KR101955988B1 - 부분방전 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

부분방전 처리 장치는 입력 신호의 세기에 비례하는 비례 신호를 생성하는 비례 신호 생성부, 상기 비례 신호 생성부의 출력단과 자동 이득 조절부의 입력단 사이에 위치하며, 기준 전압과 전달함수를 기초로 입력단에 입력되는 상기 비례 신호를 변환하여 전달함수 신호를 출력하는 전달함수 생성부, 상기 전달함수 신호가 입력되면 자동 이득 조절(Auto Gain Control)을 수행하는 자동 이득 조절부, 상기 자동 이득 조절부의 자동 이득 조절 신호가 입력되면 적어도 하나의 RC 병렬회로를 통해 자동 이득 조절 피드백 신호를 생성하여 상기 자동 이득 조절부의 피드백단에 피드백하는 부분방전 검출부 및 상기 자동 이득 조절부의 자동 이득 조절 출력 신호가 입력되면 상기 기준 전압을 기초로 상기 자동 이득 조절 출력 신호를 필터링하여 부분방전 판단 신호를 생성하는 부분방전 판단부를 포함한다.

Description

부분방전 처리 장치 및 방법{APPARATUS FOR DETECTING PARTIAL DISCHARGE SIGNAL AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 부분방전 검출 및 노이즈 제거 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 부분방전 신호가 부분방전 신호와 매우 유사한 부분방전성 노이즈 및 일반 노이즈와 함께 혼재된 입력 신호에서 부분방전 신호를 보다 효과적으로 검출할 수 있는 부분방전 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
부분방전(Partial Discharge) 진단 기술은 전력 설비 및 전기자동차 분야에서 전기장비의 예방 진단을 위해 사용된다. 일반적으로 부분방전 진단 기술은 전기장비 내부에서 발생하는 전자기파, 초음파, 빛 또는 진동을 검출하여 부분방전의 발생 여부를 사전에 예방 진단하는 비파괴 진단 기술에 해당한다.
종래의 전자기파를 이용한 부분방전 진단 기술은 HFCT를 이용한 전력케이블 부분방전진단, UHF 센서를 이용한 전력설비 부분방전진단, HFCT와 UHF 하이브리드 센서를 이용한 전기차 부분방전진단 등에 적용되고 있다.
상기 전자기파를 이용하여 부분방전의 발생 여부를 검출하는 과정에서 다른 다량의 노이즈들도 같이 포함하게 되고, 부분방전으로 인해 발생하는 부분방전 신호와 부분방전과 유사한 부분방전성 노이즈 또는 통신 노이즈 등을 정밀하게 구분하기 어려워 부분방전 진단의 신뢰성이 현저하게 떨어지는 단점이 있다.
센서를 통해 입력된 부분방전 신호는 수 nS의 펄스폭을 가진 고주파 펄스의 군집(Burst) 형태를 보이고 있으며 정형화된 패턴이 없다. 부분방전 신호와 유사한 부분방전성 노이즈 군집(Burst) 또는 통신 노이즈 군집(Burst) 등은 군집 내에 군집을 구성하고 있는 구성 펄스가 부분방전 신호 군집을 구성하는 펄스와 다른 부분이 있다. 하지만 특히 케이블 부분방전 분야는 노이즈 가 부분방전과 매우 유사하면서도 신호 세기가 비교적 매우 크기 때문에 케이블 부분방전을 검출하는 것은 쉽지 않다.
한국등록특허 제10-1496442(2015.02.17)호는 케이블 부분방전 진단 장치에 관한 것으로, 케이블의 부분방전 신호를 감지하기 위한 감지 센서, 상기 감지센서의 노이즈를 걸러내기 위한 밴드 패스 필터, 상기 밴드 패스 필터의 출력신호를 증폭시키는 증폭기, 상기 증폭기의 출력신호의 주파수를 튜닝하는 주파수 튜닝 필터, 상기 주파수 튜닝 필터의 출력신호의 길이 및 모양을 측정하기 위한 포락선 검파기, 상기 포락선 검파기의 출력신호의 크기 측정을 위한 피크 검출기, 상기 피크 검출기의 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 신호변환기를 포함하고, 상기 아날로그 디지털 신호 변환기의 출력 신호의 길이 및 모양을 확인하여 노이즈와 PD의 구별을 하는 부분방전 신호 검출부 및 상기 부분방전 신호 검출부의 출력신호를 PRPD 매핑을 통해 부분방전의 유형을 확인하는 부분방전 패턴 분석부를 더 포함하며, 상기 감지 센서는 HF센서 또는 HF CT센서이고, HF센서의 경우 측정 범위는 5MHz ~ 200MHz, HFCT 센서의 경우 측정 범위는 1MHz ~ 100MHz 인 것을 특징으로 하고, 상기 밴드패스필터는 1MHz ~ 200MHz 의 통과 대역을 가진 밴드 패스 필터인 것을 특징으로 하고, 상기 주파수 튜닝 필터는, 200MHz ~ 420MHz 의 주파수를 가진 신호를 발생하는 신호 발생기, 상기 증폭기를 통과한 신호와 상기 신호 발생기에서 발생시킨 신호를 함께 믹싱하여 상기 증폭기의 출력신호와 상기 신호발생기의 출력신호의 합에 해당하는 주파수와 차에 해당하는 주파수를 가진 신호를 출력하는 믹서 및 상기 믹서의 출력 신호들을 중심 주파수 425MHz Bandwidth 20MHz 인 협대역으로 필터링 하는 협대역 밴드 패스 필터를 포함한다.
상기 기술은 노이즈를 제거하기 위하여 협대역 밴드 패스 필터를 적용한 관계로 부분방전 신호가 필터링되어 제대로 부분방전이 검출되지 못하는 단점이 있다. 더욱이, 밴드패스 필터를 적용하였음에도 불구하고 노이즈가 유입됨을 증명하고 있다. 상기 기술은 노이즈와 부분방전 신호를 구분하기 위하여 추가로 고속 ADC와 소프트웨어 컴퓨팅 과정이 필요하기 때문에 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
한국등록특허 제20-0435061(2006.12.29)호는 가스절연 개폐장치 진단용 부분방전 카운터에 관한 것으로, GIS에 내장된 부분방전센서의 고주파 출력신호를 대역통과필터(21-a), 피크검출회로(21-b),피크유지회로(21-c), 피크리셋(21-d)을 이용하여 저주파신호로 변환하는 주파수변환수단 및 상기 주파수변환수단에 의해 출력된 신호를 ADC(22)에서 AD변환하고 변환된 값을 상전압의 주파수에 일치시키는 동기회로를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 기술 또한 입력 신호로부터 노이즈를 제거하기 위하여 대역통과 필터를 적용한 관계로 부분방전신호가 필터링되어 제대로 검출되지 못하는 단점이 있다. 피크 검출회로를 적용하고 있기 때문에 부분방전 신호보다 더 큰 노이즈가 유입될 경우 노이즈 신호를 부분방전으로 인식하여 카운팅할 수 있는 단점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-1496442(2015.02.17)호 2. 한국등록특허 제20-0435061(2006.12.29)호
부분방전 예방진단은 인명 안전과 설비 유지관리를 위하여 반드시 필요한 부분이다.
