KR20190130758A - 부분 방전 및 재난 상황 검출용 광대역 방전 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 길이가 l이고 높이가 h인 직육면체 모양의 주 방사체에 밑면을 기준으로 길이가 d1이고, 높이가 d2인 삼각형을 제거한 사다리꼴 모양 구조로 형성되는 광대역 방전 센서를 개시한다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 모노폴 안테나 구조로 형성되어 구조적 장점을 취하면서 협대역 특성을 극복하기 위해 수정된 사다리꼴 구조를 가짐으로써 차폐된 구조에서도 광대역 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 모노폴 안테나 구조로 형성되어 구조적 장점을 취하면서 협대역 특성을 극복하기 위해 수정된 사다리꼴 구조를 가짐으로써 차폐된 구조에서도 광대역 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 광대역 특성을 갖는 광대역 센서에 관한 것이다.
최근 급속한 산업 규모 팽창으로 전기 에너지 수요가 급증함에 따라 대용량 부하의 증가, 초고압 송전, 대용량 발전소 설치 및 운영 등 전력 산업 환경이 변하고 있으며, 절연 내력이 우수한 SF6 가스를 적용한 전력 기기들의 사용이 증가하고 있다. 이러한 전력 설비들은 무보수 개념의 설비이긴 하나 제작 및 현장 설치, 혹은 노후화로 인한 결함으로 부분 방전이 발생하거나 절연파괴가 일어나면 매우 심각한 사고로 이어질 수 있다. 그러므로 전력 설비의 안정적인 운영을 위한 실시간 전력 설비 감시 및 진단을 통한 전력 계통 고장 사전 예방이 요구되고 있다.
현재 전력계통을 이루는 전력설비의 진단기술은 천재지변이나 설비 노후화 등으로 이상이 발생하였을 경우, 이를 신속하게 진단함으로써 경제적 손실을 최소화하기 위한 측면뿐만 아니라 전력설비의 상시진단을 통해서 문제가 발생하기 전에 이를 미리 판단함으로써 손실을 예방하는 측면에서도 매우 중요하다.
대부분의 변전소 형태는 GIS 설비를 적용하여 운용되고 있는데, 최근에는 고품질 대용량 전력 사용에 따른 지속적인 GIS 수요 증가로 인해 고장의 사전 방지와 설비의 효율적인 관리를 통해 안정적이고 고품질의 전력 공급을 하기 위한 예방 진단의 필요성이 점차 확대되고 있다. 특히, GIS 내부 절연 파괴에 대한 예방 진단은 매우 중요한데 부분 방전을 검출하기 위한 방법으로는 전기적 검출 방법, 초음파 검출 방법, UHF (Ultra High Frequency) 센서 이용 검출 방법등이 있다. 이 중 UHF법은 부분 방전을 측정하는 검증된 기법으로 외부 노이즈 영향을 상대적으로 적게 받는 초광대역(UWB : Ultra wide Band)인 UHF 대역(0.3～3[㎓])의 부분 방전 펄스를 검출하여, GIS 내부의 이상 상태에 대한 원인 및 정도를 예측하는데 가장 신뢰성이 높은 방법으로 알려져있다.
GIS에 설치되는 UHF 센서는 크게 스페이서 바깥쪽에 설치되는 외장형과 GIS 해치 커버에 설치되는 내장형으로 나뉜다. 외장형 UHF PD 센서는 스페이서 외부에 설치되어 GIS 내부 결함에 의해 발생되는 PD 신호를 감지하는 안테나형 센서로서, 노출에 의한 외부잡음 영향을 최소화하기 위해서 외관은 금속으로 차폐되어 있다. 내장형에 비해 외장형은 외부 주파수 차폐를 위한 급속으로 UHF 센서인 안테나 부와 전자기적 결합으로 이하여 광대역 센서를 구현하는 것이 매우 어려운 실정이다.
전자파 검출에 의한 부분방전 측정법은 부분방전에 의한 초광대역(Ultra Wide Bandwidth, UWB) 전자파(Electro-Magnetic Wave, EM Wave) 신호를 초고주파 대역(0.3 GHz ∼ 3 GHz)에서 검출하는 방법으로 외부잡음에 의한 영향이 작아 현장에서의 부분방전 측정감도가 우수하여 결과적으로 결함위치 판별이 가능한 것으로 보고 되어 많은 연구기관에서 꾸준히 연구되고 있다.
