KR102066535B1 - 고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부하에 전력을 공급하는 전력소자를 포함하는 전력설비에서 발생되는 코로나방전과 같은 부분방전을 감지하여 제1 부분방전 검출신호를 출력하는 초음파 광섬유 센서; 상기 부분방전이 방출하는 빛을 감지하여 제2 부분방전 검출신호를 출력하는 부분방전 센서; 및 상기 초음파 광섬유 센서 및 상기 부분방전 센서에서 부분방전 검출신호가 인가되면, 상기 부분방전 검출신호로부터 부분방전이 발생하는 것으로 판단되면 차단기를 오프하여 전류 흐름을 차단하기 위한 제어신호를 생성하는 검출유닛;으로 구성되어, 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템에 관한 것으로서, 특히 고압배전반에서 부하에 전력을 공급하는 과정에서 전기적 방전에 의해 발생되는 부분방전을 광학적 초음파센서로 검출함으로써 신속하게 전원공급스위치를 차단할 수 있도록 하여 부분방전에 의한 폭발을 방지하며, 코로나방전 검출과 함께 순차적으로 부분방전 및 과전류를 검출하여 부분방전 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킴으로써 전원공급스위치의 오동작으로 인한 피해를 최소화할 수 있는 고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템에 관한 것이다.

Description

고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템{Partial discharge detection system using optical fiber ultrasonic sensor in high voltage power system}
본 발명은 고전압 전력 시스템의 부분방전(Partial discharge) 검출에 관한 것으로서, 특히 고전압 전력 시스템에서 전력 시스템의 안정성을 주로 결정하는 고전압 기기의 절연 이상 유무를 예방적으로 진단하기 위하여 부분방전이 발생할 때 생성되는 가청 및 초음파 대역의 음향방출을 감지하여 전력 시스템의 안정성을 향상시키고 유지 관리 및 보수를 효율적으로 할 수 있는 고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템에 관한 것이다.
고전압 기기의 고장 또는 장애는 시스템 성능 저하, 고장, 화재 또는 치명적인 손상을 초래할 수 있는 부분방전과 밀접한 관련이 있다.
따라서 고전압 기기에 의하여 결정되는 전력 시스템의 안정성을 높이기 위해서는 고전압 기기의 절연 이상 유무를 예방적으로 진단할 수 있는 부분방전 검출이 필요하다.
고전압 기기에서 부분방전은 국부적인 공간에 형성되는 전계에 의해서 국부적인 전류가 생성되는 현상으로, 부분방전의 발생 원인은 코로나(Corona), 부동( 浮動)성분(floating component), 공동(空洞, void) 등이 있다.
부분방전을 검출하는 기술은 부분방전의 발생 시 동반되는 어떤 물리적 성질을 측정하는지에 따라 분류된다. 부분방전의 검출에 사용되는 물리적 성질은 전자기파 방출(전파, 광 및 열 형태), 음향 방출(가청 및 초음파), 오존 방출 그리고 아산화 질소가스 방출 등이 있으며, 측정 수준은 부분방전의 양 및 크기로 나타내어 진다. 따라서 고전압 기기에서 사용되는 부분방전 검출방법은 전기적, 화학적, 음향적, 그리고 광학적 방법 등이 될 수 있다.
먼저, 전기적 방법은 UHF(Ultra High Frequency) 방식과 펄스 용량성 결합(Pulse Capacitive Coupling) 방식이 있으며, 실험실 내에서는 부분방전의 변화량을 정밀하게 기록할 수 있으나, 높은 환경소음이 발생할 수 있는 현장에서는 다양한 장애 및 간섭에 기인하여 정확도가 저하되는 단점이 있다.
화학적 방법은 부분방전 발생 시에 생성되는 오일과 가스를 포집하여 분석하는 것으로, 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)와 용존가스분석(DGA) 방법이 있다.
