KR20040056221A - 광섬유 센서를 이용한 변압기 열화진단 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 장치는 광섬유 센서를 이용하여 변압기의 열화 정도를 진단하는 장치에 있어서, 부분 방전에 의해 발생된 초음파를 주파수 대역별로 분리하여 분석한 후, 이를 저장하여 구성된 데이터베이스와, 레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 두 개의 광선으로 분리시키는 커플러(2)와, 상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과하고, 일부는 변압기(10)의 내부에 장착된 센싱코일(4)을 통과하는 광섬유와, 상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 커플러(5)와, 상기 커플러(5)를 통과한 광선의 세기를 측정하는 광검지기(6)와, 상기 광검지기(6)에서 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터(7)와, 상기 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산한 후, 화면으로 나타내는 오실로스코프(8)와, 상기 데이터베이스의 부분 방전이 잘 발생되는 주파수 대역에 상기 초음파 신호의 대역이 속하는지를 분석하여, 그 결과에 따라 변압기의 열화 상태를 진단하는 시그널 프로세서(9)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

광섬유 센서를 이용한 변압기 열화진단 장치 및 방법 {diagnosis apparatus and method of degradation of a transformer using optical fiber sensor}

본 발명은 변압기의 열화 상태를 온-라인, 비접촉식 방법으로 진단할 수 있는 광섬유 센서를 이용한 변압기 열화진단 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 안정적이고 신뢰성 높은 전력을 효율적으로 공급하기 위해서는 전력 설비 및 기기의 유지ㆍ보수가 중요하고, 사고를 예방하기 위한 차원에서는 사고의 징후를 미리 발견하여 대형사고로의 확대를 미연에 방지할 수 있도록 하는 상시 감시 진단기술이 필요하다.

이런 관점에서 변압기에 있어서는 절연 파괴가 그 주된 사고의 원인으로 나타나는데, 이 절연 파괴 바로 직전에 발생하는 부분 방전을 검출함으로써, 사고를 미연에 방지할 수 있다. 상기 부분 방전시 나타나는 현상으로서는 방전펄스 전류발생, 초음파, 진동, 방사 전자계, 광, 절연물 분해 및 가스 생성, 전력 손실 증가, 부분적인 절연 파괴 등이 있다.

이러한 현상을 검출하기 위한 종래의 측정방법으로는 화학적, 기계적, 광학적, 전기적인 방법 등을 이용하고 있다.

이들 중 화학적 방법은 절연물이 부분 방전에 의해 분해 및 변질된 상태를화학적인 방법으로 확인하는 것으로서, 절연유의 산가 측정, 발생 가스를 분석하는 것이다.

또, 기계적 방법은 부분 방전시 발생하는 미세한 진동을 감지하는 것으로서, 진동 가속법이 대표적인 방법이며, 초음파 검출법도 그 일종이다.

그리고, 광학적 방법은 부분 방전시 발생하는 광을 검출하는 것으로서, 발광 검출법이라고도 한다.

마지막으로, 전기적인 방법에는 다시 여러 가지 방법이 이용되고 있는데, 방전 펄스 전류를 측정하는 결합 콘덴서법, 접지선 전류 검출법, 전력 손실 증가분을 측정하는 유전정접법 등이 있다.

그런데, 이러한 방법은 현재 대부분 상용화되어 있는 방법이지만, 변압기의 열화를 상시 감시할 수 있는 시스템을 구성하기에는 많은 어려움이 있다.

한편, 이러한 감시 시스템을 온라인화하기 위한 대표적인 예가 부분 방전시 발생되는 방사 전자파를 측정하는 안테나법과, 기기 외함(case)에 압전 소자식 센서를 부착하여 초음파를 측정하는 방법이다.

상기 안테나법은 주변 노이즈나 전자기적 결합에 의해 신호가 왜곡되는 문제점을 가지고 있다.

