KR200435061Y1 - 가스절연 개폐장치 진단용 부분방전 카운터 - Google Patents

Abstract

본 고안은 초고압 변전소의 주요 설비인 GIS(Gas Insulated Switchgear)의 부분방전 진단을 용이하게 하는 카운터에 관한 것이다.

최근 변전소 시스템은 예전의 공기절연거리를 이용한 애자와 철구를 주로 사용하는 철구형에서 차단기, 단로기 등의 개폐기류와 각상의 부스(electric BUS)가 SF6 절연 가스로 봉입되고 금속함으로 밀폐된 내부에 설치되어 고정되는 GIS형태로 변화되고 있다. 이러한 변화의 주역인 GIS 시스템은 미려하고 공간을 차지하지 않으며 건물내부에도 설치될 수 있고, 외부환경에 의한 고장이 줄어드는 등의 큰 장점을 가지고 있다. 반면에 GIS시스템은 내부의 관찰이 어렵고 고장이 발생하면 대형화된다는 단점도 함께 내재하고 있다. 이러한 GIS시스템의 고장예지를 위해 최근 GIS의 공장출고에서부터 부분방전(PD, Partial Discharge) 센서가 내장된다. 이러한 센서를 이용하여 on-line 시스템을 운전하고 있으나 고가이어서 고장진단시스템을 전면적으로 적용하지 못하는 실정이다. 이렇게 GIS의 공장 출고부터 센서가 설치되어 있음에도 불구하고 GIS진단이 어려운 점에 착안하여 간단한 구조의 부분방전 카운터를 본 고안에서 개발하였다.

GIS 고장예지 방법중 가장 유력한 방법이 부분방전 검출이다. GIS에서 부분방전이 검출되었다고 해서 짧은 시간내에 고장으로 확산되지는 않는다. 부분방전의 정도가 심해지는가를 유심히 관찰하게 된다. GIS에서 부분방전이 검출된 후에도 진전이 될 때까지는 어느 정도의 시간이 있음에 착안하여 부분방전 카운터는 간단하 면서도 GIS 부분방전의 특성을 잘 고려한 고안이다.

부분방전, 부분방전감지센서, 누적형카운터, 리셋형카운터, 동기화 수단, 주파수변환수단

Description

가스절연 개폐장치 진단용 부분방전 카운터 {Partial Discharge Counter for Diagnosis of Electric Power GIS System}

도 1은 본 고안의 전체적인 개요도

도 2는 본 고안의 내부 구성도

도 3은 본 고안의 측면에서 본 설치도

도 4는 본 고안의 정면에서 본 설치도

도 5는 휴대용 부분방전 진단장치 설치도

도 6은 on-line 부분방전 진단시스템 설치도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 부분방전감지센서

2 : 부분방전카운터

3 : 리셋버튼

4 : 상전압 (Phase Voltage)

5 : 설정버튼

6 : 연결 콘넥터

7 : 방수캡

8 : 방수구조의 주름관

9 : 하우징(Housing)

