KR101982623B1 - 고압 케이블 접속재의 부분 방전 측정 장치 및 방법 - Google Patents

고압 케이블 접속재의 부분 방전 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고압 케이블 접속재에서 발생하는 부분 방전을 측정하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 고압 케이블 접속재에서 발생하는 특정 주파수의 진동을 이용하여 부분 방전을 측정하면서, 기준 값을 설정할 수 있도록 함으로써 부분 방전의 발생 뿐만 아니라 및 진행 상황을 정량적으로 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 고압 케이블 접속재의 부분 방전 측정 장치 및 방법에 의하면, 저주파 진동을 이용하여 부분 방전을 측정할 수 있는 장치를 저렴한 비용으로 제조하고 설치할 수 있으며, 기준값을 설정하여 부분 방전의 발생 뿐만 아니라 및 진행 상황을 정량적으로 측정함으로써 고압 케이블의 점검 및 관리를 효과적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.

Description

고압 케이블 접속재의 부분 방전 측정 장치 및 방법 {PARTIAL DISCHARGE MEASURING DEVICE AND METHOD OF HIGH VOLTAGE CABLE JOINT}
본 발명은 고압 케이블 접속재에서 발생하는 부분 방전을 측정하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 고압 케이블 접속재에서 발생하는 특정 주파수의 진동을 이용하여 부분 방전을 측정하고, 설정된 기준 값과 비교하여 부분 방전의 발생 뿐만 아니라 진행 상황을 정량적으로 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
송전 및 배전 전력 설비(electric Power System)는 발전소에서 생산된 전기를 도시 등의 대규모 사용 지역에 전송하기 위한 설비이다. 이러한 전력 설비는 고압의 전력이 전송되는 과정에서 기계적, 전기적 스트레스가 발생하기도 하고, 비나 눈과 같은 자연 환경 또는 온도 등의 영향으로 인하여 케이블의 절연이 약화되어 국부적인 부분 방전(partial discharge)이 발생할 수 있다. 부분 방전 현상은 초기에는 전력 설비의 성능이나 동작에 큰 영향을 미치지 않을 수 있지만, 지속적인 부분 방전이 발생하는 경우에는 절연 파괴 (수 트리, 전기 트리) 또는 전기장과 이온에 의한 영향으로 발생하는 산화물 등에 의하여 절연이 파괴되는 열화현상이 발생하게 된다. 이러한 절연 열화 현상은 전력 설비의 기능을 정지시킬 수도 있고, 극단적일 경우에는 화재나 폭발로 이어져서 정전(shutdown)과 같은 문제가 발생하기도 한다. 이로 인하여 도시 전체 또는 산업 지역에 대한 전기 공급이 중단되는 치명적인 상황이 발생할 수도 있다.
부분 방전은 고압 케이블의 표면 또는 고압 케이블의 접속 부분에서 주로 발생하는데, 부분 방전을 측정하기 위한 방법도 다양하게 연구되고 있다. 예를 들어, 부분 방전이 일어나는 경우에는 빛이나 전자파, 누설전류, 열, 소리 또는 진동과 같은 다양한 물리적 현상이 발생하게 되는데, 이러한 물리적 현상을 이용해서 부분 방전을 측정하게 된다.
빛을 이용하는 경우는 고압 케이블의 일측면에 카메라를 설치하고 특정 색상의 빛이 발생하는 것을 감지하는 방법인데, 카메라 설치시 고가의 비용이 소요되고 원형의 케이블 전체를 감시하기 위해서는 다수의 카메라를 설치하여야 하는 문제가 있다.
전자파를 이용하는 경우는 500 MHz ~ 1500 MHz의 초고주파(UHF; Ultra High Frequency) 대역의 신호를 검출하는 UHF 센서를 이용하는 방법이다. 등록특허공보 제 10-0978459 호 (초고압 전력 케이블용 부분방전 카운터), 등록특허공보 제 10-1181713 호 (변전/배전용 하이브리드 ＰＤ검측기 및 이를 통한 변전/배전설비 ＰＤ진단방법), 및 등록특허공보 제 10-1486994 호 (초고주파 및 음파의 융합 측정이 가능한 초고압 변압기용 포터블 부분방전 측정장치)에서 UHF 센서를 이용한 부분 방전 검출 방법을 개시하고 있는데, 이러한 UHF 센서를 이용하는 방법은 부분 방전의 발생 여부를 측정하는 것은 어느 정도 가능하지만, 센서 설치 조건에 따라서 측정 값에 차이가 발생하기 때문에 부분 방전의 진행 경과를 정량적으로 측정하기 어려운 문제가 있다.
고주파 누설 전류를 이용하는 경우는 고주파 전류 센서(HFCT ; High Frequency CurrentTransformer)를 전력 설비의 접지선에 취부하여 부분 방전이 일어나는 경우에 접지선을 따라 흐르는 방전 전류를 측정하는 방법이다. 등록특허공보 제 10-1553005 호 (전력설비의 부분방전 감시진단 시스템)에서 고주파 누설 전류를 이용하는 방법을 제시하고 있는데, 이 방법은 가공선로에 적용되는 기술로 접지선을 따라 누설 전류를 측정하기 때문에 지상에서 일정한 높이에 위치하고 있는 고압선에서 발생하는 부분 방전을 측정하기가 어렵다는 단점이 있다.
