KR20140093034A - 외장형 부분방전 검출센서 - Google Patents

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KR20140093034A
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Abstract

가스 절연 개폐장치(GIS, Gas Insulated Switchgear)의 스페이서(Spacer)에 설치되어 GIS 내부 결함으로 인해 발생된 부분방전을 검출하는 외장형 부분방전 검출 센서가 개시된다. 이를 위하여, 본 발명은 가스 절연 개폐장치(GIS, Gas Insulated Switchgear)에서 발생된 부분방전의 초고주파 대역의 전자파 신호를 감지하는 듀얼 패턴 안테나; 상기 듀얼 패턴 안테나를 내부에 장착하여 상기 듀얼 패턴 안테나의 외부 잡음을 줄이는 금속 케이스; 및 상기 듀얼 패턴 안테나와 금속 케이스 사이에 형성되어 측정주파수 대역을 조절하는 절연체를 포함한다.
이에, 본 발명은 부분방전에 의한 전자파를 검출하는 감도를 높일 수 있어 기존 수량에 비해 70%의 수량으로 측정 대역을 감시하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

외장형 부분방전 검출센서{EXTERNAL SENSOR FOR DIAGNOSIS PARTIAL DISCHARGE}
본 발명은 가스 절연 개폐장치(GIS, Gas Insulated Switchgear)의 스페이서(Spacer)에 설치되어 GIS 내부 결함으로 인해 발생된 부분방전을 검출하는 외장형 부분방전 검출 센서에 관한 것이다.
최근에는 전기 수요 급증으로 인하여 전력 계통 운전전압이 상향되고 변전설비가 대용량화됨에 따라 가스절연개폐장치가 전력 계통에서 차지하는 비중은 점차 증가되고 있는 추세이다.
국가의 기간 망을 형성하는 가스절연 개폐장치는 사고 발생시 복구에 많은 시간과 비용이 소요되어 사회적 경제적 파급효과가 대단히 크기 때문에 전력공급의 신뢰성을 향상시키기 위해서 사고가 발생되기 전에 이를 감지하는 예방진단에 대한 필요성이 강조되고 있다.
이러한 예방진단 요소기술 중 부분방전 검출 기술은 고도의 전문성을 요구하는 신기술 분야이며 가장 신뢰성을 갖는 예방진단 기법으로 국내외적으로 추천되고 있다. 특히, 부분방전시 발생되는 전자파 신호를 측정하여 가스절연 개폐장치의 상태를 감시하는 기술은 부분방전량의 측정범위가 넓고 이상발생위치 및 결함원인의 추정이 용이하여 세계적으로 연구관심 대상이 되고 있다.
현재 이 기술의 핵심인 센서 설계 및 제작기술은 가스절연 개폐장치의 설계개발 및 표준을 주도하고 있는 선진 외국의 일부 중전기 제조회사와 대학 및 연구소에서만 보유하고 있는 최첨단 기술로서 설계방법이나 기술의 공개에 극도의 보안을 유지하고 있다.
도 1은 일반적인 GIS 및 도파관의 구조를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 GIS(Gas Insulated Switchgear)는 내부 도체(Conductor)와 금속으로 쉴드된 둥근 형태의 외함(Enclosure)과 내부에 SF6 가스로 절연되어 전계, 자계가 발생하면 동축 선로를 따라 에너지가 전달되는 구조이므로 동축도파관(Coaxial Waveguide)으로 가정할 수 있다. 또한 GIS를 유지 보수하기 위해 설계 제작하는 점검창(Window)은 단면이 원형이고 속이 빈 금속관 형태에 SF6 가스로 절연된 원형도파관(Circular waveguide)구조이다.
전자파는 동일 매질이나 구조 및 크기가 같은 도파관을 진행할 때는 직진성이 우수하나 매질의 유전율 차이가 크고, 구조와 크기가 다른 도파관을 진행할 경우 반사로 인한 손실이 커진다. GIS 내부에서 전송특성이 바뀌는 부분은 스페이서와 점검창을 예로 들 수 있다. 특히 스페이서가 설치된 곳은 고체절연체(에폭시), 기체절연체(SF6가스) 및 내부도체가 함께 존재하는 삼중점(Tripple point)이라 하며 GIS의 가장 취약한 부분으로써 에폭시 스페이서의 유전율(약 5.5)이 SF6가스(약1)보다 크고 삼중점이 존재하는 갭에서의 전계는 스페이서 유전 상수 배 만큼 전계가 집중된다.