10 : 투명 아크릴

11 : 가스절연개폐장치 관

12 : Spacer

13 : 동축케이블

14 : 휴대용 부분방전 진단장치

15 : 통신 케이블

16 : 노트북

17 : on-line 부분방전 진단시스템의 DAS

18 : 광케이블

19 : 원격제어장치

본 고안은 변전소의 전력기기중 중요한 부분과 역할을 담당하는 가스절연개폐장치(Gas Insulated Switchgear: GIS)의 부분방전감지센서를 이용한 부분방전 진단에 관한 것으로 기존의 on-line 부분방전 진단시스템이 고가인 단점과, 휴대용 부분방전 진단장치를 이용한 진단이 상시측정이 불가하다는 단점을 극복하는 방법으로 부분방전감지센서에 상시로 부착하여 부분방전의 횟수를 세는 카운터에 관한 것이다.
GIS 시스템은 SF6가스가 금속함에 봉입된 구조로 되어있고, 금속함 내부에 차단기, 단로기, 접지스위치 등의 개폐기류와 3상(A상, B상, C상)의 부스바(Bus bar)가 고정되어 위치한다. 이러한 GIS 시스템은 외관이 미려하고 절연성능이 우수하여 수명이 길고 구조적으로 최적화되어 있어서 변전소 축소화를 가능하게 하는 구조적 장점과 금속함에 내재되어 있어 낙뢰와 같은 외부의 환경변화에 쉽게 영향을 받지 않는다는 장점이 있다. 반면에 GIS 시스템은 고장예지가 어렵고, 고장현상을 육안으로 확인하기 어려우며, 일단 고장이 발생하면 대규모의 고장으로 확대된다는 단점을 가지고 있다.
이러한 고장을 사전에 발견하여 조치하는 예방진단시스템에 대한 개발이 진행되고 있으며, 부분방전을 예측하고 측정하는 방법이 가장 유력한 방법으로 인지되어 전 세계적으로 적용이 확대되고 있다. 초음파를 이용한 예방진단시스템도 적용되고 있으나 UHF 안테나의 성질을 이용한 센서를 통해 진단하는 방법이 가장 효과적인 방법으로 대두되어 UHF 안테나 센서를 이용한 GIS 진단장치가 전력선진국을 필두로 하여 확대 적용되고 있다.
기존의 on-line 부분방전 진단시스템은 부분방전의 판정과 부분방전의 정도를 시시각각 변전설비 운영자에게 알려줄 수 있어 편리하고 비교적 정확한 방법으로 일부 중요성이 강조되는 변전소에 선별적으로 적용되고 있다. 전반적인 확대적용이 어려운 이유는 우리나라의 경우 변전소 총설비비의 수십 %를 차지할 정도로 가격이 높기 때문이다.
이러한 대안으로 휴대용GIS부분방전 진단장치가 사용되고 있다. 이 장치는 정밀도와 GIS 부분방전의 검출측면에서 문제점이 없으나 측정하는 동안만 부분방전의 감시가 가능하므로 측정시간외의 시간에 발생하는 GIS 부분방전에 대해서는 속수무책일 수밖에 없다.