부분 방전에 의해 발생하는 열을 측정하는 방법은 고압 케이블의 전체에서 온도가 상승하는 것이 아니라 일부분 또는 국부적으로 열이 발생되기 때문에, 온도 센서를 다수 설치하여야 하고, 온도센서 특성상 설치된 장소의 주위 온도에 영향을 받기 쉬운 문제가 있다.
한편, 소리나 진동을 이용하는 방법은 부분 방전 측정 장치가 설치되는 고압 케이블의 환경이 다양하기 때문에, 설치 장소에 따른 환경을 반영하여 신뢰성 있는 측정이 어려운 문제가 있어서 쉽게 이용하지 못하는 측면이 있었다.
등록특허공보 제 10-0978459 호 (2010.08.26) 등록특허공보 제 10-1181713 호 (2012.09.10) 등록특허공보 제 10-1486994 호 (2015.01.29) 등록특허공보 제 10-1553005 호 (2015.10.01)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고압 케이블 접속재에서 발생하는 특정 주파수의 진동을 이용하여 부분 방전을 측정하되, 케이블 접속재에 본 발명의 기기를 설치 시 기준 값을 설정할 수 있도록 하여 부분 방전의 발생 뿐만 아니라 진행 상황을 정량적으로 측정할 수 있는 고압 케이블 접속재의 부분 방전 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 부분 방전 측정 장치는 고압 케이블 접속재에 설치되어 부분 방전을 측정하기 위한 장치에 있어서, 상기 고압 케이블 접속재의 일측에 설치되어 진동을 발생시키는 진동자와, 상기 고압 케이블 접속재의 다른 일측에 설치되어, 상기 진동자 또는 상기 고압 케이블 접속재로부터 전달되는 진동 신호의 크기를 측정하는 진동센서와, 상기 진동 센서를 통해 검출된 진동 신호의 크기를 측정하여 부분 방전 여부를 판단하는 방전 제어부를 포함할 수 있다.
상기 진동자는 상기 고압 케이블 접속재에 고정형, 분리형 또는 휴대용으로 설치될 수 있다.
상기 진동자가 분리형 또는 휴대형인 경우, 전압 센서가 상기 고압 케이블 접속재에 설치될 수 있다.
상기 진동자가 고정형인 경우, 전압 센서가 상기 진동자에 일체로 설치될 수 있다.
상기 진동자는 상기 방전 제어부와 유선 또는 무선 통신으로 연결될 수 있다.
복수의 고압 케이블 접속재가 인접하는 경우, 상기 진동자는 상기 복수의 고압 케이블 접속재마다 설치하되, 복수의 진동자를 직렬 형태로 연결할 수 있다.
상기 진동센서는 상기 고압 케이블 접속재의 양쪽 끝단 또는 한쪽 끝단에 설치할 수 있다.
복수의 고압 케이블 접속재가 인접하는 경우, 상기 진동 센서는 상기 복수의 고압 케이블 접속재마다 설치하되, 복수의 진동 센서를 직렬 형태로 연결할 수 있다.
상기 방전 제어부는 부분 방전 여부를 판단하는 방전 판단부와, 부분 방전 여부를 판단하기 위한 수치 정보를 저장하는 메모리와, 부분 방전 여부 또는 동작 상태를 표시하는 디스플레이와, 상기 방전 제어부의 내부 기준 값을 설정하기 위한 캘리브레이션(조정, calibration) 제어부를 포함할 수 있다.
상기 방전 판단부는 상기 진동 센서를 통해 검출된 진동 신호에 포함된 잡음을 제거하는 1차 필터와, 상기 1차 필터를 통해 전달되는 신호에서 부분 방전에 의해 발생하는 주파수 대역의 신호를 추출하는 2차 필터와, 상기 2차 필터를 통해 추출된 신호를 주파수 영역의 크기로 변환하기 위한 FFT 연산부를 포함할 수 있다.
상기 캘리브레이션 제어부는 원격 제어기에 의해 동작이 이루어질 수 있다.
상기 부분 방전 측정 장치는 블루투스(Bluetooth), NFC(Near Field Communication), 지그비(ZigBee), MST(Magnetic Secure Transmission), 비콘(Beacon), 이더넷(Ethernet), 로라(RoLa), 와이파이(WiFi) 중 하나의 무선 통신 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 부분 방전 측정 방법은 고압 케이블 접속재에 설치되는 부분 방전 측정 장치에서 부분 방전을 측정하는 방법에 있어서, 상기 부분 방전 측정 장치에 대한 캘리브레이션 절차를 진행하는 단계와, 상기 고압 케이블 접속재에서 발생하는 진동 신호를 검출하는 단계와, 상기 검출된 진동 신호를 1차 필터링하는 단계와, 상기 1차 필터링 된 신호를 2차 필터링하는 단계와, 상기 2차 필터링 된 신호를 FFT 연산하는 단계와, 상기 연산 결과에 따라 부분 방전을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 캘리브레이션 절차를 진행하는 단계는 기준 신호를 진동자에 인가하기 위하여 진동 신호를 발생시키는 단계와, 상기 진동 신호를 검출하여 1차 필터 계수를 설정하는 단계와, 상기 진동 신호를 바탕으로 2차 필터 계수를 설정하는 단계와, 상기 진동 신호를 바탕으로 기준 주파수 크기를 설정하는 단계와, 상기 1차 필터 계수, 상기 2차 필터 계수, 및 상기 기준 주파수 크기를 메모리에 저장하는 단계와, 테스트를 실시하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 1차 필터링하는 단계는 진동 센서를 통해 검출된 진동 신호에서 잡음을 제거하는 단계일 수 있다.
