KR101897266B1 - 부분방전 진단장치가 구비된 29kv gis 원격진단 시스템 - Google Patents

부분방전 진단장치가 구비된 29kv gis 원격진단 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스로 졀연된 전력기기의 내부에서 발생되는 부분방전 및 가스 밀도를 검출하고, 검출결과를 원격에서 확인할 수 있으며, 검출결과에 근거하여 차단기의 개방 또는 투입 여부를 진단할 수 있는 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS(Gas Insulated Switchgear) 원격진단 시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 GIS 원격진단 시스템은 GIS 내부의 부분방전을 검출하는 부분방전 검출장치; 상기 GIS 내부에 충전된 절연가스의 밀도를 검출하는 가스밀도 검출장치; 상기 GIS 내부에 설치된 차단기의 동작특성을 검출하는 차단기동작특성 검출장치; 상기 부분방전 검출장치, 가스밀도 검출장치 및 차단기동작특성 검출장치로 부터 출력되는 데이터값에 근거하여 부분방전, 가스밀도 및 차단기동작특성을 진단하는 진단장치; 및 상기 진단장치로부터 출력되는 정보를 표시하는 디스플레이장치를 포함하고, 상기 가스밀도 검출장치는 전원인가부; 상기 전원인가부에 전기적으로 연결되고 인가된 전압과 절연가스의 밀도에 따라 흐르는 전류량이 가변되는 트랜스미터부; 및 상기 트랜스미터부에 의해 흐르는 전류량을 센싱하는 전류검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템{29KV GIS SYSTEM OF REMOTE DIAGNOSIS HAVING PARTIAL DISCHARGE DIAGNOSIS FUNCTION}
본 발명은 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스로 졀연된 전력기기의 내부에서 발생되는 부분방전 및 가스 밀도를 검출하고, 검출결과를 원격에서 확인할 수 있으며, 검출결과에 근거하여 차단기의 개방 또는 투입 여부를 진단할 수 있는 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS(Gas Insulated Switchgear) 원격진단 시스템에 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.
GIS를 원격으로 제어하기 위한 기술로서, 등록특허공보 제10-0895218호에 디지털화된 GIS 현장 제어 시스템이 게시되었다.
상기 기술은 일정한 내부 체적을 가지는 하우징; 상기 하우징 내부에 마련되어 GIS 및 변압기의 상태정보를 수신하고 디지털화하여 GIS 및 변압기 상태에 대한 디지털 신호를 생성하며, 상기 GIS 및 변압기를 제어하는 CPU; 상기 CPU와 연결되며, 상기 GIS 및 변압기 상태에 대한 디지털 신호를 통신 프로토콜로 전환하는 통신 프로토콜 변환부; 상기 CPU와 연결되어 상기 GIS의 현장 제어를 위한 화면을 제공하는 디스플레이부; 상기 GIS의 제어를 위하여 상기 CPU와 상기 GIS의 세부 설비를 연결하는 입출력제어 케이블; 상기 CPU 및 GIS와 연결되어, 상기 GIS와 변압기 사이에 흐르는 전류에 이상이 발생하는 경우에 전류의 흐름을 끊는 트립(trip) 제어하기 위한 계전부 및 상기 통신 프로토콜 변환부와 배전반실의 제어반을 연결하며, 통신 프로토콜 변환부에서 생성된 통신 프로토콜을 제어반에 전송하고, 제어반의 통신 프로토콜을 전달받는 광케이블을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기의 기술은 GIS의 내부에서 발생될 수 있는 부분방전을 검출할 수 있는 기술 구성과 GIS 내부에 충전된 절연가스의 밀도를 검출할 수 있는 구성이 기재되어 있지 않아, 이에 대한 검출결과에 근거하여 차단기의 개방 또는 투입 여부를 진단할 수 없는 문제점이 있다.
KR 10-0895218 B1 (2009. 04. 21.)
