KR20120017988A - 전력기기의 위험도 분석 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력기기 내의 부분방전(PD: Partial Discharge)으로 인해 발생되는 전자파를 감지하고 분석하여 그 위험도를 판정할 수 있도록 한다. 특히, 부분방전으로 인해 발생된 펄스신호의 크기(q 파라미터)가 센서나 관련 회로 등의 주파수 특성에 관계없이 일정한 값을 가지도록 보상한 후 보상된 펄스신호의 크기를 이용하여 위험도를 판정한다. 부분방전으로 인해 발생된 전자파의 크기가 시스템의 주파수 특성에 의존하지 않도록 규준화(Normalizing) 되므로, 위험도를 판정하는 시스템의 주파수 특성이 달라지더라도 전력기기의 위험도를 같은 위험도 판정 기준을 이용하여 정확하게 판정할 수 있게 된다.

Description

전력기기의 위험도 분석 시스템 및 그 방법{ System and Method for Analyzing Partial Discharge Risk of Power Equipment }

본 발명은 전력기기의 위험도 분석 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 전력기기 내의 부분방전(PD)으로 인해 발생되는 전자파를 감지하고 분석하여 그 위험도를 판정할 수 있도록 한다.

전력기기가 초고압 대용량화 되어 감에 따라 여러 유형의 사고 가능성이 증가하고 있으며, 사고에 따른 피해 규모도 증가하는 추세에 있다. 이에 따라 사고가 발생하기 전에 전력기기 내의 이상 신호를 검출하기 위한 각종 진단 기법과 첨단 장비들이 개발되고 있다.

전력기기의 진단을 위한 방법으로 UHF PD 측정 기법이 널리 사용되고 있다. 이 기법은 전력기기의 내부에 결함이 존재할 때 부분방전이라는 물리 현상에 의해 발생하는 전자파를 감지하여 이상 유무를 판별한다.

부분방전(PD: Partial Discharge)은 전극과 전극 사이에서 일어나는 것이 아니라 절연체나 케이블 등의 어느 부분에 생기는 방전현상을 말한다.

예를 들자면, 기체 중에서 뾰족한 전극의 첨단 부근에 생기는 코로나 방전, 고체 절연물의 표면을 따라 생기는 연면방전(沿面放電), 고체 절연물 내의 공극에 생기는 보이드 방전 등을 들 수 있다.

부분방전 측정 기법에서는 도 1에 도시된 예와 같이 부분방전 신호의 위상(φ), 크기(q), 빈도(n) 등을 이용하여 전력기기의 이상 유무를 판별한다.

즉, 부분방전 펄스가 인가 전압의 어느 위상에서 어떠한 크기로 몇 개가 발생하였는지를 분석하여 전력기기의 이상 유무를 판별할 수 있다.

도 1a는 3차원 φ-q-n 그래프를 나타낸 것이고, 도 1b는 2차원으로 φ-q, φ-n, q-n을 각각 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.

이러한 패턴은 이상이 발생하는 원인인 자유 도전입자 결함, 부유 전극 결함, 절연물 결함, 노이즈 등에 따라 다르기 때문에 패턴을 분석하면 전력기기 내의 결함 원인을 판별할 수 있다.

여기서 위상(Φ) 데이터는 부분방전을 발생시키는 결함의 종류를 추정하기 위한 주요 파라미터이고, 크기(q) 데이터는 위험도와 상태를 추정하기 위한 주요 파라미터이다.

도 2는 부분방전 신호에 대한 PPS(Pulse Per Second) 분석 기법의 예를 나타낸 것으로서, 일정 크기 이상의 부분방전 펄스가 1초 동안 검출된 횟수를 측정하여 트렌드(Trend)를 관리한다.

예컨대 요주의 기준값이 2000으로 설정되어 있고 위험 기준값이 4000으로 설정되어 있다고 가정하면, 부분방전 펄스가 1초에 2000개 이상 유입되면 요주의 상태를 나타내고, 부분방전 펄스가 1초에 4000개 이상 유입되면 위험상태라는 것을 나타낸다.

도 3을 참조하자면, 계통전압이 인가되어 운전중인 전력기기의 내부에 절연결함이 존재하는 경우 전력기기의 운전전압 중간에 부분방전 펄스가 발생한다. 이러한 부분방전 펄스의 발생위상(φ), 크기(q), 빈도(n)를 분석하면 결함의 원인을 추정할 수 있다.