상기 2차 필터링하는 단계는 상기 1차 필터링하는 단계를 통해 잡음이 제거된 신호에서 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 진동 주파수 신호만을 선택적으로 추출하는 단계일 수 있다.
상기 부분 방전을 판단하는 단계는 상기 FFT 연산을 통해 신호를 주파수 영역의 크기로 변환된 진동 신호에 대해서, 기준 크기 이상의 진동 신호가 발생하는 경우에 부분 방전으로 판단할 수 있다.
상기 부분 방전을 판단하는 단계는 기준 크기 이상의 진동 신호가 일정 횟수 이상 발생하는 경우에 부분 방전으로 판단할 수 있다.
상기 부분 방전 측정 방법은 부분 방전이 발생한 것으로 판단되는 경우에, 부분 방전 발생을 알리는 신호를 디스플레이에 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 부분 방전 측정 방법은 부분 방전이 발생한 것으로 판단되는 경우에 경고 신호를 관리 시스템이나 서버에 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 부분 방전 측정 장치는 고압 케이블 접속재에 설치되어 부분 방전을 측정하기 위한 장치에 있어서, 상기 고압 케이블 접속재의 일측에 설치되어 진동을 발생시키는 진동자와, 상기 고압 케이블 접속재의 다른 일측에 설치되어, 상기 진동자 또는 상기 고압 케이블 접속재로부터 전달되는 음파 신호의 크기를 측정하는 진동센서와, 상기 진동센서를 통해 검출된 진동 신호의 크기를 측정하여 부분 방전 여부를 판단하는 방전 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 부분 방전 측정 방법은 고압 케이블 접속재에 설치되는 부분 방전 측정 장치에서 부분 방전을 측정하는 방법에 있어서, 상기 부분 방전 측정 장치에 대한 캘리브레이션 절차를 진행하는 단계와, 상기 고압 케이블 접속재에서 발생하는 음파 신호를 검출하는 단계와, 상기 검출된 음파 신호를 1차 필터링하는 단계와, 상기 1차 필터링 된 신호를 2차 필터링하는 단계와, 상기 2차 필터링 된 신호를 FFT 연산하는 단계와, 상기 FFT 연산 결과에 따라 부분 방전을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 고압 케이블 접속재의 부분 방전 측정 장치 및 방법에 의하면, 특정 주파수의 진동을 이용하여 부분 방전을 측정할 수 있는 장치를 경제적인 비용으로 제조하고 설치할 수 있으며, 기준 값을 설정할 수 있도록 하여 부분 방전의 발생 뿐만 아니라 및 진행 상황을 정량적으로 측정할 수 있어 고압 케이블 및 접속재의 점검 및 관리를 효과적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 장치의 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 장치를 고압 케이블 접속재에 설치한 상태도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 장치를 고압 케이블 접속재에 설치한 상태의 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 방법의 흐름도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 장치에 대한 캘리브레이션 절차를 나타낸 흐름도이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면에 의하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)는 진동자(100)와 진동 센서(200), 방전 제어부(300)로 이루어질 수 있다.
진동자(100)는 고압 케이블 접속재에 설치되어 진동을 발생시키는 장치이다. 이 때, 진동자(100)는 방전 제어부(300)와 결합된 상태에서 고압 케이블 접속재에 설치되어 방전 제어부(300)의 제어에 따라 고압 케이블 접속재에 진동을 발생시킬 수 있다. 또는, 방전 제어부(300)와 이격된 상태로 고압 케이블 접속재에 위치하되 방전 제어부(300)와 유선 또는 무선 통신으로 연결되어 방전 제어부(300)의 제어에 따라 고압 케이블 접속재에 진동을 발생시킬 수도 있다.
진동자(100)는 고압 케이블 접속재에 단수 또는 복수개로 설치될 수 있으며, 설치형태는 고정형, 분리형 또는 휴대형으로 설치조건에 따라 여러 형태로 변형될 수 있다. 진동자(100)가 분리형 또는 휴대형으로 설치되는 경우에는 진동자(100)가 설치되었던 위치에 고압 케이블에 전류가 흐르는지 여부를 확인할 수 있는 활선 센서(또는 전압 센서)가 설치될 수 있으며, 진동자(100)가 고정형으로 설치되는 경우에는 활선 센서 또는 전압 센서를 진동자(100)와 일체로 설치할 수 있다.
일반적으로 고압 케이블에서 발생하는 부분 방전은 20 kHz ~ 30 kHz 사이의 진동이 발생하며, 코로나 방전의 경우에도 40 kHz 대역의 진동이 발생하므로, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)는 진동자(100)를 통해 10 ~ 50 kHz 의 저주파 진동을 발생시킬 수 있도록 구성하는 것이 효과적이다.
진동 센서(200)는 고압 케이블 접속재의 일측 또는 고압 케이블과 고압 케이블 접속재가 결합된 부분에 설치되어 진동자 (100) 또는 케이블에서 이상 발생시 발생하는 진동이 고압 케이블 접속재를 따라 전달된 신호의 크기를 측정하기 위한 장치이다. 진동자 (100)가 고압 케이블 접속재의 한쪽 끝단에 위치하는 경우에는 진동 센서(200)를 고압 케이블 접속재의 반대편 끝단에 설치하는 것이 바람직하며, 진동자 (100)가 고압 케이블 접속재의 중앙 부분에 위치하는 경우에는 진동 센서(200)를 고압 케이블 접속재의 양쪽 끝단 또는 한쪽 끝단에 설치하는 것이 바람직하다.
