KR20060091984A

KR20060091984A - 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서

Info

Publication number: KR20060091984A
Application number: KR1020050013254A
Authority: KR
Inventors: 강창원; 이영상; 황철민; 김영노
Original assignee: (주) 피에스디테크
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-22
Also published as: KR100679084B1

Abstract

본 발명은 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서에 관한 것으로, GIS(가스 절연 개폐장치) 플랜지 내부에 취부되어 GIS 내부에서 발생된 부분 방전 UHF(초고주파) 신호를 감지하는 패치 안테나(Patch Antenna) 및 접지판(Ground plane), 그리고 패치 안테나와 접지판을 고정시키기 위한 절연체(Insulator)가 구비된 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서에 있어서, 상기 패치 안테나는 GIS의 감지창에 설치되어 5pC의 부분 방전 신호를 검출하는 것으로서, 안테나의 길이가 주파수의 함수로서 반파장(λ/2)에 비례하고, 무지향성 방사특성을 갖는 다이폴 패치 안테나; 상기 다이폴 패치 안테나의 변형된 형태로서 다이폴 패치 안테나의 공진특성을 광대역 특성으로 변형시킨 반원 다이폴 패치 안테나; 광대역 안테나 소자로 주파수의 대수로서 주기적으로 변하는 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나; 광대역 안테나 소자로 주파수의 대수로서 주기적으로 변하는 두 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나; 도체면이 각도로서 표현되는 기하학적 구조를 갖는 등각 스파이럴 패치 안테나; 및 등각 나선형에 대하여 극각(polar)에 선형적으로 비례하고 주파수 독립 특성을 갖는 스파이럴 패치 안테나 중에서 어느 하나가 적용된 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서로서, 가스 절연 개폐장치의 부분 방전을 진단하여 검출해내는 고감도의 초고주파 센서이다.

가스 절연, 개폐장치, 불화유황, 부분 방전, 검출 센서, 초고주파, 광대역

Description

가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서{Internal Sensor for Diagnosis Partial Discharge of Gas-Insulated Switchgear}

도 1a는 일반적인 가스 절연 개폐장치 내부의 외함 고정 돌출부에 의한 부분 방전 발생시에 내부 전계 및 내부 현상을 나타낸 도면이다.

도 1b는 전형적인 부분 방전에 의한 전류 펄스를 나타낸 그래프이다.

도 2는 가스 절연 개폐장치(GIS) 내부의 전자파 진행 및 전달 상태를 나타낸 도면이다.

도 3은 GIS 내부의 전자파 발생과 진행경로 및 검출방법을 예시한 도면이다.

도 4a 내지 도 4d는 스파이럴 선형 안테나를 예시한 도면이다.

도 5a는 스파이럴 평판을 나타낸 것이고, 도 5b는 슬롯 안테나를 예시한 것이다.

도 6a는 평면형 대수 주기 안테나를 나타낸 것이고, 도 6b는 도선형 대수 주기 안테나를 예시한 것이다.

도 7a는 사다리꼴 톱날 평면형 대수 주기 안테나를 나타낸 것이고, 도 7b는 사다리꼴 톱날 도선형 대수 주기 안테나를 예시한 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예로서 내장형 센서의 구조를 나타낸 도면이다.

도 9a는 다이폴 패치 안테나의 복사 패턴을 나타낸 것이고, 도 9b는 이득을 나타낸 그래프이다.

도 10은 제작된 다이폴 패치 안테나를 예시한 도면이다.

도 11은 다이폴 패치 안테나의 RL(반사손실) 계산값과 측정값을 비교한 그래프이다.

도 12a는 반원 다이폴 패치 안테나의 복사패턴을 나타낸 것이고, 도 12b는 이득을 나타낸 그래프이다.

도 13은 제작된 반원 다이폴 패치 안테나를 예시한 도면이다.

도 14는 반원형 다이폴 패치 안테나의 RL(반사손실) 계산값과 측정값을 비교한 그래프이다.

도 15a는 대수 주기 패치 안테나의 복사패턴을 나타낸 것이고, 도 15b는 이득을 나타낸 그래프이다.

도 16은 제작된 대수 주기 패치 안테나를 예시한 도면이다.

도 17은 대수 주기 패치 안테나의 RL(반사손실) 계산값과 측정값을 비교한 그래프이다.

도 18a는 변형된 대수 주기 패치 안테나의 복사패턴을 나타낸 것이고, 도 18b는 이득을 나타낸 그래프이다.

도 19는 변형된 대수 주기 패치 안테나를 예시한 도면이다.

도 20은 변형된 대수 주기 패치 안테나의 RL(반사손실) 계산값과 측정값을 비교한 그래프이다.

도 21a는 등각 스파이럴 패치 안테나의 복사패턴을 나타낸 것이고, 도 21b는 이득을 나타낸 그래프이다.

도 22는 제작된 등각 스파이럴 패치 안테나를 예시한 도면이다.

도 23은 등각 스파이럴 패치 안테나의 RL(반사손실) 계산값과 측정값을 비교한 그래프이다.

도 24a는 스파이럴 패치 안테나의 복사패턴을 나타낸 것이고, 도 24b는 이득을 나타낸 그래프이다.

도 25는 제작된 스파이럴 패치 안테나를 예시한 도면이다.

도 26은 스파이럴 패치 안테나의 RL(반사손실) 계산값과 측정값을 비교한 그래프이다.

도 27은 실제 규모급 GIS용 내장형 센서를 예시한 도면이다.

도 28은 다이폴 패치 안테나가 장착된 내장형 센서의 모델링이다.

도 29는 다이폴 패치 안테나와 다이폴 센서의 RL을 비교한 그래프이다.

도 30은 GIS에 설치된 내장형 센서의 모델링이다.

도 31은 다이폴 내장형 센서와 GIS에 설치되었을 때의 RL을 비교한 그래프이다.

도 32a는 부분 방전 발생장치를 나타낸 것이고, 도 32b는 겉보기 방전량(5pC)을 나타낸 그래프이다.

도 33은 내장형 센서의 성능시험을 위한 실제 규모급 GIS 목업을 예시한 도면이다.

도 34는 내장형 센서 시험장치의 구성도이다.

도 35a 내지 도 35f는 내장형 UHF(초고주파) 센서의 RL을 비교한 그래프이다.

도 36a 내지 도 36f는 내장형 UHF 센서의 주파수 응답 특성을 비교한 그래프이다.

도 37a 내지 도 37f는 내장형 UHF 센서의 부분 방전신호 측정 파형을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 전력설비로서 사용되는 SF₆(불화유황) 가스 절연 개폐장치의 부분 방전을 진단하여 검출해내는 고감도의 초고주파 센서에 관한 것이다.

