KR20120132598A - 부분방전 신호측정 방법과 장치 - Google Patents

Abstract

부분장전진단 분야에서, 가장 중요하고도 어려웠던 부분인 디노이즈 과정을 간단 전자회로로 구현할 수 있게 되었다. 부분방전 신호의 임펄스적인 특성과 상대적으로 긴 지속시간을 보이는 노이즈의 특성을 이용하여 전자회로 구현된 하드웨어적인 노이즈 제거 방법을 도입함에 따라 종전에 DSP와 PC의 소프트웨어 상에서 구현되던 디노이즈 과정을 줄임과 동시에 패턴 분석을 정형화 할 수 있게 되어 디노이즈 기능과 패턴 분석에 관한 전용 칩 또는 모듈과 각종 관련 외부장치를 개발할 수 있고 나아가 경제성과 신뢰성을 도모할 수 있게 되었다.

Description

부분방전 신호측정 방법과 장치{Device and method about PD signal measurement}

본 발명은 전력설비 예방진단 시 부분방전을 이용하는 장치와 방법에 관한 것이다. 부분방전 측정시 주변 전자파는 방해요소(노이즈)로 작용하는데, 이 전자파와 부분방전를 구별하는 것이 부분방전 측정에 있어 매우 중요한 부분을 차지한다. 본 발명은 부분방전신호의 임펄스적인 특성을 전자회로의 응답특성(반응시간차 또는 반응속도차 특성)에 적용하고, AD 변환 과정에서 피크홀드와 샘플홀드 평균치를 부분방전신호와 노이즈 신호에 구분 적용하여 효과적으로 노이즈를 제거하는 기술에 관한 것이다.

고압전력기기의 절연 성능이 저하되면서 발생되는 전자파를 부분방전신호라 한다. 고압이라함은 교류 또는 직류 전압이 적게는 수백 볼트에서브터 수십만 볼트에 해당된다. 부분방전 신호의 특성은 임펄스에 가까운 신호이다. 임펄스는 매우 짧은 시간에 발생되고 소멸되는 특징이 있는데 이는 통상의 전자파의 특성과는 매우 판이하다.

고압전력기기는 전기자동차 충전기와 송변전 및 수배전설비가 해당된다.

교류에서 발생하는 부분방전 신호는 대부분 120Hz 간격으로 발생되고 있으며, 펄스폭이 약 2ns로 매우 짧은 신호의 폭을 가지고 있으며, 급격한 상승시간과 하강시간을 가지고 있다. 발생 주변 매질을 통과하면서 파형의 변형이 생겨 펄스의 폭이 넓어지기도 하고, 신호의 특성상 넓은 대역에 걸쳐 하모닉을 발생하게 되는데, 부분방전 측정에 이용되는 대역폭은 이보다 낮은 대역도 사용되지만, 주로 500MHz ~ 1.5GHz 대역이다.

RF 신호를 회로 내 동작 전압의 수준으로 변환하는 장치로서 RMS DETECTOR와 LOG DETECTOR이 있고 통칭하여 RF DETECTOR라 부른다. LOG DETECTOR는 RF신호의 첨두치에 비례한 전압값으로 출력하며 입력 RF에 대한 반응시간이 대체로 10uS~150uS 정도이고, RMS DETECTOR는 RF신호의 RMS치에 해당되는 전압값으로 출력하며 입력 RF에 대한 반응시간은 대체로 수 mS 수준이다.

종전 부분방전 측정 장비는 RF를 처리하는데 있어 대체로 증폭기, 감쇄기, 필터, 로그디텍터, ADC, 피크홀드와 같은 부분품을 사용하여 처리하였고 그 출력을 고속 연산용 프로세서로 보내어 분석 알고리즘에 의한 부분방전 검출을 하였는데 근원적으로 부분방전신호와 노이즈를 함께 받아들이는 것을 전제로 하는 것이고, 이 결과 현장 실무에서는 많은 오동작에 직면하고 있고 제대로 동작하지 않는 것을 목격할 수 있다.

현재 부분방전 측정에서 가장 큰 문제점은 노이즈에 기인한 오류 발생이 많다는 것이다. 좀 더 자세하게는, 분석용 알고리즘이 노이즈 즉 부분방전 신호를 제외한 방해요소 전자파를 부분방전 신호로 착오하여 오동작하게 되는 점이다.

이러한 오동작의 발생은 노이즈가 많을 경우 더욱 심하게 나타나고 있어 AD 변환 과정 전단에서 미리 노이즈를 제거/감쇄하고 난 이후 프로세서로 노이즈가 제거/감쇄된 신호를 보내는 수단이 필요한 현실이다.