방전 제어부(300)는 진동자(100)와 유선 또는 무선으로 연결되어 진동자 (100)에서 특정 주파수의 진동을 발생시킬 수 있도록 구성되며, 진동 센서(200)를 통해 검출된 진동의 크기를 측정하여 부분 방전 여부를 판단하거나 측정 값을 화면에 표시할 수 있다. 이 때, 진동 센서(200)와 방전 제어부(300)는 유선 또는 무선으로 연결될 수도 있다.
방전 제어부(300)는 진동 센서(200)를 통해 검출된 진동의 크기를 이용하여 고압 케이블 접속재에서 부분 방전이 발생하는지 여부를 판단하기 위한 방전 판단부(310)와 메모리(320), 디스플레이(330), 및 캘리브레이션 제어부(340)를 포함할 수 있다.
방전 판단부(310)는 진동 센서(200)를 통해 검출된 진동 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 1차 필터(311)와, 부분 방전에 의해 발생하는 주파수 대역의 신호를 추출하기 위한 2차 필터(313) 및 이를 통해 추출된 신호를 주파수 대역으로 변환하기 위한 FFT(Fast Fourier Transform) 연산부(315)를 포함할 수 있다. 방전 판단부(310)에서 이루어지는 동작은 아래에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
메모리(320)는 진동 센서(200)에서 검출된 진동 신호 및 방전 판단부(310)에서 추출되거나 연산된 신호 정보를 저장할 수 있다. 또한, 메모리(320)는 캘리브레이션 제어부(340)의 동작에서 의해 설정된 기준 신호 값을 저장할 수 있다.
메모리(320)는 일반적으로 RAM(Random Access Memory) 과 ROM(Read Only Memory) 같은 저장 매체 형태인 고속의 메인 메모리와, 플로피 디스크, 하드 디스크, 테이프, CD-ROM, 플래시 메모리 등의 장기(long term) 저장 매체 형태의 보조 메모리, 및 전기, 자기, 광학이나 그 밖의 저장 매체를 이용하여 데이터를 저장하는 장치를 포함할 수 있다. 메인 메모리는 디스플레이(330)를 통하여 검출, 추출, 또는 연산된 값을 표시하는 비디오 메모리를 포함할 수 있다. 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게는 상기 메모리(320)가 여러 가지 저장 성능을 구비하는 제품으로서, 여러 가지 형태를 가질 수 있다는 것이 자명할 것이다.
디스플레이(330)는 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)에서 문자나 이미지를 표시할 수 있는 출력 장치를 의미하지만, 부분 방전을 외부에 경고할 수 있는 스피커 또는 부저와 같은 장치도 포함될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(330)는 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode), 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode, OLED), 플렉서블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 또는 7 세그먼트(7 Segment)와 같이 문자나 이미지를 표시할 수 있는 다양한 형태로 이루어질 수 있을 것이다.
캘리브레이션 제어부(340)는 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)를 고압 케이블 접속재에 최초로 설치하는 경우에 부분 방전을 측정하기 위한 기준 값을 설정하는데 사용될 수 있다. 즉, 고압 케이블 및 고압 케이블 접속재는 각각 설치 및 사용 연한이 서로 상이하기 때문에, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)가 설치되는 시점에 케이블의 열화 또는 부분 방전의 진행 상황이 모두 다를 수 있다. 따라서, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)가 설치되는 시점을 기준으로 고압 케이블의 열화 또는 부분 방전의 진행 여부를 고려하여 정상 범위에 해당하는 진동 주파수 및 크기를 설정하고, 케이블접속재의 설치 조건에서 발생하는 측정오차(편차)를 보정하여 부분 방전으로 판단하기 위한 기준 값을 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 캘리브레이션 제어부(340)는 진동자(100)에 신호를 인가하여 부분 방전에 해당하는 저주파 진동을 발생시키고, 진동 센서(200)를 통해 고압 케이블 또는 고압 케이블 접속재에 의해 전달되는 진동의 크기를 측정하여 정상 범위의 기준 값을 설정할 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 방전 제어부(300)는 관리자로부터 제어 신호를 입력 받을 수 있는 입력 장치를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력 장치는 관리자의 손가락 터치를 인식할 수 있는 터치 스위치, 터치 스크린 또는 전자펜 등의 입력 수단이 포함될 수 있다. 따라서, 관리자는 이러한 입력 수단을 이용하여 캘리브레이션 제어부(340)를 조작할 수 있을 것이다. 또는, 부분 방전 측정 장치(500) 내에 무선 모뎀이 설치되는 경우에는, 캘리브레이션 제어부(340)를 조작할 수 있는 원격 제어기(도면에 도시하지 않음)를 사용할 수도 있을 것이다.
이러한 방전 제어부(300)는 계산을 수행하기 위한 ALU(Arithmetic Logic Unit)와, 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터, 부분 방전 측정 장치(300)의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방전 제어부(300)는 디지털(Digital) 사의 알파(Alpha), MIPS 테크놀로지, NEC, IDT, 지멘스(Siemens) 등의 MIPS, 인텔(Intel)과 사이릭스(Cyrix), AMD 및 넥스젠(Nexgen)을 포함하는 회사의 x86, IBM과 모토롤라(Motorola)의 파워PC(PowerPC) 및 ARM과 같이 다양한 아키텍쳐(Architecture)를 갖는 프로세서로 구성될 수 있다.