SF₆ 가스 절연 개폐장치(Gas-Insulated Switchgear, GIS)는 우수한 절연내력, 차단성능과 신뢰성이 높은 전력설비로서, 고장이 발생하면 그 파급효과에 의한 경제적 손실이 매우 크다. 현재 GIS 사고를 예방하기 위한 기술개발 및 노력이 꾸준히 진행되고 있고, 유럽이나 일본 등 극소수 국가에서 현장 적용기술이 제시되어 적용되고 있다. 그러나 최신 기술로서는 기술의 장벽이 높을 뿐만 아니라, 실제 현장적용에는 다소 미흡한 부분이 있기 때문에 적용이 보편화되어 있지 않은 실정이다.

종래에 일본에서는 전력설비로서, 계통 최고 전압인 500kV에서 1,000kV로 격상시키기 위하여 시험용 3상 변전소 1개소를 건설하여 1996년부터 장기간 동안 시험 운전을 하고 있다. 해당 업체가 개발한 1,000kV 변압기 및 GIS의 시험 운전 과정에서 운전 사고가 발생하여 이러한 기기들의 성능에 대한 검증 및 보완작업이 꾸준히 이루어지고 있다. 더욱이 수많은 연구기관들이 GIS의 내부결함을 검출해 내기 위하여 다양한 방법들이 적용 및 제시되고 있다.

한편, 영국이나 일본의 경우에는 UHF(Ultra High Frequency, 초고주파) 진단기술 중심으로 발전하였고, 스웨덴이나 노르웨이 등에서는 음향신호 진단기술 중심으로 연구가 진행되고 있다.

이와 같이 현장적용에 적합한 기술들을 선정하기 위한 기술검증 노력이 CIGRE(국제전력기술회의)를 중심으로 집중적인 연구가 이루어졌고, 그 결과 CIGRE 전문 분과 그룹에서는 전기적 방법으로는 UHF 진단법을, 기계적 방법으로는 음향신호 진단법을 병행할 것을 추천하고 있다.

특히 영국의 DMS(Diagnostic Monitering System)사는 UHF 기술을 최초로 개발한 회사로서, 1980년대 초부터 연구를 시작하여 1988년부터 영국에서 신설되는 모든 GIS는 UHF 센서를 내장시키는 것을 표준 사양화하였다. 이러한 기술추세를 감안할 때, 부분 방전으로 인하여 발생하는 UHF 대역의 신호를 측정하여 GIS 내부의 상태를 항상 감시할 수 있는 진단 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

불화유황(SF₆)으로 절연된GIS 내부에서 부분 방전이 발생되면 부분 방전 펄스는 수 ns 정도의 가파른 상승 시간을 가진 펄스로 수 백 ㎒에서 수 ㎓에 이르는 주파수 성분을 포함하고 있는 것으로 알려져 있다.　 GIS 내부 결함에 의해 발생된 전자파 신호는 복잡한 공진 및 반사, 감쇠 현상을 수반하며 GIS 내부를 전파하게 된다. 내부에서 전파되는 전자파 신호는 UHF 대역에서 반응하는 센서를 GIS 내에 장착하거나 외부에 장착하여 검출할 수 있으며, 이를 UHF 부분 방전 검출기법(UHF Method)라고 한다.

종래에 도 1a는 GIS 내부 외함 고정 돌출부에 의하여 부분 방전이 발생하였을 때에 내부 전계 및 내부 현상을 도식화한 것이고, 도 1b는 전형적인 전류 펄스 파형을 나타낸 것이다. GIS 내부에서 부분 방전이 발생하면 GIS 내부에는 도 1b에서와 같이, 수십 ps의 매우 빠른 상승 시간을 갖는 과도전류(transient electric current)가 흐르게 된다. 이때 전류펄스를 가우시안(Gaussian) 형태의 펄스라 가정하고, 펄스폭이 1ns라고 하면 전류펄스의 주파수 분포는 DC에서 1GHz 대역까지 분포하게 되며, 이때의 전류펄스로 인해 20GHz에 이르는 전자파(electromagnetic wave)가 방사(radiation)된다. 여기서 방사되는 전자파의 파워(power, P_EM)와 주파수(f_EM)는 각각 전류펄스의 크기(i_t) 및 전류펄스의 상승, 그리고 하강부에서의 전류 변화율()에 따라 결정된다.

상기와 같이 부분 방전 전류에 의해 방사된 초고주파 신호는 내부 도체를 따라 파장이 다른 주파수의 형태로 전파(propagation)되고, 또한 반사(reflection)로 인해 전자파는 분산(dispersion)되어 전파되면서 신호 사이에 간섭이 일어나 지연(delay)되거나 유전율이 다른 매질(예로, 스페이서)을 만나면서 감쇠(attenuation)되어 전파된다.

GIS 챔버 구조는 UHF 신호 전달을 위한 저 손실 도파관(waveguide)으로 작용하는 동축 전극형태의 급전선(transmission line)으로 가정할 수 있으므로, 만일 스페이서나 불연속점이 없다면 0.5m 반경을 가진 도파관의 경우에 1GHz 신호의 전달 손실은 이론적으로는 3-5dB/km에 불과하다. 그러나 GIS 내부의 복잡한 구조와 수많은 불연속점들에 의한 반사현상이 반복되어 발생된 신호는 2dB/m정도의 감쇠와 공진현상이 발생하게 된다.

이러한 결함으로 발생된 UHF신호는 GIS 챔버 내부를 전파하면서 신호 중에서 각 모드(mode)별로 차단 주파수 이하에 해당하는 부분은 급격히 감쇠한다. 신호는 빛의 속도에 가까운 속도로 동축 전극형태의 급전선을 따라 전파되며 스페이서를 통과할 때는 속도가

로 감소된다. 여기서

는 스페이서 절연체(에폭시)의 비유전율이다. GIS 내부 구조의 불균일에 의해 UHF 신호는 복잡한 형태의 반사를 일으키며, 이에 의한 효과는 이론적으로 분석될 수 없지만 크게 단순화시켜 표현할 수 있다.

도 2는 GIS 내부의 전자파 진행 및 전달 상태를 나타낸 것으로, GIS 내부에서 발생된 전자파는 부분 방전이 발생한 지점에서부터 시작하여 SF₆가스와 동축 전극형태의 급전선을 따라 진행된다. 진행 중인 전자파는 금속 외함, 스페이서 및 점검창에 도달하게 되는데, 전자기 이론에 의하면 전자파는 완전 도체의 경우에 있어서 모든 계의 성분들이 도체 내부 영역에서 0이 되어야 한다는 조건이 있다. 따라서 GIS 외함에 도달한 전자파는 투과되지 못하고 전반사가 이루어져 GIS 내부에 존재하게 된다.