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본 고안은 상기와 같이 on-line 부분방전 진단시스템이 고가이고, 휴대용 부분방전 진단장치는 상시감시가 되지 않는다는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, GIS PD의 특성을 이용한 경제형 GIS 진단 장치이다.
GIS 부분방전의 특성은 진단의 측면에서 보면 크게 다음의 네 가지로 요약 할 수 있다. 첫째, GIS 부분방전은 검출이 된다고 해도 수분 혹은 몇 시간내에 급진전하여 사고를 유발하지 않는다는 점이다. 때로는 부분방전이 발생하는 상황에서 몇 년을 사고 없이 운전되는 경우도 있다. 이것은 절연파괴와 같은 진전이 서서히 일어나기 때문이다. 둘째, 그러나 GIS 부분방전이 검출된 후에 부분방전의 진전이 진행되면 사고로 이어질 수 있다는 점이다. 따라서 부분방전의 크기와 횟수가 늘어나는지를 검출하는 것이 부분방전을 이용한 GIS 진단의 핵심이 된다는 점이다. 셋째, 언제 GIS에서 부분방전이 일어날지 모르기 때문에 상시 감시가 필요하다는 점이다. 마지막으로 GIS 부분방전은 상전압 주파수와 동기(同期)로 일어난다는 점이다. 즉, GIS내의 이상결함에 의한 부분방전은 상전압 주파수의 위상에서 위상별로 일정한 패턴으로 발생한다. 이러한 패턴특성은 무분별한 외부노이즈의 위상패턴과 구별하는데 큰 도움이 되는 특성이다.
이러한 GIS 부분방전의 특성을 이용하면서 저가형의 진단방법을 제시하기 위하여 본 고안에서는 GIS 부분방전 카운터를 개발하였다. 본 고안이 이루고자하는 내용은 다음의 7가지이다.
첫째, 본 개발은 이미 GIS 내부에 내장된 내장형 부분방전감지센서를 이용하여 부분방전횟수를 카운트할 수도 있고, 별도의 부분방전감지센서를 외장형으로 GIS의 Spacer외부에 부착하여 사용하는 외장형 센서를 이용하여 부분방전횟수를 카운트 할 수도 있다. 이러한 특징으로 기존의 내장형 부분방전감지센서가 부착되지 않은 GIS 시스템과 내장형 부분방전감지센서가 내장된 GIS 시스템에 모두 공히 적용할 수 있다.
둘째, 본 고안의 부분방전 카운터는 상전압 주파수와 동기하여 일어나는 신호만을 검출하여 카운트를 한다. 상전압 주파수와 동기로 된 신호만을 카운트함으로서 외부에서 랜덤하게 침입하는 노이즈와 구별할 수 있다. 이러한 기능을 수행하기 위해 외부에서 상전압을 공급해준다. 본 고안품을 현장에 설치하는데 필요한 외부와의 연결은 상전압 공급선 두 선과, 센서에서 카운터로 연결되는 연결 콘넥터 하나뿐이다. 따라서 설치가 매우 간단하다.
셋째, GIS 부분방전 신호의 검출감도를 조절하는 카운트정도(counting level) 설정기능을 갖는다. 실제 GIS내부에서 부분방전이 일어나면 초기에는 간헐적으로 발생하다가 점차 진전되면 지속적으로 발생하게 된다. 이 때 초기 설정치를 그대로 유지하면 초기에는 간헐적으로 카운트 되다가 부분방전이 진전이 되면 지속적으로 카운트 될 것이다. 이렇게 지속적으로 카운트 되는 것을 막기 위해 설정치를 조절할 수 있는 기능을 부여 하였다. 이러한 설정기능은 관리자가 카운트정도를 높일 때마다 해당 센서에 대한 관리가 가능하도록 하기 위함이다.
넷째, GIS 부분방전 센서가 설치된 곳에 곧바로 적용가능하다. 즉, 본 고안에서의 카운터 이외에 별도의 장치가 필요 없어 현장적용이 용이하다.
다섯째, 두 개의 카운터를 갖는다. 하나는 부분방전 발생횟수를 카운트하고 누적하는 누적형카운터이고 다른 하나는 일정기간동안의 카운트를 담당하는 리셋형카운터이다. 이렇게 함으로서 GIS 부분방전이 진전되고 있는지 정도가 커지고 있는지의 판단이 가능하게 되어 on-line장치가 갖는 장점을 갖게 된다.
여섯째, 상전압 주파수와 동기로 일어나는 신호를 카운트함에 있어 매번 카운트를 수행하면 1초에 50~60회 (상전압 주파수에 따라 다름.) 정도가 일어나고 1분에 3000~3600회가 일어날 것이다. 본 장치의 목적은 문제가 발생하는 곳에 대해 운영자에게 지속적인 관리를 할 수 있도록 알리는 것이므로 한 번 인지된 곳에서 끝없이 증가되는 횟수는 의미가 없으므로 이럴 때 사용하도록 기준밀도레벨설정기능을 두어 횟수를 하도록 한다. 즉, 기준밀도설정을 100회로 설정하면 부분방전 횟수가 100회 일어날 때에 카운트를 하나씩 증가하도록 하는 기능을 갖는다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 구성 및 동작을 설명하도록 한다.
본 고안을 위한 그림은 도1에서 도4까지 구성되어 있고, 참고로 도5는 현재 적용되고 있는 휴대용GIS부분방전 진단장치 설치도이며, 도6은 현재 설치 운용되고 있는 on-line 부분방전 진단시스템에 대한 설치도이다.
도1은 전체개요도를 도시한 것으로 이에 대한 동작을 설명하도록 한다. 현장에서 부분방전을 감지하는 부분방전감지센서(1)는 GIS내부를 감시하고 이상결함에 의한 부분방전 감지값을 부분방전카운터(2)로 보낸다. 부분방전카운터(2)에서는 부분방전 감지값을 현장에서 공급받는 상전압(4)과 동기화하고 이 값을 설정(버튼)(3)에 의한 값과 비교하여 조건을 만족하면 카운트를 수행하고 카운터에 표시한다. 이런 카운터의 표시는 리셋(버튼)(5)에 의해 초기화되는 구조를 갖는다.
도2는 도1를 구체적으로 도시한 것이다.
이하에서 도2에 대한 구체적인 동작설명을 하도록 한다.
1) 부분방전감지센서
GIS 내부 이상결함에 의한 부분방전 발생시, 부분방전은 전자파신호의 형태로 발산되며, 이 때의 방전주파수는 모든 주파수성분을 갖고 있다. 그 중 UHF대역의 주파수에서 효과적으로 검출이 가능하므로 부분방전감지센서(1)를 UHF대역에서 검출하도록 설계하였다. 센서의 종류는 내장형 부분방전감지센서와 외장형 부분방전감지센서가 있다. 내장형 부분방전감지센서는 초기 GIS 제작시 GIS관에 취부하는 구조를 갖는다. 외장형 부분방전감지센서는 내장형 부분방전감지센서가 없는 GIS설비에 적용하며 Spacer에 취부한다. GIS관의 재질은 금속재질이므로 GIS내부방전에 의한 전자파신호는 외부로 유출될 수는 없지만, GIS관의 연결부위인 Spacer는 에폭시재질로 제작되므로 전자파신호가 유출될 수 있는 유일한 구조물이기 때문이다.
2) 서지유입방지회로
