KR102066736B1 - 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 변압기 내부에 수용된 절연유를 외부로 채취하지 않고 밀폐된 상태로 사용과정에서 광센서를 이용하여 절연유의 다양한 정보를 실시간으로 모니터링할 수 있는 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템에 관한 것으로, 본 발명은 절연성능과 냉각성능을 위해 내부에 절연유가 수용된 변압기(102); 상기 변압기(102) 내부의 절연유에 함침되어 절연유로 광을 조사한 후, 조사된 절연유에서 수소이온 발생시 실리카입자로부터 광을 수광하는 광센서; 상기 변압기(102) 내부의 절연유에 함침되어 절연유로 광을 조사한 후, 조사된 절연유에서 온도의 변화에 의해 생기는 광을 수광하는 광센서; 및 상기 변압기(102) 내부의 절연유에 함침되어 절연유로 광을 조사한 후, 조사된 절연유에서 반사되는 광을 수광하는 광센서;를 포함한다.

Description

복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템{Complex optical sensor based transformer monitoring system}
본 발명은 변압기 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는 변압기 내부에 수용된 절연유를 외부로 채취하지 않고 밀폐된 상태로 사용과정에서 광센서를 이용하여 절연유의 다양한 정보를 실시간으로 모니터링할 수 있는 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전력용 변압기에는 변압기 온도 상승을 억제하면서 외부와의 절연을 목적으로 절연유가 충전된다. 변압기는 사용 중에 아-크 방전, 부분 방전 및 국부 과열 등과 같이 내부에서 이상현상이 발생되면 절연유가 열 분해되어 가스를 발생시키고, 이러한 현상이 더욱 심해지면 결국 폭발하는 심각한 문제가 종종 발생되고 있다.
따라서, 변압기 절연유 중의 발생가스를 주기적으로 점검하여야 하는데, 이를 위해서는 변압기 내부에 들어 있는 절연유를 외부로 채취하여 그 채취한 절연유 시료를 분석할 수 있는 설비가 필요하다.
상기 외부로 채취한 절연유 시료를 분석하는 설비는 도 1에 도시된 바와 같이 변압기의 절연유(10)가 유입되는 채널(60)을 마련하고, 이 채널(60) 중간에 절연유 중 수소가스의 통과를 허용하는 다공성 테프런 멤브레인(20)이 설치된다.
그리고, 상기 채널(60)의 끝에는 소정간격을 갖는 제1 및 제2다공성전극(40)(50)이 배치되며, 그 사이에 H2SO4 등의 전해액(30)이 충전되어 있다. 이러한 구조에 있어서는 절연유(10) 중에 용해되어 있던 수소가스가 테프런 멤브레인(20)을 통하여 제1다공성전극(40)에 접촉하고 일측 공동부(61)로 확산된다. 공동부(61)에 모인 수소가스는 제1다공성전극(40)의 표면에서 전기 화학적으로 산화된다.
이러한 전기적 산화는 제2다공성전극(50)에 접촉된 산소의 전자감소(electro reduction)와 관계된다.
따라서, 전류흐름(i)이 양기되며, 이것은 전압 드롭 레지스트(Voltage Drop Resister : R)에 의해 검전된다.
이상에서 설명된 기존의 수소검지방식은 전기 화학적인 방식의 것으로서 전해액의 화학적 상태 등에 의해 수소 검지상태가 가변될 수 있는 구조이기 때문에 전해액의 엄밀한 관리가 요구된다.