GIS 제작 및 시공 중 다양한 원인에 의해 결함이 존재할 경우, 전력계통의 설치운전 시간이 경과하면서 절연열화가 진행되고 결국은 섬락사고로 이어질 가능성이 높아진다.
절연열화과정 중, 대부분의 경우 부분방전이 발생되고 그에 따른 고주파 전압과 전류, 음향신호, 빛, 분해가스, 전자파 방사현상 등이 수반 된다. 부분방전 신호는 내부도체를 따라서 파장이 다른 주파수의 형태로 전파(propagation)되고 또한 반사(reflection)로 인해 전자파는 분산(dispersion) 전파되면서 신호 간에 간섭이 일어나 지연(delay)되거나 유전율이 다른 매질(스페이서)을 만나면 감쇄(attenuation)되어 전파된다. GIS 구조는 UHF 신호전달을 위한 저손실 waveguide로 작용하는 동축 전극형태의 급전선(transmission line)으로 가정할 수 있으므로 만일 스페이서나 불연속점이 없다면 0.5m 반경을 가진 waveguide의 경우 1GHz 신호의 전달 손실은 이론적으로는 3-5 dB/km에 불과하다. 그러나 GIS 내부의 복잡한 구조와 수많은 불연속점들에 의한 반사현상이 반복되어 발생된 신호는 2dB/m 정도의 감쇄와 공진현상이 발생한다.
결함에서 발생된 UHF신호는 GIS 내부를 전파하면서 신호 중 각 mode별 차단 주파수 이하에 해당하는 부분은 급격히 감쇄한다. 신호는 빛의 속도에 가까운 속도로 동축 전극형태의 급전선을 따라 전파되며 스페이서를 통과할 때는 속도가 비유전율만큼 감소된다. GIS 내부구조의 불균일에 의해 UHF 신호는 복잡한 형태의 반사를 일으키며, 이에 의한 효과는 이론적으로 분석될 수 없지만 도 2와 같이 크게 단순화시켜 표현할 수 있다.
도 2는 GIS 내부의 전자파 발생과 전파 경로를 도식화하여 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, GIS 내부에서 발생된 전자파는 부분방전이 발생한 지점에서부터 시작하여 SF6가스와 동축 전극형태의 급전선을 따라 진행한다. 진행 중인 전자파는 금속 외함, 스페이서 및 점검창에 도달하게 되는데 전자기 이론에 의하면 전자파는 완전도체의 경우에 있어서 모든 계의 성분들이 도체 내부 영역에서 0이 되어야 한다는 조건이 있다. 따라서 GIS 외함에 도달한 전자파는 투과되지 못하고 전반사가 이루어져 GIS내부에 존재하게 된다.
스페이서로 진행된 전자파는 SF6와 유전율이 다른 매질(스페이서)을 통과하게 되므로 유전율의 차이에 의해 일부는 반사되며 일부는 투과된다. 반사된 전자파는 투과되기 전 bay의 GIS 내부에 존재하며 스페이서를 투과한 전자파는 다음 bay GIS의 내부에 존재하거나 공기 중으로 방사된다.
부분방전으로 발생된 전자파는 스페이서를 통과할 때 마다 반사와 투과를 반복하면서 전자파 에너지가 감소하게 되며 결국 감쇄되어 소멸 된다.점검창으로 진행된 전자파의 경우, 부분방전에 의해 발생된 전자파가 SF6 가스 내를 진행하다가 점검창에 도달하면 진행하던 매질이 다르므로 유전율의 차이에 의해 일부는 반사되며 일부는 투과된다. 반사된 전자파는 GIS내부에 존재하고 투과된 전자파는 공기 중으로 방사된다. 결국, GIS내부의 어떤 결함으로 인해 발생한 부분방전 신호들 중 전자파 신호는 GIS내부구조를 전송매체로 하여 진행하면서 스페이서나 점검창을 통과해 공기 중으로 방사된 전자파 신호는 외장형 UHF센서를 통해 검출할 수 있으며, 반사된 일부 전자파는 내장형 UHF센서로 검출할 수 있다.
도 3은 GIS에서 부분방전으로 인한 전자파의 전파 특성을 컴퓨터 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 특정 주파수에서의 전자파세기로서 붉은색은 전자파의 세기가 강한 곳 임을 나타낸다. 특히 1300 MHz인 경우 전파되는 전자기파의 크기는 다른 주파수 대역에서의 크기의 10 - 20% 정도로 낮음을 알 수 있으며, 이때 센서에서 검출되는 크기도 이에 비례하여 줄어들 것을 예측할 수 있다. 따라서 이와 같은 GIS에 적용 되는 센서는 특정 주파수 영역에 치우치지 않는 광대역 특성을 가져야만 내부의 부분방전 검출에 이상적일 것이다.