전자기파를 이용한 부분방전 예방진단 기법이 가장 우수한 결과를 보이고 있어 선호되고 있으나, 지속적으로 새로운 통신서비스가 등장함에 따라 필터를 취부하는 방법으로는 노이즈를 제거할 수 없고, 고속 연산을 통하여 노이즈와 부분방전을 구분하는 시도가 있어왔지만 부피가 크고 경제적이지 못하여 응용분야가 제한적이었다.
부분방전 신호는 수 nS의 펄스폭을 가진 고주파 펄스의 Burst 형태를 보이고 있으며 다른 부분방전 신호와 유사한 부분방전성 노이즈 또는 통신 노이즈 등과 다르지만 특히 케이블 부분방전 분야에서 상기 부분방전성 노이즈와의 구분이 쉽지 않다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출되었다.
본 발명 기술은 부분방전 간단한 회로 구성으로 노이즈가 혼재된 입력신호에서 부분방전 신호를 검출함으로써 필터 취부가 필요 없고 고속 연산 과정이 필요 없게되어 경제적이며 부피를 작게 할 수 있어 다양한 분야에서 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 입력 신호에 부분방전 신호가 포함되어 있는지 여부를 효과적으로 검출할 수 있는 부분방전 처리 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
실시 예들 중에서, 부분방전 처리 장치는 입력 신호의 세기에 비례하는 비례 신호를 생성하는 비례 신호 생성부, 상기 비례 신호 생성부의 출력단과 자동 이득 조절부의 입력단 사이에 위치하며, 기준 전압과 전달함수를 기초로 입력단에 입력되는 상기 비례 신호를 변환하여 전달함수 신호를 출력하는 전달함수 생성부, 상기 전달함수 신호가 입력되면 자동 이득 조절(Auto Gain Control)을 수행하는 자동 이득 조절부, 상기 자동 이득 조절부의 자동 이득 조절 신호가 입력되면 적어도 하나의 RC 병렬회로를 통해 자동 이득 조절 피드백 신호를 생성하여 상기 자동 이득 조절부의 피드백단에 피드백하는 부분방전 검출부 및 상기 자동 이득 조절부의 자동 이득 조절 출력 신호가 입력되면 상기 기준 전압을 기초로 상기 자동 이득 조절 출력 신호를 필터링하여 부분방전 판단 신호를 생성하는 부분방전 판단부를 포함한다.
상기 비례 신호 생성부는 상기 입력 신호의 로그 값을 복조(demodulation)하여 상기 비례 신호를 생성하는 로그 검출기(log detector)로 구현될 수 있다.
상기 비례 신호 생성부는 증폭기(amplifier), 엔벨로프 검출기(envelope detector) 및 적분기(integrator) 중 적어도 하나를 통해 또는 적어도 두 개의 조합을 통해 구현될 수 있다.
상기 부분방전 검출부는 상기 적어도 하나의 RC 병렬회로를 통해 상기 자동 이득 조절 신호의 진폭 또는 주파수의 세기를 상기 자동 이득 조절부의 피드백단으로 피드백할 수 있다.
상기 부분방전 검출부는 상기 피드백의 과정에서 상기 자동 이득 조절 신호에 노이즈가 포함된 경우에는 상기 기준 전압 대비 음의 방향으로 부증폭하고, 부분방전 신호가 포함된 경우에는 상기 적어도 하나의 RC 병렬회로와 상기 자동 이득 조절부 상호 간의 충-방전 및 피드백 작용으로 증폭도를 변화시켜 일시적 과증폭과 파동(fluctuation)을 유도할 수 있다.
상기 전달함수 생성부는 상기 비례 신호의 -60dBm 내지 5dBm 값을 1.7Vdc 내지 0.5Vdc 값으로 변환하는 반비례 전달함수를 가질 수 있다.
상기 기준 전압은 2.4Vdc를 기준으로 특정 오차 범위 이내의 값을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 부분방전 판단부는 상기 자동 이득 조절 출력 신호와 상기 기준 전압 간을 비교하여 상기 자동 이득 조절 출력 신호에 있는 상기 기준 전압 미만의 신호를 노이즈로 판단하여 소거하고 상기 기준 전압 이상의 신호를 부분방전으로 판단하여 획득하는 상기 필터링을 통해 상기 부분방전 판단 신호를 생성할 수 있다.
상기 부분방전 판단부는 상기 자동 이득 조절 출력 신호에서 상기 기준 전압을 감산하는 감산 증폭기(Difference Amplifier)로 구현되거나, 상기 자동 이득 조절 출력 신호와 상기 기준 전압을 기초로 차동 증폭하는 차동 증폭기(Differential amplifier)로 구현되거나, 또는, 부분방전 시의 전압 강하를 위한 적어도 하나의 다이오드를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 부분방전 처리 장치는 상기 부분방전 판단 신호의 진폭이 기준 진폭 이상이면 TTL(Transistor Transistor Logic) 레벨로 변환된 부분방전 레벨 변환 신호를 발생시키는 부분방전 신호 레벨 변환부를 더 포함할 수 있다.
상기 부분방전 신호 레벨 변환부는 비교기 및 슈미트 트리거 중 적어도 하나를 통해 구현될 수 있다.
실시예들 중에서, 부분방전 검출 방법은 부분방전 처리 장치에 의해 수행된다. 상기 부분방전 검출 방법은 입력 신호의 세기에 비례하는 비례 신호를 생성하는 비례 신호 생성 단계, 기준 전압과 전달함수를 설정하고, 상기 기준 전압과 전달함수를 기초로 상기 비례 신호를 변환하여 전달함수 신호를 생성하는 전달함수 생성 단계, 상기 전달함수 신호를 기초로 자동 이득 조절(Auto Gain Control)을 수행하는 자동 이득 조절 단계,적어도 하나의 RC 병렬회로를 통해 상기 적어도 하나의 RC 병렬회로와 상기 자동 이득 조절을 수행하는 자동 이득 조절부 간의 상호 충방전 및 피드백 작용을 유도하여 상기 자동 이득 조절의 수행 과정에 피드백하는 부분방전 검출 단계 및 상기 자동 이득 조절을 통해 자동 이득 조절 출력 신호가 생성되면 상기 기준 전압을 기초로 상기 자동 이득 조절 출력 신호를 필터링하여 부분방전 판단 신호를 생성하는 부분방전 판단 단계를 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 처리 장치 및 방법은 입력 신호에 부분방전 신호가 포함되어 있는지 여부를 효과적으로 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 처리 장치 및 방법은 입력 신호에 부분방전 신호와 노이즈 및 부분방전 유사 노이즈가 혼재된 경우라 하더라도 노이즈와 부분방전 유사 노이즈를 효과적으로 제거하고 부분방전을 검출할 수 있도록 한다.