또한, 이러한 원리에 입각한 상기 장비는 실시간 절연유 검지 중 수소발생을 모니터링할 수 있기는 하지만 매우 고가이기 때문에 사용자에 경비 부담이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 1997년 11월 01일자 출원번호 제10-1997-0057553호의 "변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 피디/엔아이씨알 엠아이에스에프이티형 센서"가 출원된 바 있다. 이 출원의 청구범위는 " 제 1 도전형의 반도체기판과; 상기 반도체기판에 형성된 매몰산화층, 상기 매몰산화층의 상부에 상기 반도체기판과 전기적으로 절연되도록 형성된 제 1 도전형의 반도체층과; 상기 반도체층의 소정부분에 소정거리 이격되어 제 2 도전형의 불순물이 고농도로 도핑되어 형성된 제 1 소오스 및 제 1 드레인, 상기 제 1 소오스와 제 1 드레인 사이의 상기 반도체층의 상부에 연속해서 형성된 제 1 하부 및 제 1 상부 게이츠절연층, 상기 제 1 상부 게이트절연층의 상부에 형성된 제 1 하부 및 제 1 상부 게이트금속을 갖는 센싱 트랜지스터와; 상기 반도체층의 소정부분에 소정거리 이격되어 제 2 도전형의 불순물이 고농도로 도핑되어 형성된 제 2 소오스 및 제 2 드레인, 상기 제 2 소오스와 제 2 드레인 사이의 상기 반도체층의 상부에 연속해서 형성된 제 2 하부 및 제 2 상부 게이트절연층, 상기 제 2 상부 게이트절연층의 상부에 형성된 제 2 하부 및 제 2 상부 게이트금속을 갖는 레퍼런스 트랜지스터와; 상기 반도체층의 센싱 트랜지스터와 레퍼런스 트랜지스터 사이에 제 2 도전형의 고농도로 도핑되어 형성된 다이오드와; 상기 반도체층의 소정부분에 상기 센싱 트랜지스터와 레퍼런스 트랜지스터의 주위를 에워싸도록 제 2 도전형의 불순물이 고농도로 연결되게 형성되어 형성된 히터와; 상기 센싱 트랜지스터, 레퍼런스 트랜지스터, 다이오드 및 히터 각각의 소자를 전기적으로 분리하도록 상기 소자들 사이에 상기 매몰산화층과 연결되게 형성된 소자분리영역을 구비하는 변압기 절연유내의 수소가스를 감지하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서 " 이다.
그러나, 상기 종래의 변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 피디/엔아이씨알 엠아이에스에프이티형 센서로 변압기 절연유의 수소가스를 감시할 경우에도 변압기 절연유를 외부로 채취하고, 또한 채취된 변압기 절연유를 증류하여 기화된 절연유로부터 수소가스 데이터를 모니터링하므로, 상기 절연유 채취시 절연유 채취를 위한 펌프 및 삼투압막이 필요하기 때문에 설비의 부피가 커지는 문제점이 있었다.
그리고, 상기 절연유 증류 과정에서 생기는 소음이 매우 심하고, 변압기의 화재 발생시 화재에 대한 대처가 어려운 문제점이 있었다. 특히, 상기 종래의 변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 피디/엔아이씨알 엠아이에스에프이티형 센서는 변압기 절연유에서 발생하는 수소가스 하나만을 감지하는 문제점이 있었다.
따라서, 변압기 내부에 들어 있는 절연유의 다양한 상태 정보를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 시스템 개발이 절실히 요구되고 있다.
이에, 본 발명은 상기 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 그 목적은 변압기 내부에 수용된 절연유를 외부로 채취하지 않고 밀폐된 상태로 사용과정에서 광센서를 이용하여 절연유의 다양한 정보를 실시간으로 모니터링할 수 있는 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 상기에 언급된 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 상세한 설명의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템은 절연성능과 냉각성능을 위해 내부에 절연유가 수용된 변압기(102); 상기 변압기(102) 내부의 절연유에 함침되어 절연유로 광을 조사한 후, 조사된 절연유에서 수소이온 발생시 실리카입자로부터 광을 수광하는 광센서; 상기 변압기(102) 내부의 절연유에 함침되어 절연유로 광을 조사한 후, 조사된 절연유에서 온도의 변화에 의해 생기는 광을 수광하는 광센서; 및 상기 변압기(102) 내부의 절연유에 함침되어 절연유로 광을 조사한 후, 조사된 절연유에서 반사되는 광을 수광하는 광센서;를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템은 변압기 내부에 수용된 절연유의 다양한 상태 정보를 실시간으로 모니터링할 수 있으므로 전력 효율이 증가할 뿐만 아니라 모니터링 시간을 절약할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 변압기 내부에 들어 있는 절연유를 외부로 채취하지 않고도 변압기 내부에 수용된 절연유를 실시간으로 모니터링할 수 있기 때문에 모니터링 장치의 설치가 간단할 뿐만 아니라 모니터링 장치의 유지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 사용 중에 변압기를 개방하지 않고도 실시간으로 변압기를 모니터링 할 수 있기 때문에 변압기의 화재 발생을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 ㅇ아니라 변압기의 화재로 발생되는 2차 피해를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 변압기의 절연유 모니터링 장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템을 개략적으로 보여 주는 구조도.