본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)는 방전 제어부(300) 내에 탑재된 소프트웨어에 의해 동작이 이루어질 수 있다. 방전 제어부(300) 내에 탑재되는 소프트웨어는 OS(Operating System) 및 적어도 하나의 응용 프로그램을 포함할 수 있다. OS는 부분 방전 측정 장치(500)의 동작 및 리소스의 지정을 제어하는 소프트웨어 집합이며, 응용 프로그램은 OS를 통하여 이용 가능한 컴퓨터 리소스를 사용함으로써, 부분 방전의 측정 및 연산, 관리자가 요청한 업무를 수행하기 위한 소프트웨어 집합이다. OS 및 응용 프로그램은 메모리(320)에 상주될 것이다.
또한, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)는 방전 제어부(300)와 진동자 (100), 또는 방전 제어부(300)와 진동 센서(200) 사이에 유선 또는 무선으로 사용될 수 있으며, 특히 관리자가 무선으로 방전 제어부(300)를 조작할 수 있도록 방전 제어부(300) 내에 무선 통신 모듈이 탑재될 수 있다. 예를 들어, 유선 네트워크로서는 RS-485, RS-232, 또는 RS-422 등의 통신 방식이 사용될 수 있으며, 무선 네트워크로서는 블루투스(Bluetooth), NFC(Near Field Communication), 지그비(ZigBee), MST(Magnetic Secure Transmission), 비콘(Beacon), 이더넷(Ethernet), 로라(RoLa), 와이파이(WiFi)와 같은 다양한 무선 통신 기술을 사용하는 것이 가능할 것이다.
또한, 상기 부분 방전 측정 장치(500)는 전원부로서 일반 상용전원은 물론 교환 가능한 배터리가 탑재될 수도 있고, 전원 공급용 변류기(Current Transformer)를 연결하여 항시 전원이 공급되도록 할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 장치를 고압 케이블 접속재에 설치한 상태도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)는 고압 케이블(10)을 연결하는 접속재(20)의 일측에 설치될 수 있다.
이 때, 부분 방전 측정 장치(500)를 구성하는 진동자 (100)는 고압 케이블 접속재(20)의 중앙 부분에 홈을 형성하고 여기에 삽입되는 형태로 위치할 수 있다. 고압 케이블(10)이 복수의 라인으로 형성된 경우에는 각 고압 케이블(10)을 연결하는 접속재(20) 마다 진동자(100)를 배치하고, 이들 복수의 진동자(100)를 연결하는 하나의 방전 제어부(300)에서 부분 방전을 측정할 수 있을 것이다. 따라서, 복수의 진동자(100)가 고압 케이블 접속재(20)에 설치되는 경우에는 각각의 진동자(100)를 직렬 형태로 연결하는 것이 효과적이다. 고압 케이블 접속재(20)에 설치하는 진동자(100)는 복수개로 설치할 수도 있지만, 진동자(100)로부터 발생하는 진동이 양쪽 고압 케이블(10) 또는 고압 케이블 접속재(20)를 따라 전파되기 때문에, 고압 케이블 접속재(20)의 중앙 부분에 하나의 진동자(100)를 설치하는 것만으로도 효과적인 부분 방전 측정이 가능하도록 캘리브레이션을 할 수 있다.
진동 센서(200)는 진동자(100)로부터 발생하여 고압 케이블 접속재(20)를 통해 전파되는 진동을 측정하기 위하여, 고압 케이블 접속재(20)의 양쪽 끝단에 설치할 수 있다. 물론, 고압 케이블 접속재(20)의 끝단 이외의 다른 부분에 설치하거나 고압 케이블(10)의 표면에 설치할 수도 있지만, 고압 케이블(10)의 외피를 보호하고 전파되는 진동의 크기를 효과적으로 측정하기 위하여, 고압 케이블 접속재(20)의 양쪽 끝단에 설치하는 것이 바람직하다. 따라서, 고압 케이블 접속재(20)마다 중앙 부분에 하나의 진동자(100)가 설치되고, 끝 부분에 두 개의 진동 센서(200)가 설치되는 것이 효과적이다.
이러한 진동 센서(200)는 진동자(100)를 기준으로 각각 좌측 및 우측으로 그 위치를 구분할 수 있는데, 복수의 고압 케이블(10)이 형성된 경우에는 좌측에 위치한 진동 센서(200)를 모두 직렬로 연결하여 방전 제어부(300)에 연결하고, 우측에 위치한 진동 센서(200)를 모두 직렬로 연결하여 방전 제어부(300)에 연결함으로써 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)의 배선을 형성할 수 있다.
이 때, 각각의 진동 센서(200)의 경우, 이와 관련된 각종 기기 및 장치별로 자동 또는 수동으로 ID를 설정함으로써 통신 및 제어가 가능하도록 설치할 수도 있을 것이다.
이에 따라, 고압 케이블 접속재(20)의 중간 홈에 위치한 진동자(100)를 통해 발생하는 진동은 고압 케이블 접속재(20)를 따라 전파되고, 고압 케이블 접속재(20)의 양쪽 끝단에 위치한 진동 센서(200)에서 진동이 검출된다. 진동 센서(200)에서 검출된 진동은 방전 제어부(300)로 전달되는데, 방전 제어부(300)는 방전 판단부(310)에서 검출된 진동에 대하여 주파수 단위로 크기를 측정하여 부분 방전 여부를 판단하게 된다.