스페이서로 진행된 전자파는 SF₆가스와 유전율이 다른 매질(스페이서)을 통과하게 되므로 유전율의 차이에 의해 일부는 반사되고, 일부는 투과된다. 반사된 전자파는 투과되기 전에 베이(bay)의 GIS 내부에 존재하며 스페이서를 투과한 전자파는 다음 베이 GIS의 내부에 존재하거나 공기 중으로 방사된다. 부분 방전으로 인하여 발생된 전자파는 스페이서를 통과할 때마다 반사와 투과를 반복하면서 전자파 에너지가 감소하게 되며, 결국 감쇠되어 소멸된다

전자파 검출에 의한 부분 방전 측정법은 부분 방전에 의한 초광대역(Ultra Wide Bandwidth, UWB) 전자파(Electro-Magnetic Wave, EM Wave) 신호를 초고주파 대역(300MHz ~ 3GHz)에서 검출하는 방법으로 외부 잡음에 의한 영향이 적어 현장에서의 부분 방전 측정 감도가 우수하여 결과적으로 결함 위치 판별이 가능하다.

초고주파 센서는 GIS 점검창(Maintenance hall or Window)에 부착하는 내장형과 개방형 스페이서(Barrier) 또는 폐쇄형 스페이서에 부착하는 외장형으로 분류될 수 있으며, 각각의 특성은 설계하는 안테나의 형태와 재료의 재질에 따라 다르다. 개발 초기에 사용된 초고주파 센서는 용량성 분압기(capacitive coupler)의 원리를 이용하여 단일 디스크(disk) 형태의 검출부를 갖는 구조이고, 단일 주파수 대역에서의 공진(resonance)원리를 이용하여 전자파를 검출하였다. 이러한 단일 디스크 형태의 초고주파 센서는 검출 대역폭이 좁은 협대역(narrow bandwidth; Δf ≪ 1.5f_c, f_c; 중심주파수) 센서로서 부분 방전에 의한 방사 전자파의 주파수 분석에 한계가 있으며, 구조적으로 검출부인 금속 디스크가 점검창 내부의 SF₆ 가스 중에 그대로 노출되어 있어 고전계(高電界)가 인가될 경우에 검출부인 금속 디스크에서의 절연파괴 위험도 제기되었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 초광대역(ultra wide-bandwidth; Δf > 1.5f_c) 또는 주파수 비의존성(Frequency independent) 패치(Patch) 형태의 안테나를 초고주파 센서로 이용하는 연구들이 활발히 진행되고 있다.

상기와 같이 부분 방전 전류에 의해 방사된 초고주파 신호가 GIS 도파관을 따라 진행하다가 점검창에 도달하면 진행하던 매질이 다르므로 유전율의 차이에 의해 일부는 반사되며 일부는 투과된다. 반사된 전자파는 GIS 내부에 존재하고 투과된 전자파는 공기 중으로 방사된다.

결국, GIS 내부의 어떤 결함으로 인하여 발생된 부분 방전 신호들 중에서 전자파 신호는 GIS 내부 구조를 전송매체로 하여 진행하면서 스페이서나 점검창을 통과하여 공기 중으로 방사된 전자파 신호는 외장형 UHF 센서를 통해 검출할 수 있으며, 반사된 일부 전자파는 내장형 UHF 센서로 검출할 수 있다. 도 3은 전자파의 발생, 진행 및 검출 경로를 나타낸 것이다.

본 발명은 상기 초광대역 센서로서 가스 절연 개폐장치의 플랜지 내부에 취부되는 내장형 센서를 제공하기 위한 것이 목적이다.

더욱이 본 발명은 내장형 센서에 장착되는 다양한 형태 및 성능을 갖는 패치 안테나를 제공하기 위한 것이 다른 목적이다.

본 발명에 따른 목적을 달성하기 위하여, GIS(가스 절연 개폐장치) 플랜지 내부에 취부되어 GIS 내부에서 발생된 부분 방전 UHF(초고주파) 신호를 감지하는 패치 안테나(Patch Antenna) 및 접지판(Ground plane), 그리고 패치 안테나와 접지판을 고정시키기 위한 절연체(Insulator)가 구비된 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서에 있어서,

상기 패치 안테나는 GIS의 감지창에 설치되어 5pC의 부분 방전 신호를 검출하는 것으로서,

안테나의 길이가 주파수의 함수로서 반파장(λ/2)에 비례하고, 무지향성 방사특성을 갖는 다이폴 패치 안테나;

상기 다이폴 패치 안테나의 변형된 형태로서 다이폴 패치 안테나의 공진특성을 광대역 특성으로 변형시킨 반원 다이폴 패치 안테나;

광대역 안테나 소자로 주파수의 대수로서 주기적으로 변하는 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나;

광대역 안테나 소자로 주파수의 대수로서 주기적으로 변하는 두 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나;

도체면이 각도로서 표현되는 기하학적 구조를 갖는 등각 스파이럴 패치 안테나; 및

등각 나선형에 대하여 극각(polar)에 선형적으로 비례하고 주파수 독립 특성을 갖는 스파이럴 패치 안테나 중에서 어느 하나가 적용된 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서를 제공한 것이 특징이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서에 관하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에서는 실제 규모, 예를 들어, 170kV급 목업(Mock-up) GIS에 적용할 수 있는 다양한 형태의 내장형 UHF 센서로서 170kV급 GIS에 적용할 수 있도록 설계하여 제작 및 그 성능을 시험하였다. 더욱이 내장형 센서에 내장되는 패치 안테나는 광대역 안테나 소자를 이용하여 설계하였고, 3차원 고주파 전자기장 해석 툴을 이용하여 센서의 특성을 확인하였다. 해당하는 센서마다 다양한 종류의 패치 안테나를 설계하여 그 형태에 따른 센서의 반사손실(Return Loss, RL) 특성을 비교하였고, 또한 실제 규모로 제작된 170kV급 GIS 목업 센서를 설치하여 IEC 60270에 의한 5pC의 부분 방전(Partial Discharge, PD) 신호에 대한 센서들의 검출 주파수 특성과 최대출력(Peak Power)을 측정하여 비교함으로서, 각 특성들에 대한 상호 연관성 및 설치 구조에 가장 적합한 패치 안테나의 형태를 선정 및 적용한 것이다.

한편, 본 발명의 내장형 센서의 설계에 응용된 대역폭이 40 : 1 이상인 등각 스파이럴(Log-Spiral) 패치 안테나와 대수 주기(Log-Periodic) 패치 안테나 등에 대한 기본적인 특성과 설계 요소들에 대하여도 설명한다.

통상적으로 광대역 안테나(Broadband antenna)는 대역폭의 범위가 넓은 안테나를 의미하지만, '광대역'이라는 용어는 대역폭의 상대적인 척도이므로 여러 가지 조건에 따라 변하게 된다. 대역폭은 동작 주파수의 상한값(f_u)과 하한값(f_L)의 비로 나타낸다. 중심 주파수(또는 설계주파수)를 f_C라고 하면 중심 주파수에 대한 대역폭 B_p 는 다음의 수학식과 같다.