본 발명의 기술개념은 PANA(PD Amplification Noise Attenuation) 방식으로 칭한다.
본 발명의 PANA 방식은 동일 시간대 혼입된 부분방전 신호와 노이즈 신호에 대하여 부분방전 신호 성분은 기준 전압(Vref)보다 증폭하고 노이즈 성분은 기준 전압(Vref)보다 감쇄시켜 기준 세기(vref)를 기준으로 차별점을 주게 되며 이 차별점으로 부분방전 신호를 검출하는데 있어서 오류가 매우 적다.
본 발명의 PANA 방식은 검출되는 부분방전 신호 성분의 세기가 입력된 부분방전 신호의 세기와 비례하므로 출력 그 자체만으로도 부분장전 센서의 역할 을 할 수 있지만, ADC 결합시 부분방전 측정장비로 활용할 수 있다. 동시에 TTL 변환회로와 결합시 부분방전 카운터 등으로 활용할 수 있다.
본 발명은 케이블 부분방전 예방진단, SIS(Solid Insulation Switchgear) 설비 부분방전 예방진단, 전기차 부분방전 예방진단, 전기차 충전기 부분방전 예방진단, GIS(Gas Insulation Switchgear) 부분방전 예방진단, 노이즈 제거 기능이 있는 UHF 부분방전 센서, 부싱 부분방전 예방진단 등에 적용할 수 있지만 이에 국한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 전달함수 생성부를 구성하는 일 실시 회로도이다.
도 3은 도 1에 있는 부분방전 검출부를 구성하는 일 실시 회로도를 보여준다.
도 4는 도 1에 있는 부분방전 검출부를 구성하는 다른 실시예들의 회로도이다.
도 5는 도 1에 있는 부분방전 처리 장치가 부분방전을 검출하는 과정에서 입력 받거나 출력하는 전압들을 예시하는 도면이다.
도 6은 도 1에 있는 부분방전 판단부의 일 실시예에 따른 회로도를 나타낸다.
도 7은 도 1에 있는 부분방전 처리 장치를 포함하는 부분방전 검출 시스템을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 있는 부분방전 처리 장치를 실제로 구현하여 부분방전 발생 여부를 검출하는 과정을 나타내는 출력 결과 그래프이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 부분방전 처리 장치(100)는 비례 신호 생성부(110), 전달함수 생성부(120), 자동 이득 조절부(130), 부분방전 검출부(140) 및 부분방전 판단부(150)를 포함할 수 있다.
비례 신호 생성부(110)는 입력 신호의 세기에 비례하는 비례 신호를 생성한다. 보다 구체적으로, 비례 신호 생성부(110)는 입력 포트(10)와 전달함수 생성부(120) 사이에 배치되어 입력 포트(10) 및 전달함수 생성부(120)의 입력단과 전기적으로 연결되고, 입력 포트(10)를 통해 수신되는 입력 신호를 입력으로 제공받을 수 있으며, 입력된 입력 신호의 진폭, 주파수 및 전력 중 적어도 하나의 세기에 비례하는 비례 신호를 출력하여 전달함수 생성부(120)의 입력단에 제공할 수 있다. 예를 들어, 비례 신호 생성부(110)는 입력 신호 Vin이 수신되면 해당 입력단에 나타나는 전력에 비례하는 DC 출력 전압으로서 비례 신호 V1을 생성할 수 있다(도 5의 그래프 참조).
일 실시예에서, 비례 신호 생성부(110)는 입력 신호의 로그 값을 복조(demodulation)하여 비례 신호를 생성하는 로그 검출기(log detector)로 구현될 수 있다. 여기에서, 로그 검출기는 로그 디텍터, 로그 앰프, 로그 증폭기, 로가리스믹 앰프, RF 파워 디텍터, 로그앰프 디텍터 등으로 표현되는 경우들을 총칭한다. 이때, RF 입력 포트에서 총 노드 전력의 측정 값은 신호, 잡음, 간섭 등을 포함하는 DC로 변환될 총 전력을 나타낼 수 있다.
다른 일 실시예에서, 비례 신호 생성부(110)는 증폭기(amplifier), 엔벨로프 검출기(envelope detector), 다이오드 디텍터(diode detector) 및 적분기(integrator) 중 적어도 하나를 통해 또는 적어도 두 개의 조합을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 비례 신호 생성부(110)는 RF 증폭기와 엔벨로프 검출기의 결합을 통해 구현되거나, 증폭기와 적분기의 결합을 통해 구현될 수 있다.
전달함수 생성부(120)는 비례 신호 생성부(110)의 출력단과 자동 이득 조절부(130)의 입력단 사이에 위치한다. 전달함수 생성부(120)는 비례 신호 생성부(110)의 출력단 및 자동 이득 조절부(130)의 입력단과 전기적으로 연결되어 비례 신호 생성부(110)로부터 입력 신호를 제공 받고 자동 이득 조절부(130)에 출력 신호를 출력할 수 있다.
전달함수 생성부(120)는 기준 전압과 전달함수를 기초로 입력단에 입력되는 비례 신호를 변환하여 전달함수 신호를 출력한다. 일 실시예에서, 전달함수 생성부(120)는 특정 DC 전압 레벨을 가지는 기준 전압 Vref를 제공받을 수 있고, 입출력 신호들에 관한 선형 특성을 나타내는 전달 함수(transfer function)를 통해 입출력 신호의 범위, 입력 신호 대비 출력 신호의 전압 특성 및 주파수 특성 중 적어도 하나가 정의될 수 있다. 이러한 내용은 도 2를 더 참조하여 설명하도록 한다.
도 2는 도 1에 있는 전달함수 생성부를 구성하는 일 실시 회로도이다.
도 2를 참조하면, 전달함수 생성부(120)는 제1 및 제2 저항들(210, 220), 증폭기(230)를 포함할 수 있다. 제1 저항(210)은 입력단과 증폭기(230)에 있는 제1 입력단 사이에 배치될 수 있고, 제2 저항(220)은 증폭기(230)에 있는 제2 입력단과 출력단 사이에 배치될 수 있으며, 일 실시예에서, 각각은 수 kohm의 저항 값으로 형성될 수 있다. 증폭기(230)는 제1 저항(210)을 통해 비례 신호 생성부(110)로부터 비례 신호 V1을 제1 입력단으로 입력 받을 수 있고, 기준 전압 Vref를 제2 입력단으로 입력 받을 수 있으며, 제2 저항(220)을 통한 피드백을 바탕으로 증폭을 수행하여 기준 전압 Vref를 기준으로 생성되고 전달함수 특성에 대응되는 전달함수 신호 V2를 생성하여 출력할 수 있다(도 5의 그래프 참조).
