KR20140035122A - 모의 부분방전 신호 발생 장치 - Google Patents

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KR20140035122A
KR20140035122A KR1020120101582A KR20120101582A KR20140035122A KR 20140035122 A KR20140035122 A KR 20140035122A KR 1020120101582 A KR1020120101582 A KR 1020120101582A KR 20120101582 A KR20120101582 A KR 20120101582A KR 20140035122 A KR20140035122 A KR 20140035122A
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장태인
강연욱
조흥상
양병모
박흥석
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 모의 부분방전 신호 발생 장치에 관한 것으로, 챔버(10) 내부에 위치되고, 두 절연물(21,23)이 서로 중첩되어 접합면(25)을 형성하는 절연체(20)의 양측으로 배치되며 전압을 인가받아 부분방전을 발생시키는 방전 발생 전극(30)과, 상기 방전 발생 전극(30)에 연결되며 상기 방전 발생 전극(30)에 전압을 인가하는 고전압인가부(35) 및 접지부(38)와, 상기 두 절연물(21,23)을 가압하여 상기 두 절연물(21,23)의 접합면(25)의 압력을 조절하는 계면압력조절부(40)와, 상기 챔버(10) 내의 가스 압력을 조절하는 가스압력조절부(50)를 포함한다.
본 발명은 실제 케이블 및 접속함을 구성하는 재료들 사이의 접촉 계면 구조를 모의하여 부분방전을 발생시키므로 지중 케이블의 고장 예방을 위한 비파괴 부분방전 신호를 취득하고 구분하기가 용이한 이점이 있다.

Description

모의 부분방전 신호 발생 장치{Apparatus for generating simulated partial discharge signal}
본 발명은 모의 부분방전 신호 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력 케이블 시스템의 고장 예방을 위한 부분방전 신호 데이터를 효과적으로 취득 및 축적하기 위한 모의 부분방전 신호 발생 장치에 관한 것이다.
지중송전 전력 케이블 시스템은 전력 케이블과 접속을 위한 접속함으로 구성된다. 전력 케이블 및 접속함의 고장을 사전에 감지하여 예방할 수 있는 기술 중의 하나가 부분방전 검출 및 분석이다.
이와 관련된 선행기술로는 일본공개특허 제2001-201531호(2001.07.27) "모의 부분방전 신호 발생 장치"가 있다.
그러나, 실제 운영중인 선로에서 나오는 부분방전 신호는 주변의 다양한 신호가 혼합되어 있으며, 내부의 결함형태에 따라서 신호의 형상 및 패턴이 매우 불규칙적이다.
이처럼 불규칙한 패턴 중에서 결함에 의한 신호를 구별하기 위해서는 결함을 고려하는 부분방전 신호를 가상적으로 발생시킬 수 있는 장치가 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 전력 케이블 시스템의 고장 예방을 위한 부분방전 신호 데이터를 효과적으로 취득 및 축적하기 위해 실험실 수준에서 부분방전을 발생시키는 장치로서 실제 케이블 및 접속함을 구성하는 재료들 사이의 접촉 계면 구조를 모의하여 부분방전을 발생시키도록 한 모의 부분방전 신호 발생 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 챔버 내부에 위치되고, 두 절연물이 서로 중첩되어 접합면을 형성하는 절연체의 양측으로 배치되며 전압을 인가받아 부분방전을 발생시키는 방전 발생 전극과, 상기 방전 발생 전극에 연결되며 상기 방전 발생 전극에 전압을 인가하는 고전압인가부와, 상기 두 절연물을 가압하여 상기 두 절연물의 접합면의 압력을 조절하는 계면압력조절부와, 상기 챔버 내의 가스 압력을 조절하는 가스압력조절부를 포함한다.
본 발명은 케이블 접속함 내부의 재료들 사이의 접촉 계면 구조를 모의하여 결함을 발생시키고 부분방전을 발생시킬 수 있으며, 고전압인가부 및 접지부에 전계완화용 보조전극을 설치하여 코로나방전 및 연면방전을 억제할 수 있다.