[수학식 1]

상기 대역폭 B_p 은 또한 비율 B_r 로 정의되며 다음의 수학식과 같다.

[수학식 2]

협대역 안테나들의 대역폭은 수학식 1을 사용하여 백분율로 표현하는 반면에, 광대역 안테나들은 수학식 2를 사용하여 비율로 인용된다.

만약, 안테나의 임피던스와 패턴이 대략 한 옥타브(f_U/f_L= 2) 또는 그 이상에 대해 크게 변하지 않는다면, 광대역 안테나로 분류된다.

그러나 GIS에 적용되는 UHF 센서는 초고주파 대역(300MHz ∼ 3GHz)을 포함하 는 범위에서 1GHz 이상의 주파수 대역에 대해 전자파 신호를 검출할 수 있어야 하므로, 대역폭이 40 : 1 이상인 초광대역(Ultra Wide Band, UWB)의 안테나가 요구된다.

등각 스파이럴(Log-Spiral) 안테나는 도체면이 각도로 표현되는 기하학적 구조이다. 따라서 광대역 안테나를 설계하는데 사용될 수 있는 형태에 대한 어떤 요구조건도 만족시킬 수 있다. 표면을 따라 곡선은 무한히 길기 때문에, 유한한 길이인 경우에는 길이를 정할 필요가 있다. 최저 동작 주파수는 전체의 길이가 파장과 같을 때이다. 최적의 동작 주파수보다 높은 주파수에서는 방사 패턴과 임피던스 특성은 주파수와 무관하다.

럼시(Rumsey)가 도입하고 엘리엇(Elliott)이 단순화시킨 광대역 안테나의 해석법은 구 좌표계(r, θ, φ)에서 가장 설명이 잘 될 수 있도록 다음의 가정이 뒤 따른다.

1. 안테나는 원점에 무한히 접근해 가는 두 단자를 갖고 있다.

2. 안테나 단자는 각각 θ = 0, π 축과 대칭으로 놓여 있다.

3. 안테나는 완전 도체로서 무한균일 등방성 매질로 둘러싸여 있다.

상기 가정에 의하여 안테나 도체면이나 가장자리는 다음 수학식과 같이 곡선으로 잘 표현될 수 있다

[수학식 3]

여기서, r은 도체면 또는 가장자리의 거리이며, 수학식 3의 일반해는 다음의 수학식과 같다.

[수학식 4]

등각 스파이럴 곡선은 수학식 4의 도함수를 다음과 같이 놓으면 유도될 수 있다.

[수학식 5]

여기서, A는 상수, δ는 Dirac 델타 함수이다. 수학식 5를 사용하면, 수학식 4는

[수학식 6]

가 된다. 여기서 A는

[수학식 7]

이고, 파장으로 표현하면 수학식 6은 다음과 같이 쓸 수 있다.

[수학식 8]

여기서 φ₁ 은

[수학식 9]

이다. 수학식 6의 또 다른 형태는 다음과 같다.

[수학식 10]

여기서, 1/a는 나선의 확장비이고, ψ는 도 4a에 나타나 있는 것처럼 방사거리 ρ와 나선의 접선이 이루는 각이다. 그리고 수학식 8로부터 파장의 변화는 무한대 구조의 패턴을 단지 회전시키는 것에 불과한 φ₀의 변화와 같다는 것이 분명하다. 따라서 안테나의 길이에 의해서 정해지는 범위 내에서 비슷한 특성들을 유한한 구조에서 알 수 있다.

동일한 결과를 수학식 10을 조사하여 얻을 수 있다. C₀ 에 의하여 주파수를 대수적 (lnf)으로 증가시키는 것은 C₀tanψ에 의하여 구조를 회전시키는 것과 같다. 결과적으로 방사패턴은 회전될 뿐 변동되지 않는다. 그러므로 주파수로부터 독립적인 안테나를 얻게 된다.

더욱이 스파이럴의 전체 길이 L은

[수학식 11]

에 의하여 계산할 수 있고, 이것은 수학식 8을 사용하면,

[수학식 12]

와 같다. 여기서 ρ₀와 ρ₁은 스파이럴의 내측과 외측의 반경이다.

서로 다른 형태의 안테나 시스템을 만들기 위해서 나선의 다양한 구조가 사용되고 있다. 상기 수학식 6에서 φ₀가 0과 π이면 선형 스파이럴 안테나는 도 4b의 형태가 되고, 도 4c 및 도 4d의 구조는

일 때이다. 이외에 여러 가지 구성이 가능하다.

그리고 P라고 표시한 등각 금속 표면은 수학식 6을 사용하여 가장자리 곡선을 다음과 같이 표현함으로써 가능하다.

[수학식 13]

[수학식 14]

여기에서,

과 K는 각각

[수학식 15]

[수학식 16]

이다.

도체 표면의 가장자리로서 명시된 2개의 곡선은 상대편 쪽으로 확대하거나 각도 δ만큼 회전시키면 똑같은 모양이 된다. 확대나 회전은 도 5에서와 같이 유한한 폭을 갖는 도체 소자 P에도 적용된다. 상대편 소자 Q는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.

[수학식 17]

여기서, 여기에서,

과

는 각각

[수학식 18]

[수학식 19]

이고, 여기서

는

[수학식 20]

이다.

두 개의 도체 P와 Q로 구성된 시스템은 도 5a에 나타낸 것과 같이 평형 시스템을 이룬다. 유한 구조의 길이는 도체의 중앙선을 따라 나선 모양을 하고 있는 고정 길이 L₀ 로서 나타낸다. 안테나 전체 구조는 회전각 δ, 도체의 길이 L₀, 나선 확장율

, 단자의 길이 ρ₂ 로서 나타낸다. 또한 각 도체는 종단에서 정합이 잘 되도록 도 5a의 점선으로 표시된 것처럼 끝에서 테이퍼져 있다.

도 5b는 큰 도체 평면 위에 스파이럴 슬롯이 있는 구조이며, 또한 종단 정합을 위해 테이퍼져 있다. 슬롯 안테나는 전체적으로 평형을 유지하기 위하여 평형형 동축 급전으로 용이하게 급전이 이루어지기 때문에 가장 실용적이다.

양호한 방사특성을 갖는 스파이럴 슬롯 안테나는 1/2∼3바퀴로 만들 수 있다. 최적의 설계치는 전체 길이가 1파장 또는 그 이상이 되는 1.25∼1.5바퀴 정도가 된다. 확장비는 한바퀴 당 10을 초과하지 않아야 한다. 방사 패턴은 단일 빔이 안테나 면과 직각인 양방향으로 최대가 되고, 무한 구조로 정해지는 방향으로는 0이 되어야 한다. 방사되는 전파는 사용 가능한 대역폭에서 주엽의 축 부근에 원형 편파로 방사된다. 끝 부분을 절단하면 빔 폭은 패턴의 회전으로 인하여 주파수에 따라 변화한다.