도 4는 φ-q-n 기법을 이용하여 전력기기 내에서 발생 가능한 각 결함을 분석하는 예를 나타낸 것으로서, 도 4a는 도체부 돌기 결함시에 나타나는 부분방전 패턴의 예이고, 도 4b는 보이드(Void) 결함시에 나타나는 부분방전 패턴의 예이며, 도 4c는 자유도전입자 결함시에 나타나는 부분방전 패턴의 예이다.

한편, 부분방전 펄스의 크기를 나타내는 q 파라미터는 전력기기의 상태와 위험도를 판정하는 주요 파라미터인데, 부분방전에 의해 발생된 전자파를 감지하는 센서나 관련 회로의 주파수 특성에 크게 좌우된다.

즉, q 파라미터와 관련된 위험도 판정 기준이 주파수 특성에 의존적이다. 이 때문에 부분방전에 의해 발생된 전자파를 감지하는 센서나 해당 신호를 수신하여 처리하는 회로의 주파수 특성이 달라지면, q 파라미터도 함께 변동하여 위험도 판정의 정확도가 떨어질 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 부분방전(PD)으로 인해 발생된 펄스의 크기(q 파라미터)가 센서나 관련 회로 등의 주파수 특성에 관계없이 일정한 값을 가지도록 보상한 후 처리함으로써, q 파라미터와 관련된 위험도를 주파수 특성에 관계없이 정확하게 판정할 수 있는 전력기기의 위험도 분석 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전력기기의 위험도 분석 시스템은, 전력기기 내의 부분방전(PD: Partial Discharge)으로 인해 발생된 전자파를 감지하는 PD 센서; 상기 PD 센서를 통해 감지된 전자파 신호를 수신하여 일정 주파수 대역의 펄스신호를 검출하는 PD 검출부; 상기 PD 검출부에서 검출된 펄스신호의 크기를 기 설정되어 있는 보상정보를 이용하여 보상하는 보상부; 및 일정 시간 동안 발생된 펄스신호의 개수와 크기를 기초로 상기 전력기기의 위험도를 판정하는 위험도 판정부를 포함하여 이루어진다.

상기 PD 센서로는 UHF(Ultra-High Frequency) 대역의 전자파를 감지하는 센서를 사용할 수 있다.

상기 보상정보는 상기 PD 검출부에서 검출된 펄스신호의 크기가 상기 PD 센서와 상기 PD 검출부의 주파수 특성에 종속되지 않도록 설정될 수 있다.

상기 보상정보는 보상식(Equation) 또는 보상표(Table)의 형식으로 설정될 수 있다.

상기 위험도 판정부는 일정 시간 동안 발생된 펄스신호의 개수와 크기를 QN(Quantity/Number) 매트릭스에 맵핑하고, 상기 QN 매트릭스에 맵핑된 위치와 미리 설정된 위험도 판정 기준을 비교하여 상기 전력기기의 위험도를 판정하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 전력기기의 위험도 분석 방법은 전력기기 내의 부분방전(PD)으로 인해 발생된 전자파를 감지하여 상기 전력기기의 위험도를 판정하기 위한 것으로서, PD 센서를 이용하여 상기 전력기기 내의 부분방전으로 인해 발생된 전자파를 감지하는 단계; 상기 PD 센서를 통해 감지된 전자파로부터 펄스신호를 검출하고, 검출된 펄스신호의 크기를 기 설정되어 있는 보상정보를 이용하여 보상하는 단계; 및 일정 시간 동안 발생된 펄스신호의 개수와 크기를 기초로 상기 전력기기의 위험도를 판정하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 보상정보는 상기 펄스신호의 크기가 상기 전자파의 주파수에 종속되지 않고 일정한 값을 가지도록 설정될 수 있다.

상기 전력기기의 위험도를 판정하는 단계는 일정 시간 동안 발생된 펄스신호의 개수와 크기를 QN(Quantity/Number) 매트릭스에 맵핑하고, 상기 QN 매트릭스에 맵핑된 위치와 미리 설정된 위험도 판정 기준을 비교함으로써 상기 전력기기의 위험도를 판정하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 부분방전으로 인해 발생된 전자파의 크기(q 파라미터)는 센서나 관련 회로의 주파수 특성에 의존하지 않도록 보상되어 규준화(Normalizing)된 후 해당 전력기기의 위험도 판정에 사용된다.

즉, 부분방전으로 인해 발생하는 펄스신호의 크기가 센서나 관련 회로의 주파수 특성에 따라 원래 크기보다 크거나 작게 검출 되더라도 원래 크기로 보상이 이루어진 후 처리된다.

