KR101977916B1

KR101977916B1 - 부분 방전 센서

Info

Publication number: KR101977916B1
Application number: KR1020180000873A
Authority: KR
Inventors: 장준연; 나대석; 최용식; 이완해
Original assignee: 주식회사 일산전기
Priority date: 2018-01-03
Filing date: 2018-01-03
Publication date: 2019-05-13

Abstract

본 발명은 부분 방전 센서에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)는, 부분 방전(Partial Discharge) 센싱을 위한 센서(10)로서, 절연부(30) 및 절연부(30)의 일면 상에 형성되는 센싱부(20)를 포함하며, 센싱부(20)는, 상부에 배치되는 원형부(22) 및 하부에 배치되는 선형부(23)를 포함하는 중앙 센싱부(21) 및 선형부(23)의 하단에 연결되고 수평한 방향으로 연장되는 수평부(28), 및 수평부(28)의 양단에서 각각 수직한 방향으로 연장되며 중앙 센싱부(21)의 양측에 이격되어 형성되는 한쌍의 수직부(26, 27)를 포함하는 사이드 센싱부(25)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

부분 방전 센서 {PARTIAL DISCHARGE SENSOR}

본 발명은 부분 방전 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 넓은 대역폭에 걸쳐 센싱 능력이 향상되고, 소형화가 가능한 부분 방전 센서에 관한 것이다.

극초단파를 이용한 전력기기 부분 방전(Partial discharge)과 고조파(Harmonic) 검출기술 분야에서, 가스 절연 개폐장치(Gas insulated switchgear, GIS)와 변압기로 대표되는 변전기기의 예방진단 기술은, 부분 방전 센서와 고조파 센서의 설계 및 평가기술, 센서 최적배치기술, 극초단파신호 처리기술, 방전 원인 자동추론기술, 방전 위치 추정기술, 그리고 노이즈 저감기술 등이 있다.

전자기파 측정 방법을 이용한 PD(Partial discharge) 진단 시스템은 1990년대 말 영국 DMS사에 의해 가스 절연 개폐장치(GIS)가 개발되어 상용되기 시작하였다. GIS 결함으로써 내부에서 부분 방전을 일으키는 주요 원인으로는, 고정된 금속이물이 전기적으로 GIS 외함이나 중앙도체에 연결되지 않은 부유전극, 고정되지 않은 금속이물이 GIS 내부를 자유롭게 움이면서 절연파괴를 일으키는 자유 도체, 뾰족한 금속물에서 코로나 방전이 발생하는 돌출 전극, 절연체에 공극이나 이물 또는 크랙 등의 절연체 결함으로 나눌 수 있다.

GIS 결함에서 발생하는 방전 전류는 상승시간이 수십~수백 ps이고 폭이 1 ns 이하로 매우 짧아, 수 GHz 대역의 극초단파 대역을 포함한 전자기파를 발생시킨다. 이는 매우 제한된 공간 내에서 기체 방전 프로세스가 매우 짧은 시간 동안 진행되어 종료되기 때문이다. 전자기파는 GIS 내부를 전파하고, 감쇠, 반사 등을 거쳐 부분 방전 센서에 도달한다. 이렇게 센서에 검출된 신호는 다양한 방법으로 분석하여 방전 원인과 결함 위치를 추정하게 된다.

전력기기에서의 부분 방전 측정은 전력기기의 절연상태에 대한 중요한 정보를 제공한다는 측면에서 다른 어떠한 열화진단 방법보다 우수하다고 평가받는다. 특히, 부분 방전은 절연열화의 마지막 단계에서 발생되는 경우가 대부분이므로, 이에 대한 측정 및 분석을 통한 사전 진단은 매우 유효한 기술로 발전할 수 있다. 한편, 선진국의 경우 전력사용량은 포화에 다다르고 전력설비의 사용 년수가 30~40년에 이르러 새로운 전력설비의 증설보다는 유지관리와 보수 및 교체에 주력하고 있고, 국내의 경우 154kV급의 기존 설비의 사용 년수가 거의 30년에 이르러 유지관리 및 보수교체가 필요한 시점이며, 신설 설비에 대해서는 효율적으로 무인화된 운영 및 유지관리가 필요하다. 따라서, 전력설비에 대한 절연 열화 진단 및 감시 장비의 필요성이 나날이 증대하고 있다.

