KR20130047441A - 비접촉 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비접촉 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템을 제공한다. 이러한 진단 시스템은, 전력기기의 내부 및 외부에 각각 부착되어 상기 전력기기에 발생하는 부분방전을 검출하여 해당 부분방전 검출신호를 각각 출력하는 내장형 및 외장형 부분방전 검출센서; 상기 전력기기에 비접촉으로 설치되며 상기 전력기기에 인가된 전압의 주파수 위상 신호를 측정하는 비접촉 위상측정센서; 및 상기 내장형 및 외장형 부분방전 검출센서에서 각각 검출된 부분방전 신호 및 상기 비접촉 위상측정센서에서 측정된 상기 전력기기의 인가전압의 주파수 위상 신호를 이용하여 상기 전력기기의 부분방전 발생 유무 및 그 발생 원인을 판단하는 부분방전 신호처리장치를 포함한다.

Description

비접촉 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템{PARTIAL DISCHARGE DIAGNOSTIC SYSTEM OF POWER APPARATUS USING CONTACTLESS PHASE MEASUREMENT SENSOR}
본 발명은 전력기기의 부분방전 진단 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 비접속 위상 측정센서를 이용하여 전력기기에 인가된 위상신호를 측정하고 이를 이용하여 전력기기의 부분방전을 진단하도록 하는 비접촉 위상 측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템 및 방법에 관한 것이다.
발전소나 변전소 등의 전력설비에는 가스 절연 개폐장치(GIS:Gas Insulated Switchgear), 가스절연변압기, 유입변압기 등 많은 전력기기들이 되고 있다. 특히, 발전소와 변전소의 개폐설비 대부분이 가스절연 개폐장치(GIS)로 건설됨에 따라 이 가스절연 개폐장치(GIS)의 설치개수가 대폭 증가하고 배전 선로 계통에서 차지하는 비율도 점점 증가하는 추세이다.
이러한 전력기기에는 고압을 이용하므로 고장의 전조로서 부분방전이 발생하게 된다. 이는 전력기기의 설치과정에서 도체의 돌기, 스페이서의 크랙 또는 금속성 이물질 등이 발생할 수 있고 이들 결함에 의해 전력기기에 전계집중 현상이 발생되어 부분방전의 발생을 초래하게 된다. 이처럼 전력기기에 부분방전이 발생하게 되면 절연파괴에 도달할 가능성이 있으며 최종적으로 전력설비 전체의 운행에 막대한 위협이 될 수 있으므로 이를 조기에 진단하여 적절한 사전조치를 취할 수 있도록 하여 부분방전의 진단 시스템이 필수적으로 요구된다.
도 1은 종래의 전력기기의 부분방전 진단 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1에서와 같이, 종래의 부분방전 진단 시스템에서는 전력기기(1)의 부분방전을 검출하는 내장형 부분방전 검출센서(10) 및 외장형 부분방전 검출센서(11)를 설치하고, 내장형 및 외장형 검출센서(10,11)에서 검출된 부분방전신호는 동축케이블(12)을 통해 부분방전 신호처리장치(14)로 전송된다. 부분방전 신호처리장치(14)는 또한 전력기기(1)에 설치된 전압변성기(PT:Potential Transformer)(13)에 측정된 전압의 주파수 위상을 수신하여 부분방전의 발생 및 원인을 판별한다.
이러한 부분방전은 전력기기(1)에 인가된 전압의 주파수 위상에 동기하여 각 원인별 특징이 나타나므로 부분방전 진단시 전력기기(1)에 인가된 전압의 주파수 위상을 측정하여 센서(10,11)에서 검출된 부분방전 신호를 상기 측정된 인가전압의 주파수 위상에 대하여 표시하도록 한다. 따라서, 종래에 전력기기(1)에 설치된 전압변성기(13)에서 전력기기(1)에 인가된 전압을 측정하고 그 측정된 전압의 주파수 위상을 검출하는 것이다.