음향적 방법은 부분방전으로부터 전파하는 음파의 진폭 감쇠 또는 위상 지연을 분석하여 부분방전의 위치를 찾는 방식으로서, 실시간 부분방전을 측정하는 방법으로 유용하다.
광학적 방법은 외부의 물리적인 변동에 따라 빛의 파장, 강도, 편광, 위상 등의 광학 파라미터의 변화를 감지하는 센서로서, 전기적 절연성, 화학적 내식성, 소형 경량, 큰 대역폭 및 고감도의 장점을 가지고 있다.
KR 10-1306965 B1 (2013.09.03.) KR 10-1261496 B1 (2013.04.30.) KR 10-2010-0125810 A (2010.12.01.) KR 10-1542538 B1 (2015.07.31.) KR 10-1355585 B1 (2014.01.20.) KR 10-1397946 B1 (2014.05.15.)
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 기존의 전기적 절연성, 화학적 내식성, 소형 경량, 큰 대역폭 및 고감도의 장점을 가지고 있는 광학적 방법에 음향적 방법을 더하여 고전압 전력 시스템에서 고전압 기기의 절연 이상 유무를 예방적으로 진단함으로써 전력 시스템의 안정성을 향상시키고 유지 관리 및 보수를 효율적으로 할 수 있는 새로운 부분방전 검출 시스템을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 부분방전을 초음파 광섬유 센서를 이용하여 발생위치를 정확하게 검출함으로써 신속하게 전원공급스위치를 차단할 수 있도록 하여 전력 시스템의 안정성을 향상시키고 효율적인 유지 관리 및 보수가 가능한 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제 및 목적은 부분방전 검출 시 서로 다른 감지 주파수의 특성을 갖는 복수의 센서로 검출 시스템을 구성하여 광대역 주파수 범위의 부분방전을 감지함으로써 검출 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템을 제공하는데 있다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템은, 부하에 전력을 공급하는 전력소자를 포함하는 고압배전반에서 발생되는 부분방전으로 인해 생성되는 초음파 대역의 음향을 상기 고압배전반 내부에 장착된 제1 싱글모드 광섬유를 통해 감지하여 제1 부분방전 검출신호를 출력하는 패브리 페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)로 구성되며, 상기 고압배전반 내부에 3개 이상 장착되어 삼각측량법에 의하여 부분방전의 위치를 추적하며, 상기 고압배전반 내부에 서로 다른 감지 주파수의 특성을 갖는 복수개가 장착되는 초음파 광섬유 센서; 상기 고압배전반 내부에 장착되어 부분방전이 발생할 확률이 높은 부위의 빛을 감지하여 제2 싱글모드 광섬유를 통해 제2 부분방전 검출신호를 출력하는 포인트센서 및 상기 고압배전반 내 구획을 따라 배치되는 루프코일에 의하여 상기 고압배전반 전체에서 발생하는 부분방전을 감지하는 루프센서를 포함하는 부분방전 센서; 상기 고압배전반 내부에 장착된 제3 싱글모드 광섬유와 연결되어 전류의 변화에 의해 생기는 편광면의 회전을 이용하여 전류를 측정하는 광섬유 전류센서 및 전류의 변화에 의해 생기는 자기속의 변화를 이용하여 전류를 측정하는 로고스키 코일(Rogowskii coil) 중 적어도 어느 하나로 구성되어, 부분방전으로 인해 발생하는 과전류를 감지하여 제3 부분방전 검출신호를 상기 검출유닛으로 출력하는 과전류 감지센서; 상기 초음파 광섬유 센서, 상기 부분방전 센서 및 상기 과전류 감지센서 중 적어도 어느 하나에서 부분방전 검출신호가 인가되고, 상기 부분방전 검출신호로부터 부분방전이 발생하는 것으로 판단되면 차단기를 오프하여 전류 흐름을 차단하기 위한 제어신호를 생성하는 검출유닛; 및 상기 제1, 제2 및 제3 싱글모드 광섬유와 각각 연결되어, 상기 검출유닛의 점검신호에 따라 발광하는 레이저 다이오드(Laser Diode) 및 상기 레이저 다이오드에서 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하는 광검출기(Photodetector)를 포함하여 소량의 빛을 방출하도록 상기 레이저 다이오드에 전원을 인가하고, 상기 광검출기가 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하여 각각의 센서가 정상상태로 동작하는지를 주기적으로 점검하는 모니터링유닛;으로 구성됨으로써, 부분방전을 검출하여 부분방전 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킴으로써, 전원공급스위치의 오동작으로 인한 피해를 최소화할 수 있고, 최소한의 개수로도 부분방전의 위치를 추적할 수 있으며, 단일 주파수의 초음파 센서로는 감지가 안 되거나 검출 신호가 매우 작은 경우에도 서로 다른 감지 주파수의 특성을 갖는 복수 개의 센서로 검출 시스템을 구성하여 검출 신뢰성을 현저히 향상 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 부분방전이 빈번히 발생하는 특정 위치뿐만 아니라 고전압 전력 시스템 전체를 적은 비용으로도 효율적인 감시가 가능하고, 초음파 광섬유 센서 및 부분방전 센서에서 감지된 제1 및 제2 부분방전 검출신호의 신뢰도를 제고할 수 있으며, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출 광학 시스템이 항시 정상상태로 동작할 수 있도록 관리할 수 있다.