종래의 부분 방전 측정 방식에서는 무방전 고전압 전원(Partial discharge free transformer) 및 커플링 커패시터가 필수적으로 요구되었다. 하지만 이러한 시스템을 현장에 적용하는 것은 매우 어렵고, 전자파 차폐가 이루어지지 않는 현장에서는 주변으로부터의 노이즈로 인해 고감도의 측정이 매우 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저주파 대역에서부터 고주파 대역에 걸쳐 센싱이 가능한 부분 방전 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 소형화되고, 센싱 성능이 개량된 부분 방전 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서는, 부분 방전(Partial Discharge) 센싱을 위한 센서로서, 상기 센서는, 절연부 및 상기 절연부의 일면 상에 형성되는 센싱부를 포함하며, 상기 센싱부는, 상부에 배치되는 원형부 및 하부에 배치되는 선형부를 포함하는 중앙 센싱부; 및 상기 선형부의 하단에 연결되고 수평한 방향으로 연장되는 수평부, 및 상기 수평부의 양단에서 각각 수직한 방향으로 연장되며 상기 중앙 센싱부의 양측에 이격되어 형성되는 한쌍의 수직부를 포함하는 사이드 센싱부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 절연부는 사각 판 형상이고, PCB(printed circuit board), 플렉시블(flexible) 고분자, 산화규소, 알루미나, 세라믹 중 어느 하나의 재질일 수 있다.

상기 중앙 센싱부의 상기 원형부의 직경은 상기 선형부의 수평 폭보다 클 수 있다.

상기 원형부의 직경은 상기 선형부의 수평 폭보다 5배 내지 6배일 수 있다.

상기 수직부는 상부에 배치되는 제1 수직부 및 하부에 배치되는 제2 수직부를 포함하며, 상기 제1 수직부의 수평 폭은 상기 제2 수직부의 수평 폭보다 클 수 있다.

상기 제1 수직부 및 상기 제2 수직부는 사각 형상이고, 상기 제1 수직부와 상기 제2 수직부의 경계에서 단차가 형성될 수 있다.

상기 제1 수직부의 하단은, 상기 원형부의 중심에 수평한 축보다 상부에 위치할 수 있다.

상기 제1 수직부 및 상기 제2 수직부는 바깥측 모서리를 공유하여 일체로 연결될 수 있다.

상기 제1 수직부의 수평 폭은 상기 제2 수직부의 수평 폭보다 3배 내지 4배일 수 있다.

상기 제1 수직부의 수직 폭보다 상기 제2 수직부의 수직 폭이 1.3 배 내지 1.6배일 수 있다.

상기 수평부의 수직 폭 및 상기 제2 수직부의 수평 폭은, 상기 수평부의 수평 폭보다 1/30 내지 1/25일 수 있다.

상기 중앙 센싱부의 수직 폭은 상기 수직부의 수직 폭과 동일하거나 작을 수 있다.

상기 센싱부와 대향하는 상기 절연부의 타면 상에 형성되는 보조 센싱부를 더 포함할 수 있다.

상기 보조 센싱부는 사각 형상이고, 적어도 원형부보다 하부에 위치한 상기 절연부의 영역을 커버할 수 있다.

상기 보조 센싱부의 수직 폭은 상기 수직부의 수직 폭보다 1/4.5 내지 1/3.5일 수 있다.

적어도 1GHz보다 낮은 저주파 대역에서 부분 방전 센싱 시에, 상기 중앙 센싱부 및 상기 사이드 센싱부 전체가 공진할 수 있다.

1GHz 내지 3GHz의 고주파 대역에서 부분 방전 센싱 시에, 상기 사이드 센싱부의 상기 한쌍의 수직부가 공진할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 저주파 대역에서부터 고주파 대역에 걸쳐 센싱이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 소형화되고, 센싱 성능이 개량된 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서를 나타내는 사시도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서의 센싱부를 나타내는 정면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부분 방전 센서를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부분 방전 센서를 나타내는 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서의 주파수 대비 측정 수치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서의 저주파 대역 및 고주파 대역 신호에서의 전류 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 손실(return loss)의 측정 데이터를 나타내는 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현 될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성 요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음을 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에 있어서, 부분 방전 센서(Partial Discharge Sensor)는 가스 절연 개폐장치(Gas insulated switchgear, GIS), 변압기에서 발생하는 방전 전류를 측정하는 것을 상정하여 설명하지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 다른 전력기기의 부분 방전 측정에도 사용할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 본 명세서에 있어서, 다른 명시적인 기재가 없는 한 부분 방전 센서의 정면을 기준으로 각 구성의 위치, 형상 등을 설명하며, "수직 방향", "수직 폭" 등은 세로 방향, 세로 폭 등을, "수평 방향", "수평 폭"은 가로 방향, 가로 폭 등을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)를 나타내는 사시도이다. 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)를 나타내는 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)는 센싱부(20), 절연부(30)를 포함할 수 있다.