본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, GIS 내부의 부분방전을 검출하여 검출결과에 따라 차단기를 선택적으로 개방 또는 투입할 수 있는 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 GIS 내부의 절연가스의 밀도를 검출하여 절연에 대한 안전성을 확보할 수 있는 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템은 GIS 내부의 부분방전을 검출하는 부분방전 검출장치; 상기 GIS 내부에 충전된 절연가스의 밀도를 검출하는 가스밀도 검출장치; 상기 GIS 내부에 설치된 차단기의 동작특성을 검출하는 차단기동작특성 검출장치; 상기 부분방전 검출장치, 가스밀도 검출장치 및 차단기동작특성 검출장치로 부터 출력되는 데이터값에 근거하여 부분방전, 가스밀도 및 차단기동작특성을 진단하는 진단제어장치; 및 상기 진단제어장치로부터 출력되는 정보를 표시하는 디스플레이장치를 포함하여 구성되고, 상기 부분방전 검출장치는 상기 GIS 함체의 외측면에 결합되는 센서 플랜지; 상기 센서 플랜지의 내측면에 결합되는 센서 서포트; 상기 센서 서포트에 부착 설치되는 센서 안테나; 상기 GIS 함체의 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 포함하여 구성되며, 상기 가스밀도 검출장치는 전원인가부; 상기 전원인가부에 전기적으로 연결되되, (+)전압이 연결되는 양극선과 (-)전압이 연결되고 Ni, Mo 또는 Ag의 단일 금속으로 이루어진 음극원통으로 구성되고, 인가된 전원에 의해 SF6 가스를 매개체로 하여 통과되는 전류를 제한하여 인가된 전압과 절연가스의 밀도에 따라 흐르는 전류량이 가변되는 트랜스미터부; 상기 트랜스미터부에 의해 흐르는 전류량을 센싱하는 전류검출부; 하부가 개구된 원통형상으로 이루어진 하우징; 상기 하우징에 구성되어 상기 GIS의 함체 외측면에서 나사 결합되는 나사부; 및 상기 나사부가 함체에 나사 결합된 상태에서 나사 조임에 의해 함체에 면접하여 상기 하우징이 상기 함체에 나사 결합된 상태를 견고히 고정시키는 고정부를 포함하여 구성되되, 상기 하우징의 내부에는 상기 트랜스미터부와 전류검출부가 배치되며, 상기 차단기동작특성 검출장치는 상기 차단기의 정격차단시간, 트립신호에 따라 트립코일에 전기적 신호가 입력된 시간에서 트립코일의 동작이 완료되기까지의 시간 간격에 대한 기계적 동작시간 및 3상 고장전류를 검출하되, 상기 차단기동작특성 검출장치는 상기 차단기의 동작전류 신호 및 전력설비의 부하전류 신호를 입력하는 전류 신호 입력부; 상기 차단기의 차단 코일과 투입 코일의 접점상태 신호를 입력하는 접점상태 신호 입력부; 및 상기 동작전류 신호 및 상기 부하전류 신호를 분석하여 상기 차단기의 동작특성을 나타내는 데이터를 산출하는 처리부를 포함하여 구성되며, 상기 진단제어장치는 0.5㎓ 이하 저주파 대역의 노이즈를 제거하기 위한 HPF(High Pass Filter), 0.5㎓ 초과 ~ 1.5㎓ 미만 대역의 주파수 신호만을 통과시키기 위한 BPF(Band Pass Filter) 및 상기 BPF에서 제거되지 않은 1.5㎓ 이상의 주파수 신호를 제거하기 위한 LPF(Low Pass Filter)를 포함하여 노이즈를 제거하는 RF필터부; 상기 RF필터부에서 노이즈가 제거된 UHF 전자파의 피크값을 연결하여 포락선(엔벨로프, envelope) 주파수로 변조하는 RF변조부; 상기 RF변조부에서 변조된 주파수를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환부; 상기 A/D변환부에서 변환된 디지털 신호를 시간 도메인과 주파수 도메인으로 분할하여 T-F Map에 표시하고, 표시된 신호와 기 저장된 신호와 비교하여 부분방전 여부를 검출하되, 시간 도메인에서 부분방전과 노이즈를 분리하여 노이즈로 판단되는 신호를 제거하고, 주파수 도메인에서 부분방전과 노이즈를 분리하여 노이즈로 판단되는 신호를 제거하는 DSP처리부; 및 상기 DSP처리부에서 출력되는 신호를 상기 디스플레이장치 및 차단기로 전송하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 의하면, GIS 내부의 부분방전을 검출하여 검출결과에 따라 차단기를 선택적으로 개방 또는 투입할 수 있으므로, 전력기기의 소손을 방지하고 부하측을 보호할 수 있는 장점이 있다.
