상기 베이스판(131)으로부터 연장 돌출되고 소정의 폭을 가지는 복수 개의 사이드판(132)으로 구성된다.

여기서, 상기 사이드판(132)은 상기 베이스판(131)의 각 변에서 좌우로 교번되게 구성되고, 상기 사이드판(132)의 폭은 중심부에 근접할수록 작아지며, 상기 사이드판(132)의 선단은 중심 방향으로 테이퍼지도록 형성된다. 이러한 구성의 상기 사이드판(132)은 좌우 3개씩 구비될 수 있다.

센서 커버(140)는 상기 밀폐함의 내측에서 상기 센서 플랜지(110)에 결합되고, 상기 센서 서포트(120)와 센서 안테나(130)의 외측부를 밀폐시키는 것으로서, 내측으로 상기 센서 서포트(120)와 센서 안테나(130)를 수용할 수 있는 공간부가 마련된다.

여기서, 상기 센서 커버(140)는 결합나사에 의해서 상기 센서 플랜지(110)에 결합될 수 있다. 이를 위해서, 상기 센서 커버(140)의 외측 원주방향으로는 커버결합나사(141)가 관통되는 통공이 형성되고, 상기 통공에 커버결합나사(141)에 의해서 상기 센서 커버(140)가 상기 센서 플랜지(110)에 결합된다.

이때, 상기 센서 플랜지(110)와 상기 센서 커버(140) 사이에는, 밀폐를 위한 구성으로서, 상기 센서 플랜지(110)에 면접하는 상기 센서 커버(140)의 접촉면에는 원주방향으로 커버홈(142)이 형성되고, 상기 커버홈(142)에는 커버오링(143)이 설치된다.

즉, 상기 커버결합나사(141)의 결합에 의해 결합되면서 상기 커버오링(143)이 압축되어 상기 센서 안테나(130)가 밀폐함(B)의 내측 절연가스(또는 공기)에 노출되는 것을 방지하게 된다.

커넥터(150)는 상기 센서 플랜지(110)의 외측면에 설치되고, 상기 센서 안테나(130)와 전기적으로 연결되어 신호를 출력하는 기능을 수행한다.

즉, 상기 커넥터(150)는 상기 센서 안테나(130)에서 검출된 주파수를 외부로 출력하는 것으로서, 상기 커넥터(150)는 상기 센서 안테나(130)를 구성하는 좌측과 우측의 안테나에 각각 신호선(도면에 미표시)으로 연결되게 된다.

온도센서(200)는 온도를 검출하고자 하는 측정 부위에 부착되어 온도 변화에 따라 발생된 크리스탈의 공진주파수를 발진하는 것으로서, 온도 변화에 따른 공진주파수의 변화를 이용한 것이다.

부연하면, 크리스탈 한 면에 형성된 IDT(interdigital transducer) 전극을 통하여 일정한 주파수를 가진 RF(Radio frequency) 전위를 가하면 1차 압전효과와 2차 압전효과가 반복적으로 발생하면서 일정 주파수를 가진 표면탄성파가 발생한다. 여기서, 발생되는 공진주파수는 온도 변화에 따라 가변되는 데, 설정된 온도에서 발생되는 공진주파수와 온도 변화에 따라 발진된 공진주파수는 소정의 차이가 발생된다.

이때, 크리스탈에 인가되는 전원은 전력선으로부터 유도되는 유도 기전력을 이용하고, 크리스탈에서 발진된 공진주파수는 공진기를 이용하여 증폭되어 출력된다.

이에 따라, 크리스탈의 고유 진동에 따른 설정된 온도에서의 공진주파수와 온도 변화에 따라 발진된 공진주파수를 비교하여 온도를 검출할 수 있게 된다.

또한, 온도센서(200)에 구비되는 크리스탈의 고유 공진주파수를 각각 다르게 적용하고, 적용된 크리스탈에 의해 발진된 공진주파수를 검출하게 되면, 각 온도센서(200)가 설치된 위치를 검출할 수 있게 된다.

상기 온도센서(200)는 온도 감시가 요구되는 버스바 및 변압기에 직접 부착되고, 온도의 변화에 따라 주파수를 발진하여 무선으로 상기 중계기(300)에 전송하게 된다.

중계기(300)는 상기 UHF 센서(100)와 온도센서(200)로부터 출력되는 신호를 수신하여 송출하는 것으로서, 상기 UHF 센서(100)로부터 검출된 부분 방전의 주파수와 온도센서(200)로부터 발진되어 출력되는 크리스탈의 공진주파수를 수신하여 출력한다. 이때, 수신된 각각의 주파수에는 식별코드를 부여하여 출력되게 구성될 수 있다.