초고주파 센서는 GIS 점검창(Maintenance hall or Window) 에 부착하는 내장형과 개방형 스페이서(Barrier) 또는 폐쇄형 스페이서에 부착하는 외장형으로 분류될 수 있으며, 각각의 특성은 설계하는 안테나의 형태와 재료의 재질에 따라 다르다. 개발 초기에 사용된 초고주파 센서는 용량성 분압기(capacitive coupler)의 원리를 이용하여 단일 디스크(disk) 형태의 검출 부를갖는 구조를 갖고 있으며 단일 주파수 대역에서의 공진(resonance) 원리를 이용하여 전자파를 검출하였다. 이러한 단일 디스크 형태의 초고주파센서는 검출 대역폭이 좁은 협대역(narrow bandwidth: Δf≪1.5 f c , f c : 중심주파수) 센서로서 부분방전에 의한 방사전자파의 주파수 분석에 한계가 있으며 구조적으로 검출부인 금속 디스크가 점검창 내부의 SF6 가스 중에 그대로 노출되어 있어 고 전계가 인가될 경우 검출부인 금속 디스크에서의 절연파괴 위험도 제기되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 초광대역(ultrawide-bandwidth: Δf > 1.5f c ) 또는 주파수 비의존성 (Frequency independent) 패치(Patch) 형태의 안테나를 초고주파 센서로 이용하는 연구들이 활발히 진행되고 있다.
부분 방전 검출에 적용되는 UHF 센서는 초고주파 대역(0.3 GHz ~ 3 GHz)을 포함하는 범위에서 1GHz 이상의 주파수 대역에 대해 전자파 신호를 검출할 수 있어야 하므로, 초광대역(Ultra Wide Band, UWB) 안테나가 요구된다.
기존 외장형 센서에 많이 사용되고 있는 다이폴(Dipole) 안테나는 구조는 간단하나 센서로 받아들여지는 주파수 대역폭이 매우 좁은 단점을 가지고 있다. 그리고 광대역 안테나 소자인 대수주기(Log-periodic), 스파이럴(Spiral) 안테나는 대역폭은 넓어지는 장점을 가지고 있으나 설계 및 구조가 매우 복잡한 단점을 가지고 있다. 또한, 1GHz 이하 주파수에서 광대역을 하기 위해서는 매우 큰 구조를 갖게 됨으로써 구조적인 한계점을 가지고 있다.
본 발명은 차폐된 구조에서도 광대역 특성을 유지하는 광대역 방전 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 모노폴 안테나 구조로 형성되어 구조적 장점을 취하면서 협대역 특성을 극복하기 위해 수정된 사다리꼴 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 모노폴 안테나 구조로 형성되어 구조적 장점을 취하면서 협대역 특성을 극복하기 위해 수정된 사다리꼴 구조를 가짐으로써 차폐된 구조에서도 광대역 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 차폐구조를 포함한 전체적인 센서 구조가 단순한 형태를 가지고 있어, 제작 시 제작공정의 단순화로 대량생산에 용이하며, 다층구조나 기생소자를 사용하지 않기 때문에 설계 파라미터가 적어 제작시설계가 편리할 뿐 만 아니라 설계시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 광대역 방전 센서는 수정된 사다리꼴 모양의 모노폴의 갯수 및 모양을 적절히 변화시킴으로써 특정 주파수 대역의 무선 신호를 센싱하는 시스템에도 쉽게 적용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 방전 센서와 전자기적 결합을 용이하기 위한 외부 차폐 구조 및 급전 위치에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 모노폴 형태를 갖는 광대역 부분방전 센서 구조이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 방전 센서의 반사손실 특성 그래프이다.
도 4는 기존의 광대역 방전 센서의 반사손실 특성 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 모노폴 형태를 갖는 광대역 부분방전 센서 구조이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 방전 센서의 반사손실 특성 그래프이다.
도 4는 기존의 광대역 방전 센서의 반사손실 특성 그래프이다.
이하에서 본 발명의 기술적 사상을 명확화하기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 도면들 중 실질적으로 동일한 기능구성을 갖는 구성요소들에 대하여는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들을 부여하였다. 설명의 편의를 위하여 필요한 경우에는 장치와 방법을 함께 서술하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 방전 센서와 전자기적 결합을 용이하기 위한 외부 차폐 구조 및 급전 위치에 대한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 모노폴 형태를 갖는 광대역 부분방전 센서 구조이다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 간단한 모양의 사다리꼴 모양의 수정된 모노폴 모양의 센서를 차폐 구조 내부에 적절한 위치에 놓이게 함으로서 센서의 주파수 대역폭을 크게 향상시키는 구조로 형성된다.