전달함수 생성부(120)는 DC 출력 전압이 해당 검출기 입력에 나타나는 총 RF 신호 전력에 비례 또는 반비례하는 전달 함수의 특성을 가지도록 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 전달함수 생성부(120)는 하기의 수학식 1을 기초로 전달함수 특성이 정의될 수 있고, 여기에서, Slope는 전달 함수에서 정의되는 입력에 나타나는 전력 대비 출력 신호에 관한 DC 출력 기울기 특성을 나타낸다. 여기에서, VO1과 VO2는 출력 전압들을 의미하며 PI1과 PI2는 입력단들에 나타나는 신호 전력들을 의미한다.
[수학식 1]
Slope = (VO2 - VO1) / (PI2 - PI1)
일 실시예에서, 전달함수 생성부(120)는 비례 신호 V1의 -60dBm 내지 +5dBm 값을 1.7Vdc 내지 0.5Vdc 내외의 값으로 변환하는 반비례 전달함수를 가질 수 있다. 이때, 기준 전압 Vref는 약 2.4Vdc 내외로 형성될 수 있고, 예를 들어, 2.4Vdc를 기준으로 특정 기준 오차 범위 이내가 되도록 형성될 수 있다.
다른 일 실시예에서, 전달함수 생성부(120)는 비례 신호 V1의 -60dBm 내지 +5dBm 값을 0.5Vdc 내지 1.7Vdc 내외의 값으로 변환하는 비례 전달함수를 가질 수 있다. 이때, 기준 전압 Vref는 약 0.5Vdc 내외로 형성될 수 있다.
자동 이득 조절부(130)는 전달함수 신호가 입력되면 자동 이득 조절(Auto Gain Control)을 수행한다. 보다 구체적으로, 자동 이득 조절부(130)는 전달함수 신호를 기초로 생성되고 피드백단으로 피드백될 수 있는 자동 이득 조절 신호를 출력하며, 피드백단에 피드백되는 자동 이득 조절 피드백 신호를 기초로 자동 이득 조절을 수행할 수 있다.
자동 이득 조절부(130)는 전달함수 생성부(120)의 출력단, 부분방전 검출부(140)의 입출력단 및 부분방전 판단부(150)의 입력단과 전기적으로 연결될 수 있고, 일 실시예에서, 적어도 하나의 저항을 통해 연결될 수도 있다. 예를 들어, 자동 이득 조절부(130)는 전달함수 생성부(120)로부터 입력으로 비례 신호 V1을 수신하고, 부분방전 검출부(140)의 입력단에 출력으로 자동 이득 조절 신호 V2a를 전달하며, 동시에, 부분방전 검출부(140)로부터 출력되는 자동 이득 조절 피드백 신호 V2b를 피드백단에 입력으로 피드백 받아 전압 이득을 조절하여 자동 이득 조절 출력 신호 V3을 출력할 수 있다(도 5의 그래프 참조).
일 실시예에서, 자동 이득 조절부(130)는 입력되는 신호의 진폭 변화에도 불구하고 출력에서 피드백되는 신호의 진폭 변화를 기초로 제어된 신호 진폭을 제공하는 폐쇄 루프 피드백 조절 회로인 AGC(Auto Gain Control) 또는 AVC(Automatic Volume Control)로 구현될 수 있다. 자동 이득 조절부(130)는 입력되는 신호의 세기가 강하면 이득(gain)을 감소시켜 출력되는 신호의 볼륨을 줄이고, 약하면 이득을 증가시켜 출력되는 신호의 볼륨을 증가시킬 수 있으며, 피드백단에 피드백되는 자동 이득 조절 피드백 신호의 평균 신호 레벨 또는 최대 출력 신호 레벨을 기초로 입출력 이득을 동적으로 조정할 수 있다.
자동 이득 조절부(130)는 부분방전 검출부(140)로부터 자동 이득 조절 신호의 변형을 통해 생성된 자동 이득 조절 피드백 신호를 피드백단에 제공 받아 부분방전 검출을 위한 자동 이득 조절을 수행할 수 있다. 예를 들어, 자동 이득 조절부(130)는 만일 출력되는 자동 이득 조절 신호 V2a에 부분방전 신호가 포함되었다면 부분방전 검출부(140)를 통해 전달함수 신호 V2 또는 자동 이득 조절 신호 V2a 대비 변형된 자동 이득 조절 피드백 신호 V2b를 피드백 받아 전압 이득을 더 조절하여 더 조정된 자동 이득 조절 신호 V2a를 이어서 출력할 수 있고(도 4의 부분방전 신호 검출 케이스 참조), 만일 포함되지 않았다면 부분방전 검출부(140)를 통하지만 변형되지 않거나 기준 차이량 미만으로 변형된 자동 이득 조절 신호 V2b를 피드백 받아 전압 이득을 덜 조절하여 덜 조정된 자동 이득 조절 신호 V2a를 이어서 출력할 수 있으며, 결과적으로, 부분방전 신호 포함 여부에 따라 서로 다른 파형 특성을 가지는 자동 이득 조절 출력 신호 V3을 출력할 수 있다(도 4의 유사 노이즈 또는 통신 노이즈 발생 케이스 참조).
일 실시예에서, 자동 이득 조절부(130)는 하기의 수학식 2를 기초로 전압 이득 조정 인자 g를 산출하여 산출된 전압 이득 조정 인자 g에 대응되는 전압 이득으로 자동 이득 조절 신호 및 자동 이득 조절 출력 신호를 출력하도록 제어할 수 있으며, 부분방전 검출부(140)를 통한 피드백에 따라 전압 이득 조정 인자 g를 실시간으로 조정하여 전압 이득 조절에 반영할 수 있다. 예를 들어, 부분방전 발생 상황을 가정하면, 도 3에서와 같이, 자동 이득 조절부(130)는 실시간으로 출력되는 자동 이득 조절 신호 V2a가 부분방전 검출부(140)를 거쳐 피드백되는 과정에서 부분방전 검출부(140)의 동작에 의해 진폭 및 주파수의 세기가 변형된 자동 이득 조절 피드백 신호 V2b를 피드백 받아 전압 이득 조정 인자 g를 높은 값으로 산출하여 전압 이득을 일시적으로 증가시킬 수 있고, 이러한 일시적 증가에 따라 저하된 입력 피드백 저하에 기인하여 전달함수 신호 V2에 대해 일시적 과증폭을 수행하여 부분방전이 발생하였음을 자동 이득 조절 신호 V2a에 즉각적으로 반영할 수 있으며, 결과적으로 피드백 반영에 따라 해당 시점에 일시적으로 과증폭된 자동 이득 조절 출력 신호 V3를 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 자동 이득 조절부(130)는 이러한 일시적 과증폭이 발생되지 않는 경우에는 평균적인 전압 이득이 1이 되도록 자동 이득 조절을 수행할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017102129119-pat00001
부분방전 검출부(140)는 자동 이득 조절부(130)의 출력단과 연결된 적어도 하나의 RC 병렬회로(310)를 통해 피드백을 수행한다. 이러한 내용은 도 3을 더 참조하여 설명하도록 한다.