종전에는 상기의 오동작을 개선하기 위해 외부에 광대역 노이즈 안테나를 사용하는 노이즈게이팅과 같은 디노이즈 기술이 있으나 충분치 않고, 일선 현장에서는 측정 대상 장비의 외부를 차폐하여 측정대상 장비 내부로 노이즈가 유입되는 것을 저감하고자 노력하고 있으나 한계가 있었다.

이는 종전의 기술들이 노이즈와 부분방전 신호를 함께 AD변환하고 프로세서에서 노이즈처리를 하는 것에 기인한다.

본 발명은 부분방전신호의 임펄스적인 특성을 전자회로의 응답특성(반응시간차 또는 반응속도차 특성)에 적용하고, AD 변환 과정에서 피크홀드와 샘플홀드 평균치를 부분방전신호와 노이즈 신호에 구분 적용하여 AD변환과정 이전 과정에서 효과적으로 노이즈를 제거하는 기술에 관한 것이다.

외부 코로나를 포함한 노이즈를 제거한다는 것은 노이즈의 세기를 알아내서 측정된 전자파의 세기에서 노이즈의 세기를 빼는 것으로 표현할 수 있다.

상술한 바, 부분방전 신호는 임펄스적인 형태이며 펄스폭이 수 ns이며 매우 빠른 상승시간과 하강시간을 가지는데 매질 통과하면서 변형되어 측정장치에 도달할 때는 신호폭이 길게는 수 us 정도이다.

따라서 RMS DETECTOR와 LOG DETECTOR의 상승시간 및 하강시간과 관련된 반응속도차를 기반으로한 응답특성 차이를 상기 부분방전신호 특성에 적용하면, 부분방전신호는 LOG DETECTOR 회로에는 잘 반응하지만 RMS DETECTOR 회로에는 잘 반응하지 않는다.

실험에 따르면, 대체로 LOG DETECTOR의 출력은 주변의 노이즈와 부분방전신호를 동시에 표출하지만 RMS DETECTOR는 주변의 노이즈를 주로 표출한다.

따라서 동일 시간대 LOG DETECTOR의 첨두치와 RMS DETECTOR의 평균치를 읽어 두 값의 차를 구하면 순수한 임펄스성의 부분방전신호 세기를 알 수 있다.

첨두치와 평균치를 구하는 방법으로, LOG DETECTOR와 RMS DETECTOR의 출력 신호를 각각 시분할하여, LOG DETECTOR 출력은 피크홀드 회로를 거쳐 펄스 피크 디텍트 값을 AD변환하여 부분방전 신호의 첨두치를 프로세서로 송출하고, RMS DETECTOR 출력은 부분방전신호 폭보다 긴 주기의 샘플링 주기로 취득한 AD변환값들을 프로세서로 송출하여 프로세서에서 평균치를 산출한다.

또한 LOG DETECTOR의 순시치를 모니터링하여 피크를 검출하여 그 순간의 AD변환값을 피크치로 프로세서에서 취득하고, 그 순간 전후 일정시간대의 RMS DETECTOR의 출력 신호의 부분방전신호 폭보다 긴 주기의 샘플링 주기로 취득한 AD변환값들을 프로세서에서 평균치를 구할 수도 있다.

산출된 첨두치와 평균치의 차를 계산하면 그 값은 노이즈가 제거된 부분방전신호가 된다.

또한 상기 LOG DETECTOR와 RMS DETECTOR는 반응속도차를 대별되게 하기 위해 기술한 것으로 반드시 그렇게 적용되어야 하는 것은 아니며 반응속도 가변형을 적용할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 종전에 소프트웨어에 의한 노이즈 제거 방식과 달리 하드웨어적으로 부분방전 신호와 노이즈 신호를 구별할 수 있을 뿐만 아니라, 부분방전 신호의 크기와 노이즈의 크기를 측정함과 동시에 노이즈를 제거할 수 있고, 디노이즈에 대한 비용을 절감하고 경제성과 신뢰성을 높일 수 있다.

둘째, 디노이즈의 단순화에 따라 PD 측정이 간단해짐으로써 노이즈 제거와 PD 진단 기능이 있는 전용 모듈 개발이 가능하고 이 모듈을 기본으로 부분방전 인디케이터, 오실로스코프 어댑터, 소형 액티브 부분방전센서 등을 만들 수 있다.

셋째, 소프트웨어를 배제한 하드웨어 만을 이용한 부분방전 측정 및 진단이 가능하다.

넷째, 상술한 방법과 장치 만으로도 정밀한 부분방전 신호 검출 장치 및 경보장치를 제작할 수 있다.