그런데, 최근 전력기기의 부분방전 진단 시스템에서는 전압변성기(PT)의 결선오류, 수용가 측의 부주의한 설치 및 관리, 고전압에서의 수리 및 점검 등이 어려워 전압변성기(PT)의 사용을 금지하고 있다. 나아가, 이러한 전압변성기(PT)를 대신하여 변전소 내 로컬제어패널(LCP:Local Control Panel)을 설치하여 상용전원의 주파수 신호를 사용하고 있으나, 이 경우 실제 전력기기에 인가되는 전압의 주파수 위상과 상용전원의 주파수 위상 간에 위상 차가 존재하기 때문에 정확한 진단이 이루어지지 않는 문제점이 발생한다.
따라서, 해당 기술분야에서는 전압변성기(PT)를 사용하지 않고 전력기기에 인가되는 전압의 주파수 위상을 정확하게 측정하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 전압변성기(PT) 신호 및 상용주파수 전원 신호를 사용하지 않고 비접촉 위상측정센서를 이용하여 전력기기에 인가된 전압의 주파수 위상을 정확히 측정할 수 있도록 하는 전력기기의 부분방전 진단 시스템 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비접촉 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템은,
전력기기의 내부 및 외부에 각각 부착되어 상기 전력기기에 발생하는 부분방전을 검출하여 해당 부분방전 검출신호를 각각 출력하는 내장형 및 외장형 부분방전 검출센서; 상기 전력기기에 비접촉으로 설치되며 상기 전력기기에 인가된 전압의 주파수 위상 신호를 측정하는 비접촉 위상측정센서; 및 상기 내장형 및 외장형 부분방전 검출센서에서 검출된 부분방전 신호 및 상기 비접촉 위상측정센서에서 측정된 상기 전력기기의 인가전압의 주파수 위상 신호를 이용하여 상기 전력기기의 부분방전 발생 유무 및 그 발생 원인을 판단하는 부분방전 신호처리장치를 포함한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 내장형 및 외장형 부분방전 검출센서는 상기 전력기기에서 유출되는 부분방전에 의한 전자파 신호를 감지하여 부분방전 검출신호로 출력한다.
이때, 상기 부분방전 검출신호에는 상기 전력기기에서 발생한 부분방전의 원인별 특징이 포함된다.
이때, 상기 부분방전 신호처리장치는 상기 측정된 인가전압의 주파수 위상 신호에 상기 검출된 부분방전 검출신호를 매핑시켜 상기 주파수 위상 신호에 동기하여 나타나는 원인별 특징으로부터 상기 부분방전의 발생 및 원인을 판단한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 비접촉 위상측정센서는, 상기 전력기기로부터 일정 간격으로 떨어져 비접촉으로 설치되는 도체부재; 상기 도체부재에 연결된 커패시터; 상기 도체부재 및 커패시터를 통과한 전압신호에 포함된 노이즈를 제거하여 저대역 주파수의 전압신호를 통과시키는 저역통과필터(LPF); 상기 저역통과필터에서 출력되는 전압신호를 증폭하는 증폭기; 및 상기 증폭기에서 증폭된 전압신호에 포함된 노이즈를 제거하여 고대역 주파수의 전압신호를 통과시키는 고역통과필터(HPF)를 포함하며, 상기 부분방전 신호처리장치는 상기 고역통과필터에서 출력되는 전압신호의 주파수 위상신호를 추출한다.
상기와 같은 구성을 통해 본 발명에 따른 비접촉 위상 측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명에 의하면 종래와 같이 전압변성기(PT)의 신호를 사용하지 않고 비접촉 위상측정센서를 이용하여 전력기기의 인가전압에 대한 주파수 위상신호를 측정함으로써 전압변성기(PT)의 사용에 따른 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 전압변성기(PT)의 사용을 금지하는 경우도 실제 전력기기에 인가된 전압의 주파수 위상을 정확하게 측정함으로써 전력기기의 부분방전 진단에서 진단의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전압변성기(PT)를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비접촉식 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템을 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 측정된 전압신호에 포함된 부분방전 원인별 특징의 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 비접촉식 위상측정센서의 구성도.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비접촉식 위상 측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전력기기의 부분방전 진단 시스템(100)은 내장형 부분방전 검출센서(110), 외장형 부분방전 검출센서(120), 비접촉 위상측정센서(130) 및 부분방전 신호처리장치(140)를 포함하여 구성된다.