그러므로 부분방전으로 인해 발생된 전자파를 감지하는 센서, 해당 센서에서 감지된 신호를 수신하여 처리하는 회로 등의 주파수 특성이 달라지더라도 전력기기의 위험도를 같은 위험도 판정 기준을 이용하여 정확하게 판정할 수 있다.

도 1은 φ-q-n을 이용하는 위험도 분석 그래프의 예,
도 2는 PPS 기법을 설명하기 위한 예,
도 3은 부분방전 펄스가 나타나는 상태를 보여주는 예,
도 4는 전력기기의 결함에 따라 나타나는 이상 패턴의 예,
도 5는 본 발명에 따른 위험도 분석 시스템에 관한 일 실시예,
도 6은 펄스신호의 크기를 보상하는 과정에 관한 도식적인 예,
도 7은 위험도 판정에 사용되는 QN 매트릭스의 예,
도 8은 본 발명에 따른 위험도 분석 방법에 관한 일 실시예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 5를 참조하자면, 본 발명에 따른 전력기기의 위험도 분석 시스템(50)은 PD 센서(51), PD 검출부(52), 보상부(53), 위험도 판정부(54)를 포함하여 이루어진다. 위험도 분석 시스템(50)의 PD 검출부(52), 보상부(53), 및 위험도 판정부(54)는 PD 센서(51)와는 별도의 장치로 구성되어 PD 센서(51)로부터 부분방전으로 인해 발생한 전자파 신호를 수신할 수 있다.

PD 센서(51)는 전력기기(11) 내부의 부분방전(PD: Partial Discharge)으로 인해 발생된 전자파를 감지하는 역할을 수행한다.

부분방전은 배전반, 부하 개폐기, 몰드 변압기와 같은 전력기기(11)의 내부에서 공극(Crack in Spacer), 도체돌기, 부유이물 등 다양한 원인에 의해 나타날 수 있다.

PD 센서(51)는 부분방전으로 인해 발생한 UHF(Ultra-High Frequency) 대역의 전자파를 감지할 수 있다.

PD 검출부(52)는 PD 센서(51)에서 감지된 전자파 신호를 PD 센서(51)로부터 수신하여 일정 주파수 대역의 펄스신호를 검출한다. 이때 PD 검출부(52)는 PD 센서(51)가 감지한 전자파 신호를 무선으로 수신할 수 있다.

도 5에는 하나의 PD 센서가 도시되어 있으나, 복수의 PD 센서가 구비될 수도 있다. 이 경우 PD 센서별로 고유 식별정보를 할당하여 PD 검출부(52)가 어느 PD 센서에서 검출된 전자파 신호인지를 인식할 수 있도록 한다.

보상부(53)는 PD 검출부(52)에서 검출된 펄스신호의 크기를 기 설정되어 있는 보상정보를 이용하여 보상(Compensation)한다.

보상정보란 부분방전으로 인해 검출된 펄스신호의 크기가 PD 센서(51)와 PD 검출부(52)의 주파수 특성에 종속되지 않고 규준화(Normalizing)된 값을 가지도록 보상하기 위한 정보를 말한다.

도 6을 참조하자면, PD 센서(51)를 통해 감지되는 전자파 신호의 크기는 도 6a에 도시된 예와 같이 주파수에 따라 달라지는 특성을 갖는다.

또한, PD 센서(51)가 감지된 전자파 신호를 무선으로 PD 검출부(52)에 전송해 준다면, PD 검출부(52)는 PD 센서(51)가 전송하는 RF(Radio Frequency) 신호를 수신하기 위한 RF 회로를 포함하게 된다.

이 경우 PD 검출부(52)에서 수신된 전자파 신호의 크기도 도 6b에 도시된 예와 같이 주파수에 따라 달라지는 특성을 갖는다.

결국 부분방전으로 인해 발생된 전자파 신호는 도 6c에 도시된 바와 같이 PD 센서(51)와 PD 검출부(52)의 주파수 특성이 모두 합해진 위험도 분석 시스템의 주파수 특성을 가지게 된다.

그러므로 부분방전으로 인해 발생된 전자파의 펄스신호가 PD 센서(51)와 PD 검출부(52)의 주파수 특성에 의존하지 않고 일정한 값을 가지도록 규준화하기 위해서는 도 6c의 주파수 특성 곡선을 도 6d에 도시된 예와 같은 보상 곡선을 이용하여 보상해 주어야 한다.

즉, 부분방전으로 인해 발생된 원래 펄스신호의 크기가 PD 센서(51)와 PD 검출부(52)의 주파수 특성 때문에 왜곡된 정도를 보상해 주는 것이다.