또, 압전소자식 초음파 센서의 경우에는 전기적 잡음의 영향을 받지 않고 자석식 고정 장치를 이용하여 원하는 부위에 설치가 용이하다는 장점을 가지고 있지만, 부분 방전에 의해 발생한 음향 신호는 초음파 센서에 도달하는 과정에서 매질이나 절연 구조물 등에 의해 감쇠되기 때문에, 센서로부터 먼 거리의 부분 방전 신호는 검출하기가 극히 어렵고, 게다가 음향 신호가 전달되는 과정에서도 방전 발생원으로부터 직접 전달되는 신호와, 금속 벽과 같은 다른 매질을 통하여 간접적으로 전달되는 신호가 중첩되는 경우에 방전의 크기나 위치의 검출이 어려워진다는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 광섬유 센서를 사용하여 마하-젠더 간섭계를 구성하여 신호파와 참조파 사이의 미세한 길이 변화를 측정하여 부분 방전시 발생하는 초음파를 측정함으로써, 변압기의 열화 상태를 온-라인, 비접촉식 방법으로 조기에 발견 및 진단할 수 있는 광섬유 센서를 이용한 변압기 열화진단 장치 및 방법을 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광섬유 센서를 이용한 변압기 열화진단 장치의 개략도이다.

도 2는 상기 본 발명의 변압기 열화진단 장치의 주파수 영역별 초음파 분석 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 상기 본 발명의 변압기 열화진단 장치에서 측정한 변압기 열화진단 결과를 도시한 그래프로서, 부분 방전이 일어날 때의 주파수 스펙트럼 분포도이다.

도 4a 및 도 4b는 도 2를 바탕으로 하여 시간영역에서의 주파수 성분 분석을 한 그래프이며, 각각 소프트웨어적인 밴드패스 필터를 거친 형태이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 레이저

2, 5 : 커플러

3 : 참조코일

4 : 센싱코일

6 : 광검지기

7 : A/D 컨버터

8 : 오실로스코프

9 : 시그널 프로세서

10 : 변압기

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 장치는

광섬유 센서를 이용하여 변압기의 열화 정도를 진단하는 장치에 있어서,

부분 방전에 의해 발생된 초음파를 주파수 대역별로 분리하여 분석한 후, 이를 저장하여 구성된 데이터베이스와,

레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 두 개의 광선으로 분리시키는 커플러(2)와,

상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과하고, 일부는 변압기(10)의 내부에 장착된 센싱코일(4)을 통과하는 광섬유와,

상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 커플러(5)와,

상기 커플러(5)를 통과한 광선의 세기를 측정하는 광검지기(6)와,

상기 광검지기(6)에서 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터(7)와,

상기 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산한 후, 화면으로 나타내는 오실로스코프(8)와,

상기 데이터베이스의 부분 방전이 잘 발생되는 주파수 대역에 상기 초음파 신호의 대역이 속하는지를 분석하여, 그 결과에 따라 변압기의 열화 상태를 진단하는 시그널 프로세서(9)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 방법은

광섬유 센서를 이용하여 변압기의 열화 정도를 진단하는 방법에 있어서,

부분 방전에 의해 발생된 초음파를 주파수 대역별로 분리하여 분석한 후, 이를 데이터베이스화 하는 단계와,

레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 커플러(2)를 이용하여 두 개의 광선으로 분리시키는 단계와,

상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과시키고, 일부는 센싱코일(4)을 통과시키는 단계와,

상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 단계와,

상기 광선의 세기를 측정하는 단계와,

상기 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계와,

상기 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산하여 출력하는 단계와,

상기 데이터베이스의 부분 방전이 잘 발생되는 주파수 대역에 상기 초음파 신호의 대역이 속하는지를 분석하여, 그 결과에 따라 변압기의 열화 상태를 진단하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 구성 및 동작을 첨부된 도면을 참조하면서 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 장치의 한 실시예에 따른 개략도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선은 단일모드 광섬유로 커플링하기 위해 커플러(2)를 레이저 앞단에 장착하였다. 단일모드 광섬유로 커플링된 레이저 빔은 커플러(2)를 통과한 후, 두 개의 광선으로 분리된다.

상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 부분 방전의 영향을 받지 않는 참조코일(3)을 통과하고, 일부는 부분방전이 일어날 수 있는 변압기(10)의 절연유 속에 설치된 센싱코일(4)을 통과하면서 초음파에 의해 영향을 받게 된다. 이렇게 서로 다른 경로를 통과한 레이저 빔은 다시 커플러(5)에 의해 한 개의 광선으로 합쳐진다.