내장형 부분방전 검출센서(110)는 전력기기(10)의 내부에 부착되어 상기 전력기기(10)에 발생하는 부분방전을 검출하고 그 검출신호를 출력한다. 또한, 외장형 부분방전 검출센서(120)는 전력기기(10)의 외부에 부착되어 전력기기(10)에 발생하는 부분방전을 검출하여 검출신호를 출력한다. 특히, 본 발명의 내장형 및 외장형 부분방전 검출센서(110,120)는 전력기기(10)에서 유출되는 부분방전에 의한 전자파 신호를 감지한다. 이때, 부분방전 검출신호에 도 3의 일례와 같이 부분방전의 원인별 특징이 포함됨이 바람직하다. 도 3의 (a) 내지 (d)는 예를 들어, 분리입자(Free Particle), 스페이스의 크랙 또는 공동(Crack/Void in Spacer), 도체의 돌기(Protrusion), 스페이서 상의 입자(Particle on Spacer)의 원인에 따른 부분방전 특징이 포함된 검출신호이다.
비접촉 위상측정센서(130)는 전력기기(10)에 인가된 고전압의 주파수 위상을 측정한다. 이때, 바람직하게는 비접촉 위상측정센서(130)는 전력기기(10)에 비접촉으로 주파수 위상을 측정한다.
부분방전 신호처리장치(140)는 외장형 부분방전 검출센서(120)에서 검출된 부분방전 신호와 비접촉 위상측정센서(130)에서 측정된 전력기기(10)의 인가전압의 주파수 위상을 이용하여 전력기기(10)에서의 부분방전 발생 유무 및 그 발생 원인을 판단한다. 이러한 부분방전 발생 유무는 비접촉 위상측정센서(130)에서 측정된 인가전압의 주파수 위상신호에 외장형 부분방전 검출센서(120)에서 검출된 부분방전 신호를 매핑시켜 주파수 위상에 동기하여 나타나는 부분방전의 원인별 특징으로부터 전력기기(10)에서의 부분방전의 발생 및 원인을 파악하는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 비접촉식 위상측정센서의 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비접촉식 위상측정센서(130)는 도체부재(121), 커패시터(122), 저역통과필터(LPF)(123), 증폭기(124) 및 고역통과필터(HPF)(125)를 포함하여 구성된다. 이러한 본 발명의 비접촉 위상측정센서(130)는 전력기기(10)의 스페이서(20)에 비접촉 형태로 배치된다.
도체부재(121)는 전력기기(10)로부터 일정한 간격으로 떨어져 배치된다. 이러한 도체부재(121)는 예컨대 도전성 금속재료로 구현될 수 있다. 커패시터(122)는 도체부재(121)에 연결된다.
전력기기(10)는 일반적으로 내부에 금속재료의 중공부(21)가 형성되며 표면부(22)와 중공부(21) 사이에는 통상 에폭시와 같은 절연물질(23)이 채워진다. 이로써, 도체부재(121)와 중공부(21) 간의 절연물질(23)은 일전한 용량의 다른 커패시터(24)로 작용한다.
상기 커패시터(122)의 후단에 저역통과필터(LPF:Low Pass Filter)(123), 증폭기(124) 및 고역통과필터(HPF:High Pass Filter)(125)가 차례로 연결된다. 이때, 전력기기(10)에 인가된 전압 신호는 도체부재(121)와 중공부(21) 간에 작용하는 커패시터(24), 도체부재(121), 커패시터(122), 저역통과필터(123), 증폭기(124), 고역통과필터(125)를 통과하여 부분방전 신호처리장치(140)로 입력된다. 이로써, 부분방전 신호처리장치(140)는 고역통과필터(HPF)(125)에서 출력되는 전압 신호의 주파수 위상신호를 추출하여 부분방전의 발생 유무 및 그 발생 원인을 진단한다.
저역통과필터(LPF)(123)는 상기한 도체부재(121) 및 커패시터(122)를 통과한 전압신호에 포함된 노이즈를 제거하여 저주파 대역의 전압신호를 통과시키고 증폭기(124)는 상기한 저역통과필터(123)에서 출력되는 전압신호를 증폭하며 고역통과필터(HPF)(125)는 증폭기(124)에서 증폭된 전압신호에 포함된 노이즈를 제거하여 고주파 대역의 전압신호를 통과시킨다.