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전술한 바와 같이 본 발명은 전기적 절연성, 화학적 내식성, 소형 경량, 큰 대역폭 및 고감도의 장점을 가지고 있는 광학적 방법에 음향적 방법을 더하여 고전압 전력 시스템에서 고전압 기기의 절연 이상 유무를 예방적으로 진단할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 본 발명은 고전압 전력 시스템에서 고전압 기기의 절연 이상 유무를 예방적으로 진단함으로써 전력 시스템의 안정성을 향상시키고 유지 관리 및 보수의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부분방전으로부터 생성되는 음향을 초음파 광섬유 센서를 통해 감지하여 부분방전 발생을 검출함으로써 배전반 내의 어느 곳에서든지 발생하는 모든 부분방전의 발생을 미리 검출할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 본 발명은 부분방전에 의한 폭발을 방지하도록 신속하게 전원공급스위치를 차단할 수 있으며, 이로 인해 부분방전에 의한 2차 피해를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부분방전 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킴으로써 전원공급스위치의 오동작으로 인한 공장가동에 따른 경제적인 피해를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 서로 다른 감지 주파수의 특성을 갖는 복수 개의 센서로 검출 시스템을 구성함으로써 부분방전의 검출 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템의 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 부분방전 검출용 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템의 고압배전반 내 배치상태의 일 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템에서 부분방전을 감지하기 위한 초음파 광섬유 센서의 블록구성도,
도 5는 도 4의 초음파 광섬유 센서의 센서헤드유닛을 구성하는 패브리 페로 간섭계의 일 예시도,
도 6은 도 4의 초음파 광섬유 센서에서 검출되는 초음파 신호의 세기 변화에 따른 출력 광신호를 나타낸 그래프,
도 7은 초음파 광섬유 센서에서 검출되는 부분방전에서 발생되는 음향신호의 주파수 특성 곡선,
도 8은 도 4의 초음파 광섬유 센서의 신호처리유닛의 상세 블록구성도,
도 9는 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출 시스템에서 부분방전의 위치를 탐지하기 위하여 복수의 광섬유 초음파 센서를 이용한 삼각측량법의 일 예시도,
도 10은 코로나 부분방전에서 생성되는 음향 방출의 시간 축 파형과 이를 고속 퓨리에 변환한 주파수 분포 특성 곡선,
도 11은 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출 시스템에서 광대역 주파수 범위의 부분방전을 감지하기 위하여 서로 다른 감지 주파수의 특성을 갖는 복수의 초음파 광섬유 센서를 적용한 일 예시도,
도 12는 도 4의 초음파 광섬유 센서의 전력설비 부분방전 검출 사진,
도 13은 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템의 부분방전 센서의 블록구성도.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템의 회로도이며, 도 3은 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템의 고압배전반 내 배치상태의 일 예시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템은 부하에 전력을 공급하는 전력소자를 포함하는 전력설비(10)에서 발생되는 부분방전을 감지하여 제1 부분방전 검출신호를 출력하는 초음파 광섬유 센서(110)와, 부분방전이 방출하는 빛을 감지하여 제2 부분방전 검출신호를 출력하는 부분방전 센서(120)와, 부분방전으로 인해 발생하는 과전류를 감지하여 제3 부분방전 검출신호를 출력하는 과전류 감지센서(130) 및 초음파 광섬유 센서(110), 부분방전 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)에서 부분방전 검출신호가 인가되면, 부분방전 검출신호로부터 부분방전이 발생하는 것으로 판단되면 차단기(20)를 오프하여 전류 흐름을 차단하기 위한 제어신호를 생성하는 검출유닛(140)로 구성된다.