낙뢰 또는 지락사고에 의해 발생하는 서지신호는 8㎲~20㎲의 파두와 파미를 가지는 단 펄스성의 신호이다. 이러한 서지신호는 GIS내부의 부분방전에 의한 신호가 아니므로 부분방전신호와 분리되어야 하고 부분방전카운터(2)회로로 유입되지 않도록 하여야 한다. 이러한 역할을 수행하기 위해 부분방전카운터(2) 첫 단에 서지유입방지회로(20)를 둔다.
3) 주파수 변환수단
부분방전 감지센서(1)에서 출력되는 신호는 UHF대역의 고주파신호이므로 일반적으로 사용하고 있는 ADC회로(아날로그-디지털변환회로)(22)에서는 처리하기 어렵다. 고속처리 가능한 ADC가 있지만, 주문생산으로 가격이 고가이고 주변에 제어회로를 필요로 하는 복잡한 구조를 갖는다. 그러므로 상기 저주파 변환장치(21)는 쉽게 구할 수 있고 많이 사용되는 범용의 ADC(22)가 처리 가능하도록 수십kHz 대역의 저주파신호로 변환하는 역할을 한다. 즉, 부분방전 감지센서에서 출력된 신호는 서지신호등의 저주파 신호를 필터링하기 위해 대역통과필터회로(21-a)를 거친다. 상기 대역통과필터회로(21-a)를 거친 신호는 피크검출회로(21-b)에 의해 원 신호의 피크값만을 추이하는 곡선을 그린다. 이러한 추이곡선은 수십kHz단위의 저주파 신호가 된다. 상기 저주파신호는 피크유지회로(21-c)에서 피크값을 유지한다. 이러한 피크유지신호는 ADC회로(22)에서 디지털 신호로 변환이 된다. ADC회로(22)에서 변환이 완료되면 디지털 신호처리부에서 피크리셋회로(21-d)로 리셋신호를 주어 피크리셋회로(21-d)에 의해 피크 유지된 신호를 리셋한다. 이러한 신호처리(대역통과필터(21-a)-피크검출(21-b)-피크유지(21-c)-ADC(22)-피크리셋(21-d))는 동기신호 1주기마다 128회 반복 실시된다.
4) 동기화 수단
부분방전데이터를 동기펄스와 동기 시키는 역할을 한다. 상기 동기펄스는 현장에서 공급되는 상전압(4)을 이용한다. 여기서 상전압(4)은 변전소의 현장에 설치된 분압기(PT)의 2차측 전압을 이용하므로 보통 수십 V~수백 V 정도이다. 이러한 전압을 회로내에 직접 입력하면 장치의 파손의 우려가 있으므로 전압강하회로(26)를 통해 회로에서 처리 할 수 있는 TTL레벨의 신호로 변환한다. 이러한 TTL레벨신호가 0~5Vpeak의 구형파 신호로 출력되는 동기펄스이며, 이 신호를 이용하여 동기회로(27)에서 부분방전데이터와 동기화 하여 디지털 신호처리부(23)로 데이터를 전송한다.
5) 디지털 신호처리부
상전압 주파수의 1주기 마다 128회씩 ADC(22)에서 변환된 데이터를 읽어 들이고 난 후, 128회씩 피크리셋회로(21-d)에 리셋 펄스를 인가하여 피크 유지된 신호를 0[V]로 초기화 한다. 상전압 주파수에 동기하는 부분방전데이터는 설정(5)에 의하여 설정된 값과 비교하여 설정된 값을 초과하면 카운트하여 카운트(28, 29)에 표시한다. 설정되는 값은 외부버튼에 의해 설정(5)을 하며, 설정된 값과 카운트되는 값은 내부에 저장되는 구조를 갖는다.
6) 설정수단
부분방전 데이터를 카운트함에 있어 2가지 종류의 설정수단을 갖는다. 한가지는 부분방전의 기준레벨을 설정하여 레벨이상의 신호만 카운트하도록 하는 기준레벨설정수단이고, 다른 한 가지는 기준레벨이상의 부분방전 데이터를 몇 회 동작마다 1회로 카운트하려는 지를 설정하는 기준밀도설정수단이다.
7) 카운터
카운터는 누적형 카운터(28)와 리셋형 카운터(29)가 있으며, 전자는 초기 설치 후부터 카운트를 누적하며 기록이 지워지지 않는 구조를 갖는다. 후자는 일정기간동안의 누적된 카운트를 외부에서 리셋버튼(3)에 의해 초기화 할 수 있도록 하는 구조를 갖는다.
8) 설정표시기
부분방전의 기준레벨 설정값과 기준밀도 설정값을 보여주는 장치이다. 이는 LCD의 형태로 구성하여 관리자가 수동으로 조작하여 설정한다. 또한 설정값이외의 주파수 정보와 실시간 데이터 값을 보여준다.
다음으로 부분방전카운터(2)의 설치 방법에 대해 도3과 도4에서 설명하기로 한다. 도3은 부분방전카운터(2)의 설치구조도를 측면에서 도시한 것이고, 도4는 부분방전카운터(2)의 설치구조도를 정면에서 도시한 것이다. 도3과 도4는 기존에 설치된 부분방전 감지센서(1)와 연결된 구조로 나타낸 것이다. GIS에 취부되어 있는 부분방전 감지센서(1)는 연결 콘넥터(6)를 이용하여 부분방전카운터(2)와 연결을 한다. 현재 부분방전 감지센서(1)는 방수, 방습구조가 되도록 센서외곽을 하우징(Housing)(9)하였다. 부분방전 카운터 값을 보기 위해 전면부분을 투명아크릴(10)로 제작하되, 내부에 습기가 차지 않도록 방습구조를 갖도록 한다. 상전압(4)은 방수관(8)을 통해 부분방전카운터로 입력하며, 방수관(8)은 하우징(9)과 방수구조가 되도록 방수캡(7)으로 연결한다. 부분방전 카운트를 클리어하는 리셋버튼(3)과 부분방전 카운트를 설정하는 설정버튼(5)은 투명아크릴(10)과 방수형태로 접속되는 구조를 갖는다.
도5는 현재 적용되고 있는 휴대용GIS부분방전 진단장치(14)의 설치 구조를 도시한 것이다. 현장에 설치된 가스절연개폐장치(11)에 각각 설치된 부분방전감지센서(1)는 동축케이블(13)을 사용하여 휴대용GIS부분방전 진단장치(14)에 입력하고 이 장치는 통신케이블(15)로 노트북(16)과 연결한다. 휴대용GIS부분방전 진단장치(14)는 이동이 편리하지만, 입력CH수가 적어 현장을 전부 측정하는 데는 어려움이 있다. 그리하여 부분방전 의심구역을 위주로 측정하지만 부분방전 발생시간을 정확히 인식하여 측정하기가 어려울 뿐더러 측정시간에만 진단이 이루어지므로 상시감시가 어렵다는 단점이 있다.
도6은 현재 적용되고 있는 on-line 부분방전 진단시스템(17,19)의 설치 구조를 도시한 것이다. 현장에 설치된 가스절연 개폐장치(11)에 부착된 센서는 여러개의 DAS(17)에 연결이 되고 이러한 DAS(17)들은 광케이블(18)을 통해 감시실에 설치된 원격제어장치(19)와 연결을 한다. 상기 on-line 부분방전 진단시스템은 부분방전 상시감시가 가능하고 실시간으로 이상결함 정보를 수집하여 GIS사고를 사전에 방지할 수 있는 장점이 있는 반면, 시스템 구축을 하는데 있어 복잡하고 고비용이 소요되므로 현재는 급수가 큰 GIS설비에만 적용하고 있다.
이상으로 본 고안의 실시 예를 설명하였지만, 본 고안은 상기의 실시 예들에만 국한한 것이 아니라 다양한 개량, 변경을 하여 실시 할 수 있을 것이다.