상기 커플러(5)를 통과한 광선은 광검지기(6)에서 빛의 세기가 아날로그 신호의 형태로 측정되며, 이 아날로그 신호는 A/D 컨버터(7)에서 디지털 신호로 변환된 후, 오실로스코프(8)에서 초음파 신호로 나타난다.

그 후, 시그널 프로세서(9)에서 초음파의 주파수 영역별로 초음파 파형을 분석하여, 변압기의 열화 상태를 출력한다.

이하, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 변압기의 열화상태 진단 장치 및 방법의 원리를 설명하겠다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저빔이 지나가는 경로는 전부 광섬유로 구성되어 있다. 본 발명에서 사용한 광섬유센서는 저손실성, 소형, 경량, 넓은 대역폭, 무유도성, 강한 내부식성, 특히 높은 민감성 등의 장점 때문에 센서로서 많은 장점을 가지고 있을 뿐 아니라, 재질이 유전체로 되어 있어서 기기의 절연 설계에 유연성을 제공하는 한편, 그 측정방식이 비접촉식이고 높은 정확도를 갖기 때문에 다양한 분야에 적용할 수 있는 측정기술이다.

본 발명과 같은 광섬유 센서를 이용한 이런 측정 기술은 변압기(10) 내부에 센서(4)를 설치함으로써, 외부 잡음을 최대한 줄여주므로 정밀 측정이 가능하다. 또한, 두 경로 간의 거리가 광섬유의 길이에 의해 정해지므로, 경로 길이를 맞추기 위한 노력이 필요하지 않다.

그리고, 광섬유를 이용하기 때문에 측정이 필요한 부분에 광섬유를 투입해 측정하면 되므로 센서의 구성이 용이해지며, 참조파의 영역도 다른 외부 영향을 적게 받을 수 있다.

마지막으로 광섬유는 재질이 유전체(유리, 플라스틱 등)로 만들어지므로, 전력 기기와 같이 전자계가 복잡한 기기의 내부에 위치시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서는 광섬유 센서의 감도를 증가시킬 목적으로 광섬유 센서는 만드렐에 감았다.

이때, 두 개의 광선 중 한 개의 광섬유의 길이가 변화되면 두 개의 다른 경로를 통과함으로써 발생하는 위상차 φ에 의해서 출력광의 세기가 결정된다. 따라서, 이 출력광의 세기를 측정함으로써, 미세한 길이 변화가 감지되며, 이를 통해 초음파가 검지된다.

본 발명의 일 실시예에서는 유입 변압기 절연 진단을 목적으로 광섬유 센서를 구성하였다.

종래의 압전 소자식 초음파 센서의 경우에는 기기의 외함(case)에 부착하여 사용하도록 되어 있으므로, 기기 내부에서 발생한 초음파가 절연체 매질을 지나서 금속 재질의 외함을 거쳐서 측정되므로, 노이즈의 발생은 물론 측정된 신호도 약하다는 단점을 가지고 있다. 그리고, 이 미약한 신호를 식별하기 위해서는 반드시 증폭 소자가 센서 이후 단에 있어야 하였다.

이와 대비하여 본 발명에 의한 광섬유를 이용한 초음파 측정을 이용한 변압기 열화 진단의 경우에는, 광섬유의 재질이 유전체 재질이므로 변압기 내부에 위치시킬 수 있어서 방전시 발생하는 초음파를 고감도로 측정할 수 있으며, 다른 외부적인 노이즈에 강하다.

여기서 부분 방전에 의해 발생된 초음파 신호는 소프트웨어적인 밴드패스 필터를 통하여 분석 범위를 세분화한다.

도 2는 상기 본 발명의 변압기 열화진단 장치의 주파수 영역별 초음파 분석 원리를 설명하기 위한 도면이다. 이는 초음파의 주파수에 따른 세분화 단계 및 주파수 범위에 대해서 나타내고 있다.

한편, 도 3은 상기 본 발명의 변압기 열화진단 장치에서 측정한 변압기 열화진단 결과를 도시한 그래프로서, 부분 방전이 일어날 때의 주파수 스펙트럼 분포도이다. 주파수 0∼250[㎒]의 넓은 영역에 걸쳐서 초음파가 발생한 것을 나타낸다.

그리고, 도 4a 및 도 4b는 도 3을 바탕으로 하여 시간영역에서의 주파수 성분 분석을 한 그래프이며, 각각 소프트웨어적인 밴드패스 필터를 거친 형태이다.