진단기(400)는 상기 중계기(300)로부터 수신된 신호에 근거하여 부분 방전과 온도를 진단하고, 상기 진단 결과를 외부 기기로 전송하는 기능을 수행한다.

진단기(400)는 UHF 센서(100)와 온도센서(200)로부터 검출된 고주파 신호를 수신하고, 수신된 고주파 신호를 분석하여 부분 방전을 검출하거나, 과열을 검출한다.

이때, 상기 진단기(400)는 부분 방전 검출 데이터를 누적(계산)하여 전력기기 시스템의 이상 유무를 판단하도록 구성될 수 있다.

또한, 진단기(400)에서 이루어지는 온도의 검출은 온도센서(200)로부터 출력된 공진주파수를 수신하여, 크리스탈의 고유 진동에 따른 설정된 온도에서의 공진주파수와 온도 변화에 따라 발진된 공진주파수를 비교하여 온도를 검출할 수 있게 된다.

아울러, 상기 진단기(400)는 판단된 부분 방전 상태를 영상으로 디스플레이에 표시하거나, 부분방전 검출, 이상 유무 및 과열을 감지하면 감지 사항을 알람으로 관리자의 모바일기기 등으로 전송하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 몰드 방식으로 구성되어 부분 방전을 검출하는 UHF 센서가 설치됨에 따라 내외부의 밀폐 상태를 유지할 수 있으므로, 절연가스의 누출에 의한 절연효율의 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 대기 또는 절연가스와의 접촉이 차단됨에 따라 노이즈 등이 입력을 최소화할 수 있으므로, 검출된 신호의 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.

10: 함체 20: 진단장치
100: UHF 센서 110: 센서 플랜지
120: 센서 서포트 130: 센서 안테나
140: 센서 커버 150: 커넥터
200: 온도센서 300: 중계기
400: 진단기

Claims (5)

1. 육면체 형상으로 전면 도어 및 후면 도어가 구성되는 함체(10)와 상기 함체(10)의 내부에 설치되어 내부 기기들의 부분 방전 및 온도를 검출하여 진단하는 진단장치(20)를 구비한 배전반에 있어서,
   상기 진단장치(20)는,
   부분 방전을 검출하는 UHF 센서(100);
   측정 부위에 부착 설치되어 온도를 검출하는 온도센서(200);
   상기 UHF 센서(100)와 온도센서(200)로부터 출력되는 신호를 수신하여 송출하는 중계기(300); 및
   상기 중계기(300)로부터 수신된 신호에 근거하여 부분 방전과 온도를 진단하고, 상기 진단 결과를 외부 기기로 전송하는 진단기(400)를 포함하여 이루어지고,
   상기 UHF 센서(100)는,
   상기 함체(10) 또는 상기 함체(10) 내부에 구비되는 GIS(Gas Insulated Switchgear)의 밀폐함에 일체형으로 설치되어 내측에서 발생된 부분 방전을 검출하여 출력하되,
   함체 또는 밀폐함의 외측면에 결합되는 센서 플랜지(110);
   상기 센서 플랜지(110)의 내측면에 결합되는 센서 서포트(120);
   상기 센서 서포트(120)에 부착 설치되는 센서 안테나(130);
   상기 함체 또는 밀폐함의 내측에서 상기 센서 플랜지(110)에 결합되고, 상기 센서 서포트(120)와 센서 안테나(130)의 외측부를 밀폐하는 센서 커버(140); 및
   상기 센서 플랜지(110)의 외측면에 설치되고, 상기 센서 안테나(130)와 전기적으로 연결되어 신호를 출력하는 커넥터(150);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 센서 플랜지(110)와 상기 센서 커버(140)의 접촉면에는 밀폐를 위한 커버오링(143)이 구비되는 것을 특징으로 하는 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 센서 안테나(130)에서 검출되는 주파수는 300MHz ~ 1.5GHz인 것을 특징으로 하는 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 온도센서(200)는,
   온도 감시가 요구되는 버스바 및 변압기에 직접 부착되고, 온도의 변화에 따라 주파수를 발진하여 무선으로 상기 중계기(300)에 전송하는 것을 특징으로 하는 부분방전 진단 기능 및 IoT 기술을 구비한 친환경 배전반.
   

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