본 고안의 효과는 다음과 같다.
첫째, 변전소 전력설비인 GIS 시스템의 고장예방을 위한 진단시 부분방전감지센서를 이용한 부분방전 검출방법에 있어 상용주파수와 동기를 이루는 부분방전의 횟수를 카운트함으로서 복잡하고 고가의 on-line 부분방전 진단시스템이 갖는 상시감시기능을 대체하는 효과를 갖는다.
둘째, 본 고안의 GIS의 부분방전 카운터는 구조가 간단하고 저가의 구현이 가능하며, 설치가 간단하므로 현장의 확대적용이 용이하다.
셋째, GIS 부분방전을 카운트함에 있어 기준레벨설정수단을 이용하여 GIS 부분방전의 유무와 어느 정도 크기의 부분방전이 발생하는지를 알 수 있는 효과가 있다.
넷째, GIS의 부분방전을 카운트함에 있어 기준밀도설정수단을 이용하여 GIS부분방전을 몇 회 동작마다 1회로 카운트하려는 지에 대해 설정하므로 너무 많은 카운트에 의한 정보의 유실을 방지하는 효과를 갖는다.
다섯째, 두 개의 카운터를 갖고 있고 GIS의 부분방전 횟수를 카운트함에 있어 누적횟수와 일정기간의 동안 일어난 횟수를 표시할 수 있다. 이러한 표시방법으로 GIS 부분방전 발생횟수가 증가할 시, 부분방전의 정도가 진전됨을 관리자에게 알려주는 효과가 있다.

