KR102636845B1 - 부분 방전 진단용 플렉서블 센서 및 이의 제작 방법 - Google Patents

부분 방전 진단용 플렉서블 센서 및 이의 제작 방법 Download PDF

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Abstract

현장 적용성이 우수한 부분 방전 진단용 플렉서블 센서가 개시된다. 상기 부분 방전 진단용 플렉서블 센서는, 플렉서블 구조를 갖는 센싱부, 상기 센싱부를 패키징하는 하우징, 및 상기 센싱부와 연결되는 케이블을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전력설비의 형태와 구조의 특징에 적합하도록 유연성이 가능함으로써 현장 적용성이 우수하다.

Description

부분 방전 진단용 플렉서블 센서 및 이의 제작 방법{Flexible sensor for partial discharge diagnosis and Method for manufacturing the same}
본 발명은 플렉서블 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고전압 전력설비의 절연열화 예측진단을 위해 전력설비의 활선상태에서 부분 방전을 진단할 수 있는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서 및 이의 제작 방법에 대한 것이다.
현존하는 부분방전 측정용 센서의 종류는 Capacitive Sensor류(Coupling Capacitor, TEV(Transient Earth Voltage))와 정전유도형 센서(HFCT(High Frequency Current Transformer), Inductive Coupler), 고주파 진동 센서(AE:Acoustic Emission) 등으로 구분된다.
다양한 부분 방전 센서의 종류 중 전력설비 활선상태(운전상태)에서 안전하게 부분방전을 측정할 수 있는 센서는 정전 유도형 센서가 주로 사용된다. 정전 유도형 센서는 도체로 구성된 선로를 통해 이동하는 고주파 신호의 유도 기전력 또는 전자기장을 수집하는 센서로써 기존의 구조는 쇄교자속의 수집율을 높이기 위해 철심 코어 또는 페라이트 코어(Ferrite Core)를 유도용 코일로 나선형으로 감싸는 방식으로 제작되어진다.
부분방전 신호를 측정하기 위해 전력설비의 신호 발생원 또는 신호 수신 가능한 부위에 최대한 근접하여 측정이 가능하여야 부분방전 신호의 특성 손실없이 측정이 가능하다. 또한, 고전압 설비의 형태와 구조는 다양한 형태로 구성되어 있기 때문에 전력설비의 형태와 구조의 특징에 적합한 센서를 선택하여야 한다.
정전 유도형 센서의 형태 특징은 특정 크기로 정해져 있는 도넛형태 또는 말굽형태로 제작되어 있어 진단 대상 기기의 형태와 구조에 적합하지 않다는 문제점이 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2010-0090012호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 현장 적용성이 우수한 부분 방전 진단용 플렉서블 센서 및 이의 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 유연한 판상 구조의 형태로 제작하며 전력설비의 형태와 구조에 관계없이 다양한 전력설비에 적용이 가능한 부분 방전 진단용 플렉서블 센서 및 이의 제작 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 현장 적용성이 우수한 부분 방전 진단용 플렉서블 센서를 제공한다.
상기 부분 방전 진단용 플렉서블 센서는,
플렉서블 구조를 갖는 센싱부;
상기 센싱부를 패키징하는 하우징; 및
상기 센싱부와 연결되는 케이블;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하우징의 재질은 실리콘인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하우징은 사각형 평판 형태이며, 가장자리에 고정을 위한 다수개의 고정홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센싱부는, 기판; 및 상기 기판에 설치되며 서로 다른 주파수 응답 특성을 갖는 다수개의 센싱 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은, 다수개의 상기 센싱 유닛에 각각 대응하는 다수개의 패턴부를 갖는 전면부; 및 상기 전면부와 결합되는 후면부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전면부 및 후면부는 플렉시블 인쇄 회로 필름(flexible printed circuit film)인 것을 특징으로 한다.