본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템을 구성하는 상기 초음파 광섬유 센서(110)와 부분방전 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)를 비롯하여 검출유닛(140)은 각각 구비되는 광섬유를 통해 상호간에 연결되어 감지신호를 전송함으로써 5ms이하의 빠른 속도록 부분방전 검출신호의 전송이 가능하며, 중소규모의 고압배전반 내에 장착이 용이하도록 소형으로 구현이 가능하다. 이하에서, 초음파 광섬유 센서(110)와 부분방전 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)가 구비하는 광섬유를 편의상 각각 제1, 제2 및 제3 싱글모드 광섬유라 구분하여 설명한다.
또한, 부분방전 발생 시 높은 확률로 발생하게 되는 전자방해잡음(Electro Magnetic Interference, EMI)에 영향을 받지 않도록 설계되는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템의 초음파 광섬유 센서(110)는 부분방전이 발생하기 직전에 발생되는 코로나방전으로 인해 생성되는 초음파를 감지하는 것이기 때문에, 부분방전 발생과 동시에 감지가 가능하고 이러한 초음파는 0-4ms에 걸쳐 감지되기 때문에 부분방전 발생에 대한 높은 신뢰도를 제공한다. 도 10은 부분방전으로 인해 발생하는 피해상황과 부분방전 감지 및 차단기 제어에 요구되는 시간을 함께 나타낸 도면이다.
특히, 본 발명에 따른 초음파 광섬유 센서(110)는 고압배전반 내부에 장착된 제1 싱글모드 광섬유와 연결되어, 부분방전 발생 직전에 발생되는 코로나방전으로 인해 생성되는 초음파 대역의 음향을 감지하여 부분방전 검출신호를 출력하는 패브리 페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템의 부분방전 센서(120)는 상기 배전반 내부에 장착되어 부분방전이 발생할 확률이 높은 부위의 빛을 감지하여 제2 싱글모드 광섬유를 통해 상기 검출유닛으로 검출신호를 전송하는 포인트센서 및 상기 배전반 내 구획을 따라 배치되는 루프코일에 의하여 상기 배전반 전체에서 발생하는 부분방전을 감지하는 루프센서를 포함하기 때문에, 부분방전이 발생한지 1ms 전후로 부분방전의 감지가 가능하다.