도 3은 도 2의 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템의 개략적인 구성도.
이하, 본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템의 바람직한 실시 예를 설명한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템을 개략적으로 보여 주는 구조도이고, 도 3은 도 2의 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템(100)은 절연성능과 냉각성능을 위해 내부에 절연유가 수용된 변압기(102);
상기 변압기(102)로부터 일정간격을 두고 위치되어 기 설정된 프로그램에 따라 신호처리부로 동작신호를 보냄과 아울러 신호처리부로부터 수광신호를 수신하는 통신모듈부(104);
상기 통신모듈부(104)에 연결되어 통신모듈부로부터 동작신호를 수신하고 수신된 동작신호에 따라 광을 생성한 후 생성된 광을 광분배기로 조사함과 아울러 광분배기로부터 광을 수광한 후 그 수광된 광을 수광신호로 처리하여 통신모듈부로 보내는 신호처리부(106)와;
상기 신호처리부(106)에 연결되어 신호처리부로부터 광을 수신하고 그 수신된 광을 제1광센서, 제2광센서, 제3광센서, 제4광센서로 분배함과 아울러 제1광센서, 제2광센서, 제3광센서, 제4광센서로부터 광을 수광하는 광분배기(108)와;
상기 광분배기(108)의 일측에 연결됨과 동시에 변압기 내부의 절연유에 함침되어 광분배기로부터 광을 수신하고 그 수신된 광을 절연유로 조사함과 아울러 조사된 절연유에서 수소이온 발생시 실리카입자로부터 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기로 보내는 제1광센서(110)와;
상기 제1광센서(110)로부터 일정간격을 두고 광분배기의 일측에 연결됨과 동시에 변압기 내부의 절연유에 함침되어 광분배기로부터 광을 수신하고 그 수신된 광을 절연유로 조사함과 아울러 조사된 절연유로부터 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기로 보내는 제2광센서(112)와;
상기 제2광센서(112)로부터 일정간격을 두고 광분배기의 일측에 연결됨과 동시에 변압기 내부의 절연유에 함침되어 광분배기로부터 광을 수신하고 수신된 광을 절연유로 조사함과 아울러 조사된 절연유로부터 온도의 변화에 의해 생기는 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기로 보내는 제3광센서(114)와;
상기 제3광센서(114)로부터 일정간격을 두고 광분배기의 일측에 연결됨과 동시에 변압기 내부의 절연유에 함침되어 광분배기로부터 광을 수신하고 수신된 광을 절연유로 조사함과 아울러 조사된 절연유로부터 반사되는 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기로 보내는 제4광센서(116)를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템(100)은 모니터링부(118)를 더 포함한다. 상기 모니터링부(118)는 통신모듈부(104)로부터 일정간격을 두고 원격지에 설치되되, 통신모듈(104)과 통신한다.
상기 제1광센서(110)는 수소이온감지광센서, 제3광센서(114)는 바이메탈온도감지광센서, 제4광센서(116)는 탁도감지광센서이다.
그리고, 상기 제2광센서(112)는 광의 오차를 분석하고 잡아내기 위한 대조군역할을 하는 광센서이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템(100)의 설치과정 및 동작을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템(100)의 설치과정은 설치자에 따라 얼마든지 변경될 수 있다.
먼저, 내부에 절연유가 수용된 있는 변압기(102)를 위치시킨 후, 상기 변압기(102)로부터 일정간격을 두고 통신모듈부(104)를 설치한다.
그리고, 상기 통신모듈부(104)에 발광부(200), 수광부(202) 및 수광신호처리부(204)를 포함한 신호처리부(106)를 연결한다.
그리고, 상기 신호처리부(106)에 광분배기(108)를 연결한다.
그리고, 상기 광분배기(108)의 일측에 제1광센서(110)를 설치한 후, 상기 제1광센서(110)의 하부에 수소이온에 의해 광을 발산하는 실리카입자를 도포한다. 이후 실리카입자가 도포 된 제1광센서(110)의 하부를 변압기(102) 내부의 절연유에 함침시킨다.