그러나 기존에 사용되고 있는 전자파 검출 센서는 용량성 분압기(capacitive coupler)의 원리를 이용하여 GIS의 전계 변화를 측정하는 방식으로 GIS 내부에 단일 디스크(disk) 형태의 평판과 절연체로 구성되어 센서의 검출 대역폭이 좁은 협대역(narrow bandwidth; Δf ≪ 1.5fc, fc; 중심주파수) 센서의 특징을 지니게 되어 부분 방전에 의한 방사 전자파의 주파수 분석에 한계가 있었다. 또한 기존의 센서의 분압방식은 고전압이 흐르는 환경하에 설치 되기 때문에 센서의 출력부에 전계를 집중시켜 절연파괴의 위험성도 제기되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 광대역(ultra wide-bandwidth; Δf > 1.5fc) 또는 주파수 비의존성(Frequency independent) 안테나 형태의 센서에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본발명은 전계 집중 현상을 해결하기 위하여 Antenna Type의 센서로 이루어지며, 센서의 감도를 최대화하기 위하여 광대역 특성을 갖는 외장형 부분방전 검출센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 가스 절연 개폐장치(GIS, Gas Insulated Switchgear)에서 발생된 부분방전의 초고주파 대역의 전자파 신호를 감지하는 듀얼 패턴 안테나; 상기 듀얼 패턴 안테나를 내부에 장착하여 상기 듀얼 패턴 안테나의 외부 잡음을 줄이는 금속 케이스; 및 상기 듀얼 패턴 안테나와 금속 케이스 사이에 형성되어 측정주파수 대역을 조절하는 절연체;를 포함하는 외장형 부분방전 검출센서가 제공된다.
여기서, 본 발명의 일 관점에 따른 상기 듀얼 패턴 안테나는, 앞면과 뒷면의 안테나 형태가 다르며, 상기 앞면의 듀얼 패턴 안테나와 뒷면의 듀얼 패턴 안테나는 폭이 다른 특성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 관점에 따른 상기 앞면의 듀얼 패턴 안테나는, 임의의 일단으로부터 타단까지 폭이 증가되도록 복수개의 단차진 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 관점에 따른 상기 앞면의 듀얼 패턴 안테나는 UHF 대역의 신호를 측정하는 센싱부이고, 뒷면의 듀얼 패턴 안테나는 상기 신호를 접지하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 관점에 따른 상기 금속 케이스 및 절연체의 경계면에는 차폐 밴드가 구비되는 구조로 될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, GIS 내부 결함으로 인해 발생된 부분방전을 검출하는 외장형 센서로 인하여 부분방전에 의한 전자파를 검출하는 감도를 높일 수 있어 기존 수량에 비해 70%의 수량으로 측정 대역을 감시하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 GIS 및 도파관의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 GIS 내부의 전자파 발생과 전파 경로를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 3은 GIS에서 부분방전으로 인한 전자파의 전파 특성을 컴퓨터 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장형 부분방전 검출센서(100)의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 검출센서(100)의 듀얼 패턴 안테나(110) 구조를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 패턴 안테나의 복사패턴 구조와 이득 그래프를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 패턴 안테나의 RL 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속케이스와 절연체에 의한 특성변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 외장형 부분방전 센서의 RL 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 센서의 effective height를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 오실로스코프로 측정 주파수대역을 측정한 결과이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 분석기를 이용하여 측정 주파수대역을 측정한 결과이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장형 부분방전 검출센서(100)의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 검출센서(100)의 듀얼 패턴 안테나(110) 구조를 나타낸 도면이다.
먼저 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 외장형 부분방전 검출센서(100)는 가스절연 개폐장치의 스페이서 외부에 설치되어 GIS 내부 결함에 의해 발생되는 PD 신호를 센서에 내장되어있는 패턴안테나를 통하여 감지하는 안테나형 센서로서, 듀얼 패턴 안테나(110), 금속 케이스(120) 및 절연체(130)를 포함하는 구조를 이룬다.