Claims (9)

1. GIS(Gas Insulated Switchgear)의 절연진단을 위해 GIS 내부의 부분방전의 횟수를 측정하는 카운터에 있어서,

   상기 GIS에 내장된 부분방전센서의 고주파 출력신호를 대역통과필터(21-a), 피크검출회로(21-b),피크유지회로(21-c),피크리셋(21-d)을 이용하여 저주파신호로 변환하는 주파수변환수단; 상기 주파수변환수단에 의해 출력된 신호를 ADC(22)에서 AD변환하고 변환된 값을 상전압의 주파수에 일치시키는 동기회로; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 GIS 부분방전 카운터
2. 상기의 청구항 제1항에 있어, 상기 카운터는 상전압의 주파수와 동기된 GIS 부분방전 신호만을 카운트하는 것을 특징으로 하는 GIS 부분방전 카운터
3. 상기의 청구항 제1항에 있어, 상기 카운터는 입력측에 서지유입방지회로를 두어 서지로부터 보호 될 수 있는 것을 특징으로 하는 GIS 부분방전 카운터
4. 상기의 청구항 제1항에 있어, 상기 카운터는 입력측에 서지유입방지회로를 두어 서지로부터 보호 될 수 있는 것을 특징으로 하는 GIS 부분방전 카운터
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