그리고, 상기 제1광센서(110)로부터 일정간격을 두고 광분배기(108)의 일측에 대조군 역할은 하는 제2광센서(112)를 설치한 후, 상기 제2광센서(112)의 하부를 변압기(102) 내부의 절연유에 함침시킨다.
그리고, 상기 제2광센서(112)로부터 일정간격을 두고 광분배기(108)의 일측에 바이메탈온도감지광센서인 제3광센서(114)를 설치한 후, 상기 제3광센서(114)의 하부를 변압기(102) 내부의 절연유에 함침시킨다.
그리고, 상기 제3광센서(114)로부터 일정간격을 두고 광분배기(108)의 일측에 절연유의 탁도를 감지하는 제4광센서(116)를 설치한 후, 상기 제4광센서(116)의 하부를 변압기(102) 내부의 절연유에 함침시킨다.
상기와 같이 본 발명에 따른 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템(100)의 설치가 완료되면, 통신모듈부(104)는 신호처리부(106)로 동작신호를 보낸다.
그리고, 상기 신호처리부(106)는 수신된 동작신호에 따라 발광부(200)를 발광시킨 후, 발광 된 광을 광분배기(108)로 보낸다.
그리고, 상기 광분배기(108)는 신호처리부(108)로부터 보내져 온 광을 수소이온감지광센서인 제1광센서(110), 대조군 역할을 하는 제2광센서(112), 바이메탈온도감지광센서인 제3광센서(114), 탁도감지센서인 제4광센서(116)로 분배한다.
상기 제1광센서(110)는 광분배기(108)로부터 수신된 광을 변압기(102) 내부의 절연유로 조사한다.
상기 제1광센서(110)가 절연유로 광을 조사하면, 절연유에서 발생하는 수소이온은 HPTS형광물질을 내보낸다. 이때, 상기 제1광센서(110)의 하부에 도포된 실리카입자는 HPTS형광물질에 의해 발광한다.
그리고, 상기 제1광센서(110)는 실리카입자에 의해 발광하는 광을 수광하고, 수광된 광을 광분배기(108)로 보낸다.
그리고, 상기 광분배기(108)는 제1광센서(110)로부터 보내져 온 광을 수광하고, 수광된 광을 신호처리부(106)의 수광부(202)로 보낸다.
그리고, 상기 신호처리부(106)는 수광부(202)로 수광된 광을 수광신호를 처리하고 처리된 수광신호를 통신모듈부(104)로 보낸다.
따라서, 상기 통신모듈부(104)는 절연유에서 발생하는 수소이온 농도데이터를 무선 통신을 통해 모니터링부(118)로 보낸다.
그리고, 상기 제2광센서(112)는 대조군 역할을 하는 광센서로, 광분배기(108)로부터 수신된 광을 변압기(102) 내부의 절연유로 조사한다.
상기 제2광센서(112)가 절연유로 광을 조사하면, 절연유에서 발생하는 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기(108)로 보낸다.
그리고, 상기 광분배기(108)는 제2광센서(112)로부터 보내져 온 광을 수광하고, 수광된 광을 신호처리부(106)의 수광부(202)로 보낸다.
그리고, 상기 신호처리부(106)는 수광부(202)로 수광된 광을 수광신호를 처리하고 처리된 수광신호를 통신모듈부(104)로 보낸다.
따라서, 상기 통신모듈부(104)는 절연유에서 발생하는 광데이터를 무선 통신을 통해 모니터링부(118)로 보낸다.
그리고, 상기 제3광센서(114)는 바이메탈온도감지광센서로, 광분배기(108)로부터 수신된 광을 변압기(102) 내부의 절연유로 조사한다.
상기 제3광센서(114)가 절연유로 광을 조사하면, 절연유에서 발생하는 온도의 변화에 의해 생기는 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기(108)로 보낸다.
그리고, 상기 광분배기(108)는 제3광센서(114)로부터 보내져 온 광을 수광하고, 수광된 광을 신호처리부(106)의 수광부(202)로 보낸다.
그리고, 상기 신호처리부(106)는 수광부(202)로 수광된 광을 수광신호를 처리하고 처리된 수광신호를 통신모듈부(104)로 보낸다.