또한, 전열가스의 밀도를 검출하여 진단함으로써, 감전 등에 대한 안전사고를 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 부분방전 검출장치의 설치 상태도.
도 4는 도 3의 부분방전 검출장치의 분해 사시도.
도 5는 도 3의 부분방전 검출장치의 설치 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 일 실시 예의 센서 안테나에 대한 평면도.
도 7은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 가스밀도 검출장치의 외부 구성도.
도 8은 도 7의 가스밀도 검출장치의 내부 구성도.
도 9는 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 차단기동작특성 검출장치의 구성도.
도 10은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 진단제어장치의 구성도.
도 11은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 진단제어장치의 블록도.
도 12는 UHF 전자파 신호에서 엔벨로프를 이용한 주파수 변조 과정을 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 가스로 졀연된 전력기기의 내부에서 발생되는 부분방전 및 가스 밀도를 검출하고, 검출결과를 원격에서 확인할 수 있으며, 검출결과에 근거하여 차단기의 개방 또는 투입 여부를 진단할 수 있는 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS(Gas Insulated Switchgear) 원격진단 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템의 개략적인 구성도를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템의 구성도이다.
첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템은, GIS(10), 부분방전 검출장치(100), 가스밀도 검출장치(200), 차단기동작특성 검출장치(300), 진단제어장치(400) 및 디스플레이장치(500)를 포함하여 구성된다.
GIS(10, 가스절연 개폐장치(Gas Insulated Switchgear))는 차단기, 단로기 등의 개폐설비와 변류기, 피뢰기, 주회로 모선 등을 금속제 탱크 내에 일괄 수납하고, 충전부는 고체 절연물(Spacer)로 지지하고 있으며, 탱크 내부에는 절연성능과 소호능력이 뛰어난 SF6 가스를 절연매체로 하여 충진, 밀봉한 개폐설비 시스템으로서, 절연성능이 우수한 SF6가스를 봉입함으로써 콤팩트하고, 안정성, 환경조화성 등에서 우수하여 광범위하게 적용되고 있다.
GIS(10)는 고전압부가 금속 용기 내에 봉입된 밀폐구조이므로 대기의 영향을 받지 않고, 단순 구조이므로 고장요인이 적은 신뢰성이 높은 전력기기이다.
그러나 GIS는 내부를 볼 수 없으므로 내부에서 발생하는 이상을 발견하기 곤란하고, 절연파괴 등의 고장이 발생하면 사고 파급효과가 크고, 복구에 장시간이 소요되어 정전시간이 아주 길어지는 문제가 있다.
GIS 사고의 대부분은 금속성 입자의 존재, 도체의 불완전한 접촉, 스페이서의 결함 및 조립설치 과정중의 불충분한 품질관리에 기인하며, GIS 동작중 기계적 마모에 의한 이물질이 발생할 수도 있다. 특히 GIS에서의 부분방전은 전체파괴에 도달가능성이 있어, 이를 조속히 검출하여 후속 조치를 해야한다.
GIS 내의 부분방전은 상승/하강의 급격한 방전펄스를 발생시키고, 300MHz ~ 1.5GHz 범위의 극초단파(UHF, Ultra High Frequency)를 방사한다. 방사된 UHF 극초단파는 동축 형상의 GIS 관로 내를 마이크로파로서 전파하기 때문에 GIS 내부에 이를 검출할 수 있는 UHF 센서가 설치되어야 한다. 이때, GIS 내부에 설치된 UHF 센서로부터 검출된 검출값은 GIS 외부로 전송되어야 하기 때문에 GIS 밀폐상태를 유지하면서 UHF 센서의 검출값을 외부로 전송할 수 있는 구조의 부분방전 검출장치가 요구된다.
도 3은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 부분방전 검출장치의 설치 상태도이고, 도 4는 부분방전 검출장치의 분해 사시도이며, 도 5는 부분방전 검출장치의 설치 단면도이다.
첨부된 도 3 내지 도 5를 참조하면, 부분방전 검출장치(100)는, 센서 플랜지(110), 센서 서포트(120), 센서 안테나(130), 센서 커버(140) 및 커넥터(150)를 포함하여 구성된다.