그러나 일반적으로 안테나 폭을 좀 더 넓게 하고 나선의 간격을 좀 더 가깝게 만든 슬롯 안테나는 주파수에 따른 빔 폭의 변화가 작은 매끄럽고 더 일정한 방사패턴을 갖는다. 대칭 구성인 경우에는 방사 패턴의 지향성도 기울지 않고 역시 대칭이 된다.

주파수 변화에 대하여 독립적인 또 다른 안테나로서 더하멜(DuHamel)과 이스벨(Isbell)이 소개한 대수 주기(Log-Periodic) 구조는 안테나의 구조 전체를 전적으로 각도만으로는 표현할 수 없기 때문에 완전하게 주파수에 대하여 독립적이라고 할 수는 없다.

도 6a에 있는 평판형 대수 주기 안테나 평면의 전류 분포는 도체 상에서 전계가 거리에 따라 매우 급격히 감쇠하는데, 이것은 전류가 대부분 도체 가장자리나 그 부근에 집중한다는 것을 의미한다. 따라서 도 6b와 같은 선형 안테나를 만들기 위하여 도체 평면의 가장자리로 이루어진 형태와 동일한 구조의 선형 안테나를 만들어 실험한 결과, 그 성능은 도 6a와 거의 동일한 것으로 나타났다. 따라서 선형 구조는 평판형 보다 구조적으로 단순하고, 가벼우며, 경제적이면서 풍압에 잘 견디는 특징을 갖게 된다. 양쪽 소자를 구부려서 V자 형태로 만든 같은 평면 구조가 아닌 형태도 널리 이용된다.

도 6에서 평판의 가장자리나 선을 곧게 펴서 곡선을 직선이 되게 하면 도 7과 같은 사다리꼴의 톱날형 대수 주기 구조가 된다. 이렇게 단순화된 구조는 특성을 저하시키지 않으면서도 제작이 다소 편리하다. 대수 주기 어레이 구조를 포함하여 형태는 특이하지만 실용적인 대수 주기 안테나가 많이 있다. 도 7의 구조에 서 톱날이 동일한 주기로 이루어졌다면 대수 주기의 크기 비는

[수학식 21]

과 같으며, 또한 안테나 슬롯의 폭은

[수학식 22]

와 같다. τ는 크기 비를 나타내는데, 만일 f₁ 과 f₂ 가 1주기만큼 떨어져 있다면 τ는 주파수와 다음과 같은 관계를 갖는다.

[수학식 23]

도 7b에 있는 안테나에서 α, β, τ 및 χ에 의하여 결정되는 특성에 관한 폭 넓은 연구들이 이루어졌다. 일반적으로 이들 구조는 평판형 및 원추형 구조와 성능은 거의 비슷하다. 차이점은 대수 주기 구조는 원형 편파대신에 직선 편파라는 것이 큰 차이점이다.

본 발명에 적용되는 내장형 센서의 구조로서, 도 8은 GIS 플랜지 내부에 취부되는 형태로 UHF 신호를 감지하는 패치 안테나(Patch Antenna)와 접지판(Ground Plane), 그리고 패치 안테나와 접지판을 고정시키기 위한 절연체(Insulator)로 구 성되어 있다.

내장형 센서의 특성을 변화시키는 요인은 다음과 같다.

1. 패치 안테나의 형태와 재질

2. 절연체의 높이, 직경 및 재질

3. GIS 구조 및 플랜지 크기

따라서 이들 구성 요소들을 적절히 조절함으로써 원하는 주파수대역에서 최적화된 센서를 설계할 수 있다.

내장형 센서에 장착되는 패치 안테나는 그 형태에 따라 센서의 성능을 크게 변화시킨다. 패치 안테나의 형태에 따른 센서의 성능을 평가하기 위하여 가장 기본적인 안테나 소자인 다이폴(Dipole) 안테나, 광대역 안테나 소자인 대수 주기(Log-periodic), 스파이럴(Spiral) 안테나 등 6종의 패치 안테나를 고주파 전자기장 해석 프로그램을 이용하여 전산모사(Computer Simulation)하였다. 전산모사를 이용하여 각 패치 안테나들의 성능을 나타내는 지향성(Directivity)과 DC∼3GHz 주파수 대역에서의 이득(Gain) 및 반사손실(Return Loss, RL)을 계산하였다. 계산된 RL은 실제 제작된 안테나의 측정된 RL과 비교하여 전산모사를 이용한 센서 설계의 정확성을 검증하였다. 지향성은 모든 방향에 걸쳐 평균한 방사 세기에 대한 주어진 방향에서 안테나로부터의 방사 세기의 비를 패턴으로 나타내고, 이득은 수치로 나타낸 것으로서, 안테나의 최대 방사 방향과 세기 및 편파(Polarization) 특성을 알 수 있다. RL은 안테나에 입사된 신호에 대해 반사되는 신호의 비를 나타내는 것으로서, RL이 낮을수록 안테나로서의 성능이 우수하다.

본 발명에 따르면, 다이폴(Dipole) 패치 안테나는 선형 안테나에 있어 가장 기본적인 안테나로서 길이(L)가 주파수의 함수로서 반파장(λ/2)에 비례하며 무지향성 방사특성을 가지고 있다. 그러나 기판 위에 프린트된 다이폴 패치는 안테나의 길이(L) 이외에 기판의 비유전율(ε_r)에 의해 특성이 변화하게 된다. 본 발명에서 적용된 다이폴 패치의 경우에는 170kV GIS의 플랜지 크기에 의해 그 길이가 제한된다. 도 9는 설계된 다이폴 패치 안테나의 복사 패턴과 이득 계산 결과이다. 최대 방사 패턴은 전방(Z-direction)으로 형성되며, 안테나의 이득은 2GHz에서 5.6dBi로 가장 높게 계산됐다.

도 10은 실제 제작된 다이폴 패치 안테나의 사진이며, 도 11은 계산된 RL값과 측정된 RL값을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다. 비교 결과로서, 계산값과 측정값이 유사함을 확인할 수 있었고, 840MHz와 2.3GHz에서 이중 공진 특성을 나타냈다.

본 발명에 따르면, 내장형 센서의 반원 다이폴(Half-Circular Dipole) 패치 안테나는 다이폴 패치 안테나의 변형된 형태로 다이폴 패치 안테나의 샤프한 공진특성을 광대역 특성으로 변형하기 위하여 설계됐다. 도 12는 반원 다이폴 안테나의 기본적인 복사패턴 및 이득을 계산한 결과이다.

도 13은 제작된 반원 다이폴 패치 안테나로서, 이 안테나의 RL은 도 14와 같으며, 다이폴 패치 안테나와 비교해 볼 때, 840MHz에서의 샤프한 공진특성이 사라졌으며, 2.3GHz에서 공진이 2GHz로 이동하였다.

