KR20090002588A - 전력기기의 부분방전위치 검출시스템 및 방전위치 검출방법 - Google Patents

전력기기의 부분방전위치 검출시스템 및 방전위치 검출방법 Download PDF

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Abstract

전력기기의 부분방전위치 검출시스템 및 방전위치 검출방법이 제공된다. 부분방전센서가 전자파 부분방전신호를 감지하고, 감지된 신호의 파형은 파형측정장치에 의해 측정된다. 상기 파형을 변환하여 전송모드별 신호를 분리하고, 전송모드별 도착시간 및 주파수를 이용하여 상기 부분방전센서로부터 부분방전 위치까지의 거리를 계산한다.

Description

전력기기의 부분방전위치 검출시스템 및 방전위치 검출방법{PARTIAL DISCHARGE LOCATION DETECTION SYSTEM AND METHOD OF DETECTING A DISCHARGE LOCATION}
도 1 및 도 2는 각각 종래기술에 따른 부분방전위치 검출방법을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분방전위치 검출방법을 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분방전위치 검출방법을 설명하기 위한 흐름도
도 5는 부분 방전 신호의 파형을 나타낸 그래프
도 6은 부분 방전 신호의 도착시간-주파수 그래프
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분방전위치 검출시스템을 나타낸 도면
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
32: 외 함
34: 중앙도체
36, 72: 부분방전센서
DP: 부분방전위치
38, 74: 파형측정장치
70: 부분방전위치 검출시스템
75: 변환 모듈
76: 연산 모듈
78: 저장영역
본 발명은 전력기기 감시 시스템 및 감시 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 전력기기의 부분방전위치 검출시스템 및 부분방전위치 검출방법에 관한 것이다.
전력기기에서 부분방전을 일으키는 방전원의 크기가 대부분 매우 작기 때문에, 부분방전의 위치를 정확하기 알 수 없고 방전원을 발견하고 제거하는데 어려움이 있다. 따라서, 부분방전의 위치를 추정하는 기술은 전력기기의 고장을 예방하는데 있어서 매우 중요한 기술이다.
부분방전위치를 추정하는 기술은 크게 방전에 의해 발생한 전자파 방전신호의 전파에 따른 감쇠를 이용하는 방법과 전자파 방전신호가 부분방전센서에 도달하 는 시간차를 이용한 방법으로 구분할 수 있다.
도 1은 전자파 방전신호의 감쇠를 이용하는 종래의 부분방전위치 추정 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전력 기기 중 가스 절연 모선(Gas Insulated Bus; GIB)를 예를 들어, 가스 절연 모선은(10) 중앙도체(12)와 절연되어 이를 감싸는 외함(14)으로 구성된다. 가스 절연 모선(10)에서 부분방전신호를 감지하기 위하여 복수개의 부분방전센서(16)가 상기 가스 절연모선(10)에 설치된다.
가스 절연 모선(10)에서 부분방전이 일어나면 부분방전위치(DP)에 가까이 설치된 부분방전센서에는 강한 신호가 감지되고 부분방전위치(DP)로부터 멀리 떨어진 부분방전센서에는 상대적으로 약한 신호가 감지된다. 부분방전위치(DP)는 복수개의 부분방전센서에서 감지된 부분방전신호를 위치-신호의 세기 그래프로 나타내고 보간법으로 근사하여 추정할 수 있다.
도 2는 전자파 방전신호가 부분방전센서에 도달하는 시간차를 이용하는 종래의 부분방전위치 추정 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 시간차를 이용하는 부분방전위치 추정 기술은 전력기기에 두 개의 부분방전센서(26, 28)를 설치하여 방전위치를 추정한다. 제 1 부분방전센서(26)와 제 2 부분방전센서(28)는 소정의 간격(Dt)을 두고 전력기기에 설치된다. 부분방전이 일어나면 제 1 부분방전센서(26)와 제 2 부분방전센서(28)은 방전신호를 감지하고 계측기(23)는 방전신호가 부분방전센서에 도착한 시간을 계측한다. 방전신호의 도착시간은 방전센서와 방전위치의 거리에 따라 달라지므로, 방전신호가 도착하는 시간을 이용하여 제 1 부분방전센서(26)와 방전위치 사이의 거리(D1)과 제 2 부분방전센서(28)과 방전위치 사이의 거리(D2)를 계산할 수 있다.