따라서, 지중 케이블의 고장 예방을 위한 비파괴 부분방전 신호를 취득하고 구분하기가 용이한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 절연체의 접합부 압력 조절이 가능하고, 챔버 내부의 압력 조절이 가능하며, 챔버 내부의 부분방전시 발생하는 가스를 추출하는 것이 가능하다.
따라서, 접합면의 조건 및 챔버 내부의 조건에 따른 부분방전 특성의 검토가 가능하고, 부분방전시 절연체의 열화 및 탄화로 인해 발생하는 가스의 검사에도 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 절연물로 액상 실리콘을 적용하는 경우 접합면에서 발생하는 부분방전 현상의 광학적 측정 및 분석이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 모의 부분방전 신호 발생 장치의 바람직한 실시예를 보인 도면.
도 2는 본 발명 실시예의 방전 발생 전극 부분을 보인 측면도.
도 3은 본 발명 실시예의 방전 발생 전극 부분을 보인 정면도.
도 4는 본 발명 실시예의 전극 및 전계분포를 보인 도면.
도 5는 본 발명 다른 실시예의 방전 발생 전극 부분을 보인 측면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명에 의한 모의 부분방전 신호 발생 장치의 바람직한 실시예가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 본 발명에 따른 모의 부분방전 신호 발생 장치는, 절연체(20), 방전 발생 전극(30), 고전압인가부(35), 접지부(38), 계면압력조절부(40), 가스압력조절부(50)를 포함한다.
절연체(20), 방전 발생 전극(30)은 챔버(10) 내부에 위치된다.
챔버(10)는 원통형상으로 형성될 수 있다. 그리고 챔버(10)는 부분방전 현상을 외부에서 관찰 가능하도록 투명한 아크릴 재질로 이루어진다.
챔버(10)는 케이블을 연결하는 접속함을 모의하는 것으로 실제 접속함의 가스압 등의 조건을 모사할 수 있도록 진공 및 최대 10bar까지의 내부 압력에 견딜 수 있도록 제작된다.
챔버(10)는 상부커버(11)를 개폐가능하게 구성하여 내부를 개방 또는 밀폐할 수 있다.
절연체(20)는 사각판 형상의 두 절연물(21,23)을 서로 중첩하여 형성한다. 절연체(20)는 두 절연물(21,23)이 중첩되는 접합면(25)의 압력, 표면 거칠기에 따라 부분방전이 발생하거나 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 접합면(25)에 다양한 조건을 설정하여 부분방전 실험을 수행하도록 두 절연물(21,23)을 서로 중첩하여 접합면(25)을 형성한다.
또한, 절연체(20)는 실제 현장 상황에 맞는 접합면(25)을 구성하기 위해 두 절연물(21,23)의 접합면(25)에 실리콘유를 도포할 수 있다.
절연체(20)를 이루는 두 절연물(21,23) 중 하나는 가교폴리에틸렌(XLPE, Cross Linking-Polyethylene) 시트로 이루어지고, 다른 하나는 합성고무(EPDM, Ethylene Propylene Terpolymers) 또는 액상 실리콘 고무(LSR,Liquid Silicon Rubber) 중에서 선택되는 1종으로 이루어질 수 있다.
가교폴리에틸렌은 낮은 중량, 우수한 열특성 및 저비용으로 인해 고전압 절연재료로 적합하다. EPDM은 화학적으로 안정하고 내열성, 내용재성이 뛰어나며 안정성이 우수하다. 액상 실리콘 고무는 투명하여 두 절연물의 접합면의 부분방전 현상의 광학적 측정 및 분석이 가능하다.
방전 발생 전극(30)은 절연체의 양측으로 대칭되게 배치되며 전압을 인가받아 부분방전을 발생시킨다.
방전 발생 전극(30)은 절연체(20)의 양측에 상하로 배치되며 부분방전을 발생시키는 주전극(31)과, 주전극(31) 부분을 반구형으로 둘러싸는 전계완화용 보조전극(33)을 포함한다.