따라서, 상기 통신모듈부(104)는 절연유에서 발생하는 온도데이터를 무선 통신을 통해 모니터링부(118)로 보낸다.
그리고, 상기 제4광센서(116)는 탁도감지광센서로, 광분배기(108)로부터 수신된 광을 변압기(102) 내부의 절연유로 조사한다.
상기 제4광센서(116)가 절연유로 광을 조사하면, 절연유로부터 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기(108)로 보낸다.
그리고, 상기 광분배기(108)는 제4광센서(116)로부터 보내져 온 광을 수광하고, 수광된 광을 신호처리부(106)의 수광부(202)로 보낸다.
그리고, 상기 신호처리부(106)는 수광부(202)로 수광된 광을 수광신호를 처리하고 처리된 수광신호를 통신모듈부(104)로 보낸다.
따라서, 상기 통신모듈부(104)는 절연유에서 발생하는 탁도데이터를 무선 통신을 통해 모니터링부(118)로 보낸다.
그러므로, 본 발명은 변압기 내부 절연유의 수소이온, 온도, 탁도 데이터를 한꺼번에 실시간으로 측정하여 모니터링할 수 있다.
상기 발명의 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템
102 : 변압기
104 : 통신모듈부
106 : 신호처리부
108 : 광분배기
110 : 제1광센서
112 : 제2광센서
114 : 제3광센서
116 : 제4광센서
118 : 모니터링부

Claims (8)

  1. 절연성능과 냉각성능을 위해 내부에 절연유가 수용된 변압기(102);
    상기 변압기(102)로부터 일정간격을 두고 위치되어 기 설정된 프로그램에 따라 신호처리부로 동작신호를 보냄과 아울러 신호처리부로부터 수광신호를 수신하는 통신모듈부(104);
    상기 통신모듈부(104)에 연결되어 통신모듈부로부터 동작신호를 수신하고 수신된 동작신호에 따라 광을 생성한 후 생성된 광을 광분배기로 조사함과 아울러 광분배기로부터 광을 수광한 후 수광된 광을 수광신호로 처리하여 통신모듈부로 보내는 신호처리부(106);
    상기 신호처리부(106)에 연결되어 신호처리부로부터 광을 수신하고 수신된 광을 제1광센서, 제2광센서, 제3광센서, 제4광센서로 분배함과 아울러 제1광센서, 제2광센서, 제3광센서, 제4광센서로부터 광을 수광하는 광분배기(108);
    상기 광분배기(108)의 일측에 연결됨과 동시에 변압기 내부의 절연유에 함침되어 광분배기로부터 광을 수신하고 수신된 광을 절연유로 조사함과 아울러 조사된 절연유에서 수소이온 발생시 실리카입자로부터 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기로 보내는 제1광센서(110);
    상기 제1광센서(110)로부터 일정간격을 두고 광분배기의 일측에 연결됨과 동시에 변압기 내부의 절연유에 함침되어 광분배기로부터 광을 수신하고 그 수신된 광을 절연유로 조사함과 아울러 조사된 절연유로부터 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기로 보내는 제2광센서(112);
    상기 제2광센서(112)로부터 일정간격을 두고 광분배기의 일측에 연결됨과 동시에 변압기 내부의 절연유에 함침되어 광분배기로부터 광을 수신하고 수신된 광을 절연유로 조사함과 아울러 조사된 절연유로부터 온도의 변화에 의해 생기는 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기로 보내는 제3광센서(114); 및
    상기 제3광센서(114)로부터 일정간격을 두고 광분배기의 일측에 연결됨과 동시에 변압기 내부의 절연유에 함침되어 광분배기로부터 광을 수신하고 수신된 광을 절연유로 조사함과 아울러 조사된 절연유로부터 반사되는 광을 수광한 후, 수광된 광을 광분배기로 보내는 제4광센서(116);를 포함하고,
    여기서, 상기 제1광센서(110)는 수소이온감지광센서, 제3광센서(114)는 바이메탈온도감지광센서, 제4광센서(116)는 탁도감지광센서인 것을 특징으로 하는 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1광센서(110)의 하부에 실리카입자가 도포된 것을 특징으로 하는 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연유에서 발생하는 수소이온은 HPTS형광물질을 내보내는 것을 특징으로 하는 복합 광센서 기반 변압기 모니터링 시스템.
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