먼저, 본 발명에 따른 듀얼 패턴 안테나(110)는 전산모사(Computer Simulation)를 이용하여 패턴 안테나들의 성능을 나타내는 지향성(Directivity)과 광대역 특성을 지니기 위하여 DC~3 GHz 주파수 대역에서의 이득(Gain) 및 반사손실(RL: Return Loss)을 계산한다.
계산된 RL은 실제 제작된 패턴 안테나에서 측정된 RL과 비교하여, 전산모사(Computer Simulation)를 이용한 센서 설계의 정확성을 검증한다. 지향성은 모든 방향에 걸쳐 평균한 방사세기에 대한 주어진 방향에서 패턴 안테나로부터의 방사세기의 비를 복사 패턴으로, 이득은 수치로 나타낸 것으로서, 안테나의 최대 방사 방향과 세기 및 편파(polarization)특성을 알 수 있다. RL은 패턴 안테나에 입사된 신호에 대해 반사되는 신호의 비를 나타내는 것으로서, RL이 낮을수록 패턴 안테나로서의 성능이 우수하다.
이러한 본 발명에 따른 듀얼 패턴 안테나(110)는 가스 절연 개폐장치(GIS, Gas Insulated Switchgear)에서 발생된 부분방전의 초고주파 대역의 전자파 신호를 감지한다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 듀얼 패턴 안테나(110)는 앞면(111)과 뒷면(112)의 안테나 형태가 다른 구조를 갖는다. 즉, 듀얼 패턴 안테나의 앞면(111)은 부분방전으로 인한 UHF 대역의 신호를 측정하는 센싱부 구조를 가질 수 있다. 반면, 듀얼 패턴 안테나(110)의 뒷면(112)은 측정된 UHF 대역의 신호에 대하여 그라운드 구조를 가질 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 앞면(111)의 듀얼 패턴 안테나(110)와 뒷면(112)의 듀얼 패턴 안테나는 폭이 다른 구조를 가질 수 있다. 이러한 예는 도 5 내지 도 8에 나타내었다. 이와 같은 듀얼 패턴 안테나는 가로 L1=10cm, 세로 W5= 5cm의 FR4 기판에 두께 1.6mm로 설계된다.
이럴 경우, 앞면(111)의 듀얼 패턴 안테나는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 W1=3mm, W2=14mm, W3=30mm, W4=40mm, L2=5mm, L3=30mm, L4=15mm, L5=40mm로 설계된다. 이와 같이, 앞면(111)의 듀얼 패턴 안테나는 임의의 일단으로부터 타단까지 폭이 증가되도록 복수개의 단차진 구조를 갖는 것이 바람직하다.
반면, 뒷면(112)의 듀얼 패턴 안테나(110)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 W6=8mm, L6=5mm, L7=14mm로 설계된다. 이와 같이 최적화된 듀얼 패턴 안테나로서 설계되면, 부분방전에 의한 전자파 검출 감도를 높일수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 듀얼 패턴 안테나의 크기는 100 x 50 x 1.6 mm 이고, FR4 (εr =4.4) 기판을 사용하여 제작됨으로써 더욱더 부분방전에 의한 전자파 검출 감도를 높일수 있게 되는 것이다.
다음으로, 본 발명에 따른 금속 케이스(120)는 듀얼 패턴 안테나(110)를 내부에 장착하여 듀얼 패턴 안테나의 외부 잡음을 줄이는 역할을 한다. 상기 듀얼 패턴 안테나(110)의 외부 잡을 최소화하기 위하여, 본 발명에 따른 금속 케이스(120)는 금속 재질의 특성을 이용하여 차폐(Shielding) 효과를 얻음으로 인하여 스페이서를 통해 투과되는 부분방전 신호만을 검출하도록 한다.
다음으로 본 발명에 따른 절연체(130)는 비절연율(εr=3~6)을 지니는 물질로서 듀얼 패턴 안테나(110)와 금속 케이스(120) 사이에 형성된다. 다시말해, 금속 케이스(120)의 내부에 듀얼 패턴 안테나(110)가 설치될 때 듀얼 패턴 안테나(110)와 금속 케이스(120) 사이에 절연체(130)가 채워진다.
이러한 본 발명에 따른 절연체(130)는 듀얼 패턴 안테나의 주파수 대역을 확립시켜 공진점을 측정하고자 주파수 대역으로 낮추는 효과를 보인다. 이로써, 적절한 절연체가 사용되면, 원하는 측정주파수 대역을 조절할 수 있게 된다.