센서 플랜지(110)는 GIS의 함체(또는 밀폐함, B)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)에는 소정의 홀이 형성되고, 상기 센서 플랜지의 외경은 밀폐함(B)에 형성되는 홀의 직경보다 상대적으로 크게 형성된다.
또한, 센서 플랜지(110)가 상기 밀폐함(B)에 결합됨에 따라, 상기 함체(B) 내부와 외부를 밀폐시키기 위해, 상기 센서 플랜지(110)와 상기 함체(B)의 접촉면에는 실링을 위한 플랜지오링(113)이 설치된다.
아울러, 상기 플랜지오링(113)이 상기 센서 플랜지(110)의 위치를 가이드 하도록 위해, 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 동일 축상에 설치될 수 있고, 상기 센서 서포트(120)는 서포트결합나사(121)에 의해 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 수신한다.
도 6은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 일 실시 예의 센서 안테나에 대한 평면도를 나타낸 도면이다.
부분 방전에 의해 발생되는 300MHz ~ 1.5GHz 범위의 극초단파를 검출하기 위해서는 안테나의 패턴이 중요하다.
첨부된 도 6을 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 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 위해, 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 구성으로, 상기 센서 플랜지(110)에 면접하는 상기 센서 커버(140)의 접촉면에 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.
가스밀도 검출장치(200)는 GIS(10) 내부에 충전된 절연가스의 밀도를 검출하는 기능을 수행한다.
GIS 내부에 충전되는 SF6 가스는 무독, 무취, 불연성의 가스로서 절연성이 탁월하며, 부싱 이외의 금속제 탱크는 대지와 완전히 접지되어 있기 때문에, 작업자의 안전성 확보가 가능하고 운전원이 충전부에 접촉될 염려가 없다.
여기서, SF6 가스의 절연파괴전압은 가스압력 또는 밀도에 비례하는 특성이 있다. 즉, SF6 가스의 파괴전압은 가스압력에 의해 비례하여 상승하기 때문에 가스 압력에 의하여 절연내력이 결정된다.
SF6 가스는 상온에서 극히 안정된 가스이나 부분방전(아크)에 의해서 분해현상이 발생된다. SF6 가스의 분해시에는 소호 후 재결합하여 원상태로 환원되나, 재결합과정에서 일부분의 SF6 가스는 수분과 반응하여 손실된다.
이러한 SF6 가스의 분해뿐만 아니라 GIS에 충전된 SF6 가스의 누설은 내부의 절연성능의 저하를 나타낸다
이에, 본 발명에서는 GIS에 충전된 SF6 가스의 밀도를 실시간으로 검출하기 위해 가스밀도 검출장치(200)가 설치된다.
도 7은 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 가스밀도 검출장치의 외부 구성도이고, 도 8은 가스밀도 검출장치의 내부 구성도이다.
첨부된 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 적용된 가스밀도 검출장치(200)는, 하우징(210), 나사부(220), 고정부(230), 전원인가부(240), 트랜스미터부(250), 전류검출부(260) 및 출력부(270)를 포함하여 구성된다.
하우징(210)은 하부가 개구된 원통형상으로 이루어지고, 나사부(220)는 하우징(210)의 하부에 구성되어 GIS(10)의 함체 외측면에서 상기 함체에 나사 결합된다.
고정부(230)는 나사부(220)가 함체에 나사 결합된 상태에서 나사 조임에 의해 함체에 면접하여 하우징(210)이 상기 함체에 나사 결합된 상태를 견고히 고정시킨다.
필요에 따라, 상기 고정부(230)에는 상기 함체를 밀폐시키기 위한 패킹링이 더 설치될 수 있다.
전원인가부(240)는 외부에서 인가되는 전원을 트랜스미터(250)에 공급하는 것으로서, 인가되는 전원은 직류 10 ~ 30V의 범위에서 이루어진다.
트랜스미터(250)는 상기 하우징(210) 내부에 설치되어 인가된 전원에 의해 SF6 가스를 매개체로 하여 통과되는 전류를 제한하는 것으로서, (+)전압이 연결되는 양극선(251)과 (-)전압이 연결되는 음극원통(252)으로 구성된다. 이때, 상기 음극원통은 Ni, Mo 또는 Ag 등의 단일 금속이 사용될 수 있다. 여기서 상기 음극원통의 하부는 개구되어 있으며, 양극선과 음극원통판 사이에는 GIS 내부에 충전된 SF6 가스로 채워지게 된다.