본 발명의 실시예에서 주전극(31)은 납작한 원형태로 절연체의 양측에 대칭되게 배치되되, 절연체(20)의 가로 중심선을 기준으로 상부에 2개, 하부에 2개씩 서로 이격되게 배치된다. 상부의 주전극(31)이 고전압인가부(35)에 연결되고, 하부의 주전극(31)이 접지부(38)에 연결된다.
두 절연물(21,23)의 접합면(25)을 경계로 상부와 하부 양측에 주전극(31)을 배치하는 것은 두 절연물(21,23)의 접합면(25)에 균등한 전계를 형성하여 절연물(21,23)의 결함이나 공극 등이 발생할 때 방전양상이 잘 관찰될 수 있도록 하기 위함이다.
주전극(31)은 절연체(20)에 결합 또는 접착하여 일체화할 수 있다.
보조전극(33)은 주전극(31)의 고전압인가부(35)와 접지부(38) 부분에 각각 설치된다.
부분방전을 발생시킴에 있어서, 주전극(31)에 단순히 고전압만 인가하면 코로나방전이 발생한다. 또한, 챔버(10) 내부에 공기나 가스가 포함되는 경우 연면방전이 발생한다. 따라서, 코로나방전에 의한 노이즈를 억제하고, 연면방전 발생을 방지하기 위하여 주전극(31)의 고전압인가부(35) 및 접지부(38) 부분에 전계완화용 보조전극(33)을 설치한다.
보조전극(33)은 주전극(31)에서 코로나방전이 일어나기 쉬운 부분의 전계를 완화시켜 두 절연물(21,23)의 접합면에서 발생하는 미소 부분방전 신호의 관찰이 용이하도록 한다.
이와 같이 보조전극이 설치되는 경우, 절연체(20)의 접합면(25)에 존재하는 결함 및 접합면(25) 상태 등에 의해 발생되는 부분방전 현상만이 충실하게 나타난다. 반면, 보조전극이 설치되지 않는 경우, 전기력선이 고전압인가부(35)에 몰리고 전계가 집중되어 기중 코로나방전이나 연면방전이 일어나기 쉽다.
코로나방전이나 연면방전이 일어나면 다양한 신호가 혼합되어 절연체(20)의 접합면(25) 결함이나 접합면(25) 상태로 인한 부분방전 신호를 구별하기 어렵다.
고전압인가부(35) 및 접지부(38)는 부분방전을 발생시키기 위한 전압이 인가되는 전극부이다.
고전압인가부(35)는 일정 길이와 단면적을 갖는 도체로 대략 50~60kV의 고전압에 견딜 수 있도록 설계된다. 고전압인가부(35)는 챔버(10)를 관통하여 주전극(31)에 연결되며, 고전압인가부(35)가 챔버(10)를 관통하는 부분에는 절연재(37)를 설치하여 절연을 한다. 이 절연재(37)를 통과하여 외부 고전압 전원이 고전압인가부(35)에 연결된다.
접지부(38)는 전위가 없는 영전위점이다. 접지부(38)에 대지 및 건물, 전기 시스템의 접지점으로 연결되는 접지선(39)이 연결된다.
고전압인가부(35)와 접지부(38)는 고전압인가부(35)와 접지부(38) 사이에 전기력선 및 전기력선에 수직하는 등전위선(전계)이 형성되게 한다.
계면압력조절부(40)는 두 절연물(21,23)을 가압하여 접합면(25)의 압력을 조절하기 위한 것이다.
접합면(25)에 가해지는 압력 조건 및 접합면(25)의 표면 거칠기에 따라서 부분방전이 발생하거나 발생하지 않을 수 있으므로 계면압력조절부(40)를 사용하여 부분방전을 발생시킬 수 있는 조건을 만들 수 있도록 한다.
계면압력조절부(40)는 고정판(41), 볼트부재(45), 너트부재(47)를 포함한다.