다섯째, 부분방전 측정용으로 외부 노이즈 안테나를 설치하지 않아도 되며 별도의 차폐 대책을 세우지 않아도 되므로 경제적이다.

협대역 안테나 또는 수개의 대역폭이 중첩된 협대역 안테나 또는 광대역에서 출력된 무선신호는 2 이상의 분배 경로를 거쳐 각각 반응속도가 다른 회로들로 구성된 속도비교회로부로 보내진다.

속도비교회로부는 상술한 바와 같이 응답특성(상승시간 및 하강시간)이 서로 다른 2개 이상의 RF 디텍더 회로로 구성되어 있다. 예를 들자면 상기 안테나에서 속도비교회로부로 입력되는데, 무선신호는 2분배되어 하나는 고속 RF 디텍터로 구성된 고속회로부로 입력되고 하나는 저속 RF 디텍터 회로로 구성된 저속회로부로 입력된다.

프로세서의 제어에 따라 고속회로부의 출력은 피크디텍트부에서 홀드 또는 트랙 기능으로 통하여 시분할 시간대별 첨두치 또는 실시간 첨두치를 AD변환부를 거쳐 프로세서로 송출된다.

프로세서의 제어에 따라 저속회로부의 출력은 샘플홀드부에서 상기 고속회로부와 연계된 타이밍 동작으로 시간대별 평균치 또는 실시간 평균치를 AD변환부를 거쳐 프로세서로 송출된다.

상기 평균치를 구하는 값들의 수량과 시간간격은 프로세서의 제어를 따르며 시간간격은 상술한 바와 같이 수 us 이상이 되도록 하고 수량은 상황에 따라 가변할 수 있도록 한다.

프로세서는 입력된 첨두와 평균치의 차를 디지털 연산하여 노이즈가 제거된 부분방전신호의 디지털 값을 취득한다.

프로세서의 제어에 따라 외부 장치에 고속회로부의 출력과 고속회로부 출력의 AD변환값과 저속회로부의 출력과 저속회로부 출력의 AD변환값과 부분방전신호 디지털 값을 출력할 수 있으며, 부분방전신호 디지털 값은 DA변환과정을 거쳐 부분방전신호의 아날로그 값으로 변환될 수 있다.

또한 고속회로부 출력과 저속회로부 출력은 차동증폭기를 거쳐 디지털 연산과정없이 부분방전신호의 아날로그 차동연산값을 취득할 수도 있는데, 그 과정에서 필요한 경우 시분할 시간대별로 신호를 홀드하여 차동연산값을 취득할 수도 있다.

상기 외부장치는 상기 부분방전신호의 차동연산값 또는 DA변환값을 이용한 오실로스코프 연결 어댑터와 부분방전 인디케이터와 휴대용 부분방전진단장비와 액티브 부분방전 센서 등이 있다.

노이즈를 제거하는 과정은 차동증폭기를 이용하여 공통성분 즉 노이즈 신호를 제거하는 방법과 같이 회로를 이용할 수도 있고 ADC 변환 이후 수치 연산에 의해서도 가능하다.

결과적으로 노이즈 신호의 크기, 부분방전 펄스의 크기, 부분방전 펄스의 위상각, 부분방전 펄스의 반복률, 부분방전 신호의 반복 주파수 등을 정확히 알 수 있게 되어 고신뢰성의 측정 결과를 가져갈 수 있게된다.

Claims (4)

1. 일단에 응답시간이 부분방전 신호 폭 이하의 상승시간과 하강시간을 갖는 고속 RF 디텍터 회로;가 연결되어 있고 다른 일단의 출력단자에 부분방전 신호 폭 이상의 상승시간과 하강시간을 갖는 별도의 저속 RF 디텍터 회로;가 연결된 2분기 RF분배기;로 구성된 부분방전 노이즈 억제 장치
   
2. 청구항 1에서, 고속 RF 디텍터 회로 후단에 트랙 및 홀드 제어 포트;를 구비한 첨두치 검출 회로;를 구비한 부분방전 노이즈 억제 장치
   
3. 청구항 1에서, 저속 RF 디텍터 회로 후단에 AD변환 출력 회로;와
   청구항 2에서, 트랙 및 홀드 제어 포트 후단에 별도의 AD변환 출력 회로;를 구비한 부분방전 노이즈 억제 장치
   
4. 청구항 3에서, 각 AD변환회로의 출력을 입력받아 내부 연산을 수행하고 외부 제어 명령을 수행하는 프로세서;를 구비한 부분방전 노이즈 억제 장치