센싱부(20)는 절연부(30)의 일면(전면) 상에 형성될 수 있다. 센싱부(20)는 실질적으로 방전 전류의 전자기파를 측정하는 센서, 안테나 역할을 하는 부분으로서, 금속 박으로 구성될 수 있다. 일 예로, 센싱부(20)는 Cu 재질로 약 0.1mm의 두께를 가지도록 형성될 수 있지만, 재질, 두께 등이 이에 제한 되는 것은 아니다.

센싱부(20)는 중앙 센싱부(21) 및 사이드 센싱부(25)를 포함할 수 있다.

중앙 센싱부(21)는 센싱부(20)의 중앙 부분에 위치하며, 상부에 배치되는 원형부(22) 및 하부에 배치되는 선형부(23)를 포함할 수 있다.

원형부(22)의 하단과 선형부(23)의 상단은 일체로 연결될 수 있다. 원형부(22)는 원 형상, 선형부(23)는 소정의 폭을 가지는 선 형상일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 선형부(23)는 원형부(22)의 직경보다 좁은 수평 폭을 가지도록 형성될 수 있다.

사이드 센싱부(25)는 한쌍의 수직부(26, 27) 및 수평부(28)를 포함할 수 있다.

한쌍의 수직부(26, 27)는 중앙 센싱부(21)의 좌측 및 우측에 각각 이격되어 배치될 수 있다. 수직부(26, 27)는 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 그리하여, 수직부(26, 26)는 센싱부(20)의 좌측, 우측 모서리 부분을 구성할 수 있다.

각각의 수직부(26, 27)는 상부에 배치되는 제1 수직부(26) 및 하부에 배치되는 제2 수직부(27)를 포함한다. 제1 수직부(26)의 하단과 제2 수직부(27)의 상단은 일체로 연결될 수 있다. 제1 수직부(26) 및 제2 수직부(27)는 바깥측 모서리를 공유하며 일체로 연결될 수 있다. 다시 말해, 좌측의 수직부(26, 27)의 제1 수직부(26) 및 제2 수직부(27)는 좌측(바깥측) 모서리를 공유하여, 좌측의 수직부(26, 27)의 좌측 모서리는 일직선으로 형성될 수 있다. 우측의 수직부(26, 27)의 제1 수직부(26) 및 제2 수직부(27)는 우측(바깥측) 모서리를 공유하여, 좌측의 수직부(26, 27)의 우측 모서리는 일직선으로 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제1 수직부(26) 및 제2 수직부(27)는 일측이 길게 연장되는 사각 형상일 수 있고, 제1 수직부(26)와 제 수직부(27)의 경계에서 단차가 형성될 수 있다. 제1 수직부(26)의 수평 폭과 제2 수직부(27)의 수평 폭의 차이에 의해 단차가 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제1 수직부(26)의 수평 폭은 제2 수직부(27)의 수평 폭보다 크게 형성될 수 있다. 그리하여, 좌측의 수직부(26, 27)는 내측[중앙 센싱부(21)를 향하는 측]이 제1 수직부(26)에 의해 우측으로 돌출된 형태를 가질 수 있고, 반대로, 우측의 수직부(26, 27)는 내측[중앙 센싱부(21)를 향하는 측]이 제1 수직부(26)에 의해 좌측으로 돌출된 형태를 가질 수 있다.

수평부(27)는 중앙 센싱부(21)의 하단, 즉, 선형부(23)의 하단에 연결되고, 수평 방향으로 연장될 수 있다. 선형부(23)의 하단은 수평부(27)의 정가운데 연결되는 것이 바람직하다. 그리하여, 수평부(27)는 센싱부(10)의 하측 모서리를 구성할 수 있다.