특히, 상기 루프센서는 단일 개폐장치 내의 여러 구획을 따라 배치되거나 또는 일부 개폐장치를 통해 분배될 수 있으므로, 광섬유가 길어질수록 단일 구획으로 더 많은 구획이 제공될 수 있고, 주어진 수의 스위치 기어를 보호하는데 필요한 센서의 수가 줄어들어 시스템의 가격이 최소화된다. 루프센서의 광섬유는 플라스틱 광섬유(POF) 또는 400μm의 코어 직경을 갖는 플라스틱 피복 실리카(PCS) 섬유와 같은 두꺼운 유리섬유를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템의 과전류 감지센서(130)는 부분방전으로 인해 발생하는 과전류를 감지하여 제3 부분방전 검출신호를 검출유닛(140)으로 출력한다. 과전류 감지센서(130)는 고압배전반 내부에 장착된 제3 싱글모드 광섬유와 연결되어 전류의 변화에 의해 생기는 편광면의 회전을 이용하여 전류를 측정하는 광섬유 전류센서나 전류의 변화에 의해 생기는 자기속의 변화를 이용하여 전류를 측정하는 로고스키 코일(Rogowskii coil) 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. 과전류 감지센서(130)는 전술한 초음파 광섬유 센서(110)와 부분방전 센서(120)에 의한 부분방전 감지에 비해 감지속도가 늦기 때문에, 초음파 광섬유 센서(110)와 부분방전 센서(120)에 의한 부분방전 감지를 확인하는 형태로 사용한다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템의 검출유닛(140)은 다수개의 채널을 구비하여, 다수개의 초음파 광섬유 센서(110)와 부분방전 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)로부터 부분방전 검출신호를 수신하고, 이를 고속 신호처리를 통해 차단기를 제어하는 제어신호인 트립신호(Trip)를 채널별로 각각 신속하게 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템에서 코로나방전을 검출하기 위한 초음파 광섬유 센서의 블록구성도이고, 도 5는 도 4의 초음파 광섬유 센서의 센서헤드유닛을 구성하는 패브리 페로 간섭계의 일 예시도를 간략히 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 초음파 광섬유 센서(110)는 고압배전반에서 부분방전을 검출해야 하는 열악한 환경에서도 안정적으로 동작하는 광섬유를 이용한 광 간섭계 형태의 고감도 음향방출센서(Optical Fiber Fabry-Perot Interferometric Acoustic Emission Sensor)로서, 도 4에 도시된 바와 같이 싱글모드 광섬유(111)와 연결된 음향방출센서(112, Acoustic Emission Sensor)로 구성되는 센서헤드유닛(Sensor Head Unit)과, DFB 레이저 다이오드(113, Laser Diode), 광검출기(114, Photodetector) 및 평판광파회로(115, Planar Lightwave Circuits)로 구성되는 광학회로유닛(Optical Circuit Unit)과, 레이저 다이오드(113)를 구동하기 위한 APC(116, Automatic Power Controller), 광검출기(114)의 출력신호를 처리하는 TIA(117, Trans-Impedance Amplifier), BPF(118, Band Pass Filter) 및 디지털 신호처리를 수행하는 DSP(119, Digital Signal Processor)로 구성되는 신호처리유닛(Signal Processing Unit)으로 구성된다.
먼저, 센서헤드유닛은 싱글모드 광섬유(111)의 단면(Facet)과 다이어프램(Diaphragm)으로 형성된 캐비티(Cavity)로서, 패브리-페로 간섭계(Fabry-Perot Interferometer)는 도 5와 같이 구성된다. 싱글모드 광섬유(111)를 진행하는 빛(
Figure 112019068551784-pat00001
)은 광섬유(111)의 단면에서 일부 반사되고, 투과된 빛(
Figure 112019068551784-pat00002
)은 캐비티(길이
Figure 112019068551784-pat00003
)를 지나 다이어프램에서 반사되어 다시 싱글모드 광섬유(111)의 단면으로 입사된다. 싱글모드 광섬유(111)로 반사된 빛의 세기(
Figure 112019068551784-pat00004
)는 하기의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112019068551784-pat00005
여기서,
Figure 112019068551784-pat00006
는 입사된 빛의 세기,
Figure 112019068551784-pat00007
은 광섬유 단면과 캐비티의 반사계수,
Figure 112019068551784-pat00008
는 캐비티와 다이어프램의 반사계수,
Figure 112019068551784-pat00009
는 빛이 캐비티를 진행하면서 발생하는 위상변화이다.