고정판(41)은 투명한 아크릴 재질로 이루어지며, 두 개의 고정판(41)이 주전극(31)의 양측으로 배치된다. 고정판(41)에는 복수의 볼트공(43)이 형성된다. 본 실시예의 경우 볼트공(43)은 각 고정판(41)에 대칭되게 4개가 형성된다.
볼트부재(45)는 두 고정판(41)의 볼트공(43)을 관통하여 결합되며, 너트부재(47)는 볼트공(43)을 관통한 볼트부재(45)에 결합되어 두 고정판(41) 사이의 간격을 조절한다.
이러한 계면압력조절부(40)는 너트부재(47)를 볼트부재(45)에 결합시켜 조이거나 푸는 방식으로 절연체(20)의 접합면(25)에 가해지는 압력을 조절한다. 본 발명의 실시예에서는 계면압력조절부(40)를 고정판(41), 볼트부재(45), 너트부재(47)로 구성하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 레버 형태로 구현할 수도 있다.
가스압력조절부(50)는 챔버(10) 내부의 압력을 조절하거나 챔버(10) 내부의 부분방전 발생 가스를 추출하기 위한 것이다.
부분방전이 발생하면 절연물(21,23)이 열화, 탄화되면서 여러 종류의 가스가 발생한다. 이러한 가스는 추출하여 부분방전시 절연물(21,23)의 열화 및 탄화로 인한 발생 가스의 검사에 활용할 수 있다. 그리고, 챔버(10) 내부의 압력은 진공으로 조절하거나 압력을 상승 또는 하강시키는 방식으로 조절한다.
실제 케이블 접속함 내부는 접속함 종류에 따라 내부의 압력이 차이가 있고, 내부의 케이블 및 절연체로부터의 분해된 가스가 충진되어 있는 경우도 있으므로 이러한 조건을 모사할 수 있도록 챔버(10) 내부의 압력을 조절한다.
가스압력조절부(50)는 압력조절기(51), 압력계(53), 3방향 코크(55)를 포함한다.
가스압력조절부(50)는 실험 상황에 따른 챔버(10) 내부의 압력을 조절하거나. 부분방전시 발생하는 가스를 추출하는 역할을 수행한다.
압력조절기(51)는 챔버(10) 내부와 연결된 배관(13)을 통해 챔버(10) 내부의 가스를 추출하거나, 챔버(10) 내부로 가스를 공급하여 챔버(10) 내부의 가스 압력을 조절한다. 챔버(10) 내부로 공급하는 가스는 챔버(10) 내부의 도체를 절연시키는 절연가스일 수 있다.
압력계(53)는 배관(13)에 설치되어 챔버(10) 내부의 가스 압력을 측정한다. 3방향 코크(55)는 압력조절기(51)와 압력계(53) 사이에 해당하는 배관(13)에 설치된다. 3방향 코크(55)는 챔버(10) 내부를 진공으로 만들거나 가스 추출이 가능하게 한다.
챔버(10)의 외부에 두 절연물(21,23) 중 투명 재질로 이루어진 부분의 부분방전 현상을 광학적으로 촬영하기 위한 카메라(60)를 설치한다. 카메라(60)는 두 절연물(21,23)의 접합면(25)에서 발생하는 부분방전 양상을 촬영하여 부분방전 현상의 광학적 측정 및 분석이 가능하도록 한다.
접지선(39)에는 부분방전 신호를 측정하는 부분방전센서(70)가 장착된다. 부분방전센서(70)는 CT타입의 부분방전센서이며 접지선(39)에 착탈 가능하게 장착된다.
여기서, 부분방전센서(70)가 측정하는 부분방전 신호는 두 절연물(21,23)의 접합면(25)에서 부분방전에 의해 발생하는 고주파 신호이다. 그리고, 부분방전센서(70)가 측정한 부분방전 신호는 접합면(25)의 결함 종류에 따른 부분방전 신호의 패턴 데이터베이스 구축에 사용한다.
이하에서는 본 발명에 의한 모의 부분방전 신호 발생 장치의 작용에 대해 설명한다.