수평부(27)의 좌측단 및 우측단에서는 수직 방향으로 수직부(26, 27)가 각각 연결될 수 있다. 즉, 수직부(26, 27)의 하단은 수평부(27)의 좌측단 및 우측단의 상부와 일체로 연결될 수 있다. 그리하여, 사이드 센싱부(25)는 전체적으로 "┗┛" 형상을 나타낼 수 있다.

기존의 센서, 안테나 등은 상술한 중앙 센싱부(21) 정도의 형태만을 가지기 마련이다. 반면에, 본 발명의 부분 방전 센서(10)는 중앙 센서부(21)의 하부 및 양측에 사이드 센싱부(25)가 더 연결하여 상부를 제외한 나머지 모서리를 둘러싸는 형상을 가진다. 이러한 구조에 의해, 저주파 대역에서는 중앙 센싱부(21)의 원형부(22)와 사이드 센싱부(25)의 양 수직부(26, 27)에 고르게 전류가 분포하여 부분 방전 센서(10) 전체가 공진할 수 있게 된다. 또한, 고주파 대역에서는 사이드 센싱부(25)의 양 수직부(26, 27)에 전류가 집중됨에 따라 양 수직부(26, 27)가 공진할 수 있게 된다. 따라서, 부분 방전 센서(10)가 저주파 대역에서부터 고주파 대역까지 넓은 대역에 대해 방전 전류를 센싱할 수 있게 되는 효과가 있고, 77 있게 된다.

센싱부(20)의 하부, 또는, 수평부(27)의 하부에는 외부의 부분 방전 측정 장치와 연결되는 커넥터 단자(29)가 형성될 수 있다.

절연부(30)는 부분 방전 센서(10)의 베이스 기판으로서 기능하는 부분으로서, 절연성 재질로 구성될 수 있다. 일 예로, 절연부(30)는 PCB(printed circuit board) 재질일 수 있다. 이때, 절연부(30) 상에 센싱부(20)를 형성하는 공정은 기존의 반도체 공정을 이용할 수 있고, 이에 따라 부분 방전 센서(10)를 소형화 하기 유리하다. 또한, 일 예로, 절연부(30)는 폴리이미드(polyimide)와 같은 플렉시블(flexible) 고분자, 산화규소(silicon oxide), 알루미나(alumina), 세라믹 등의 재질일 수 있다. 절연부(30)는 센싱부(20)를 지지하기 위해 약 1mm의 두께를 가지도록 형성될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

절연부(30)는 사각 판 형상일 수 있고, 센싱부(20)는 사각 판 영역 내에 배치되는 크기를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 절연부(30) 상에 금속 박을 형성한 후에 패턴 식각하는 방법, 금속 박 테이프를 절연부(30) 상에 부착하는 방법, 금속 박을 레이저 식각하는 방법 등을 이용하여 절연부(30) 상에 센싱부(20)를 형성하여 부분 방전 센서(10)를 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)의 센싱부(20)를 나타내는 정면도이다.

본 발명의 부분 방전 센서(10)가 넓은 대역폭에서 공진되고, 센싱 감도가 향상될 수 있도록, 센싱부(20)는 도 3에 도시된 바와 같은 형태, 수치를 가지는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 2를 통해 상술한 센싱부(20)의 구성을 더 구체적으로 살펴보면 이하와 같다.

센싱부(20)는 수평 폭이 D1, 수직 폭이 D2인 사각 영역 내에 배치되도록 형성될 수 있다. 수평 폭(D1)은 수직 폭(D2)보다는 길게 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 수평 폭(D1)은 54mm, 수직 폭(D2)은 45mm일 수 있다.

중앙 센싱부(21)의 수직 폭은 수직부(26, 27)의 수직 폭과 동일하거나 작게 형성될 수 있다. 도 3에서는 중앙 센싱부(21)의 수직 폭은 수직부(26, 27)의 수직 폭이 동일한 형태를 예시한다.

한편, 원형부(22)의 직경(R1)은 선형부(23)의 수평 폭(R2)보다 5배 내지 6배일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 원형부(22)의 직경(R1)은 35mm, 선형부(23)의 수평 폭(R2)은 6mm일 수 있고, 선형부(23)의 수직 폭은 5~7mm 정도일 수 있다.