또한, 다수개의 상기 패턴부는 마이크로 스트립 라인(Micro Strip Line)을 나선형 형태로 애칭하여 생성되는 단극 타입(Mono Pole Type)의 안테나 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전면부와 상기 후면부 사이에 다수개의 상기 패턴부의 하부면과 접촉하는 자석이 각각 삽입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자석은 페라이트 코어인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자석은 가로*세로*두께(25mm*25mm*5mm)의 판형 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 다수개의 상기 패턴부는 하나의 연결부와 물리적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 후면부의 표면에는 외부 유입 노이즈의 차단을 위해 전자파 반사용 도전소재가 도포되는 것을 특징으로 한다.
또한, 부분 방전 진단용 플렉서블 센서는, 상기 케이블의 말단에 설치되는 커넥터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 플렉서블 구조를 갖는 센싱부를 조립하는 단계; (b) 상기 센싱부와 케이블을 연결하는 단계; 및 (c) 하부 성형틀 및 상부 성형틀을 이용하여 상기 센싱부를 패키징하기 위해 하우징을 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서의 제작 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전력설비의 형태와 구조의 특징에 적합하도록 유연성이 가능함으로써 현장 적용성이 우수하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 판형 형태의 철심 또는 Ferrite Core의 표면에 유도형 코일을 부착하는 방식으로 제작이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 부분 방전 진단용 플렉서블 센서의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 부분 방전 진단용 플렉서블 센서에서 하우징을 제거한 상태의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전면부의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 전면부 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 기판에서 전면부과 후면부를 보여주는 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 기판의 전면부과 후면부 사이에 자석이 삽입됨을 보여주는 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 기판의 후면부를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 싱글 단극(monopole) 코일의 주파수 반사계수 특성 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 단극 코일의 주파수 반사계수 특성 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 도 1에 도시된 부분 방전 진단용 플렉서블 센서의 하우징을 성형하기 위한 성형 틀의 예시이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 부분 방전 진단용 플렉서블 센서의 제작 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 부분 방전 진단용 플렉서블 센서의 주파수 특성 검사 결과를 보여주는 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 부분 방전 진단용 플렉서블 센서 및 이의 제작 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 부분 방전 진단용 플렉서블 센서(100)의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 부분 방전 진단용 플렉서블 센서(100)는 하우징(110), 하우징(110)내 기판(미도시)과 연결되는 케이블(120), 케이블(120)의 말단에 설치되는 커넥터(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 케이블(120)은 동축 케이블이 사용된다. 물론, 커넥터(130)는 동축 커넥터, BNC(bayonet nut connector) 커넥터 등이 될 수 있다.
하우징(110)의 재질로는 실리콘 등이 사용될 수 있다. 또한, 하우징(110)은 사각형 평판 형태이다. 또한, 하우징(110)의 양쪽 가장자리에는 고정홀(111)이 다수 개 형성된다. 이 고정홀(111)로 와이어, 케이블 타이 등을 삽입하여 발전 설비의 여러 부위에 플렉서블 센서(100)를 설치하여 고정할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 부분 방전 진단용 플렉서블 센서(100)에서 하우징(110)을 제거한 상태의 사시도이다. 도 2를 참조하면, 하우징(110)내에 삽입 안착된 센싱부(210)의 구조가 도시된다. 센싱부(210)는 기판(211), 기판(211)에 제 1 내지 제 3 센싱 유닛(212a 내지 212c)이 구성된다. 제 1 내지 제 3 센싱 유닛(212a 내지 212c)은 서로 다른 주파수 응답특성을 갖도록 여러 종류의 단극 코일이 조합될 수 있다. 기판(211)은 전면부과 후면부로 구성된다.
도 3은 도 2에 도시된 전면부(300)의 개념도이다. 도 3을 참조하면, 전면부(300)에는 제 1 패턴부(310), 제 2 패턴부(320), 및 제 3 패턴부(330) 등으로 구성된다. 제 1 내지 제 3 패턴부(310 내지 330)는 신호 수신 기능을 하도록 코일이 패터닝되어 있다. 제 1 패턴부(300)는 완화된 사각 모서리를 갖는 사각형으로 코일이 나선형 방식으로 배열된다. 또한, 제 2 패턴부(320)는 U자 형상의 서로 맞물리면서 엑셀 파이프 배관처럼 배열된다. 또한, 제 3 패턴부(330)는 사각 모서리를 갖는 2개의 직사각형 방식으로 배열된다. 즉 제 1 직사각형 무늬(331) 및 제 2 직사각형 무늬(332)로 이루어진다.