도 3은 도 1에 있는 부분방전 검출부를 구성하는 일 실시 회로도를 보여준다.
도 3을 참조하면 부분방전 검출부(140)는 적어도 하나의 RC 병렬회로(310)를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 RC 병렬회로(310) 각각은 적어도 하나의 커패시터(312)와 적어도 하나의 저항(314)으로 구성될 수 있다.
부분방전 검출부(140)는 자동 이득 조절부(130)의 자동 이득 조절 신호가 입력되면 적어도 하나의 RC 병렬회로(310)를 통해 자동 이득 조절 피드백 신호를 생성하여 자동 이득 조절부(130)의 피드백단에 피드백한다. 일 실시예에서, 부분방전 검출부(140)는 적어도 하나의 RC 병렬회로(310)를 통해 자동 이득 조절 신호의 진폭 또는 주파수의 세기를 자동 이득 조절부(130)의 피드백단으로 피드백할 수 있고, 상기 서술한 것과 같이, 자동 이득 조절 신호에 부분방전 신호가 포함된 경우에는 자동 이득 조절부(120)와 RC 병렬회로(310) 상호 간의 충-방전 및 피드백 작용으로 자동 이득 조절부(120)의 증폭도 g를 변화시켜 일시적 과증폭과 파동(fluctuation)을 유도할 수 있다.
보다 구체적으로, 부분방전 신호는 펄스폭이 수 nS인 고주파 성분으로 구성된 군집(Burst)인 반면에 노이즈는 펄스폭이 넓은 상대적으로 저주파 성분의 군집으로 볼 수 있다. 일 예로, 로그 검출기 회로를 통하면 부분방전 버스트는 임펼스 형태를 띄고, 노이즈는 완만한 삼각파 형태를 띄게 된다. 상기 임펄스 형태의 파형은 주파스 스펙트럼상 고주파 성분으로 구성되어 있고 상기 완만한 삼각파는 비교적 저주파 성분으로 구성되어 있어서 RC 병렬회로(310)에서의 반응이 서로 다르다. 일 실시예로, 특정 R값과 C값으로 구성된 RC 병렬회로(310)에 상기 임펼스는 반응을 하지만 상기 완만한 삼각파는 반응을 하지 않는다(도 5의 그래프 참조).
부분방전 검출부(140)는 자동 이득 조절부(130)의 출력단으로부터 자동 이득 조절 신호가 수신되면 해당 출력단과 연결되고 각각이 적정 값을 가지는 커패시터(312)와 저항(314)으로 구성된 RC 병렬회로(310)를 통해 충-방전 피드백을 형성하여 자동 이득 조절 신호에 포함된 고주파 성분을 저하시켜 출력 신호의 세기를 결과적으로 낮출 수 있고, 출력 신호 그대로의 자동 이득 조절 피드백 신호가 아닌, 고주파 성분이 저하된 자동 이득 조절 피드백 신호를 자동 이득 조절부(130)에 피드백하여 자동 이득 조절부(130)의 자동 이득 조절을 위한 증폭도를 일시적으로 증가시켜 자동 이득 조절부(130)가 일시적으로 과증폭과 피드백으로 파동이 발생하도록 할 수 있다.
부분방전 검출부(140)는 다음과 같은 실시예들의 다양한 구성을 통해 구현될 수 있다.
제1 실시예에서, 부분방전 검출부(140)가 단일의 커패시터(312)와 단일의 저항(314)으로 구성된 단일의 RC 병렬회로(310)로 구성될 수 있다. 예를 들어, RC 병렬회로(310)는 각각의 일단이 자동 이득 조절부(130)의 출력단과 연결되고 각각의 다른 일단이 접지되는 커패시터(312)와 저항(314)으로 구성될 수 있다. 부분방전 검출부(140)는 수신되는 자동 이득 조절 신호의 특정 주파수 대역을 RC 병렬회로(310)를 통해 필터링할 수 있고, 예를 들어, 1MHz ~ 10GHz 주파수 대역의 신호가 필터링된 자동 이득 조절 피드백 신호를 자동 이득 조절부(130)의 피드백단에 피드백할 수 있다. 일 실시예에서, 커패시터(312)는 30pF ~ 300pF의 캐패시턴스 값을 가지도록 설계될 수 있고, 저항(314)은 커패시터(312)의 설계 범위에 따라 수 kohm에서 수백 kohm의 값을 가지도록 설계될 수 있으며, 예를 들어, 20kOhm ~ 40kOhm의 저항 값을 가지도록 설계될 수 있고, PCB 패턴 설계상 패턴의 길이 패턴 폭과 재질의 유전율을 감안하여 소자 값을 조절할 수 있고 달라질 수 있다.
부분방전 검출부(140)는 이와 같은 커패시터(312)와 저항(314)의 결합 구성을 통해 LPF(Low Pass Filter)로서 기능할 수 있고, 예를 들어, 자동 이득 조절 신호 V2a에서 500MHz 주파수 대역 이상의 신호가 필터링된 자동 이득 조절 피드백 신호 V2b를 자동 이득 조절부(130)에 피드백할 수 있다.
제2 실시예에서, 부분방전 검출부(140)는 커패시터, 인덕터, 저항 및 증폭기 중 적어도 두 개의 조합으로 구성될 수 있다. 부분방전 검출부(140)는 이러한 조합을 통해 LPF 또는 HPF(High Pass Filter)로 구현될 수 있다.
예를 들어, 도 4(a)에서와 같이, 부분방전 검출부(140)는 커패시터(410), 저항(420) 및 인덕터(430)로 구성될 수 있고, 이와 같은 결합 구성을 통해 LPF로서 기능할 수 있다. 이때, 적어도 하나의 부분방전 인덕터(430)는 저항(420) 및 커패시터(410)의 설계 범위에 따라 수 nH에서 수 mH 범위의 인덕턴스 값을 가지도록 설계 조정될 수 있다.
다른 예를 들어, 도 4(b)에서와 같이, 부분방전 검출부(140)는 커패시터(410), 저항(420) 및 부분방전 증폭기(440)로 구성될 수 있고, 이와 같은 결합 구성을 통해 LPF로서 기능할 수 있다.
상기에서는 부분방전 검출부(140)를 구현하기 위한 몇 가지 예시 구성들에 관해 기술하였으나, 이에 한정되지 않고, 부분방전 검출을 위해 자동 이득 조절부(130)로부터 수신된 출력 신호를 변형하여 자동 이득 조절부(130)에 피드백함으로써 부분방전 발생 시에 과증폭과 파동을 유도하는 기능과 관련하여 필요한 다양한 형태로 구성될 수 있음은 물론이다.