원형부(22)의 중심(C)이 제1 수직부(26)의 하단보다 높은 위치에 있게 되면, 방전 전류가 고주파 대역으로 갈수록 전류가 원형부(22)의 중심(C)에 집중되어 공진 효율이 낮아지는 현상이 생길 수 있다. 따라서, 원형부(22)의 중심(C)은 적어도 제1 수직부(26)의 하단보다 낮은 위치에 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 일 실시예에 따르면, 원형부(22)의 중심(C)을 지나는 수평선(CL)과 제1 수직부(26)의 하단과의 높이 차(D6)는 1mm일 수 있다. 또한, 원형부(22)와 제1 수직부(26)의 위치를 고려하면, 제1 수직부(26)의 수직 폭(D5)은 원형부(22)의 반경보다는 작은 것이 바람직하다. 일 실시예에 따르면, 원형부(22)의 직경(R1)이 35mm, 제1 수직부(26)의 수직 폭(D5)은 17mm일 수 있다.

수직부(26, 27)와 수평부(28)의 수직 폭(높이)의 합은 센싱부(20)의 수직 폭에 대응할 수 있다. 그리고, 제1 수직부(26)의 수직 폭(D5)보다 제2 수직부(27)의 수직 폭(D7)이 크고, 바람직하게는 1.3 배 내지 1.6배일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 수직부(26)의 수직 폭(D5)은 17mm, 제2 수직부(27)의 수직 폭(D7)은 24mm, 수평부(28)의 수직 폭은 2mm, 센싱부(20)의 수직 폭(D2)은 45mm일 수 있다.

수직부(26, 27)는 제1 수직부(26)의 부분이 제2 수직부(27)보다 수평 폭이 크게 형성되어 내측으로 돌출된 형태를 가질 수 있다. 제1 수직부(26)의 수평 폭(D3)은 제2 수직부(27)의 수평 폭(D4)보다 3배 내지 4배일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 수직부(26)의 수평 폭(D3)은 7mm, 제2 수직부(27)의 수평 폭(D4)은 2mm일 수 있고, 제1 수직부(26)와 제2 수직부(27) 사이에 형성되는 단차는 5mm일 수 있다.

수평부(28)의 수직 폭과 제2 수직부(27)의 수평 폭(D4)은 동일할 수 있다. 그리고, 수평부(28)의 수직 폭과 제2 수직부(27)의 수평 폭(D4)은 수평부(28)의 수평 폭(D1)[또는, 센싱부(20)의 수평 폭(D1)]보다 1/30 내지 1/25일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 수평부(28)의 수평 폭(D1)은 54mm이고, 수평부(28)의 수직 폭과 제2 수직부(27)의 수평 폭(D4)은 2mm일 수 있다.

한편, 일 실시예에 따르면, 커넥터 단자(29)는 수평 폭 및 수직 폭이 2mm일 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)를 나타내는 사시도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)를 나타내는 분해 사시도이다. 이하에서는, 도 1 및 도 2와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해서만 설명한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)는 센싱부(20), 절연부(30), 보조 센싱부(40)를 포함할 수 있다.

센싱부(20) 및 절연부(30)는 도 1 및 도 2의 부분 방전 센서(10)와 동일하다.

보조 센싱부(40)는 센싱부(20)와 대향하는 절연부(30)의 타면(후면) 상에 형성될 수 있다. 보조 센싱부(40)도 방전 전류의 전자기파를 측정하는 센서, 안테나 역할을 할 수 있지만, 그라운드(ground) 역할을 할 수도 있다. 보조 센싱부(40)도 센싱부(20)와 동일한 재질의 금속 박으로 구성되는 것이 바람직하다. 일 예로, 보조 센싱부(40)는 Cu 재질로 약 0.1mm의 두께를 가지도록 형성될 수 있지만, 재질, 두께 등이 이에 제한 되는 것은 아니다.

보조 센싱부(40)는 사각 형상을 가지고, 원형부(22)의 중심(C)보다 하부에 위치한 절연부(30)의 영역 상에 형성될 수 있다. 다시 말해, 절연부(30)는 투명 또는 반투명하게 형성되고, 센싱부(20)에서 중앙 센싱부(21)와 사이드 센싱부(25) 사이에는 빈 영역(OR)이 형성되는데, 보조 센싱부(40)가 절연부(30)의 후면에 형성됨에 따라 이 빈 영역(OR)을 일부 채워서 막을 수 있다.