제 1 내지 제 3 패턴부(310 내지 330)는 마이크로 스트립 라인(Micro Strip Line)을 나선형 형태로 애칭하여 만들어 단극 타입(Mono Pole Type)의 안테나 형태로 제작된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기판(211)의 전면부(300)를 보여주는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 제 1 내지 제 3 패턴부(310 내지 330)는 하나의 연결부(410)에 연결된다. 연결부(410)는 골드 핑거로서 케이블(120)에 납땜 등으로 연결된다.
도 5는 도 4에 도시된 기판(211)에서 전면부(300)과 후면부(500)를 보여주는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 전면부(300)과 후면부(500)의 상부는 접합되나, 하부는 접합되지 않는 상태가 된다. 따라서, 전면부(300) 및 후면부(500)는 유연하게 접힐 수 있다. 도 5의 경우, 전면부(300)를 위쪽으로 들어올려 후면부(500)과의 사이에 빈공간이 형성되는 상태를 도시한 것이다. 전면부(300)과 후면부(500)는 유연성을 갖는 플렉시블 인쇄 회로 필름(flexible printed circuit film)이다.
도 6은 도 5에 도시된 기판(211)의 전면부(300)과 후면부(500) 사이에 자석(610)이 삽입됨을 보여주는 사시도이다. 일반적으로 부분방전 신호는 다양한 주파수 영역에서 발생하는 특성이 있으나 각 전력설비의 유형별 특정 주파수 영역에서 두드러지게 나타나는 특성이 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 부분 방전 신호 이외의 신호 즉 노이즈 신호의 간섭이 비교적 적은 몇 가지 주요 주파수 영역을 선택하여 이 주파수 영역에 공진하는 단극 타입의 코일(Monopole Coil)을 설계하고 유전율을 높여주는 자석(610)을 삽입한다.
부연하면, 전면부(300)과 후면부(500) 사이에 자석(610)이 삽입된다. 자석(610)의 재질은 페라이트 코어(Ferrite Core)이며, 판상 구조로서, Inductive Sensor에 적합하다. 즉, 정전유도형 부분 방전 센서에 적합하다. 이러한 페라이트 코어와 같은 자석(610)을 적용하면, 정전 유도형 코일만 사용할때보다 Flat한 주파수 응답특성을 갖으며 비교적 높은 출력신호를 얻을 수 있다.
특히, 기존의 정전 유도형 센서를 제작하는 방법은 자기 코어(철심 또는 Ferrite Core)를 전선으로 감쌀 때 간격과 접촉도에 따라 주파수 특성의 오차가 심하게 발생하는 단점이 있다. 그러나, FPCB(Flexible Printed Circuit Board)로 제작하는 공정으로 제품의 특징이 동일하게 제작되기 때문에 다량의 센서 제작시 오차가 발생하지 않는 특징이 있다.
본 발명의 일실시예에서는 자석(610)을 가로*세로*두께(25mm*25mm*5mm)로 제작하되, 판형 형태의 넓은 면을 신호 수신부로 이용할 수 있다. 얇은 판형 구조로 제작하기 위해서는 내부 철심의 면적을 최소화한다. 따라서, 수MHz ~ 수백MHz의 주파수 응답특성에 영향을 주지 않는다.
도 7은 도 6에 도시된 기판(211)의 후면부(500)를 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 후면부(500)는 접지 차폐 기능을 한다. 부연하면, 후면부(500)는 전면부(300)와 달리 패턴이 형성되지 않는다. 부착되는 부분을 제외한 나머지 부분에 대해서는 외부 유입 노이즈 차단 기능이 있어야 한다.