여기서, 금속케이스(120)와 절연체(130)의 경계면에는 차폐 밴드(미도시)가 구비될 수 있다. 이러한 차폐 밴드가 더 구비되면 외부 잡음을 억제할 수 있게 된다. 또한, 본 실시예에서는 금속 케이스(120)와 듀얼 패턴 안테나(110) 사이에 임피던스 매칭기(140)가 더 구비되어 임피던스를 매칭시킨다.
이하에서는, 듀얼 패턴 안테나(110), 금속 케이스(120) 및 절연체(130)를 포함하는 외장형 부분방전 검출센서(100)에 대하여 보다 여러 방면으로 테스트한 결과를 설명하고자 한다.
듀얼 패턴 안테나의 복사패턴 및 이득 예
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 패턴 안테나의 복사패턴 구조와 이득 그래프를 나타낸 도면으로서, 전산모사(Computer Simulation)를 통해 최적화된 안테나의 복사패턴 및 이득을 나타낸 결과이다. 도 9에서는 본 발명에 따른 듀얼 패턴 안테나(110)가 금속 케이스(120)의 내부에 배치되면 전체적으로 높은 이득을 보이고 있음을 알 수 있으며, 도 10에서는 3 GHz에서 14 dBi의 최대 이득을 얻고 있음을 알 수 있다.
듀얼 패턴 안테나의 RL 특성 그래프 예
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 패턴 안테나의 RL 특성을 나타낸 그래프로서, 도 11에 표시된 RL의 청색은 전산모사로 측정된 파형이며, 붉은색은 Network Analyzer를 사용하여 측정된 그래프이다. 측정된 그래프를 통하여 본 듀얼 패턴 안테나의 측정주파수 대역은 250 ~ 3,000MHz의 광대역 특성을 잘 나타내 주고 있다.
금속케이스와 절연체에 의한 특성변화 예
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속케이스와 절연체에 의한 특성변화를 나타낸 그래프로서, 도 12에 사용된 외장형 센서에 장착되는 듀얼 패턴 안테나(110)는 센서의 금속 케이스(120)와 절연체(130)의 비유전율에 의해 RL이 변화하게 된다. 이럴 경우 도 12에서는 듀얼 패턴 안테나(110)의 자유공간과 금속 케이스(120)가 있는 상태에서의 특성 차이를 보여준다. 금속 케이스(120)가 존재 할 때에는 절연체(130)의 비유전율(εr = 3.3)에 의해 듀얼 패턴 안테나의 공진점이 1 GHz 정도 낮은 대역으로 이동하였으며, 금속 케이스(120)와의 결합에 의해 ~1.2 GHz에서 또 다른 공진 특성이 나타났다.
외장형 부분방전 센서의 RL 변화 예
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 외장형 부분방전 센서의 RL 변화를 나타낸 그래프이다. 도 13에 사용된 금속 케이스(120)와 절연체(130)에 의해 특성이 변한 듀얼 패턴 안테나(110)가 스페이서에 설치되면, 그 RL은 절연체(130)의 비유전율(에폭시)에 의해 다시 특성이 변화하게 된다. 이럴 경우 도 13은 절연체(130)에 의한 듀얼 패턴 안테나를 포함한 외장형 부분방전 센서의 RL 변화를 나타낸다.
그 RL은 절연체(130)의 비유전율에 의해 공진점이 약 500 MHz (1.2 GHz => 700 MHz) 낮은 대역으로 이동함을 알 수 있었다.
외장형 부분방전 센서의 성능평가 예
외장형 부분방전 센서(110)의 성능 평가를 위하여 적용되는 기준으로는 영국의 NGC (National Grid Company)에서 제시한 성능평가 방법과 한국의 한전(KEPCO)에서 제시한 성능 평가 방법을 적용하였다. (표 1)에 각각의 성능평가 기준을 나타내었다.
회사 사용장비 평가항목 평가기준
NGC GTEM-Cell 평균 He(mm) 측정주파수대역에서 He가 2mm 이상인 영역의 비율이 80% 이상
KEPCO Mock-Up GIS, PD Cell 5Pc에 대한 센서의 출력값(dBm) -40dBm 이상
영국의 NGC에서 제시한 센서 성능평가 기법은 표준 전자기장 발생장치 (Gigahertz-TEM cell)을 이용하여 외장형 부분방전 센서의 Effective height (He)를 측정함으로써 센서의 성능을 평가 할 수 있는 방법이다. 여기서 He는 인가된 전기장의 세기에 대한 센서의 출력 전압의 비를 의미하며, 이 값은 센서의 절대적인 성능 특성이므로 본 특성으로부터 각 제조사별 센서의 성능을 비교 할 수 있었다.