이때 도 6c의 주파수 특성 곡선이 통계적 기법인 회기분석 등을 통해 수식화가 가능한 경우에는 수식화(y=F[x])할 수 있으며, 이 경우 도 6d의 보상 곡선은 그 역수(Y=1/F[x])를 취함으로써 얻을 수 있다.

보상이 없는 경우 부분방전으로 인해 발생된 원래의 전자파 신호(도 6f)는 도 6c에 도시된 주파수 특성 곡선에 따라 그 크기가 왜곡되어 검출될 것이지만, 보상을 통해 위험도 분석 시스템의 주파수 특성이 도 6e와 같이 되도록 다루어지면 그 크기의 왜곡이 보상되어 부분방전으로 인해 발생된 원래의 전자파 신호의 크기를 검출할 수 있다(도 6g).

구체적인 예로서 도 6c에서 전자파 신호의 주파수가 0.7GHz일 때 데시벨(dB) 레벨에서의 크기가 33.6dB이라면, 이 크기는 1.5dB 정도 감소되어야 한다.

이러한 보상정보는 개별적인 PD 센서(51)와 PD 검출부(52)의 주파수 특성을 미리 실험적으로 조사하여 설정하는 것으로서, 보상정보는 보상식(Compensation Equation)의 형식으로 설정될 수도 있고, 보상표(Compensation Table)의 형식으로 설정될 수도 있다.

위험도 판정부(54)는 보상부(53)를 통해 보상된 펄스신호의 개수와 크기를 기초로 전력기기(11)의 위험도를 판정한다.

위험도 판정부가 부분방전으로 인해 발생한 펄스신호의 개수와 크기를 이용하여 위험도를 판정하는 방법은 다양하게 구성될 수 있다.

그 하나의 예는 일정 시간(예: 1초) 동안 부분방전으로 인해 발생된 펄스신호의 개수와 크기를 QN(Quantity/Number) 매트릭스에 맵핑하고, QN 매트릭스에 맵핑된 위치와 미리 설정된 위험도 판정 기준을 비교하여 해당 전력기기(11)의 위험도를 판정하는 것이다.

이때 부분방전으로 인한 펄스신호의 크기로는 해당 시간 동안 발생된 펄스신호들의 평균 크기를 이용할 수 있다.

이를 위하여 위험도 판정부(54)는 펄스신호의 개수와 크기에 대한 QN 매트릭스 정보를 메모리에 저장하여 유지하며, QN 매트릭스에 대한 위치별 위험도(안전, 요주의, 위험 등)에 대한 범위가 미리 지정되어 있다.

도 7은 QN 매트릭스의 예를 도시한 것으로서, x축은 일정 시간 동안 검출된 펄스신호의 개수에 따라 구분되고, y축은 일정 시간 동안 검출된 펄스신호의 평균 크기에 따라 구분되어 있다.

위험도 판정부(54)는 일정 시간 동안 검출된 펄스신호의 개수와 크기를 QN 매트릭스에 맵핑하고, 맵핑된 위치에 따라 안전, 요주의, 위험 등으로 위험도를 판정하게 된다.

위에서 설명한 바와 같이 PD 검출부(52)에서 검출하는 펄스신호는 주파수 특성에 영향을 받지 않도록 규준화되므로, 도 7에 도시된 예와 같은 위험도 판정 기준은 어느 시스템에서도 적절한 기준정보로서 사용할 수 있다.

도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 전력기기의 위험도 분석 방법에 관한 일 실시예를 설명하기로 한다.

먼저, PD 센서를 이용하여 전력기기 내의 부분방전으로 인해 발생된 전자파를 감지한다(S81).

특히, 단계 S81에서 부분방전으로 인해 발생된 전자파를 감지하는 PD 센서는 UHF(Ultra-High Frequency) 대역의 전자파를 감지할 수 있다.

PD 센서를 통해 전자파 신호가 감지되면, 감지된 전자파로부터 펄스신호를 검출하고(S82), 검출된 펄스신호의 크기를 기 설정되어 있는 보상정보(53-1)를 이용하여 보상한다(S83).

이때 보상정보는 부분방전으로 인해 발생된 원래의 펄스신호의 크기가 PD 센서, PD 센서가 전송하는 RF(Radio Frequency) 신호를 수신하기 위한 RF 회로 등의 주파수 특성에 종속되지 않도록 설정된다.

보상정보는 미리 실험적으로 조사하여 설정해 놓게 되는 것으로서, 보상식(Compensation Equation)의 형식으로 설정될 수도 있고, 보상표(Compensation Table)의 형식으로 설정될 수도 있다.