부분방전 검출부(140)는 출력되는 자동 이득 조절 신호를 자동 이득 조절부(130)에 피드백하는 동시에 자동 이득 조절 출력 신호를 부분방전 판단부(150)에 입력으로 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 부분방전 검출부(140)는 출력 임피던스 조정을 위해 자동 이득 조절 출력 신호를 출력하는 부분방전 검출부(140)의 출력단과 부분방전 판단부(150)의 입력단 사이에 배치되는 수 kohm의 저항을 더 포함할 수 있다.
부분방전 판단부(150)는 자동 이득 조절부(130)의 자동 이득 조절 출력 신호가 입력되면 기준 전압을 기초로 자동 이득 조절 출력 신호를 필터링하여 부분방전 판단 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 부분방전 판단부(150)는 기준 전압을 기준으로 자동 이득 조절 출력 신호의 일부만을 버퍼링하거나 증폭 또는 감산하여 부분방전 판단 신호를 획득할 수 있다. 부분방전 판단부(150)는 자동 이득 조절부(130)의 출력단, 부분방전 검출부(140)의 입력단 및 출력 포트(20)와 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 부분방전 판단부(150)는 자동 이득 조절 출력 신호와 기준 전압 간을 비교하여 자동 이득 조절 출력 신호에 있는 기준 전압 미만의 신호를 노이즈로 판단하여 소거하고 기준 전압 이상의 신호를 부분방전으로 판단하여 획득하는 필터링을 통해 부분방전 판단 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 부분방전 판단부(150)는 자동 이득 조절 출력 신호 V3에서 기준 전압 Vref 미만의 세기를 가지는 신호를 노이즈로 처리하여 버리고, 기준 전압 Vref 이상의 세기를 가지는 신호를 부분방전으로 취득하여 부분방전 판단 신호 Vout를 생성하여 출력 포트(20)에 출력할 수 있다(도 5의 그래프 참조).
일 실시예로, 부분방전 판단부(150)는 부분방전 판단 신호를 생성하기 위하여, 자동 이득 조절 출력 신호에서 기준 전압 또는 임의의 특정 전압을 감산하여 부분방전 판단 신호를 생성하고 +5Vdc 단전원을 동작전원으로 하는 감산 증폭기(Difference Amplifier)로 구현되거나, 또는, 자동 이득 조절 출력 신호와 기준 전압 또는 임의의 특정 전압을 기초로 차동 증폭하여 부분방전 판단 신호를 생성하는 차동 증폭기(Differential amplifier)로 구현되거나, 또는, 부분방전 발생 시에 자동 이득 조절 출력 신호의 전압을 임의의 특정 전압 또는 기준 전압 또는 기준 전압 아래로까지 전압 강하시키어 노이즈 성분을 제거하고 부분방전 판단 신호를 생성하기 위한 한 개 이상의 다이오드 연결을 통해 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 부분방전 처리 장치(100)는 부분방전 신호 레벨 변환부(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 부분방전 신호 레벨 변환부는 부분방전 판단부(150)의 출력단 및 출력 포트(20)와 전기적으로 연결될 수 있고, 부분방전 판단부(150)로부터 출력되는 자동 이득 조절 출력 신호를 입력 받아 부분방전 레벨 변환 신호를 생성할 수 있다.
부분방전 신호 레벨 변환부는 자동 이득 조절 출력 신호의 진폭이 기준 진폭 이상이면 TTL(Transistor Transistor Logic) 레벨로 변환된 부분방전 레벨 변환 신호를 발생시킬 수 있다. 일 실시예에서, 부분방전 레벨 변환 신호는 특정 진폭 및 지속 시간을 가지도록 설계될 수 있고, 여기에서, 기준 진폭은 정확성 및 속도에 관한 설계 타깃을 기초로 설계자에 의해 설정될 수 있으며, 해당 기준 진폭을 가지도록 내부 구성 요소들의 설계 값들이 조정될 수 있다.
일 실시예에서, 부분방전 레벨 변환 신호는 TTL 레벨 변환을 위해 비교기(comparator) 및 슈미트 트리거(Schmitt-trigger) 중 적어도 하나를 포함하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 부분방전 레벨 변환 신호는 자동 이득 조절 신호의 전압 레벨이 진폭이 기준 전압 Vt의 전압 레벨을 초과하면 데이터 1(high)을 의미하는 특정 전압 레벨을 특정 지속 시간 동안(예를 들어, 클럭 단위로) 발생시키는 비교기, 해당 비교기의 출력이 데이터 1(hgin)을 나타내는지 여부를 트리깅(trigging)하는 레벨 트리거(level trigger)나 엣지 트리거(edge trigger) 및 전압 레벨을 조정하기 위한 레벨 시프터(level shifter) 중 적어도 하나의 조합을 통해 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 기준 전압 Vt는 최대 전압 레벨 대비 50% ~ 90% 사이의 범위 내 또는 임의의 특정레벨에서 설정될 수 있다.
부분방전 신호 레벨 변환부는 상기와 같은 과정에 따라 부분방전 검출 과정에서 생성된 아날로그 레벨의 신호를 디지털 신호 처리를 위한 TTL 레벨의 신호로 생성하여 사용자에게 부분방전의 발생을 보다 명확하게 알릴 수 있고, 이후의 단계에서 디지털 프로세싱을 위한 입력으로 사용되도록 할 수 있다. 또한, 부분방전 신호 레벨 변환부는 아날로그 레벨의 신호를 버퍼링하여 ADC(Analog Digital Converter) 입력단으로 제공하여 출력 세기를 측정할 수 있다.
일 실시예에서, 부분방전 판단부(150)는 네트워크 통신 모듈을 더 포함할 수 있고, 부분방전 판단 신호 또는 부분방전 레벨 변환 신호가 발생되면 경고음을 출력하고 네트워크 통신 모듈을 통해 네트워크로 연결된 모니터링 서버(미도시됨)에 해당 발생에 관한 알림 메시지 및 해당 파형에 관한 정보를 전송할 수 있다. 또한 ADC 변환된 디지털 신호를 이용하여 부분방전의 세기를 측정하여 시간대별 세기에 따른 분석을 하여 부분방전 강도 변화 모니터링(미도시)하여 설비 원격 감시 및 원격 예방진단 장비로도 활용할 수 있다.
도 5는 도 1에 있는 부분방전 처리 장치가 부분방전을 검출하는 과정에서 입력 받거나 출력하는 전압들을 예시하는 도면이다.
도 3에서, 부분방전 처리 장치(100)는 입력 포트(10)를 통해 입력 신호 Vin를 수신할 수 있고, 비례 신호 생성부(110)는 입력 신호 Vin의 세기에 비례하는(예를 들어, Vin의 로그 값을 복조한) 비례 신호 V1를 생성할 수 있다. 예를 들어, 비례 신호 생성부(110)에 의해 로그 값으로 디모듈레이션된 RF 버스트 신호들 중에서 부분방전 신호에 해당되는 부분은 파형 폭이 매우 좁은(예를 들어, 임펄스) 형태에 가까운 파형을 가지는 비례 신호 V1로 출력될 수 있고, 부분방전이 아닌 다른 노이즈들은 상대적으로 완만한 파형을 가지는 비례 신호 V1로 출력될 수 있다.