센서의 He가 클수록 같은 전기장을 인가할 경우 센서의 출력이 커지므로 더 우수한 센서라 할 수 있다. He를 측정하기 위해 수 GHz까지 일정한 크기의 전기장을 발생 할 수 있는 Network Analyzer를 이용하여 GTEM 셀에 전자파를 인가하고, 센서의 출력특성을 Network analyzer 또는 Spectrum Analyzer를 이용하여 측정하였다. 듀얼 패턴 안테나(UHF 센서)가 장착된 GEM cell에 Network analyzer로부터 Pinput의 전력을 가진 주파수 sweeping 되는 전자파 신호를 동축선을 통해 인가하였다. 이때 GTEM cell 내 센서 장착위치에서의 전기장의 세기 E는 (식 1)과 같다.
Figure pat00001
(식 1)
Pinput : GTEM Cell에 인가되는 전자파의 전력.
Zo: GTEM Cell의 특성 임피던스 (50 Ω)
h: 센서와 GTEM cell 셋텀(중앙도체) 사이의 간격 (0.25 m)
Figure pat00002
(식 2)
센서에서 출력되는 전압 Vsensor는 Network Analyzer를 이용해 측정한 후 이 값을 controller에 전달한다. Controller에서는 센서의 effective height의 He를 (식 2)를 이용해 계산한 후 도 14와 같이 표시하였다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 센서의 effective height를 측정한 결과를 나타낸 도면으로서, 도 14에 도시된 주어진 주파수 구간에서 평균 He 및 He가 2 mm 이상 되는 구간의 비율을 자동으로 계산하여 표시할 수 있도록 구성되었다.
반면, 한국의 KEPCO에서 제시한 센서 성능평가 기법은 상용운전 중인 가스절연개폐 장치와 유사한 Mock-Up GIS의 스페이서(Barrier)에 외장형 센서를 설치하고, 부분방전량 5pC을 발생시킬 수 있는 PD-Cell을 설치한다. 이후 PD-Cell에 전압을 인가하여 부분방전을 발생시킨 후 외장형 센서의 출력부에 오실로스코프(TDS-5104, Tektronix)와 스펙트럼 분석기(FSP7, Rohde-Schwarz)를 연결하여 센서의 세기 및 측정 주파수대역에서의 출력을 확인하는 방법이다.이 결과는 도 15 및 도 16에 나타내었다. 도 15는 오실로스코프로 측정 주파수대역을 측정한 결과이고, 도 16은 스펙트럼 분석기를 이용하여 측정 주파수대역을 측정한 결과이다.
이상에서와 같이, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
100 : 외장형 부분방전 검출센서 110 : 듀얼 패턴 안테나
111 : 듀얼 패턴 안테나의 앞면 112 : 듀얼 패턴 안테나의 뒷면
120 : 금속 케이스(120) 130 : 절연체
140 : 임피던스 매칭기

Claims (5)

  1. 가스 절연 개폐장치(GIS, Gas Insulated Switchgear)에서 발생된 부분방전의 초고주파 대역의 전자파 신호를 감지하는 듀얼 패턴 안테나;
    상기 듀얼 패턴 안테나를 내부에 장착하여 상기 듀얼 패턴 안테나의 외부 잡음을 줄이는 금속 케이스; 및
    상기 듀얼 패턴 안테나와 금속 케이스 사이에 형성되어 측정주파수 대역을 조절하는 절연체;
    를 포함하는 외장형 부분방전 검출센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 듀얼 패턴 안테나는, 앞면과 뒷면의 안테나 형태가 다르며, 상기 앞면의 듀얼 패턴 안테나와 뒷면의 듀얼 패턴 안테나는 폭이 다른 것을 특징으로 하는 외장형 부분방전 검출센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 앞면의 듀얼 패턴 안테나는,
    임의의 일단으로부터 타단까지 폭이 증가되도록 복수개의 단차진 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 외장형 부분방전 검출센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 앞면의 듀얼 패턴 안테나는 UHF 대역의 신호를 측정하는 센싱부이고, 뒷면의 듀얼 패턴 안테나는 상기 신호를 접지하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 외장형 부분방전 검출센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 케이스 및 절연체의 경계면에는 차폐 밴드가 구비되는 것을 특징으로 하는 외장형 부분방전 검출센서.
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