본 발명에 따르면, 한 쌍(2-arms)의 평면형 대수 주기(Log-Periodic) 패치 안테나의 특성은 주파수의 대수로서 주기적으로 변하게 된다. 대수 주기 안테나의 설계요소 중에서 α, β, τ 및 χ을 적절히 조절함으로서 안테나를 성능에 맞게 최적화 할 수 있다. 도 15는 전산모사를 통해 최적화된 안테나의 복사 패턴 및 이득이다. 대수 주기 패치 안테나의 경우에 전체적으로 높은 이득을 보이며, 3GHz에서 14dBi의 최대 이득을 갖는다.

도 16a는 전산모사를 통해 최적화 설계된 안테나를 제작한 사진이며, 도 17은 계산된 RL값과 측정된 RL값을 비교한 결과이다. 제작된 대수 주기 안테나는 500MHz ~ 3GHz에서 -5dB 이하의 낮은 RL 특성을 나타내어 초광대역(UWB) 센서로서 적용하기에 적합할 것으로 판단된다.

더욱이 도 16b는 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나의 제작을 위한 기판의 크기와 대수 주기 아암의 파라미터들을 나타낸 것으로, 안테나의 슬롯 폭 χ는 수학식 22와 같이 표현된다.

상기 슬롯 폭 χ는 0.75이고, 치각 α는 40°이고, 기본각 β는 70°이며, 기판의 두께는 1.5mm이고, 비유전율 ε_r은 4.4(FR4)이며, 중심 단자 거리는 1mm이다.

본 발명에 의하면, GIS의 구조는 동축 도파관(Coaxial Waveguide)으로 작용하므로 내부에서 발생되는 전자기파는 다양한 모드(TE, TM, TEM)로 진행하게 된다. 다양한 방위로 진행되는 전자기파를 센서의 설치 방향과 무관하게 감지하기 위하여 안테나는 원 편파(Circular Polarization) 구조를 갖는 것이 좋다. 그러나 대수 주기 패치 안테나는 직선 편파(Linear Polarization) 구조를 갖는다. 이를 보완하기 위하여 대수 주기 패치 안테나를 쌍으로 붙여 직선 편파보다는 원 편파에 가깝도록 설계하였다.

더욱이 본 발명에 따르면, 변형된 대수 주기(Log-Periodic) 패치 안테나로서, 두 쌍(4-arms)의 평면형 대수 주기 패치 안테나는 도 18a 및 도 18b에서 변형된 대수 주기 패치 안테나의 복사 패턴과 이득을 계산한 것을 참조할 수 있다. 도 18a와 도 15a를 비교하면, 변형된 대수 주기 패치 안테나 복사 패턴이 전 방향(Z-direction)에서 더 집중적으로 형성되며, 이득은 500MHz∼3GHz 사이에서 4.8∼8.6dBi로 가장 고른 분포를 보이고 있다.

도 19a는 제작된 안테나 구조이고, 도 20은 안테나의 RL 계산치와 측정치를 비교한 결과이며, 500MHz 이상의 대역에서 고른 RL을 나타내고 있다.

더욱이 도 19b는 두 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나의 제작을 위한 기판의 크기와 대수 주기 아암의 파라미터들을 나타낸 것으로, 슬롯 폭 χ는 수학식 22와 같이 표현된다.

상기 슬롯 폭 χ는 0.75이고, 기판 크기는 ψ150mm이며, 치각 α는 20°이고, 기본각 β는 30°이며, 인접하는 한 쌍의 중심각

는 90°이고, 기판의 두께는 1.5mm이며, 비유전율 ε_r은 4.4(FR4)이고, 중심 단자 거리는 1mm이다.

본 발명에 따르면, 등각 스파이럴(Equiangular-Spiral) 패치 안테나는 도체 면이 각도로써 표현되는 기하학적 구조로서 광대역 안테나를 설계하는데 사용될 수 있는 형태에 대한 어떤 요구조건도 만족시킬 수 있다. 등각 스파이럴 안테나는 원 편파를 발생하는 구조이므로 GIS 내장형 센서로 아주 적합한 구조이다. 전산모사를 이용하여 안테나의 변화 요소들의 최적화된 값을 산출하였고, 도 21a는 계산된 결과에 대한 복사 패턴이고, 도 21b는 이득을 나타낸 그래프이다.

도 22a는 제작된 등각 스파이럴 패치 안테나의 구조이며, 도 23은 계산된 RL과 측정된 RL을 비교한 결과이다. 안테나 RL 계산값과 측정값의 오차는 입력단 정합의 차이로 인하여 발생한 것으로 판단된다. 실제로 제작된 안테나는 동축케이블의 불평형(Unbalance) 정합을 이루었지만, 계산된 RL 값은 평형(Balance) 정합으로 이루어진 것이다. 이는 등각 스파이럴 구조나 다른 원 편파 구조의 안테나는 평형한 정합이 이루어져야 본래의 성능을 발휘할 수 있다는 것을 의미한다.

더욱이 도 22b는 등각 스파이럴 패치 안테나의 제작을 위한 기판의 크기와 스파이럴 아암의 파라미터들을 나타낸 것으로, 아암의 외측 반지름 r₁과 내측 반지름 r₂는 다음의 수학식과 같이 표현된다.

[수학식 24]

[수학식 25]

여기서, r₀은 초기 외측 반지름이고,

는 초기 내측 반지름이며, a는 성장률이고, D는 기판 직경이며, ε_r은 비유전율이다.

상기 등각 스파이럴 패치 안테나의 기판 크기는 ψ150mm이고, 초기 외측 반지름은 1.2mm이며, 나선확장율은 0.43rad이고, 기판의 두께는 1.5mm이며, 비유전율 ε_r은 4.4(FR4)이고, θ₀은 1.7rad이며, 아암의 회전수는 1.5바퀴인 것이 바람직하지만, 상기 수치는 한정된 것이 아니다.

본 발명에 따르면, 나선형 스파이럴(Spiral) 패치 안테나는 등각 나선형에 대해 지수형이라기 보다는 극각(polar)에 선형적으로 비례하므로 더욱 더 느리게 벌어지며, 주파수 독립 특성과 원 편파 특성을 가지고 있다. 도 24는 설계된 나선형 스파이럴 패치 안테나의 복사 패턴 및 이득이다. 도 24에서 안테나의 복사 패턴은 원 편파 특성을 잘 보여주고 있으며, 이득은 주파수가 높아질수록 선형적으로 증가하고 있다.

도 25는 제작된 스파이럴 패치 안테나의 구조이고, 도 26은 패치 안테나의 RL 계산치와 측정치를 비교한 결과이다. 1GHz 이하의 주파수 대역에서는 RL 측정값과 계산값이 거의 일치하지만, 1GHz 이상의 주파수 대역에서는 계산값보다 더 좋은 특성을 나타내고 있다.