전달함수 생성부(120)는 도 2에 도시한 바와 같이, 설정된 기준 전압 Vref와 전달 함수의 Slope (예를 들어, Slope = (VO2 - VO1) / (PI2 - PI1)) 특성에 따라 전달함수 신호 V2를 생성할 수 있다. 여기에서, P는 비례 신호 생성부(110)의 RF 버스트 입력의 세기 이다.
자동 이득 조절부(130)는 전달함수 신호 V2를 기초로 자동 이득 조절 신호 V2a를 출력할 수 있다. 부분방전 검출부(140)는 자동 이득 조절부(130)의 출력단과 연결된 RC 병렬회로(310)를 통해 자동 이득 조절 신호 V2a에서 고주파 대역에 있는 전압을 일시적으로 강하시킨 자동 이득 조절 피드백 신호 V2b를 생성하여 자동 이득 조절부(130)의 피드백단에 제공할 수 있고, 자동 이득 조절부(130)는 일시적으로 강하된 자동 이득 조절 피드백 신호 V2b가 피드백되면 전압 이득을 증가시켜 해당 강하가 지속되는 동안 출력되는 자동 이득 조절 신호 V2a의 진폭을 원 신호 대비하여 증폭시킬 수 있다.
부분방전 검출부(140)는 상기와 같은 피드백에 따라, 부분방전 신호가 발생된 경우에는 자동 이득 조절부(130)의 과증폭을 유도함으로써 변형된 자동 이득 조절 출력 신호 V3을 출력할 수 있고, 유사 노이즈 또는 통신 노이즈가 발생된 경우에는 자동 이득 조절부(130)의 과증폭을 유도하지 않음으로써 사실상 변형되지 않은 자동 이득 조절 출력 신호 V3을 출력할 수 있다. 도 3에서, 부분방전 검출부(140)에서 생성될 수 있는 V2a, V2b 및 V3를 구분하여 표시하였으나, 일 실시예에서, 부분방전 검출부(140)의 구성에 따라 V2a, V2b 및 V3 중 적어도 일부는 서로 동일한 노드에 해당할 수도 있다.
부분방전 판단부(150)는 부분방전 검출부(140)로부터 수신된 자동 이득 조절 출력 신호 V3의 진폭이 기준 전압 Vref 이상이면 해당 부분을 부분방전 신호로 판단하여 취득할 수 있고, Vref 미만이면 해당 부분을 노이즈 신호로 판단하여 버리는 방식으로 부분방전 판단 신호 Vout을 생성할 수 있다.
하지만 노이즈 성분이 일부 잔존할 수 있으므로, 부분방전 신호 레벨 변환부는 부분방전 판단부(150)로부터 수신된 부분방전 판단 신호 Vout을 다른 기준 전압 Vt와 비교하여 최종적으로 Vt 이상의 진폭을 가지는 신호가 검출되면 TTL 레벨의 부분방전 레벨 변환 신호 Vttl을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 부분방전 처리 장치(100)는 입력 신호에 부분방전 신호가 포함되었는지 여부에 따라 선별적으로 부분방전 발생 여부를 알릴 수 있다.
도 6은 도 1에 있는 부분방전 판단부의 일 실시예에 따른 회로도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 부분방전 판단부(150)는 자동 이득 조절 출력 신호를 제1 입력으로 수신하고, Vref를 제2 입력으로 수신하여, 제1 입력에서 제2 입력을 감산하는 감산 증폭기로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 부분방전 판단부(150)는 연산증폭기를 사용하여 양입력단 입력의 세기의 차이를 전압 이득 1로 증폭하는 감산기로서 기능할 수 있고, 다른 일 실시예에서, 연산증폭기를 사용하여 양입력단 입력의 세기의 차이를 1을 초과하거나 1 미만의 전압 이득으로 증폭하는 차동증폭기로서 기능할 수도 있다.
일 실시예에서, 부분방전 판단부(150)는 자동 이득 조절 출력 신호가 수신되는 제1 입력단 또는 Vref가 수신되는 제2 입력단과 연결된 복수의 저항들(510)을 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 부분방전 판단부(150)는 Vref와 상기 제1 입력단 사이에 배치된 제1 저항(610b), 부분방전 검출부(140)의 출력단과 상기 제2 입력단 사이에 배치된 제2 저항(610a), 상기 제1 입력단과 부분방전 판단부(150)의 출력단 사이에 배치된 제3 저항(610d) 및 상기 제2 입력단과 그라운드 사이에 배치된 제4 저항(610c)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 복수의 저항들(610)은 수 kohm의 저항 범위 내에서 서로 동일한 저항 값을 가지도록 설계될 수 있다.
다른 일 실시예에서, 부분방전 판단부(150)는 자동 이득 조절 신호와 기준 전압 Vref를 기초로 차동 증폭하는 차동 증폭기로 구현될 수도 있다.
도 7은 도 1에 있는 부분방전 처리 장치를 포함하는 부분방전 검출 시스템을 나타내는 도면이다.
부분방전 검출 시스템(700)은 전기장비(710), 전류 변환기(720), 부분방전 처리 장치(100) 및 출력 장치(730)를 포함할 수 있다.
전기장비(710)는 전동, 발전, 전기 변환, 전기 공급 및 전기 제어 중에서 적어도 하나를 수행하는 전력설비 장치에 해당할 수 있다. 예를 들어, 전기장비(710)는 SIS(Solid Insulation Switchgear)를 포함하는 케이블 부분방전 장치에 해당할 수 있다. 도 7에서, 전기장비(710)는 가스절연개폐기의 형태로 도시되었으나, 전기자동차 상의 배터리, 인버터, 파워 모터, 전기자동차용 충전기, 변압기 또는 케이블에 해당할 수도 있으며, 고속 전철이나 건물 배전, UHF(Ultra High Frequency) 연관 장치에 해당할 수도 있다.
전류 변환기(720)는 전기장비(710)의 접지라인과 결합될 수 있고, 전기장비(710)에서 발생되는 전자기파를 검출하여 전류로 변환하는 CT(Current Transfer)로 구현될 수 있으며, 부분방전 처리 장치(100)는 전류 변환기(720)로부터 변환된 전류를 입력 신호로 수신하여 해당 입력 신호를 기초로 부분방전 검출을 수행할 수 있다.
출력 장치(730)는 부분방전 처리 장치(100)와 연결될 수 있고, 부분방전 처리 장치(100)로부터 수신되는 신호들을 처리하여 시각화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 출력 장치(730)는 부분방전 처리 장치(100)로부터 수신된 아날로그 신호들을 디지털 신호로 변환할 수 있는 디지털 변환 모듈, 변환된 디지털 신호를 기초로 프로그램이 가능하도록 구현된 FPGA(field-programmable gate array), FPGA로부터 수신된 신호를 처리하는 PC보드 및 처리된 신호를 시각적으로 출력하는 디스플레이 모듈 중 적어도 하나를 통해 구현될 수 있다.