따라서, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)가 설치된 경우, 고압 케이블(10) 또는 고압 케이블 접속재(20)에서 부분 방전에 의한 진동이 발생하면 진동의 크기를 진동 센서(200)에서 검출하게 되고, 진동 센서(200)에 연결된 방전 제어부(300)에서 검출된 진동의 주파수 크기를 측정하고 진동자(100)에 의해 정량화 할 수 있도록 조정했던 값과 비교하여 부분 방전 여부를 판단할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 장치를 고압 케이블 접속재에 설치한 상태의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)는 단일 라인의 고압 케이블 접속재(20)에 설치할 수도 있고, 인접한 복수 라인의 고압 케이블 접속재(20)를 하나의 그룹으로 하여 설치할 수도 있다.
단일 라인의 고압 케이블 접속재(20)에 설치하는 경우에는 진동자(100)를 고압 케이블 접속재(20)의 중앙 부분 홈에 삽입하고, 진동자(100)의 상부에 결합될 수 있도록 방전 제어부(300)를 배치할 수 있다. 이 경우에도, 진동 센서(200)는 고압 케이블 접속재(20)의 양쪽 끝단에 배치되어, 방전 제어부(300)와 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다.
복수 라인의 고압 케이블이 인접된 경우에는 하나의 고압 케이블 접속재(20)를 특정하여 중앙 부분 홈에 진동자(100)를 삽입하고 그 상부에 방전 제어부(300)를 배치하며, 고압 케이블 접속재의 양쪽 끝단에 진동 센서(200)를 설치한다. 그런 다음, 다른 고압 케이블 접속재에 대해서는 진동자(100)를 중앙 부분의 홈에 삽입하고, 진동 센서(200)를 고압 케이블 접속재의 양쪽 끝단에 각각 설치한다. 이 상태에서 고압 케이블 접속재(20)에 위치하는 진동자(100)를 모두 직렬로 연결하면 하나의 방전 제어부(300)에서 복수의 진동자(100)를 동일한 신호로 제어할 수 있게 된다. 진동 센서(200)의 경우도 마찬가지로 진동자(100)를 중심으로 좌측 또는 우측에 위치한 진동 센서(200)로 구분하고, 좌측 진동 센서 또는 우측 진동 센서를 직렬로 연결하면 방전 제어부(300)에서 각 고압 케이블 접속재(20)에서 발생하는 부분 방전 진동을 측정할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 방법의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 부분 방전 측정 방법은 부분 방전 측정 장치를 설치하는 단계(S100), 캘리브레이션 절차를 진행하는 단계(S200), 진동 신호를 검출하는 단계(S300), 1차 필터링 단계(S400), 2차 필터링 단계(S500), FFT 연산 단계(S600), 및 부분 방전을 판단하는 단계(S700)를 포함할 수 있다.
부분 방전 측정 장치를 설치하는 단계(S100)는 고압 케이블 접속재(20)에 진동자(100)와 진동 센서(200) 및 방전 제어부(300)를 설치하는 단계이다. 위에서 설명한 바와 같이, 진동자(100)는 고압 케이블 접속재(20)의 중앙 부분 홈에 삽입하고, 진동 센서(200)는 고압 케이블 접속재(20)의 양쪽 끝단에 설치하며, 진동자(100)와 진동 센서(200)는 각각 직렬로 연결하여 방전 제어부(300)에 연결하는 구성으로 설치할 수 있다.
캘리브레이션 절차를 진행하는 단계(S200)는 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)를 설치한 후, 부분 방전 여부를 판단하기 위하여 방전 제어부(300)의 내부 기준 값을 설정하는 단계이다. 캘리브레이션 절차는 아래에서 다시 설명하기로 한다.
진동 신호를 검출하는 단계(S300)는 캘리브레이션 절차를 통해 방전 제어부(300)의 내부 기준 값이 설정된 이후에, 고압 케이블 접속재(20)에서 진동이 발생하는 경우에 진동 센서(200)에서 이를 검출하는 단계이다. 고압 케이블 접속재(20)에서 진동이 발생하는 경우에, 이는 부분 방전에 의한 것일 수도 있고 바람이나 지진 등 자연적인 현상에 의한 것일 수도 있다. 따라서, 고압 케이블 접속재(20)에서 발생하는 진동이 부분 방전에 의한 것인지를 판단하는 과정이 필요하며, 이를 위해서 아래의 과정을 거치게 된다.
1차 필터링 단계(S400)는 진동 센서(200)를 통해 검출된 진동 신호에서 잡음을 제거하는 단계이다. 즉, 부분 방전에 의한 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 진동 주파수 신호에 대하여, 외부에서 유입된 불필요한 소리 또는 노이즈를 제거하는 과정이다.
2차 필터링 단계(S500)는 잡음이 제거된 상태의 신호에서 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 진동 주파수 신호만을 선택적으로 추출하는 단계이다. 이를 위해서 넓은 주파수 대역 중에서 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 주파수 신호만을 추출할 수 있는 저주파 대역 필터(Low Pass Filter)를 사용할 수 있다.
FFT 연산 단계(S600)는 2차 필터링 단계(S500)를 통해서 추출된 시간 함수의 저주파 진동 신호를 주파수 함수로 변환하는 단계이다. 이를 통해, 하나 또는 복수의 정현파 시간 함수로 표시되는 진동 신호를 복수의 주파수 함수로 나타낼 수 있으며, 그 결과 부분 방전에 의한 주파수 대역 내에서 주파수 별로 진동 신호의 크기를 확인할 수 있다.