그리고 일정 시간(예: 1초) 동안 발생되는 펄스신호의 개수와 크기를 기초로 전력기기의 위험도를 판정한다(S84).

단계 S84에서의 위험도 판정은 일정 시간 동안 부분방전으로 인해 발생된 펄스신호의 개수와 크기를 QN(Quantity/Number) 매트릭스에 맵핑하고, QN 매트릭스에 맵핑된 위치와 미리 설정된 위험도 판정 기준을 비교하여 해당 전력기기의 위험도를 판정하는 방법으로 이루어질 수 있다.

이때 부분방전으로 인한 펄스신호의 크기로는 해당 시간 동안 발생된 펄스신호들의 평균 크기를 이용할 수 있다.

도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, QN 매트릭스에 대한 위치별 위험도(안전, 요주의, 위험 등)는 미리 지정되어 있으며, 매트릭스 위치별 위험도를 세분화할수록 그 정밀도는 커진다.

즉, 단계 S84에서는 일정 시간 동안 검출된 펄스신호의 개수와 크기를 QN 매트릭스에 맵핑하고, 맵핑된 위치에 따라 안전, 요주의, 위험 등으로 위험도를 판정하게 된다.

단계 S84에서 판정된 위험도가 요주의나 위험 레벨일 경우, 관리자가 모니터링할 수 있도록 이를 알리는 메시지를 각종 유/무선 통신방식을 이용하여 타 장치로 전송할 수도 있다.

상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.

11: 전력기기 50: 전력기기의 위험도 분석 시스템
51: PD 센서 52: PD 검출부
53: 보상부 54: 위험도 판정부

Claims (8)

1. 전력기기 내의 부분방전(PD: Partial Discharge)으로 인해 발생된 전자파를 감지하는 PD 센서;
   상기 PD 센서를 통해 감지된 전자파 신호를 수신하여 일정 주파수 대역의 펄스신호를 검출하는 PD 검출부;
   상기 PD 검출부에서 검출된 펄스신호의 크기를 기 설정되어 있는 보상정보를 이용하여 보상하는 보상부; 및
   일정 시간 동안 발생된 펄스신호의 개수와 크기를 기초로 상기 전력기기의 위험도를 판정하는 위험도 판정부를 포함하여 이루어지는 전력기기의 위험도 분석 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 PD 센서는 UHF(Ultra-High Frequency) 대역의 전자파를 감지하는 것을 특징으로 하는 전력기기의 위험도 분석 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 보상정보는 상기 PD 검출부에서 검출된 펄스신호의 크기가 상기 PD 센서와 상기 PD 검출부의 주파수 특성에 종속되지 않도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전력기기의 위험도 분석 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 보상정보는 보상식(Equation) 또는 보상표(Table)의 형식으로 설정되는 것을 특징으로 하는 전력기기의 위험도 분석 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 위험도 판정부는 일정 시간 동안 발생된 펄스신호의 개수와 크기를 QN(Quantity/Number) 매트릭스에 맵핑하고, 상기 QN 매트릭스에 맵핑된 위치와 미리 설정된 위험도 판정 기준을 비교하여 상기 전력기기의 위험도를 판정하는 것을 특징으로 하는 전력기기의 위험도 분석 시스템.
6. 전력기기 내의 부분방전(PD)으로 인해 발생된 전자파를 감지하여 상기 전력기기의 위험도를 판정하는 전력기기의 위험도 분석 방법에 있어서,
   PD 센서를 이용하여 상기 전력기기 내의 부분방전으로 인해 발생된 전자파를 감지하는 단계;
   상기 PD 센서를 통해 감지된 전자파로부터 펄스신호를 검출하고, 검출된 펄스신호의 크기를 기 설정되어 있는 보상정보를 이용하여 보상하는 단계; 및
   일정 시간 동안 발생된 펄스신호의 개수와 크기를 기초로 상기 전력기기의 위험도를 판정하는 단계를 포함하여 이루어지는 전력기기의 위험도 분석 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 보상정보는 상기 펄스신호의 크기가 상기 전자파의 주파수에 종속되지 않고 일정한 값을 가지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전력기기의 위험도 분석 방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 위험도 판정은 펄스신호의 개수와 크기를 QN(Quantity/Number) 매트릭스에 맵핑하고, 상기 QN 매트릭스에 맵핑된 위치와 미리 설정된 위험도 판정 기준을 비교함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력기기의 위험도 분석 방법.

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