도 8은 도 7에 있는 부분방전 처리 장치를 실제로 구현하여 부분방전 발생 여부를 검출하는 과정을 나타내는 출력 결과 그래프이다.
도 8에서, 부분방전 처리 장치(100)는 실제 장비로 구현되어 SIS 장비의 전기장비(710)와 연결된 전류 변환기(720)로부터 대상 신호를 입력 신호로서 제공 받을 수 있고, 제공된 입력 신호를 처리하여 부분방전 신호가 포함되어 있는지 여부를 검출하여 출력 장치(730)를 통해 해당 입출력 신호를 시각화시킬 수 있다.
도 8에서, 아래의 그래프는 전류 변환기(720)로부터 제공된 입력 신호(VIN)를 나타내고, 위의 그래프는 부분방전 처리 장치(100)가 입력 신호를 기초로 부분방전 신호 발생 여부를 검출하여 생성한 출력 신호(VOUT)을 나타낸다. 실제로 수신되는 입력 신호에는 여러 신호들이 중첩되어 있고, 신호의 세기가 매우 적어서 시각적으로 부분방전 신호 포함 여부를 판단하기 어려우나, 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 처리 장치(100)는 제공된 입력 신호(Vin)에 부분방전 신호가 포함되어 있는지 여부를 높은 정확도로 검출하는 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 부분방전 처리 장치
110: 비례 신호 생성부 120: 전달함수 생성부
130: 자동 이득 조절부 140: 부분방전 검출부
150: 부분방전 판단부

Claims (12)

  1. 입력 신호의 세기에 비례하는 비례 신호를 생성하는 비례 신호 생성부;
    상기 비례 신호 생성부의 출력단과 자동 이득 조절부의 입력단 사이에 위치하며, 기준 전압과 전달함수를 기초로 입력단에 입력되는 상기 비례 신호를 변환하여 전달함수 신호를 출력하는 전달함수 생성부;
    상기 전달함수 신호가 입력되면 자동 이득 조절(Auto Gain Control)을 수행하는 자동 이득 조절부;
    상기 자동 이득 조절부의 자동 이득 조절 신호가 입력되면 적어도 하나의 RC 병렬회로를 통해 자동 이득 조절 피드백 신호를 생성하여 상기 자동 이득 조절부의 피드백단에 피드백하는 부분방전 검출부; 및
    상기 자동 이득 조절부의 자동 이득 조절 출력 신호가 입력되면 상기 기준 전압을 기초로 상기 자동 이득 조절 출력 신호를 필터링하여 부분방전 판단 신호를 생성하는 부분방전 판단부를 포함하는 부분방전 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비례 신호 생성부는
    상기 입력 신호의 로그 값을 복조(demodulation)하여 상기 비례 신호를 생성하는 로그 검출기(log detector)로 구현되는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비례 신호 생성부는
    증폭기(amplifier), 엔벨로프 검출기(envelope detector) 및 적분기(integrator) 중 적어도 하나를 통해 또는 적어도 두 개의 조합을 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 부분방전 검출부는
    상기 적어도 하나의 RC 병렬회로를 통해 상기 자동 이득 조절 신호의 진폭 또는 주파수의 세기를 상기 자동 이득 조절부의 피드백단으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 부분방전 검출부는
    상기 피드백의 과정에서 상기 자동 이득 조절 신호에 노이즈가 포함된 경우에는 상기 기준 전압 대비 음의 방향으로 부증폭하고, 부분방전 신호가 포함된 경우에는 상기 적어도 하나의 RC 병렬회로와 상기 자동 이득 조절부 상호 간의 충-방전 및 피드백 작용으로 증폭도를 변화시켜 일시적 과증폭과 파동(fluctuation)을 유도하는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전달함수 생성부는
    상기 비례 신호의 -60dBm 내지 5dBm 값을 1.7Vdc 내지 0.5Vdc 값으로 변환하는 반비례 전달함수를 갖는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기준 전압은
    2.4Vdc를 기준으로 특정 오차 범위 이내의 값을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치
  8. 제 1항에 있어서, 상기 부분방전 판단부는
    상기 자동 이득 조절 출력 신호와 상기 기준 전압 간을 비교하여 상기 자동 이득 조절 출력 신호에 있는 상기 기준 전압 미만의 신호를 노이즈로 판단하여 소거하고 상기 기준 전압 이상의 신호를 부분방전으로 판단하여 획득하는 상기 필터링을 통해 상기 부분방전 판단 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 부분방전 판단부는
    상기 자동 이득 조절 출력 신호에서 상기 기준 전압을 감산하는 감산 증폭기(Difference Amplifier)로 구현되거나, 상기 자동 이득 조절 출력 신호와 상기 기준 전압을 기초로 차동 증폭하는 차동 증폭기(Differential amplifier)로 구현되거나, 또는, 부분방전 시의 전압 강하를 위한 적어도 하나의 다이오드를 포함하여 구현되는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치.
  10. 제1항 있어서,
    상기 부분방전 판단부의 출력단 및 출력포트와 전기적으로 연결되어 상기 부분방전 판단 신호의 진폭이 기준 진폭 이상이면 TTL(Transistor Transistor Logic) 레벨로 변환된 부분방전 레벨 변환 신호를 발생시키는 부분방전 신호 레벨 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치.
  11. 제10항 있어서, 상기 부분방전 신호 레벨 변환부는
    비교기 및 슈미트 트리거 중 적어도 하나를 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 부분방전 처리 장치.
  12. 부분방전 처리 장치에 의해 수행되는 부분방전 검출 방법에 있어서,
    입력 신호의 세기에 비례하는 비례 신호를 생성하는 비례 신호 생성 단계;
    기준 전압과 전달함수를 설정하고, 상기 기준 전압과 전달함수를 기초로 상기 비례 신호를 변환하여 전달함수 신호를 생성하는 전달함수 생성 단계;
    상기 전달함수 신호를 기초로 자동 이득 조절(Auto Gain Control)을 수행하는 자동 이득 조절 단계;
    적어도 하나의 RC 병렬회로를 통해 상기 적어도 하나의 RC 병렬회로와 상기 자동 이득 조절을 수행하는 자동 이득 조절부 간의 상호 충방전 및 피드백 작용을 유도하여 상기 자동 이득 조절의 수행 과정에 피드백하는 부분방전 검출 단계; 및
    상기 자동 이득 조절을 통해 자동 이득 조절 출력 신호가 생성되면 상기 기준 전압을 기초로 상기 자동 이득 조절 출력 신호를 필터링하여 부분방전 판단 신호를 생성하는 부분방전 판단 단계를 포함하는 부분방전 검출 방법.
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