전원인가부(240)에서 인가된 전원에 대해 양극선과 음극원통 사이에 SF6 가스를 매개로하여 전류가 흐르게 되는 데, 흐르는 전류의 량은 SF6 가스의 밀도와 비례관계에 있다. 즉, SF6 가스의 밀도가 높을수록 흐르는 전류의 량도 증가되게 된다.
전류검출부(260)는 전원인가부(240)에서 인가된 전원에 의해 양극선과 음극원통 사이에 흐르는 전류를 검출한다. 즉, 전류검출부(260)로는 전류계가 사용될 수 있다. 이때, 전류검출부(260)에서 검출된 전류값은 0 ~ 20mA의 범위로 출력되고, 출력되는 전류값에 근거하여 밀도가 산출되게 구성된다.
출력부(270)는 상기 전류검출부(260)에서 검출된 전류값을 출력한다.
차단기동작특성 검출장치(300)는 GIS 내부에 설치된 차단기의 동작특성을 검출하는 기능을 수행한다.
차단기는 오일차단기(OCB), 가스차단기(GCB), 진공차단기(VCB), 공기차단기(ABB) 및 자기차단기(MBB) 중에서 선택된 하나로 구성될 수 있다.
이러한 차단기는 고장전류(단락, 지락 등)를 신속히 차단하여 전력기기를 보호하고 안전사고를 방지하는 전력기기이다.
이때, 차단기는 정격차단 시간에 의해 성능이 평가되는 데, 차단기의 정격차단시간이란 정격차단전류를 모든 정격 및 규정된 회로조건에서 규정된 표준동작책무 및 동작상태에 따라 차단하는 경우의 차단시간의 한도를 말한다. 즉, 차단기가 트립신호를 수신하고, 수신된 투입신호에 의해 트립장치가 동작하여 전류차단을 완료할 때까지의 시간을 의미한다.
여기서, 트립코일은 차단기의 개방과 투입을 결정하는 중요한 요소로서, 트립코일의 동작시간은 차단기의 동작책무를 결정하는 주요한 요소이다.
이에, 본 발명에서는 정격차단 시간에서 트립코일의 동작시간을 별도로 검출할 수 있도록 구성된다.
즉, 차단기동작특성 검출장치(300)는 차단기의 정격차단시간, 트립신호에 따라 트립코일에 전기적 신호가 입력된 시간에서 트립코일의 동작이 완료되기까지의 시간 간격에 대한 기계적 동작시간을 검출하여 출력할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 차단기동작특성 검출장치(300)는 차단기의 트립코일을 동작시키기 위한 각 상의 고장전류를 검출하기 위해서, 각 상에는 변류기(CT, current transformer)가 설치되고, 각 변류기로부터 검출된 각 상의 전류값을 출력하도록 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 차단기동작특성 검출장치의 구성도이다.
첨부된 도 9를 참조하면, 차단기동작특성 검출장치(300)는 전류신호 입력부(310), 접점상태 신호 입력부(320) 및 처리부(330)를 포함하여 구성된다.
전류신호 입력부(310)는 제1 내지 제 5 전류 변류기를 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 전류 변류기는 각 상의 전류를 검출하기 위해 R상, S상 및 T상에 설치되어 부하 전류를 검출한다.
제 4 전류 변류기와 제 5 전류 변류기는 트립코일(TC)의 동작전류를 측정하기 위해서 각각 트립코일의 차단코일과 투입코일에 설치되어 트립코일의 개방 및 투입에 대한 전류를 검출한다.
접점상태 신호 입력부(320)는 차단기의 차단접점과 투입접점의 접점상태, 차단기의 동작상태를 측정한다. 이를 위해서 상기 접점상태 신호 입력부(320)에는 접점상태 측정기가 구성되어 측정된 접점상태 신호를 검출하고, 검출된 신호의 결과값을 처리부(330)에 제공한다.
처리부(330)는 전류신호 입력부(310), 접점상태 신호 입력부(320)로부터 제공받은 전류값과 접점상태 신호에 근거하여 차단기의 정격차단시간 및 기계적 동작시간을 산출하고, 산출된 시간과 3상 고장전류의 검출값을 컴퓨터에서 읽기 가능한 데이터로 처리하여 출력한다.