도 2에는 본 발명 실시예에 의한 방전 발생 전극 부분이 측면도로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명 실시예에 의한 방전 발생 전극 부분이 정면도로 도시되어 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 두 절연물(21,23)을 중첩시켜 접합면(25)이 형성되도록 한 절연체(20)의 상하 양측에 원형태의 주전극(31)을 배치한다.
이때, 두 절연물(21,23) 중 하나는 가교폴리에틸렌(XLPE) 시트를 사용하고, 다른 하나는 합성고무(EPDM) 또는 액상 실리콘 고무(LSR)를 사용한다. 또한, 실제 현장 상황에 맞는 접합면(25)을 형성하기 위해 두 절연물(21,23)의 접합면(25)에 실리콘유를 도포한다.
고정판(41)은 절연체(20) 및 주전극(31)이 두 고정판(41) 사이에 배치되도록 주전극(31)의 양측으로 각각 배치한다. 이후, 두 고정판(41)의 볼트공(43)에 볼트부재(45)를 관통시키고 너트부재(47)를 결합하여 두 고정판(41) 사이에 배치되는 절연체(20) 및 주전극(31)을 가압한다. 이때, 너트부재(47)를 조이거나 풀어 두 절연물(21,23) 사이의 접합면 압력을 조절한다.
이러한 계면압력조절부(40)에 의해 가압된 접합면(25)의 압력은 미리 측정하여 기록한다. 이후, 계면압력조절부(40)에 의해 가압된 절연체(20) 및 주전극(31)을 챔버(10) 내부에 장착한다.
챔버(10) 내부에 장착된 상부의 주전극(31)에는 고전압인가부(35)를 연결하고, 하부 주전극(31)에는 접지부(38)를 연결한다. 다음으로, 두 절연물(21,23)의 접합면(25)에서 노이즈 없이 부분방전 신호만이 발생하도록 주전극(31)을 반구형으로 둘러싸는 보조전극(33)을 더 설치한다.
보조전극(33)은 주전극(31)과 등 전위를 가지도록 각 일측 단부를 주전극(31)과 연결한다. 이와 같이 하여, 챔버(10) 내부에 절연체(20), 주전극(31), 보조전극(33)이 설치되면, 전압을 인가하여 부분방전 실험을 수행한다.
그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 두 절연물(Solid dielectric)(21,23)의 접합면(25)의 중심부에 넓고 균등한 전계가 길게 형성되는 전극 및 전계분포가 나타난다.
이러한 전극 및 전계분포는 고전압인가부(H.V)에 연결된 주전극(31)과 접지부(grounded)에 연결된 주전극(31)이 서로 이격되고, 보조전극(33)에 의해 코로나방전 및 연면방전이 억제됨에 의해 가능하다.
그리고, 이러한 전극 및 전계분포는 두 절연물(21,23)의 접합면(25)에 결함이나 공극 및 유극 등 부분방전의 원인이 되는 현상이 있을 경우 접합면(25)을 따라 방전현상의 관찰이 용이하게 한다.
한편, 실제 케이블 접속함 내부에는 접속함 종류에 따라 내부의 압력이 다르게 구성되고, 접속함 내부의 케이블 및 절연물의 열화로 인해 분해된 가스 등이 충진되어 있는 경우가 있다.
이 경우를 실험하기 위해 가스압력조절부(50)를 작동시켜 챔버(10) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
또한, 접합면(25)을 이루는 두 절연물(21,23)의 표면 거칠기에 따라서도 부분방전이 발생하거나 발생하지 않을 수 있으므로 접합면(25)의 표면 거칠기를 변화시켜 부분방전 실험을 수행할 수도 있다.
또한, 접합면(25)의 부분방전 발생 현상을 외부에서 카메라(60)로 촬영하여 부분방전 신호를 취득 및 분석할 수 있다.
이와 같은, 모의 부분방전 신호 발생 장치는 실제 케이블 접속함 내부의 주요 고장발생 원인인 절연물(21,23)의 접합면(25)에 대한 부분방전 발생현상을 유효하게 모의하여 고장예방을 위한 부분방전 신호를 잘 취득하고 축적할 수 있도록 한다.