상술한 것과 같은 종래의 부분방전위치 추정기술은 전력기기에 설치된 복수의 부분방전센서가 필요하다. 종래기술에서는 약한 방전신호를 검출하기 위해서는 전력기기에 설치된 부분방전센서의 간격을 좁혀야 하지만, 전력기기가 복잡한 구조를 가지는 경우에는 부분방전센서를 충분히 좁은 간격으로 설치하는 것이 어렵다.
또한, 부분방전센서의 간격이 넓으면 다수의 부분방전센서들과 계측기를 결선하기 어려우며, 부분방전센서가 감지한 신호가 계측기로 전달되는 동안 감쇠 또는 변형되어 방전위치의 신뢰도가 낮아진다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하나의 부분방전센서를 이용하여 부분방전위치를 검출하는 검출시스템 및 부분방전위치 검출 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 하나의 부분방전센서를 이용하여 부분방전위치 검출의 정확도가 향상된 검출 시스템 및 부분방전위치 검출방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명은 전자파 부분방전신호의 전송모드별 군속도의 차이를 이용하는 부분방전위치 검출 시스템을 제공한다.
이 검출 시스템은 전자파 부분방전신호를 감지하는 부분방전센서와, 상기 부분방전센서에서 감지된 신호의 파형을 측정하는 파형측정장치와, 상기 파형을 변환 하여 전송모드별 신호를 분리하는 변환모듈과, 전송모드별 도착시간 및 방전신호 모드별 도착시의 주파수를 이용하여 상기 부분방전센서로부터 부분방전 위치까지의 거리를 계산하는 연산모듈을 포함한다.
상기 변환모듈은 주파수 및 시간에 대한 해상도가 높은 변환 알고리즘을 내장할 수 있다. 예컨대, 단구간 퓨리에 변환(Short Term Furier Transform; STFT) 알고리즘 또는 웨이브렛 변환(wavelet transform) 알고리즘이 상기 변환모듈에 내장될 수 있다.
상기 연산모듈은 변환된 전송모드별 신호의 도착시간 및 도착시 주파수로부터 전송모드의 군속도를 계산하고, 전송모드별 도착시간의 차와 군속도를 이용하여 방전위치를 계산한다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명은 전송모드별 군속도의 차이를 이용하는 부분방전위치 검출방법을 제공한다.
이 방법은 부분방전 신호의 파형을 측정하는 단계와, 상기 측정된 파형을 변환하여 전송모드별 신호를 분리하는 단계와, 모드별 신호 도착시의 주파수를 이용하여 전송모드별 군속도를 계산하는 단계와, 두 전송모드의 군속도 및 두 전송모드 간의 도달시간의 차를 이용하여 부분방전 위치를 계산하는 단계를 포함한다.
전송모드별 신호를 분리하는 단계에서 시간 및 주파수 해상도가 높은 변환기법이 적용될 수 있다. 이러한 변환 기법은 다양하게 소개되거나 공지되어 있다. 예컨대, 단구간 퓨리에 변환 또는 웨이브렛 변환을 본 발명에 적용할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분방전위치 검출방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에서 외함(32)와 중앙도체(34)를 포함하는 동축구조의 가스 절연 모선(GIB)을 예로 설명하지만, 본 발명은 더 복잡한 구조의 가스절연개폐장치(Gas Insulated Switchgear; GIS), 변압기 및 전력용 케이블 등의 다양한 전력기기에 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전력기기, 예컨대 동축구조의 가스 절연 모선(GIB) 내에서 부분방전이 발생하면, 방전발생위치(DP)에서 발생된 전자파 부분방전 신호(electromagnetic partial discharge signal)는 TEM모드와 TE11, TE21, TE31, TE41모드와 같은 다양한 전송모드들이 합성된 형태로 전파된다.