한편, GIS 내부의 부분방전에 의해 발생되는 UHF 전자파는 순수한 UHF 전자파로서, 순수한 UHF 전자파인 경우에는 검출을 통해 부분 방전의 발생 여부를 쉽게 확인할 수 있다.
그러나 GIS 내외부에서 다양한 노이즈가 발생되는 데, 이러한 노이즈에 의한 전자파는 부분방전에 의한 전자파인지 또는 내외부의 노이즈인지 모호해지는 단점이 있다.
GIS의 내외부에서 발생하는 노이즈에는 전기전력 시스템의 공명 간섭이나 무선 주파수 등에 의해 발생하는 지속적이고 주기적인 노이즈, 고압 코로나, 전력 스위치, 사이리스트 정류기 등의 장비들로부터 발생하는 펄스형 노이즈 등으로 이루어지며, 이러한 노이즈는 단독으로 발생하거나 부분방전과 혼재하여 불규칙하게 발생하며, 특히 일부 노이즈는 부분방전 신호와 매우 유사한 특징이 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 부분방전에 대한 실시간 모니터링이 가능하면서 노이즈 간섭을 효과적으로 억제하여 부분방전 신호 검출 신뢰성을 확보하기 위한 구성으로서, 시간 도메인에서의 위상분석과 주파수 도메인에서의 주파수 성분 변화 분석을 동시에 모니터링할 수 있는 T-F(Time-Frequency) Map을 이용한다.
부분방전에 의해 발생되는 UHF 전자파와 노이즈에 의한 전자파가 구별되는 가장 큰 특징은 지속 시간이다. 즉, 부분방전에 의한 UHF 전자파는 노이즈에 의한 전자파보다 상대적으로 짧은 임펄스와 주파수가 높은 형태의 패턴을 갖는다.
검출된 UHF 전자파를 T-F Map에 표시하면 부분방전에 대한 UHF 전자파와 노이즈에 대한 전자파의 군집(cluster)이 다르게 형성된다.
이에, 노이즈에 대한 전자파 군집을 제거하게 되면, 순수 부분방전에 의해 발생된 UHF 전자파를 검출할 수 있게 된다.
도 10 및 도 11은 각각 본 발명에 따른 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템에 적용된 진단제어장치의 구성도와 블록도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 10 및 도 11을 참조하면, 진단제어장치(400)는 수신된 UHF 전자파로부터 부분방전의 여부를 검출하기 위해 RF필터부(410), RF변조부(420), A/D변환부(430), DSP처리부(440) 및 출력부(450)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 DSP처리부(440)는 가스밀도 검출장치 및 차단기동작특성 검출장치로부터 출력되는 데이터값에 근거하여 가스밀도 및 차단기동작특성을 진단하는 기능을 수행한다.
즉, 상기 진단제어장치(400)는 부분방전 검출장치(100)에서 검출된 부분방전신호에 근거하여 GIS 내부의 부분방전의 발생 유무를 판단하고, 판단결과에 따라 차단기에 트립신호를 출력하며, 가스밀도 검출장치(200)에서 검출된 가스밀도에 근거하여 단계별로 위험신호 또는 차단기 트립신호를 출력하고, 차단기동작특성 검출장치에서 검출된 데이터값에 근거하여 차단기의 동작특성을 출력하도록 제어한다.
이때, 상기 진단제어장치(400)는 부분 방전 검출 데이터를 누적(계산)하여 전력기기 시스템의 이상 유무를 판단하도록 구성될 수 있다.
RF필터부(410)는 0.5㎓ 이하 저주파 대역의 노이즈를 제거하기 위한 HPF(High Pass Filter), 진단제어장치에서 필요한 0.5㎓ 초과 ~ 1.5㎓ 미만 대역의 주파수 신호만을 통과시키기 위한 BPF(Band Pass Filter) 및 BPF에서 제거되지 않은 1.5㎓ 이상의 주파수 신호를 제거하기 위한 LPF(Low Pass Filter) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, LPF(Low Pass Filter)는 전력기기에서 발생되는 절연열화의 경우 1.5 ㎓ 이상에서는 신호 전송 특성을 현저히 감소하기 때문에 1.5㎓ 이상의 주파수 신호를 제거하기 위한 것이다.