보조 센싱부(40)의 수직 폭은 수직부(26, 27)의 수직 폭보다 1/4.5 내지 1/3.5일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 보조 센싱부(40)의 수평 폭은 센싱부(20)의 수평 폭(D1)과 동일한 54mm이고, 수직 폭은 11~13mm 정도일 수 있다.

빈 영역(OR)이 보조 센싱부(40)에 의해 막아짐에 따라서, 센싱부(20)와 보조 센싱부(40)가 구성하는 전체 임피던스가 조절될 수 있다. 또한, 보조 센싱부(40)가 센싱 과정에 있어서 보조적인 요소(parasitic element)로 작용하여 센싱 효율을 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하에서는, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 부분 방전 센서(10)의 성능을 살펴본다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)의 주파수 대비 측정 수치를 나타내는 도면이다. 도 6에서 x 축은 주파수 대역(GHz), y축은 S11의 dB 값을 나타낸다. 부분 방전 센서(10)를 VNA(vector network analyzer)에 연결한 후 S-파라미터(S-parameter)를 측정하였다. S-파라미터는 주파수 분포 상에서 입력전압 대 출력전압의 비를 의미한다. 부분 방전 센서(10)의 경우 일반적으로 입력 포트만 존재하기 때문에 S11만 출력될 수 있다. 보통 특정 주파수대역에서 S11이 뚝 떨어지는 형상을 취하게 되는데, 방사주파수에서 S11이 크게 떨어진다는 의미는 그 주파수에서 입력전압이 반사되지 않고 최대한 외부로 방출된다는 의미이다. S11이 크게 떨어질수록 VSWR(voltage standing wave ratio)도 작아져서 부분 방전 센서(10)의 방사 특성이 좋다는 것을 의미할 수 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 부분 방전 센서(10)가 0 ~ 3GHz 주파수 대역의 넓은 대역폭에서 신호를 센싱할 수 있음을 확인하였다. 이에 따라, UWB(Ultra Wide Band) 센서, UWB 안테나 등으로서 사용될 수 있는 가능성을 확인하였다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 센서의 저주파 대역[도 7의 (a)] 및 고주파 대역[도 7의 (b)] 신호에서의 전류 분포를 나타내는 도면이다.

도 7의 (a)를 참조하면, 1GHz 이하의 저주파 대역에서는 중앙 센싱부(21)의 원형부(22)와 사이드 센싱부(25)의 양 수직부(26, 27)에 고르게 전류가 분포하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 제1 수직부(26)와 원형부(22)에서 유사한 전류 분포가 나타나는데, 이는 제1 수직부(26)의 하단보다 적어도 낮은 위치에 원형부(22)의 중심(C)이 위치하도록 구성한 결과이다. 이에 따라, 저주파 대역에서 부분 방전 센서(10)가 전체에 걸쳐 공진할 수 있게 되어 센싱 감도가 향상될 수 있다.

도 7의 (b)를 참조하면, 1 ~ 3GHz의 고주파 대역에서는 사이드 센싱부(25)의 양 수직부(26, 27)[및 수평부(28)]에 전류가 집중되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 고주파 대역에서 부분 방전 센서(10)의 수직부(26, 27)[또는, 사이드 센싱부(25)] 부분이 공진할 수 있게 되어 센싱 감도가 향상될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 손실(return loss)의 측정 데이터를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2의 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)를 이용하여 반사 손실을 측정하였고, 종래의 부분 방전 센서(비교예)의 반사 손실과 비교하였다. 종래의 부분 방전 센서는 중앙 센싱부(21)의 형태만을 가지고, 수평 폭 70mm, 수직 폭 65의 크기를 가진다. 본 발명의 실시예 1은 수평 폭 54mm, 수직 폭 45mm의 크기를 가진다.

각 주파수에 따른 반사 효율은 아래 표와 같다.

본 발명의 실시예 1에 따른 부분 방전 센서(10)는 비교예보다 작은 크기를 가짐에도 불구하고, 향상된 효율을 나타냄을 확인할 수 있다.