이론적으로, TEM모드를 제외한 각 모드는 고유의 차단주파수가 있어 차단주파수 이상의 전자파 신호만이 해당 모드로 진행하는 것으로 알려져 있다.
전송모드들은 서로 다른 군속도로 전파되기 때문에 전송모드별로 상기 부분 방전센서(36)에 감지되는 시간이 다르다. 따라서, 전송모드별 도착시간을 이용하여 상기 부분방전센서(36)로부터 상기 부분방전위치(DP)까지의 거리(L)를 검출할 수 있다.
전력기기에서 부분방전이 발생하면, TEM 모드가 광속도(C)로 전파되어 상기 부분방전센서(36)에 가장 먼저 감지되고, 다른 전송모드들이 군속도(vg)로 전파되어 상기 부분방전센서(36)에 감지된다. 상기 감지된 부분방전신호를 오실로스코프와 같은 파형측정장치(38)로 측정하여 거리(L)를 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분방전위치 검출방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 부분 방전 신호의 파형을 나타낸 그래프이고, 도 6은 부분 방전 신호의 시간-주파수 그래프이다.
도 4, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 파형측정장치(38)을 이용하여 상기 부분방전센서(36)에서 감지된 부분방전신호의 파형을 측정한다(S1 단계).
상기 부분방전신호는 여러 가지 전송모드가 합성된 형태로 도 5에서 보여지는 바와 같이 상기 파형측정장치(38)에서 측정된다.
측정한 파형으로부터 상기 전송모드의 군속도(vg)를 계산하기 위해서 상기 부분방전신호의 전송모드별 도착시간과 주파수를 계산한다(S2 단계).
도 5의 제 1 시점(52)에서 TEM 모드의 신호가 가장 먼저 감지된다. TEM 모드 의 신호가 감지된 후 제 2 시점(54)에서 TEM 모드 다음으로 군속도가 빠른 TE11 모드의 신호가 감지되어 TEM 모드와 합성된다.
상기 파형측정장치(38)에서 측정된 부분방전신호를 모드별 도착 시간 및 주파수를 동시에 분석할 수 있는 기법을 사용하여 변환하여 상기 전송모드의 도착시간 및 주파수를 보다 정확하게 구할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 단구간 퓨리에 변환(Short Term Furier Transform; STFT) 또는 웨이브렛 변환(wavelet transform) 등의 시간 및 주파수 해상도가 높은 다양한 변환기법들을 사용할 수 있다.
예컨대, 단구간 퓨리에 변환(STFT)을 이용하여 상기 측정된 부분방전신호를 변환하여 도 6과 같은 주파수-시간 분포를 얻을 수 있다. 단구간 퓨리에 변환에 의해 상기 부분방전신호는 전송모드별로 분리되었다. 도 6의 분포도에서 제 1 시점(62)에 도달한 신호는 광속으로 전파되는 TEM모드이고, 제 2 시점(64)에 도달한 신호는 TEM 모드 다음으로 군속도가 빠른 TE11 모드이며, 상기 제 2 시점(64)에서의 도착신호의 주파수(66)는 668 ㎒이다.
상기 전송모드별 도착 시간 및 주파수를 이용하여 군속도를 계산한다(S3 단계).
상기 TEM 모드는 광속도(C)로 전파되고, 상기 TEM 모드 이외의 다른 전송모드의 군속도(vg)는 아래 [수학식 1]에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112007048208249-PAT00001
이 식에서, fc는 각 모드별 차단주파수이고, f는 해당 모드별 신호 도착시의 주파수이고, C는 광속이다.