한편, 전력기기(10)에 인가된 전압신호는 도체부재(121)와 중공부(21) 간에 작용하는 커패시터(24) 및 도체부재(121)의 후단에 연결된 커패시터(122)에서는 각각 커패시턴스의 크기에 따라 분압원리에 의해 일정한 크기의 전압신호를 변환되어 저역통과필터(123)로 입력된다. 이와 같이 입력되는 전압의 크기는 변환되었으나 전력기기(10)에 인가된 전압의 주파수 위상은 실질적으로 그대로 적용된다. 따라서, 비접촉 위상측정센서(130)에서 측정되는 전압의 주파수 위상신호는 실질적으로 전력기기(10)에 인가된 전압의 주파수 위상과 일치하게 되며, 이로써 부분방전 신호처리장치(140)에서 신뢰성 있는 부분방전 진단이 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
전력기기에 발생하는 부분방전으로 인해 전력공급이 차질이 발생할 수 있으며 이는 곧 전력설비에 막대한 악영향을 미칠 수도 있다. 따라서, 전력기기에 부분방전이 발생하는지를 사전에 미리 정확하게 진단하기 위한 시스템은 전력설비에 있어서 필수적으로 요구되고 있다. 이와 같이 전력기기에서 부분방전의 진단 신뢰성을 높이기 위해서는 전력기기에 인가된 전압의 주파수 위상을 정확하게 측정하는 것이 매우 중요하다.
이러한 측면에서 볼 때, 본 발명은 비접촉 위상측정센서를 이용하여 전력기기에 인가된 인가전압의 주파수 위상을 정확하게 측정함으로써 전력기기에서의 부분방전 진단의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 전력설비 등에 사용되는 가스절연기기 등의 전력기기에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
110 : 외장형 부분방전 검출센서 120 : 비접촉 위상측정센서
130 : 부분방전 신호처리장치

Claims (5)

  1. 전력기기의 내부 및 외부에 각각 부착되어 상기 전력기기에 발생하는 부분방전을 검출하여 해당 부분방전 검출신호를 각각 출력하는 내장형 및 외장형 부분방전 검출센서;
    상기 전력기기에 비접촉으로 설치되며 상기 전력기기에 인가된 전압의 주파수 위상 신호를 측정하는 비접촉 위상측정센서; 및
    상기 내장형 및 외장형 부분방전 검출센서에서 각각 검출된 부분방전 신호 및 상기 비접촉 위상측정센서에서 측정된 상기 전력기기의 인가전압의 주파수 위상 신호를 이용하여 상기 전력기기의 부분방전 발생 유무 및 그 발생 원인을 판단하는 부분방전 신호처리장치; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외장형 부분방전 검출센서는 상기 전력기기에서 유출되는 부분방전에 의한 전자파 신호를 감지하여 부분방전 검출신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 비접촉 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부분방전 검출신호에는 상기 전력기기에서 발생한 부분방전의 원인별 특징이 포함되는 것을 특징으로 하는 비접촉 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부분방전 신호처리장치는 상기 측정된 인가전압의 주파수 위상 신호에 상기 검출된 부분방전 검출신호를 매핑시켜 상기 주파수 위상 신호에 동기하여 나타나는 원인별 특징으로부터 상기 부분방전의 발생 및 원인을 판단하는 것을 특징으로 하는 비접촉 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비접촉 위상측정센서는,
    상기 전력기기로부터 일정 간격으로 떨어져 비접촉으로 설치되는 도체부재;
    상기 도체부재에 연결된 커패시터;
    상기 도체부재 및 커패시터를 통과한 전압신호에 포함된 노이즈를 제거하여 저대역 주파수의 전압신호를 통과시키는 저역통과필터(LPF);
    상기 저역통과필터에서 출력되는 전압신호를 증폭하는 증폭기; 및
    상기 증폭기에서 증폭된 전압신호에 포함된 노이즈를 제거하여 고대역 주파수의 전압신호를 통과시키는 고역통과필터(HPF); 를 포함하며,
    상기 부분방전 신호처리장치는 상기 고역통과필터에서 출력되는 전압신호의 주파수 위상신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 비접촉 위상측정센서를 이용한 전력기기의 부분방전 진단 시스템.
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