본 발명에서는 상기 다양한 형태로 제시된 패치 안테나의 구조 및 특성을 감안하여 내장형 센서의 설계 및 제작이 이루어진다.

내장형 센서는 170kV급 GIS용으로 설계되었고, 절연체의 지름과 높이, 재질 이 동일한 상태에서 패치 안테나 형태에 따른 센서의 특성을 비교할 수 있도록 도 27과 같이 센서의 덮개가 탈착이 가능한 형태로 제작하였다.

센서에 장착되는 패치 안테나는 절연체의 비유전율에 의해 1차적인 특성이 변화하게 된다. 도 28과 도 29는 기본적인 다이폴 패치 안테나 센서의 설계 모델과 센서에 장착되었을 때의 RL 변화를 비교하여 나타낸 것이다. 도 29의 결과에서 다이폴 패치 안테나가 센서에 장착되었을 때, 전체적인 공진점이 수십∼수백MHz 낮은 대역으로 이동하였으며, 840MHz에서의 공진은 다소 협대역(Narrow Bandwidth)으로, 2.6GHz에서의 공진은 다소 광대역(Broad Bandwidth)으로 변화하였다.

센서에 장착된 패치 안테나는 GIS 플랜지의 구조와 크기에 의해 2차 변화를 하게 된다. GIS에 설치되는 센서에 의해 패치 안테나는 일종의 금속 공동(cavity) 구조에 둘러싸인 형상이 되며, 도 31과 같이 840MHz의 공진은 사라지고 높은 주파수 대역으로 올라가면서 리플(ripple)이 심하게 발생되는 현상을 보이게 된다. 도 30은 GIS에 설치되는 센서를 모델링한 도면이며, 상용 170kV GIS를 기준으로 크기를 설정하였다. 또한 전산모사 시간을 단축시키기 위해 특성이 변하지 않는 범위 내에서 GIS의 길이를 감소시켰다.

한편, 본 발명에 따른 내장형 센서에 관하여 특성시험을 위한 장치들이 구비되는 데, 이에 대하여 설명한다.

우선, 센서의 특성 시험은 크게 3가지로 분류될 수 있다. 첫 번째는 센서 자체의 성능을 평가할 수 있는 반사손실(Return Loss, RL) 측정이고, 두 번째는 센서의 검출주파수 대역(500MHz∼1.5GHz)에서의 응답특성, 그리고 세 번째로 센서의 검출감도(Sensitivity) 및 출력(Peak Power) 측정이다.

상기 반사손실의 경우에는 센서 자체의 RL과 센서가 GIS에 설치되었을 때의 RL이 다르기 때문에 최종적인 센서의 RL 성능을 평가하기 위해서는 센서가 GIS에 설치된 상태에서 측정해야 한다. 또한 센서의 주파수 응답특성 및 출력을 측정하기 위해서는 일정한 부분 방전 신호를 낼 수 있는 방전원이 필요하다. CIGRE에서는 전자파로 측정되는 시스템의 경우에 5pC의 겉보기 방전량을 측정할 수 있어야 한다고 권고하고 있다. 따라서 5pC의 겉보기 방전량을 발생시키기 위하여 부분 방전 발생장치(PD-Cell)를 제작하였다. 부분 방전 발생장치의 제작은 CIGRE의 권고안에 따라 방전량(5pC)이 지속적으로 발생하여야 하며 GIS에서 발생될 수 있는 방전의 형태를 고려하여 도 32a와 같이 제작하였다.

그리고 도 32b는 제작된 부분 방전 발생장치를 IEC60270에 의한 5pC의 겉보기 방전량을 측정한 그래프이다. 부분 방전 발생장치의 내부에는 금속이물(ball-type)을 넣고, 내부 압력은 0.5MPa의 SF6 가스를 넣어 실제 GIS의 압력과 동일하게 적용하였다. 주파수 응답특성은 GIS 내부의 부분 방전신호에 대한 센서의 주파수 스펙트럼을 측정한 후에 채널파워(Channel Power)를 계산함으로서 비교할 수 있다. 채널파워는 센서의 검출주파수 대역(500MHz∼1.5GHz)에서의 평균파워(Average Power)로서 다음 수학식에 의해 구할 수 있다.

[수학식 26]

여기서, CP = 채널파워(Channel power, dBm)이고, CHBW = 채널 대역폭(Channel bandwidth, kHz)이며, RBW = 측정에 사용된 분해도 대역폭(Resolution bandwidth) in kHz이고, k_n = RBW에 사용된 노이즈 대역폭(noise bandwidth)의 교정 인자이며, N = 채널의 픽셀(pixel) 수이고, P_i = dBm을 픽셀 i로 대체한 레벨(Level)이며, a_i(RRC) = 픽셀 i에 대한 RRC 필터의 감쇠(attenuation)이다.

본 발명에서 제작된 내장형 센서에 적용된 패치 안테나, 즉 다이폴, 반원형 다이폴, 스파이럴, 대수 주기, 변형된 대수 주기 및 등각 스파이럴 패치 안테나의 성능을 평가하기 위하여 실제 규모의 170kV급 GIS 목업을 그림 33과 같이 제작하였다.

도 34는 내장형 센서의 시험장치 구성도로서, 도 34에서 센서를 목업 GIS 점검창에 설치하고, 센서와 떨어진 GIS의 한쪽 끝에 부분 방전 발생장치를 설치하였다. 우선 전압을 인가하지 않은 상태에서 네트워크 분석기(Network Analyzer, S332B, Anritsu)로 센서의 RL을 측정한 후에 부분 방전을 발생시켜 센서의 출력부에 오실로스코프(Oscilloscope, TDS-7404, Tektronix)와 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer, FSP7, Rohde-Schwarz)를 연결하여 센서의 출력 및 주파수 응답특성을 확인하였다. 부분 방전량은 IEC-60270 부분 방전 측정기(DDX8003, Robinson)를 이용 하여 확인하였다.

도 35a 내지 도 35f는 각각의 센서에 대한 RL 특성이다. 센서가 GIS 점검창에 설치되면 점검창의 크기와 구조에 의해 센서는 수많은 공진현상을 나타낸다. 센서의 이러한 특성은 점검창의 크기와 깊이에 따라 변하게 되며, 센서와 커넥터(Connector)를 연결하기 위한 정합의 경우 또한 센서의 특성에 영향을 미치게 된다. 200∼300MHz 사이의 공진은 이러한 정합에 의해 발생된 손실이다. 따라서 내장형 센서를 설치하기 위하여 GIS 점검창을 제작할 때는 센서의 RL을 고려하여 센서에 영향을 미치지 않는 범위에서 제작하여야 할 것이다. 도 35a 내지 도 35f의 결과 그래프로 볼 때, 두 쌍의 대수 주기 패치 안테나와 등각 스파이럴 패치 안테나가 장착된 센서가 500MHz∼1.500GHz의 검출주파수 대역에서 가장 우수한 반사손실을 갖는 것을 알 수 있다.