여기서, 도 4a는 원형 신호에 대해서 125∼250[㎒] 대역의 신호를 분리해 낸 것으로서, 방전 신호가 전혀 없을 때와 비교해서 보면 별다른 변화를 보여주지 못하고 있다. 따라서, 이 대역의 신호는 변압기(10) 절연유의 열화 여부를 판단하는데 사용될 수 없음을 알 수 있다.

한편, 도 4b는 주파수 15.63∼31.25[㎒] 대역의 신호를 보여준다. 이 그림은 전체적인 모양이 지수함수적으로 감소하는 경향을 보여주고 있으며, 최대값의 크기가 대단히 크게 나타나 있어서, 부분 방전이 일어났음을 보여주고 있다. 따라서 변압기(10)의 절연유가 열화되었음을 알 수 있고, 최대값의 크기가 클수록 그 열화 정도는 더욱 심하다는 것을 알 수 있다.

따라서, 이러한 대역과 최대값 등의 데이터를 데이터베이스화 하여 놓고, 이데이터베이스를 참조함으로써 시그널 프로세서(9)에서는 그 부분 방전이 잘 일어나는 대역만을 집중적으로 조사함으로써, 열화의 정도를 용이하게 계산하여 나타낼 수 있다.

이와 같이 절연 진단을 위해서는 상시 감시 체제가 필요하고, 이러한 요구에 부응하기 위해서는 전체 주파수대 영역에 대한 데이터 분석보다는 방전 발생시 가장 큰 변화를 가지는 주파수 대역을 선정하고, 이 대역에 대한 집중적인 분석이 필요한 것이며, 이로 인하여 분석의 시간 및 노력을 획기적으로 단축시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 광섬유 센서를 이용한 변압기의 열화진단 장치 및 방법에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 이것이 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 마하-젠더 간섭계를 사용하여 부분 방전에 의해 발생되는 미세한 초음파 신호를 측정함으로써, 변압기의 열화를 초기에 발견하여 대형사고를 예방하고, 변압기를 수명이 다할 때까지 최대한 장기간 사용하도록 하는 효과가 있다. 또한, 부분 방전에 의한 초음파의 주파수 대역을 선정하고, 이 대역에 대한 집중적인 분석을 실시함으로써 온라인 진단이 용이하다.

Claims (2)

1. 광섬유 센서를 이용하여 변압기의 열화 정도를 진단하는 장치에 있어서,

   부분 방전에 의해 발생된 초음파를 주파수 대역별로 분리하여 분석한 후, 이를 저장하여 구성된 데이터베이스와,

   레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 두 개의 광선으로 분리시키는 커플러(2)와,

   상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과하고, 일부는 변압기(10)의 내부에 장착된 센싱코일(4)을 통과하는 광섬유와,

   상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 커플러(5)와,

   상기 커플러(5)를 통과한 광선의 세기를 측정하는 광검지기(6)와,

   상기 광검지기(6)에서 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터(7)와,

   상기 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산한 후, 화면으로 나타내는 오실로스코프(8)와,

   상기 데이터베이스의 부분 방전이 잘 발생되는 주파수 대역에 상기 초음파 신호의 대역이 속하는지를 분석하여, 그 결과에 따라 변압기의 열화 상태를 진단하는 시그널 프로세서(9)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 변압기 열화진단 장치.
2. 광섬유 센서를 이용하여 변압기의 열화 정도를 진단하는 방법에 있어서,

   부분 방전에 의해 발생된 초음파를 주파수 대역별로 분리하여 분석한 후, 이를 데이터베이스화 하는 단계와,

   레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 커플러(2)를 이용하여 두 개의 광선으로 분리시키는 단계와,

   상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과시키고, 일부는 센싱코일(4)을 통과시키는 단계와,

   상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 단계와,

   상기 광선의 세기를 측정하는 단계와,

   상기 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계와,

   상기 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산하여 출력하는 단계와,

   상기 데이터베이스의 부분 방전이 잘 발생되는 주파수 대역에 상기 초음파 신호의 대역이 속하는지를 분석하여, 그 결과에 따라 변압기의 열화 상태를 진단하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 변압기 열화진단 방법.