빛이 캐비티를 진행하면서 발생하는 위상변화(
Figure 112019068551784-pat00010
)는 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019068551784-pat00011
여기서, L은 캐비티의 길이, n은 캐비티의 굴절율,
Figure 112019068551784-pat00012
는 빛의 파장이다.
광섬유를 통해서 입력된 광원의 빛은 광섬유의 단면에서 반사되어 외부에서 입력되는 광대역의 음향 신호의 변화(세기)에 따라 위상이 변조되어 광신호를 도 6과 같이 출력하며, 이때 음향신호의 주파수 특성 곡선은 도 7과 같다. 도 6은 도 4의 초음파 광섬유 센서에서 검출되는 초음파 신호의 세기 변화에 따른 출력 광신호를 나타낸 그래프이고, 도 7은 초음파 광섬유 센서에서 검출되는 부분방전에서 발생되는 음향신호의 주파수 특성 곡선이다. 광학회로유닛은 반사광노이즈(Reflected Optical Noise)의 억제를 위하여 아이솔레이터(Isolator)를 장착한 1550nm 파장의 DFB 레이저 다이오드(113)를 광원으로 사용하며, 광원의 파장, 출력 및 온도의 안정성을 위하여, 신호처리유닛에는 APC(116)와 TEC(Thermo-Electric Cooler, 미도시함)를 구비할 수 있다. 광검출기(114)는 수신된 광신호를 전기신호로 전환하기 위하여 AR코팅된 InGaAs PIN 포토 다이오드를 사용한다(Responsivity: 0.9 A/W). 평판광파회로(115)는 광학커플러(Optical Coupler)로서, 광신호의 분배와 결합으로 PLC타입 실리카(Silica) 50:50 2x2 스플리터(Splitter)를 사용한다.
한편, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템은 각 센서들이 항시 정상상태로 동작할 수 있도록 관리하기 위해 상기 레이저 다이오드(113)와 광검출기(114)를 모니터링유닛으로 활용한다. 상기 레이저 다이오드(113)와 광검출기(114)는 각기 초음파 광섬유 센서(110)와 부분방전 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)를 구성하는 제1, 제2 및 제3 싱글모드 광섬유와 각각 연결되어, 검출유닛(140)의 점검신호에 따라 레이저 다이오드(113)에서 소량의 빛을 방출하도록 레이저 다이오드(113)에 전원을 인가하고, 광검출기(114)가 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하여 각각의 센서가 정상상태로 동작하는지를 주기적으로 점검한다.
신호처리유닛은 도 8에 도시된 바와 같이, 광검출기(114)로부터 수신된 광신호를 전기신호로 변환하여 TIA(117), BPF(118)를 거쳐 DAQ시스템으로 전송된다. 이때, TIA(117)와 BPF(118) 사이에 GTA(117-1, Gain Tunable Amplifier)가 더 사용될 수 있다. 도 8은 본 발명에 따른 광섬유 센서의 신호처리유닛의 상세 블록구성도이다.
신호처리유닛의 상세사양은 하기와 같다.
주파수대역(6dB): 20 ~ 300 KHz
SNR: >55 dB
Gain: > 60 dB
BPF: 2nd order Butterworth
도 9는 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템에서 부분방전의 위치를 탐지하기 위하여 복수의 초음파 광섬유 센서를 이용한 삼각측량법의 일 예시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 음향 감지 방법에 의한 부분방전 검출은 부분방전의 위치를 추적할 수 있다. 하기의 수학식 3에 나타낸 바와 같이, 부분방전의 위치는 복수의 센서에 도달하는 신호의 시간 즉, 각각의 행정시간을 측정하여 각각의 센서와의 거리(l1, l2, l3)를 삼각측량법으로 추적을 할 수 있다.
Figure 112019068551784-pat00013
여기서, (l1, l2, l3)은 각 센서와 부분방전 위치의 거리, (t1, t2, t3)는 부분방전에서 생성되는 초음파가 각 센서에 도달하는데 걸리는 시간,
Figure 112019068551784-pat00014
는 공기 중에 전파되는 음파의 속도이다.