이와 같이, 축적된 부분방전 신호는 검토하여 접속함 절연구조의 이상을 검출하는데 적용할 수 있다.
도 5에는 본 발명 다른 실시예의 방전 발생 전극 부분이 측면도로 도시되어 있다. 도 5에 도시된 방전 발생 전극 부분은 본 발명의 실시예와 비교하여 주전극의 형상에서 차이점이 있다.
주전극(31)은 납작한 원형태로 절연체의 양측에 대칭되게 배치되되, 절연체(20)의 가로 중심선을 기준으로 상부에 1개, 하부에 1개씩 배치된다. 그리고, 상부의 주전극(31)이 고전압인가부(35)에 연결되고, 하부의 주전극(31)이 접지부(38)에 연결된다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
10:챔버 11:상부커버
13:배관 20:절연체
21,23:절연물 25:접합면
30:방전 발생 전극 31:주전극
33:보조전극 35:고전압인가부
37:절연재 38:접지부
39:접지선 40:계면압력조절부
41:고정판 43:볼트공
45:볼트부재 47:너트부재
50:가스압력조절부 51:압력조절기
53:압력계 55:3방향 코크
60:카메라 70:부분방전센서

Claims (7)

  1. 챔버 내부에 위치되고, 두 절연물이 서로 중첩되어 접합면을 형성하는 절연체의 양측으로 배치되며 전압을 인가받아 부분방전을 발생시키는 방전 발생 전극과,
    상기 방전 발생 전극에 연결되며 상기 방전 발생 전극에 전압을 인가하는 고전압인가부와,
    상기 두 절연물을 가압하여 상기 두 절연물의 접합면의 압력을 조절하는 계면압력조절부와,
    상기 챔버 내의 가스 압력을 조절하는 가스압력조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모의 부분방전 신호 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전 발생 전극은
    상기 두 절연물의 접합면을 경계로 상하 양측으로 배치되어 부분방전을 발생시키는 주전극과,
    상기 주전극을 반구형으로 둘러싸는 전계완화용 보조전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 모의 부분방전 신호 발생 장치.
  3. 청구항 2에 있어서
    상기 계면압력조절부는
    상기 주전극의 양측으로 배치되며 복수의 볼트공이 형성된 두 고정판과,
    상기 두 고정판의 볼트공을 관통하여 결합되는 볼트부재와,
    상기 볼트부재에 결합되어 상기 두 고정판 사이의 간격을 조절하는 너트부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 모의 부분방전 신호 발생 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스압력조절부는
    상기 챔버와 연결된 배관을 통해 상기 챔버 내의 가스를 추출하거나 상기 챔버 내로 가스를 공급하여 상기 챔버 내의 가스 압력을 조절하는 압력조절기와,
    상기 배관에 설치되어 상기 챔버 내의 가스 압력을 측정하는 압력계와,
    상기 압력조절기와 상기 압력계 사이의 상기 배관에 설치되며 상기 배관을 개폐하는 3방향 코크를 포함하는 것을 특징으로 하는 모의 부분방전 신호 발생 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 두 절연물 중 하나는 가교폴리에틸렌(XLPE) 시트로 이루어지고,
    다른 하나는 투명 재질의 합성고무(EPDM) 또는 액상 실리콘 고무(LSR) 중에서 선택되는 1종으로 이루어진 것을 특징으로 하는 모의 부분방전 신호 발생 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 챔버의 외부에 상기 두 절연물 중 투명 재질로 이루어진 부분의 부분방전 현상을 광학적으로 촬영하기 위한 카메라를 설치한 것을 특징으로 하는 모의 부분방전 신호 발생장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전 발생 전극에 인가된 전압을 대지, 건물, 전기 시스템의 접지점으로 연결하는 접지선을 구비하며, 상기 접지선에 부분방전 신호를 검출하는 부분방전센서가 장착된 것을 특징으로 하는 모의 부분방전 신호 발생장치.





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