RF변조부(420)는 수신된 UHF 전자파 대역의 RF 신호를 변조한다.
RF 신호의 변조는 수신된 UHF 전자파의 피크값을 연결하여 포락선(엔벨로프, envelope) 주파수로 변조하는 것이다.
도 12는 UHF 전자파 신호에서 엔벨로프를 이용한 주파수 변조 과정을 나타낸 도면으로서, 첨부된 도 12를 참조하면, 수신된 UHF 전자파는 피크값들을 연결하여 포락선 주파수로 변조하게 된다.
이러한 포락선 변조에 의해서 고주파 노이즈 신호도 제거되는 효과가 있다.
A/D변환부(430)는 상기 RF변조부(420)에서 변조된 주파수를 디지털 신호로 변환한다.
DSP처리부(440)는 상기 A/D변환부(430)에서 변환된 디지털 신호를 시간 도메인과 주파수 도메인으로 분할하여 노이즈에 의한 전자파 신호를 제거하고, 부분방전에 의한 전자파 신호에 근거한 부분방전을 검출한다.
여기서, 상기 DSP처리부(440)는 디지털 신호의 UHF 전자파를 T-F Map에 표시하고, 표시된 신호와 기 저장된 신호와 비교하여 부분방전 여부를 검출한다.
부분방전에 의해 발생되는 UHF 전자파와 노이즈에 의한 전자파가 구별되는 가장 큰 특징은 지속 시간이다. 즉, 부분방전에 의한 UHF 전자파는 노이즈에 의한 전자파보다 상대적으로 짧은 임펄스와 주파수가 높은 형태의 패턴을 갖는다.
디지털 신호로 변환된 UHF 전자파를 T-F Map에 표시하면 부분방전에 대한 UHF 전자파와 노이즈에 대한 전자파의 군집(cluster)이 다르게 형성되고, 부분방전에 대한 UHF 전자파의 패턴과 비교하여 보면, 노이즈에 대한 전자파를 제거할 수 있게 된다.
즉, 부유전극에 의한 부분방전, 보이드에 의한 부분방전, 연면의 부분방전 및 코로나 방전에 대한 비교 데이터를 구축하고, 검출되어 디지털로 변환된 데이터와 구축된 데이터를 비교하면, 부분방전인지 또는 노이즈인지를 검출할 수 있다.
부연하면, 상기 DSP처리부(440)는 변환된 디지털 신호를 시간 도메인에서 부분방전과 노이즈를 분리하여 노이즈로 판단되는 신호를 제거하고, 주파수 도메인에서 부분방전과 노이즈를 분리하여 노이즈로 판단되는 신호를 제거하는 것으로서, 수신된 전자파를 시간 도메인과 주파수 도메인 영역에서 제거할 수 있게 된다.
출력부(450)는 상기 DSP처리부(440)에서 출력되는 신호를 디스플레이장치(500) 및 차단기로 전송한다.
디스플레이장치(500)는 상기 진단제어장치(400)에서 수신된 검출값, 제어상황 등을 화면에 표시한다.
본 발명에 의하면, GIS 내부의 부분방전을 검출하여 검출결과에 따라 차단기를 선택적으로 개방 또는 투입할 수 있으므로, 전력기기의 소손을 방지하고 부하측을 보호할 수 있는 장점이 있다.