부분 방전을 판단하는 단계(S700)는 주파수의 함수로 변환된 진동 신호에 대해서, 기준 크기 이상의 진동 신호가 발생하는지 여부에 따라 부분 방전 여부를 판단하는 단계이다. 이 때, 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 진동 신호가 기준 크기를 초과하는 횟수가 1 회인 경우에도 부분 방전으로 판단할 수는 있지만, 바람이나 지진, 과전류 등에 의하여 일시적으로 기준 크기 이상의 신호가 발생할 수 있으므로, 기준 크기 이상의 진동 신호가 일정한 횟수 이상 발생하는 경우를 부분 방전으로 판단하도록 설정할 수도 있다. 이 때, 설정 값은 고압 케이블이 설치된 지역이나 설치 기간 등의 주변 상황을 고려하여, 개별적으로 설정될 수 있을 것이다. 이러한 설정은 캘리브레이션 제어부(340)를 통해 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)를 캘리브레이션 하는 과정에서 설정이 가능할 것이다.
또한, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500) 내부에 무선 통신 모듈이 탑재되는 경우에는 부분 방전이 발생한 것으로 판단되는 시점에, 경고 신호를 관리 시스템이나 서버에 송신함으로써 부분 방전에 따른 수리나 안전 조치를 취하도록 유도할 수도 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 부분 방전 측정 장치에 대한 캘리브레이션 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)를 캘리브레이션 하는 절차는 진동자에서 기준 신호를 발생하는 단계(S210), 1차 필터 계수를 설정하는 단계(S220), 2차 필터 계수를 설정하는 단계(S230), 기준 주파수 크기를 설정하는 단계(S240), 수치 정보를 메모리에 저장하는 단계(S250), 및 테스트를 실시하는 단계(S260)를 포함할 수 있다.
진동자에서 기준 신호를 발생하는 단계(S210)는 부분 방전 측정 장치(500)가 설치된 상태에서, 방전 제어부(300)를 통해 고압 케이블 접속재(20)에 삽입된 진동자(100)로부터 기준 신호에 해당하는 진동을 발생하도록 하는 단계이다. 진동자(100)에서 진동이 발생하면 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 주파수를 가지는 진동이 고압 케이블 접속재(20)에 전달되고, 양쪽 끝단에 설치된 진동 센서(200)에서 진동 신호를 검출하게 될 것이다.
1차 필터 계수를 설정하는 단계(S220)는 본 발명의 부분 방전 측정 장치(500)가 설치되는 조건 및 환경에 따라, 검출되는 진동 신호의 진폭 또는 주파수 편이가 발생할 수 있으므로, 이로 인한 잡음을 배제하기 위하여 1차 필터(311)의 이득(gain)을 조정하는 단계이다. 1차 필터(311)의 이득을 정상 범위로 설정함으로써 진동에 의한 신호의 진폭을 정규화(normalize)할 수 있다.
2차 필터 계수를 설정하는 단계(S230)는 1차 필터링된 기준 신호 내에서 부분 방전으로 발생하는 10 kHz ~ 50 kHz 주파수 대역 이외의 주파수 신호를 제외하는 단계이다. 이를 위해서 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 주파수 대역만을 통과시키는 저주파 통과 필터(Low Pass Filter)를 이용할 수 있다. 2차 필터(313)를 통과한 기준 신호는 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 주파수 대역을 가지게 되며, FFT 연산을 통해 주파수의 함수로 나타낼 수 있다.
기준 주파수 크기를 설정하는 단계(S240)는 주파수의 함수로 표시되는 기준 신호에 대하여, 주파수 별로 부분 방전을 판단하기 위한 기준 크기를 설정하는 단계이다. 일반적으로 부분 방전이 발생하는 경우에는 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 주파수에 대하여 일정 크기 이상의 기준 신호가 발생하게 되므로, 이를 기준 크기로 설정할 수 있다. 다만, 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 주파수 대역에서 특정 주파수에 따라 부분 방전에 해당하는 기준 신호의 크기가 달라질 수 있기 때문에, 일부 주파수에 대해서는 기준이 되는 크기를 달리 설정할 수도 있을 것이다.
수치 정보를 메모리에 저장하는 단계(S250)는 1차 필터 계수, 2차 필터 계수, 및 기준 주파수 크기를 메모리(320)에 저장하는 단계이다. 메모리(320)에 저장된 수치 정보는 관리자의 제어에 따라 변경이 가능하다.
테스트를 실시하는 단계(S260)는 1차 필터 계수, 2차 필터 계수, 및 기준 주파수 크기를 메모리(320)에 저장한 상태에서, 고압 케이블 접속재(20)에 설치된 부분 방전 측정 장치(500)가 정상적으로 동작하는지 여부를 테스트하는 단계이다. 테스트 과정에서 정상적인 크기의 진동을 인가하였는데도 불구하고 부분 방전으로 판단하거나, 부분 방전에 해당하는 크기의 진동을 인가하였는데 정상으로 판단하는 경우와 같이, 오류가 발생하는 경우에는 오류 신호를 발생할 수 있을 것이다.