한편, 부분방전에서 방출되는 초음파의 주파수 대역과 크기는 부분방전의 발생원인(corona, floating component, 또는 void)에 따라 여러 가지의 형태로 발생되며, 일 예로 코로나(corona) 부분방전에서 생성되는 음향 방출은 도 10에 보인 바와 같이 45KHz 대를 피크로 광범위한 주파수 영역에 분포한다. 도 10은 코로나 부분방전에서 생성되는 음향 방출의 시간 축 파형과 이를 고속 퓨리에 변환한 주파수 분포 특성 곡선이다.
따라서 45KHz 대의 주파수를 검출하는 초음파 센서가 아닌 경우에는 단일 주파수의 초음파 센서로는 감지가 안 되거나 검출 신호가 매우 작을 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템은 서로 다른 감지 주파수의 특성을 갖는 복수의 센서로 검출 시스템을 구성하여 검출 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따라 복수의 센서로 구성한 부분방전 검출 광학 시스템의 일례를 도 11에 나타내었다. 도 11은 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템에서 광대역 주파수 범위의 부분방전을 감지하기 위하여 서로 다른 감지 주파수의 특성을 갖는 복수의 초음파 광섬유 센서를 적용한 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출 광학 시스템은 전기적 절연성, 화학적 내식성, 소형 경량, 큰 대역폭 그리고 고감도의 장점을 가지고 있으며, 전파하는 음파의 진폭 감쇠 또는 위상 지연을 분석하여 음향 방출의 위치를 찾는 음향 감지 방법을 결합한 파브리-페로형 간섭계를 광섬유를 이용한 초음파 광섬유 센서(110)를 사용함으로써, 부분방전에 의한 음향신호를 효과적으로 검출하여 고압기기의 절연 이상 유무에 대하여 예방적(Preventive) 관리 및 예측적(Predictive) 관리를 동시에 수행할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템은 높은 음향 감쇠 환경에서의 초미세 음향신호(-15.2dB, re:1V/Pa)를 검출할 수 있고, 넓은 대역폭의 음향신호(20-300KHz)를 검출할 수 있어 고선명 주파수 응답을 제공하며, 음향신호의 입사각(광각 또는 협각)에 의한 응답특성을 조정(지향성 응답)할 수 있고, 음향신호의 파장보다 소형의 센서로서 등방성 특성을 가지므로 소형화 및 경량화 할 수 있으며, 외부환경의 온도변화에 의한 감도변화를 최소화하여 안정된 온도특성을 갖는다.
도 12는 도 4의 초음파 광섬유 센서의 전력설비 부분방전 검출 사진으로서, 부분방전 검출 여부에 따른 음향 검출신호의 파형을 나타내었다.
도 13은 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템의 부분방전 센서의 블록구성도로서, 본 발명에 따른 부분방전 센서(120)는 고압배전반 내에 장착위치 주변의 상대적으로 작은 영역에서만 빛을 포착하여 제2 싱글모드 광섬유(123)를 통해 검출유닛(140)으로 신호를 전송함으로써 부분방전이 발생할 확률이 높은 부위의 빛을 감지하는 포인트센서(121)와, 고압배전반 내 구획을 따라 배치되는 루프코일에 의하여 상기 배전반 전체에서 발생하는 부분방전을 감지하는 루프센서(122)를 포함하여 센서헤드유닛(Sensor Head Unit)을 구성한다.