또한, 전열가스의 밀도를 검출하여 진단함으로써, 감전 등에 대한 안전사고를 방지할 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: GIS 100: 부분방전 검출장치
110: 센서 플랜지 120: 센서 서포트
130: 센서 안테나 140: 센서 커버
150: 커넥터 200: 가스밀도 검출장치
210: 하우징 220: 나사부
230: 고정부 240: 전원인가부
250: 트랜스미터부 260: 전류검출부
270: 출력부 300: 차단기동작특성 검출장치
310: 전류신호 입력부 320: 접점상태 신호 입력부
330: 처리부 400: 진단제어장치
410: RF필터부 420: RF변조부
430: A/D변환부 440: DSP처리부
450: 출력부 500: 디스플레이장치

Claims (5)

  1. GIS 내부의 부분방전을 검출하는 부분방전 검출장치;
    상기 GIS 내부에 충전된 절연가스의 밀도를 검출하는 가스밀도 검출장치;
    상기 GIS 내부에 설치된 차단기의 동작특성을 검출하는 차단기동작특성 검출장치;
    상기 부분방전 검출장치, 가스밀도 검출장치 및 차단기동작특성 검출장치로 부터 출력되는 데이터값에 근거하여 부분방전, 가스밀도 및 차단기동작특성을 진단하는 진단제어장치; 및
    상기 진단제어장치로부터 출력되는 정보를 표시하는 디스플레이장치;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 부분방전 검출장치는,
    상기 GIS 함체의 외측면에 결합되는 센서 플랜지;
    상기 센서 플랜지의 내측면에 결합되는 센서 서포트;
    상기 센서 서포트에 부착 설치되는 센서 안테나;
    상기 GIS 함체의 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 커넥터;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 가스밀도 검출장치는,
    전원인가부;
    상기 전원인가부에 전기적으로 연결되되, (+)전압이 연결되는 양극선과 (-)전압이 연결되고 Ni, Mo 또는 Ag의 단일 금속으로 이루어진 음극원통으로 구성되고, 인가된 전원에 의해 SF6 가스를 매개체로 하여 통과되는 전류를 제한하여 인가된 전압과 절연가스의 밀도에 따라 흐르는 전류량이 가변되는 트랜스미터부;
    상기 트랜스미터부에 의해 흐르는 전류량을 센싱하는 전류검출부;
    하부가 개구된 원통형상으로 이루어진 하우징;
    상기 하우징에 구성되어 상기 GIS의 함체 외측면에서 나사 결합되는 나사부; 및
    상기 나사부가 함체에 나사 결합된 상태에서 나사 조임에 의해 함체에 면접하여 상기 하우징이 상기 함체에 나사 결합된 상태를 견고히 고정시키는 고정부;
    를 포함하여 구성되되, 상기 하우징의 내부에는 상기 트랜스미터부와 전류검출부가 배치되며,
    상기 차단기동작특성 검출장치는,
    상기 차단기의 정격차단시간, 트립신호에 따라 트립코일에 전기적 신호가 입력된 시간에서 트립코일의 동작이 완료되기까지의 시간 간격에 대한 기계적 동작시간 및 3상 고장전류를 검출하되,
    상기 차단기동작특성 검출장치는,
    상기 차단기의 동작전류 신호 및 전력설비의 부하전류 신호를 입력하는 전류 신호 입력부;
    상기 차단기의 차단 코일과 투입 코일의 접점상태 신호를 입력하는 접점상태 신호 입력부; 및
    상기 동작전류 신호 및 상기 부하전류 신호를 분석하여 상기 차단기의 동작특성을 나타내는 데이터를 산출하는 처리부;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 진단제어장치는,
    0.5㎓ 이하 저주파 대역의 노이즈를 제거하기 위한 HPF(High Pass Filter), 0.5㎓ 초과 ~ 1.5㎓ 미만 대역의 주파수 신호만을 통과시키기 위한 BPF(Band Pass Filter) 및 상기 BPF에서 제거되지 않은 1.5㎓ 이상의 주파수 신호를 제거하기 위한 LPF(Low Pass Filter)를 포함하여 노이즈를 제거하는 RF필터부;
    상기 RF필터부에서 노이즈가 제거된 UHF 전자파의 피크값을 연결하여 포락선(엔벨로프, envelope) 주파수로 변조하는 RF변조부;
    상기 RF변조부에서 변조된 주파수를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환부;
    상기 A/D변환부에서 변환된 디지털 신호를 시간 도메인과 주파수 도메인으로 분할하여 T-F Map에 표시하고, 표시된 신호와 기 저장된 신호와 비교하여 부분방전 여부를 검출하되, 시간 도메인에서 부분방전과 노이즈를 분리하여 노이즈로 판단되는 신호를 제거하고, 주파수 도메인에서 부분방전과 노이즈를 분리하여 노이즈로 판단되는 신호를 제거하는 DSP처리부; 및
    상기 DSP처리부에서 출력되는 신호를 상기 디스플레이장치 및 차단기로 전송하는 출력부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분방전 진단장치가 구비된 29KV GIS 원격진단 시스템.
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