한편, 상기에서는 진동 주파수를 기준으로 부분 방전을 판단하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 부분 방전이 발생하는 경우에는 진동 주파수와 유사한 범위의 음파 신호가 발생하기 때문에, 동일한 프로세스로 음파 신호를 측정함으로써 부분 방전을 판단할 수도 있을 것이다. 이 경우에는 진동 센서(200) 대신에 음파 센서를 사용함으로써 동일한 기능을 수행할 수 있을 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 고압 케이블 20: 고압 케이블 접속재
100: 진동자 200: 진동 센서
300: 방전 제어부 310: 방전 판단부
311: 1차 필터 313: 2차 필터
315: FFT 연산부 320: 메모리
330: 디스플레이 340: 캘리브레이션 제어부
500: 부분 방전 측정 장치

Claims (22)

  1. 고압 케이블 접속재에 설치되어 부분 방전을 측정하기 위한 장치에 있어서,
    상기 고압 케이블 접속재에 설치되어 있고, 저주파 진동을 발생하는 진동자;
    상기 고압 케이블 접속재에 설치되어 있고, 상기 진동자 또는 상기 고압 케이블 접속재로부터 전달되는 진동 신호의 크기를 측정하는 진동 센서; 및
    상기 진동자와 연결되어 있고, 상기 진동자로 신호를 인가하여 상기 진동자가 상기 부분 방전에 해당하는 상기 저주파 진동을 발생시키도록 하고 상기 진동 센서를 통해 상기 고압 케이블 접속재로부터 전달되는 진동의 크기를 검출하여 정상 범위의 기준 값을 설정하며, 상기 기준 값을 설정한 후, 상기 진동 센서로부터 인가되는 진동 신호의 크기가 상기 기준 값을 설정 횟수 이상 초과하면 부분 방전으로 판단하는 방전 제어부
    를 포함하는 부분 방전 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동자는 상기 고압 케이블 접속재에 고정형, 분리형 또는 휴대형으로 설치되는 부분 방전 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 진동자가 분리형 또는 휴대형인 경우, 전압 센서가 상기 고압 케이블 접속재에 설치되는 부분 방전 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 진동자가 고정형인 경우, 전압 센서가 상기 진동자에 일체로 설치되는 부분 방전 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동자는 상기 방전 제어부와 유선 또는 무선 통신으로 연결되는 부분 방전 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    복수의 고압 케이블 접속재가 인접하는 경우,
    상기 진동자를 상기 복수의 고압 케이블 접속재마다 설치하되, 복수의 진동자를 직렬 형태로 연결하는 부분 방전 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동센서는 상기 고압 케이블 접속재의 양쪽 끝단 또는 한쪽 끝단에 설치하는 부분 방전 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    복수의 고압 케이블 접속재가 인접하는 경우,
    상기 진동 센서를 상기 복수의 고압 케이블 접속재마다 설치하되, 복수의 진동 센서를 직렬 형태로 연결하는 부분 방전 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 제어부는,
    부분 방전을 판단하는 방전 판단부;
    상기 기준 값이 저장되어 있는 메모리; 및
    상기 방전 제어부의 기준 값을 설정하는 캘리브레이션 제어부
    를 포함하는 부분 방전 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 방전 판단부는,
    상기 진동 센서를 통해 검출된 진동 신호에 포함된 잡음을 제거하는 1차 필터; 및
    상기 1차 필터를 통해 전달되는 신호에서 부분 방전에 의해 발생하는 10 kHz ~ 50 kH의 주파수 대역의 신호를 추출하는 2차 필터
    를 포함하는 부분 방전 측정 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 제어부는 원격 제어기에 의해 동작이 이루어지는 부분 방전 측정 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 부분 방전 장치는 블루투스(Bluetooth), NFC(Near Field Communication), 지그비(ZigBee), MST(Magnetic Secure Transmission), 비콘(Beacon), 이더넷(Ethernet), 로라(RoLa) 및 와이파이(WiFi) 중 하나의 무선 통신 모듈을 더 포함하는 부분 방전 측정 장치.
  13. 고압 케이블 접속재에 설치되는 부분 방전 측정 장치에서 부분 방전을 측정하는 방법에 있어서,
    진동자로 신호를 인가하여 상기 부분 방전에 해당하는 저주파 진동을 발생시키는 단계;
    진동 센서를 통해 상기 고압 케이블 접속재로부터 전달되는 진동의 크기를 검출하는 단계;
    검출된 상기 진동의 크기를 이용하여 정상 범위의 기준 값을 설정하는 단계;
    상기 기준 값의 설정 단계 이후에, 상기 진동 센서로부터 인가되는 진동 신호의 크기를 측정하는 단계;
    측정된 상기 진동 신호의 크기가 상기 기준 값을 설정 횟수 이상 초과하면 부분 방전으로 판단하는 단계
    상기 기준 값의 설정 단계 이후에, 상기 진동 센서로부터 인가되는 진동 신호의 크기를 검출하는 단계; 및
    검출된 상기 진동 신호의 상기 기준 값을 설정 횟수 이상 초과하면 부분 방전으로 판단하는 단계
    를 포함하는 부분 방전 측정 방법.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기준 값의 설정 단계 이후에, 검출된 상기 진동 신호에서 잡음을 제거하는 1차 필터링 단계; 및
    잡음이 제거된 상기 진동 신호에서 10 kHz ~ 50 kHz 사이의 주파수 신호만을 추출하는 2차 필터링 단계
    를 더 포함하는 부분 방전 측정 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
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  19. 제 13 항에 있어서,
    부분 방전이 발생한 것으로 판단되는 경우에, 부분 방전 발생을 알리는 신호를 디스플레이에 표시하는 단계를 더 포함하는 부분 방전 측정 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    부분 방전이 발생한 것으로 판단되는 경우에 경고 신호를 관리 시스템이나 서버에 송신하는 단계를 더 포함하는 부분 방전 측정 방법.
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