또한, 도 4 및 도 5의 실시예에 따른 부분 방전 센서(10)를 이용하여 반사 손실을 측정하였고, 종래의 부분 방전 센서(비교예)의 반사 손실과 비교하였다. 각 주파수에 따른 반사 효율은 아래 표와 같다.

본 발명의 실시예 2에 따른 부분 방전 센서(10)는 비교예보다 10% 내지 20% 높은 효율을 나타냄을 확인할 수 있다.

위와 같이, 본 발명의 부분 방전 센서(10)는 저주파 대역에서부터 고주파 대역에 걸쳐 센싱이 가능한 효과가 있다. 그리고, 본 발명의 부분 방전 센서(10)는 기존의 부분 방전 센서와 대비하여 사이즈가 크게 축소되면서도 센싱 성능이 개량되는 효과가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

10: 부분 방전 센서
20: 센싱부
21: 중앙 센싱부
22: 원형부
23: 선형부
25: 사이드 센싱부
26: 제1 수직부
27: 제2 수직부
28: 수평부
29: 커넥터 단자
30: 절연부
40: 보조 센싱부
OR: 빈 영역

Claims

부분 방전(Partial Discharge) 센싱을 위한 센서로서,
상기 센서는, 절연부 및 상기 절연부의 일면 상에 형성되는 센싱부를 포함하며,
상기 센싱부는,
상부에 배치되는 원형부 및 하부에 배치되는 선형부를 포함하는 중앙 센싱부; 및
상기 선형부의 하단에 연결되고 수평한 방향으로 연장되는 수평부, 및 상기 수평부의 양단에서 각각 수직한 방향으로 연장되며 상기 중앙 센싱부의 양측에 이격되어 형성되는 한쌍의 수직부를 포함하는 사이드 센싱부
를 포함하고,
상기 수직부는 상부에 배치되는 제1 수직부 및 하부에 배치되는 제2 수직부를 포함하며,
상기 제1 수직부의 수평 폭은 상기 제2 수직부의 수평 폭보다 큰, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
상기 절연부는 사각 판 형상이고,
PCB(printed circuit board), 플렉시블(flexible) 고분자, 산화규소, 알루미나, 세라믹 중 어느 하나의 재질인, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
상기 중앙 센싱부의 상기 원형부의 직경은 상기 선형부의 수평 폭보다 큰, 부분 방전 센서.
제3항에 있어서,
상기 원형부의 직경은 상기 선형부의 수평 폭보다 5배 내지 6배인, 부분 방전 센서.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 수직부 및 상기 제2 수직부는 사각 형상이고,
상기 제1 수직부와 상기 제2 수직부의 경계에서 단차가 형성되는, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 수직부의 하단은, 상기 원형부의 중심에 수평한 축보다 상부에 위치하는, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 수직부 및 상기 제2 수직부는 바깥측 모서리를 공유하여 일체로 연결되는, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 수직부의 수평 폭은 상기 제2 수직부의 수평 폭보다 3배 내지 4배인, 부분 방전 센서.
제9항에 있어서,
상기 제1 수직부의 수직 폭보다 상기 제2 수직부의 수직 폭이 1.3 배 내지 1.6배인, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
상기 수평부의 수직 폭 및 상기 제2 수직부의 수평 폭은, 상기 수평부의 수평 폭보다 1/30 내지 1/25인, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
상기 중앙 센싱부의 수직 폭은 상기 수직부의 수직 폭과 동일하거나 작은, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
상기 센싱부와 대향하는 상기 절연부의 타면 상에 형성되는 보조 센싱부를 더 포함하는, 부분 방전 센서.
제13항에 있어서,
상기 보조 센싱부는 사각 형상이고, 적어도 원형부보다 하부에 위치한 상기 절연부의 영역을 커버하는, 부분 방전 센서.
제14항에 있어서,
상기 보조 센싱부의 수직 폭은 상기 수직부의 수직 폭보다 1/4.5 내지 1/3.5인, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
적어도 1GHz보다 낮은 저주파 대역에서 부분 방전 센싱 시에, 상기 중앙 센싱부 및 상기 사이드 센싱부 전체가 공진하는, 부분 방전 센서.
제1항에 있어서,
1GHz 내지 3GHz의 고주파 대역에서 부분 방전 센싱 시에, 상기 사이드 센싱부의 상기 한쌍의 수직부가 공진하는, 부분 방전 센서.