도 36a 내지 도 36f는 5pC 부분 방전신호에 대한 내장형 센서의 주파수 응답특성을 비교한 결과이다. 도면을 비교해 보면 각각의 센서는 500MHz∼2.0GHz 대역에서 부분 방전신호에 대한 응답특성이 뛰어나며, 센서의 RL 특성에 따라 주파수 응답특성이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 이는 RL 특성이 센서의 성능에 밀접한 연관이 있다는 것을 의미한다.

표 1은 500MHz∼1.5GHz 대역에서 센서의 채널파워(Channel Power)를 비교한 결과이다. 표 1의 결과로부터 본 발명에 따른 센서 중에서 RL 성능이 우수한

두 쌍의 대수 주기 패치 안테나와 등각 스파이럴 패치 안테나가 장착된 센서가 채널 파워 또한 다른 센서에 비해 높은 값을 가짐을 확인할 수 있었다.

[표 1]

종 류	Ch Power(dBm)	비 고
Dipole	-36.63
Half-Circular Dipole	-34.10
Spiral	-34.06
Log-Periodic(2)	-33.54
Log-Periodic(4)	-31.05
Log-Spiral	-32.05

도 37a 내지 도 37f는 5pC 부분 방전신호에 대해 각각의 내장형 센서에서 검출된 신호를 오실로스코프(TDS-7404, Tektronix)로 측정한 결과이다. 도 37a 내지 도 37f는 각 센서의 시간영역에서 측정된 파형과 이 파형을 FFT하여 주파수영역으로 표시하였고, 아울러 측정신호의 파워 계산치(도면에서 표시 M1)와 에너지(도면에서 표시 M3)도 표시하는 등 4개의 파형을 동시에 보이고 있다. 각 센서에 대한 최대출력은 표 2에 나타냈다.

[표 2]

구 분	첨두 전력 (Peak power)		비 고
구 분	(㎼)	(dBm)
Dipole	24.78	- 15.7
Half-Circular Dipole	13.94	- 18.4
Spiral	15.24	- 18.5
Log-Periodic(2)	38.72	- 13.9
Log-Periodic(4)	32.00	- 15.5
Log-Spiral	31.36	- 15.1

더욱이 본 발명의 내장형 센서는 전계(E-field) 진행 방향(GIS 방향 기준; Z축 방향)에 대하여, 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나는 직선 편파(Liner Polarization) 특성을 갖고, 두 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나 및 등각 스파이럴 패치 안테나는 원형 편파(Circular Polarization) 특성을 갖는다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서는 GIS 점검창에 500MHz∼1.500GHz의 검출주파수 대역에서 가장 우수한 반사손실을 갖도록 설치되고, 실제 규모급 GIS에 적용할 수 있는 다양한 형태의 패치 안테나를 내장형 센서에 적용하여 5pC의 부분 방전신호에 대하여 센서의 검출 주파수 특성과 최대 출력을 측정하여 비교함으로서, 각 특성들에 대한 상호 연관성 및 설치 구조에 가장 적합한 패치 안테나의 선정할 수 있도록 한 것이다. 더욱이 GIS에 적용할 수 있는 다양한 종류의 센서를 개발하는데 필요한 기본적인 특성들에 대해 전산모사(Computer Simulation)와 실험을 통하여 상관관계들을 정립한 것이다.

Claims

GIS(가스 절연 개폐장치) 플랜지 내부에 취부되어 GIS 내부에서 발생된 부분 방전 UHF(초고주파) 신호를 감지하는 패치 안테나(Patch Antenna)를 포함하는 부분 방전 검출 센서에 있어서,

상기 패치 안테나는 부분 방전 신호를 검출하는 것으로서,

안테나의 길이가 주파수의 함수로서 반파장(λ/2)에 비례하고, 무지향성 방사특성을 갖는 다이폴 패치 안테나; 또는

상기 다이폴 패치 안테나의 변형된 형태로서 다이폴 패치 안테나의 공진특성을 광대역 특성으로 변형시킨 반원 다이폴 패치 안테나; 또는

광대역 안테나 소자로 주파수의 대수로서 주기적으로 변하는 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나; 또는

광대역 안테나 소자로 주파수의 대수로서 주기적으로 변하는 두 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나; 또는

도체면이 각도로서 표현되는 기하학적 구조를 갖는 등각 스파이럴 패치 안테나; 또는

등각 나선형에 대하여 극각(polar)에 선형적으로 비례하고 주파수 독립 특성을 갖는 스파이럴 패치 안테나 중에서 어느 하나가 적용된 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서.
제1항에 있어서,

상기 패치 안테나는 기판 또는 절연체 중 어느 하나 이상의 비유전율(ε_r)에 의하여 검출 감도 특성이 변화되는 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나의 설계요소로서 α(치각), β(기본 각), τ(대수주기의 크기 비) 및 χ(슬롯 폭)을 조절하여 안테나의 성능을 최적화한 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서.
제1항에 있어서,

상기 등각 스파이럴 패치 안테나의 외측 반지름 r₁은
이고, 내측 반지름 r₂는
인 것으로서, 상기 r₀은 초기 외측 반지름,
은 초기 내측 반지름, a는 성장률로 표시되는 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 등각 스파이럴 패치 안테나의 기판 크기는 ψ140-160mm이고, 초기 외측 반지름은 1.0-1.4mm이며, 나선확장률은 0.40-0.46rad이고, 기판의 두께는 1-2mm이며, 비유전율 ε_r은 4.0-5.0(FR4)이고, θ₀은 1.4-2.0rad이며, 회전수는 1.5바퀴 내외인 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서.
제1항에 있어서,

상기 두 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나의 슬롯 폭은
로서 0.70-0.80이고, 기판 크기는 ψ140-160mm이며, 치각 α는 10-30°이고, 기본각 β는 20-40°이며, 인접하는 한 쌍의 중심각
는 80-100°이고, 기판의 두께는 1-2mm이며, 비유전율 ε_r은 4.0-5.0(FR4)이고, 중심 단자 거리는 0.5-1.5mm인 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 평면형 대수 주기 패치 안테나의 슬롯 폭은
로서 0.70-0.80이고, 기판 크기는 ψ140-160mm이며, 치각 α는 30-50°이고, 기본각 β는 60-80°이며, 기판의 두께는 1-2mm이고, 비유전율 ε_r은 4.0-5.0(FR4)이며, 중심 단자 거리는 0.5-1.5mm인 것을 특징으로 하는 가스 절연 개폐장치의 내장형 부분 방전 검출 센서.