즉, 전력설비의 운영현장은 다양한 고전압 설비로 인해 고주파 특성의 노이즈 신호(Impulse 신호)가 많이 발생하기 때문에 부분 방전 센서는 신호 수신부를 제외한 다른 부분으로 외부 노이즈 신호가 유입되지 않아야 한다. 따라서, 후면부(500)는 접지 차폐 기능을 갖는다. 이를 위해 은, 구리, 금, 알루미늄, 카본 등과 같은 전자파 반사용 도전소재를 박막 필름에 도포함으로써 이루어진다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 단극(monopole) 코일의 주파수 반사계수 특성 실험 결과를 보여주는 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 단극 코일의 주파수 반사계수 특성 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
특히, 도 9의 그래프는 S11 반사계수를 표현하는 그래프로 가로축은 주파수, 세로축은 반사정도를 표현한다. 주파수 신호를 수신하는 센서의 입장으로 반사계수가 높으면(센서가 신호를 수신하지 않고 반사시키는 부분이 많으면) 신호 수신률이 낮은 좋지 못한 센서로 이해할 수 있다.
도 8의 그래프와 도 9의 그래프를 비교해보면 도 9의 그래프가 도 8의 그래프에 비해 전반적으로 반사계수가 낮은(넓은 주파수 범위에서 수신률이 좋은) 특성을 갖는다.
이러한 이유는 한 개의 Mono Pole 안테나로 수신할 때 보다 2개의 다른 주파수 특성을 갖는 Mono Pole 안테나를 조합하여 사용하였기 때문에 더 넓은 주파수 범위에 대한 수신률을 좋게 만들 수 있다는 걸 의미한다.
따라서, 센서의 면적 및/또는 유도용 코일의 크기가 작아짐에 따라 센서에서 신호를 수신할 수 있는 주파수 범위의 제약이 발생하기 때문에 판형의 3개의 자석(610) 및 각기 다른 주파수 응답특성을 갖는 3개의 플렉서블 구조를 갖는 유도형 코일 방식의 패턴부(310 내지 330)를 접합(Array)하여 제작함으로써 수MHz ~ 수백MHz의 주파수 응답특성을 갖는 센서로 제작이 가능하다.
도 10은 도 1에 도시된 부분 방전 진단용 플렉서블 센서(100)의 하우징(110)을 성형하기 위한 성형 틀의 예시이다. 도 10을 참조하면, 성형틀은 하부 성형틀(1010)과 상부 성형틀(1020)로 구성될 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 상태의 조립체를 위 하부 성형틀(1010)에 안착한 다음 상부 성형틀(1020)을 하부 성형틀(1010)에 조립한후, 이 성형틀에 실리콘(즉 액체 실리콘)을 주입하여 경화시킴으로써 하우징(110)이 생성된다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 부분 방전 진단용 플렉서블 센서(100)의 제작 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 11을 참조하면, 플렉서블 기판(211)을 준비한다(단계 S1110). 부연하면, 전면부(300)와 후면부(500) 기판을 준비한다.
이후, 전면부(300)와 후면부(500)를 서로 부착한다(단계 S1120).
이후, 전면부(300)와 후면부(500) 사이에 자석(610)을 삽입한다(단계 S1130).
이후, 케이블(120)의 말단을 플렉서블 기판(211)에 납 용접으로 접합시킨다(단계 S1140). 물론, 케이블(120)의 다른 말단에는 커넥터(130)를 연결한다. 커넥터(130)의 연결은 패키징이 완료된 이후 수행하는 것도 가능하다.
이후, 하부 성형틀(1010) 및 상부 성형틀(1020)을 이용하여 상기 센싱부(210)를 패키징하기 위해 하우징(110)을 성형한다(단계 S1150).
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 부분 방전 진단용 플렉서블 센서의 주파수 특성 검사 결과를 보여주는 그래프이다. 이러한 이유로 다양한 주파수 특성을 갖는 유도형 코일을 3개 접합하여 전체 신호 주파수 구간에 대하여 특정 주파수만 수신률이 높지 않고 전반적으로 좋은 신호 수신률을 갖는 부분방전 측정용 플렉서블 센서를 제작하였다.