또한, 레이저 다이오드(124), 광검출기(125) 및 제2 싱글모드 광섬유(123)로 구성되는 광학회로유닛(Optical Circuit Unit)과, 레이저 다이오드(124)를 구동하기 위한 APC(126), 광검출기(125)의 출력신호를 처리하는 TIA(127) 및 디지털 신호처리를 수행하는 DSP(128)로 구성되는 신호처리유닛(Signal Processing Unit)으로 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템은 초음파 광섬유 센서(110)와 마찬가지로 부분방전 센서(120)도 항시 정상상태로 동작할 수 있도록 관리하기 위해 상기 레이저 다이오드(124)와 광검출기(125)를 모니터링유닛으로 활용한다. 검출유닛(140)의 점검신호에 따라 레이저 다이오드(124)에서 소량의 빛을 방출하도록 레이저 다이오드(124)에 전원을 인가하고, 광검출기(125)가 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하여 각각의 센서가 정상상태로 동작하는지를 주기적으로 점검한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 전력 시스템의 부분방전 검출용 광섬유 센서를 이용한 부분방전 검출 광학 시스템은 부분방전에 의한 폭발을 방지하도록 신속하게 전원공급스위치를 차단할 수 있어, 부분방전에 의한 2차 피해를 미연에 방지할 수 있으며, 부분방전 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.
110: 초음파 광섬유 센서 111, 123: 싱글모드 광섬유
112: 음향방출센서 113, 124: 레이저 다이오드
114, 125: 광검출기 115: 평판광파회로
116, 126: APC 117, 127: TIA
117-1: GTA 118: BPF
119, 128: DSP 120: 부분방전 센서
121: 포인트센서 122: 루프센서
130: 과전류 감지센서 140: 검출유닛

Claims (8)

  1. 부하에 전력을 공급하는 전력소자를 포함하는 고압배전반에서 발생되는 부분방전으로 인해 생성되는 초음파 대역의 음향을 상기 고압배전반 내부에 장착된 제1 싱글모드 광섬유를 통해 감지하여 제1 부분방전 검출신호를 출력하는 패브리 페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)로 구성되며, 상기 고압배전반 내부에 3개 이상 장착되어 삼각측량법에 의하여 부분방전의 위치를 추적하며, 상기 고압배전반 내부에 서로 다른 감지 주파수의 특성을 갖는 복수개가 장착되는 초음파 광섬유 센서;
    상기 고압배전반 내부에 장착되어 부분방전이 발생할 확률이 높은 부위의 빛을 감지하여 제2 싱글모드 광섬유를 통해 제2 부분방전 검출신호를 출력하는 포인트센서 및 상기 고압배전반 내 구획을 따라 배치되는 루프코일에 의하여 상기 고압배전반 전체에서 발생하는 부분방전을 감지하는 루프센서를 포함하는 부분방전 센서;
    상기 고압배전반 내부에 장착된 제3 싱글모드 광섬유와 연결되어 전류의 변화에 의해 생기는 편광면의 회전을 이용하여 전류를 측정하는 광섬유 전류센서 및 전류의 변화에 의해 생기는 자기속의 변화를 이용하여 전류를 측정하는 로고스키 코일(Rogowskii coil) 중 적어도 어느 하나로 구성되어, 부분방전으로 인해 발생하는 과전류를 감지하여 제3 부분방전 검출신호를 검출유닛으로 출력하는 과전류 감지센서;
    상기 초음파 광섬유 센서, 상기 부분방전 센서 및 상기 과전류 감지센서 중 적어도 어느 하나에서 부분방전 검출신호가 인가되고, 상기 부분방전 검출신호로부터 부분방전이 발생하는 것으로 판단되면 차단기를 오프하여 전류 흐름을 차단하기 위한 제어신호를 생성하는 검출유닛; 및
    상기 제1, 제2 및 제3 싱글모드 광섬유와 각각 연결되어, 상기 검출유닛의 점검신호에 따라 발광하는 레이저 다이오드(Laser Diode) 및 상기 레이저 다이오드에서 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하는 광검출기(Photodetector)를 포함하여 소량의 빛을 방출하도록 상기 레이저 다이오드에 전원을 인가하고, 상기 광검출기가 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하여 각각의 센서가 정상상태로 동작하는지를 주기적으로 점검하는 모니터링유닛;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 전력 시스템의 광섬유 초음파 센서를 이용한 부분방전 검출 시스템.
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