상기 도착시간 차이(△t)는 아래의 [수학식 2]로 표현될 수 있다.
Figure 112007048208249-PAT00002
이 식에서, t1 및 t2는 제 1 및 제 2 전송모드의 도착시간이고, vg1 및 vg2는 제 1 및 제 2 전송모드의 군속도이며, L은 부분방전센서와 방전신호 발생위치의 거리이다.
상기 전송모드들의 군속도와 두 전송모드 간의 도착 시간의 차를 이용하여 부분 방전 위치를 계산한다(S4 단계).
[수학식 2]에서 알 수 있는 바와 같이, 두 전송모드간의 도착 시간의 차는 전송모드의 군속도와 거리의 식으로 표현된다. 상기 [수학식 2]를 이용하여 상기 부분방전센서(36)으로부터 상기 부분방전위치(DP)까지의 거리(L)를 [수학식 3]과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112007048208249-PAT00003
본 발명에 따르면, 하나의 부분방전센서에서 감지되는 부분방전신호를 전송모드별로 분리하여 도착 시간 및 이때의 주파수를 측정하고, 상기 측정된 도착 시간 및 주파수를 이용하여 전송모드별 군속도를 계산할 수 있다. 결과적으로, 두 전송모드간의 도착 시간 차와 군속도를 간단한 수학식에 대입함으로써 부분방전센서로부터 부분방전위치까지의 거리를 계산할 수 있다. 예컨대, 가장 먼저 도착하는 TM 모드와 두번째로 도착하는 TE11 모드의 도착시간의 차이 및 속도를 이용하여 부분방전센서로부터 부분방전위치까지의 거리를 계산할 수 있다.
본 발명은 하나의 부분방전센서로도 부분방전위치를 검출할 수 있기 때문에, 복수의 부분방전센서를 사용해야하는 기존의 방법에서 발생할 수 있는 신호의 지연 및 변형, 그리고 다중의 부분방전센서 설치 시 발생할 수 있는 애로사항 및 이로 인한 측정범위의 제한 등의 문제가 개선될 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분방전위치 검출시스템을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전위치 검출시스템(70)은 부분방전신호를 감지하는 부분방전센서(72)와, 상기 부분방전센서(72)에서 감지 된 신호의 파형을 측정하는 파형측정장치(74)와, 상기 측정된 파형을 변환하여 전송모드별로 분리하는 변환모듈(75)와, 상기 부분방전센서(72)로부터 부분방전위치까지의 거리를 계산하는 연산모듈(76)과, 계산식이 저장된 저장영역(78)을 포함한다.
상기 변환모듈(75)은 여러 가지 전송모드가 합성된 부분방전신호를 시간 해상도 및 주파수 해상도가 높은 시간-주파수 분포로 변환하는 변환 알고리즘을 내장한다. 예컨대, 상기 변환모듈(75)은 단구간 퓨리에 변환(STFT) 또는 웨이브렛 변환 등의 다양한 변환 알고리즘을 적어도 하나 내장할 수 있다.
상기 변환 알고리즘에 의해 부분방전신호가 시간 및 주파수에 따라 분리될 수 있으며, 전송모드별로 도착시간 및 주파수에 차이가 있기 때문에 분리된 신호들은 전송모드들에 대응된다.
상기 연산모듈(76)은 상기 변환모듈(75)에서 변환된 신호들 중에서 두 가지 전송모드의 주파수 및 도착시간을 입력 받아 전송모드의 군속도를 계산하고, 두 가지 전송모드의 도착 시간 차와 상기 계산된 군속도를 이용하여 부분방전위치로부터 부분방전센서까지의 거리를 계산한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 변환모듈(45) 및 상기 연산모듈(46)은 마이크로 프로세서에 프로그램된 것이거나, 각각의 기능을 수행하는 하드웨어일 수도 있다. 따라서, 상기 변환모듈(45) 및 상기 연산모듈(46)은 고유 기능을 갖는 반도체 칩이거나 단일 칩으로 구현될 수 있다. 상기 저장영역(48)은 시스템에 별도로 설치된 메모리이거나 상기 변환모듈(45) 및/또는 연산모듈(46)과 결합된 메모리일 수도 있다.