100: 부분 방전 진단용 플렉서블 센서
110: 하우징
120: 케이블
130: 커넥터
210: 센싱부
211: 기판
212a 내지 212c: 제 1 내지 제 3 센싱 유닛
300: 전면부
310 내지 330: 제 1 내지 제 3 패턴부
500: 후면부

Claims (12)

  1. 플렉서블 구조를 갖는 센싱부(210);
    상기 센싱부(210)를 패키징하는 하우징(110); 및
    상기 센싱부(210)와 연결되는 케이블(120);를 포함하며,
    상기 센싱부(210)는,
    기판(211); 및
    상기 기판(211)에 설치되며 서로 다른 주파수 응답 특성을 갖는 다수개의 센싱 유닛(212a 내지 212c);을 포함하고,
    상기 기판(211)은,
    다수개의 상기 센싱 유닛(212a 내지 212c)에 각각 대응하는 다수개의 패턴부(310 내지 330)를 갖는 전면부(300); 및
    상기 전면부(300)와 결합되는 후면부(500);를 포함하고,
    상기 전면부(300)와 상기 후면부(500)사이에 다수개의 상기 패턴부(310 내지 330)의 하부면과 접촉하는 자석(610)이 삽입되도록
    상기 전면부(300) 및 후면부(500)는 플렉시블 인쇄 회로 필름(flexible printed circuit film)이고,
    상기 전면부(300)과 상기 후면부(500)의 상부는 접합되나, 하부는 접합되지 않는 상태인 것을 특징으로 하는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(110)의 재질은 실리콘인 것을 특징으로 하는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(110)은 사각형 평판 형태이며, 가장자리에 고정을 위한 다수개의 고정홀(111)이 형성되는 것을 특징으로 하는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    다수개의 상기 패턴부(310 내지 330)는 마이크로 스트립 라인(Micro Strip Line)을 나선형 형태로 애칭하여 생성되는 단극 타입(Mono Pole Type)의 안테나 형태인 것을 특징으로 하는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석(610)은 페라이트 코어인 것을 특징으로 하는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석(610)은 가로*세로*두께(25mm*25mm*5mm)의 판형 형태인 것을 특징으로 하는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    다수개의 상기 패턴부(310 내지 330)는 하나의 연결부(410)와 물리적으로 연결되며, 상기 후면부(500)의 표면에는 외부 유입 노이즈의 차단을 위해 전자파 반사용 도전소재가 도포되는 것을 특징으로 하는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서.
  12. (a) 플렉서블 구조를 갖는 센싱부(210)를 조립하는 단계;
    (b) 상기 센싱부(210)와 케이블(120)을 연결하는 단계; 및
    (c) 하부 성형틀(1010) 및 상부 성형틀(1020)를 이용하여 상기 센싱부(210)를 패키징하기 위해 하우징(110)을 성형하는 단계;를 포함하며,
    상기 센싱부(210)는,
    기판(211); 및
    상기 기판(211)에 설치되며 서로 다른 주파수 응답 특성을 갖는 다수개의 센싱 유닛(212a 내지 212c);을 포함하고,
    상기 기판(211)은,
    다수개의 상기 센싱 유닛(212a 내지 212c)에 각각 대응하는 다수개의 패턴부(310 내지 330)를 갖는 전면부(300); 및
    상기 전면부(300)와 결합되는 후면부(500);를 포함하고,
    상기 전면부(300)와 상기 후면부(500)사이에 다수개의 상기 패턴부(310 내지 330)의 하부면과 접촉하는 자석(610)이 삽입되도록
    상기 전면부(300) 및 후면부(500)는 플렉시블 인쇄 회로 필름(flexible printed circuit film)이고,
    상기 전면부(300)과 상기 후면부(500)의 상부는 접합되나, 하부는 접합되지 않는 상태인 것을 특징으로 하는 부분 방전 진단용 플렉서블 센서의 제작 방법.
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