상술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 하나의 부분방전센서에서 감지된 부분방전신호를 전송모드별로 분리하고, 전송모드별 도착시간 및 군속도의 차이를 이용하여 부분방전센서로부터 부분방전위치까지의 거리를 측정할 수 있다.
본 발명은 복수의 부분방전센서에서 감지된 부분방전신호를 비교하는 종래의 부분방전위치 검출방법에 비해 더 향상된 신뢰도를 가지고 부분방전위치를 검출할 수 있다.
따라서, 전력기기에 설치하는 센서의 수를 줄여 비용을 절감할 수 있고, 전력기기에서 부분방전위치를 점검하여 보수하도록 함으로써 전력기기의 고장을 사전에 방지할 수 있다.

Claims (9)

  1. 전자파 부분방전신호를 감지하는 부분방전센서;
    상기 부분방전센서에서 감지된 신호의 파형을 측정하는 파형측정장치;
    상기 파형을 변환하여 전송모드별 신호를 분리하는 변환모듈; 및
    전송모드별 도착시간과 주파수를 이용하여 상기 부분방전센서로부터 부분방전 위치까지의 거리를 계산하는 연산모듈을 포함하는 부분방전위치 검출시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 변환모듈은 시간과 주파수를 동시에 분석 가능한 알고리즘을 내장하는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 알고리즘은 단구간 퓨리에 변환 알고리즘(short term furrier transform algorithm) 또는 웨이브렛 변환 알고리즘(wavelet transform algorithm)인 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연산모듈은 전송모드별 주파수로부터 군속도를 계산하고, 두 전송 모드의 군속도 및 두 전송모드간의 센서에 도착하는 시간의 차를 이용하여 상기 부분방 전센서로부터 상기 부분방전 위치까지의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출시스템.
  5. 부분방전 신호의 파형을 측정하는 단계;
    상기 측정된 파형을 변환하여 전송모드별 신호를 분리하는 단계;
    상기 주파수를 이용하여 전송모드별 군속도를 계산하는 단계;
    두 전송모드의 군속도 및 두 전송모드 간의 도착시간의 차를 이용하여 부분방전 위치를 계산하는 단계를 포함하는 부분방전위치 검출방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 신호를 분리하는 단계는 시간 및 주파수를 동시에 분석하는 기법을 적용하여 상기 전송모드별 신호를 분리하는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출방법.
  7. 청구항 6에서,
    상기 기법은 단구간 퓨리에 변환(Short Term Furier Transform; STFT) 또는 웨이브렛 변환(wavelet transform)인 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 군속도(vg)의 계산식은 다음 수학식 1인 것을 특징으로 하는 부분방전 위치 검출방법.
    [수학식 1]
    Figure 112007048208249-PAT00004
    여기서, C는 광속, fc는 전송모드의 차단주파수, f는 해당 전송모드의 도착 시점의 주파수이다.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 부분 방전 위치를 계산하는 단계는:
    제 1 전송모드 및 제 2 전송모드를 선택하는 단계;
    제 1 전송모드 및 제 2 전송모드 간의 도착시간의 차를 계산하는 단계; 및
    상기 도착시간의 차와 상기 제 1 전송모드 및 상기 제 2 전송모드의 센서에 도착시 군속도를 다음 수학식 3에 대입하여 상기 부분방전센서로부터 상기 부분방전위치의 거리를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출방법.
    [수학식 3]
    Figure 112007048208249-PAT00005
    여기서, L은 부분방전위치까지의 거리, vg1 및 vg2 는 각각 제 1 전송모드 및 제 2 전송모드의 군속도, △t는 상기 도착시간의 차이다.
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