또한, 본 발명의 광대역 방전 센서는 안테나 설계시 중요한 설계 파라미터를 줄일 수 있는 단순한 형태의 안테나를 제시함으로써 설계를 편리하게 하고 더 나아가서는 제작시 제작공정의 단순화를 꾀할 수 있다.
본 발명의 광대역 방전 센서는, 도 1을 참고하면, 수직 모노폴 방사 소자를 갖는 단순한 구조로 이루어져 있다. 또한, 본 발명의 광대역 방전 센서는, 도 2를참조하면, 접지판과 방사체인 모노폴 주위의 차폐를 위한 금속 사이에 사용 용도에 따라 공기층을 이용하거나 유전체로 채워질 수 있다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 단순한 모노폴 안테나 구조로 구조적 장점을 취하지만 협대역 특성을 극복하기 위해 수정된 사다리꼴 구조를 갖게 함으로써 차폐된 구조에서도 광대역 특성을 유지할 수 있다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 센서 구조가 단순하고 제작이 쉬운 구조인 모노폴 형태로 대역폭 특성을 향상시켰으며, 간단한 모양이지만 모노폴 밑면의 모양을 깍아 수정된 사다리꼴 형태를 갖게 함으로써 기존의 대역폭 확장 방법에 비해 제작 및 설계가 쉽고 제작 비용도 절감시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 광대역 방전 센서는 구조적 내구성 및 외부 전자파를 막는 기능을 요구하는 외장형 센서가 스페이서 외부에 설치되어 GIS 내부 결함에 의해 발생되는 PD 신호를 센서에 내장되어있는 패치 안테나를 통하여 감지하는 안테나형 센서로서, 노출에 의한 외부잡음 영향을 최소화하기 위하여 외관이 금속으로 차폐되어 형성된다. 또한, 본 발명의 광대역 방전 센서는 센서의 내부가 패치 안테나를 고정시키기 위한 절연체로 채워져 있다.
본 발명의 광대역 방전 센서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 외장형 센서의 기본적인 구조를 가진다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 센서의 구조, 스페이서와 센서 사이의 거리(H) 및 차폐 금속에 채우는 내부 절연체 및 모노모 안테나에 사용된 기판의 비유전율과 같은 구성 요소들에 의하여 센서의 특성이 결정될 수 있다. 따라서 본 발명의 광대역 방전 센서는 구성 요소들을 적절히 조절함으로써, 원하는 주파수 대역에서 최적화된 센서를 설계 제작하는 것이 매우 중요하다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 길이가 l이고 높이가 h인 직육면체 모양의 주 방사체에 밑면을 기준으로 길이가 d1이고, 높이가 d2인 삼각형을 제거한 사다리꼴 모양 구조를 기본 구조로 하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 삼각형 모양의 크기는 안테나 특성에 매우 큰 영향을 주기 때문에 정밀하게 조정하여 부착하여야 한다.
본 발명의 광대역 방전 센서는 안테나의 공진 주파수가 수직축의 기본 방사부의 길이 h에 따라 크게 변화하며, 수평축 길이 l 가 모노폴 안테나의 기본 임피던스 값에 큰 영향을 준다. 또한, 본 발명의 광대역 방전 센서는 직육면체 밑면에 있는 길이가 d1이고 높이가 d2 인 삼각형 모양의 절단부는 d1과 d2 길이를 조정하여 넓은 주파수 범위에서 동작하는 안테나를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 광대역 방전 센서는 안테나의 임피던스를 조절할 수 있으므로, 임피던스 정합도 쉽게 이룰 수 있다.
즉, 본 발명의 광대역 방전 센서는 네 가지 치수에 따라 안테나의 공진 주파수와 임피던스가 변하므로, 이를 적절하게 선택하면 원하는 주파수에서 임피던스 정합이 잘 이루어지도록 광대역 안테나를 설계할 수 있다. 그리고 안테나가 놓일 차폐된 구조에서는 센서의 위치가 매우 중요하다. 차폐 구조의 끝부분과 센서부의 급전점 사이 거리인 L은 광대역 특성을 극대화하기 위해 조정이 필수적이다. 센서 치수와 차페구조 안에서의 센서의 위치, 그리고 급전점의 위치와 같은 설계 파라미터에 따른 안테나 특성의 변화 양상들을 참고로 하여, 제안된 구조의 안테나를 원하는 용도에 맞추어 쉽게 설계할 수 있다.
Claims (3)
- 길이가 l이고 높이가 h인 직육면체 모양의 주 방사체에 밑면을 기준으로 길이가 d1이고, 높이가 d2인 삼각형을 제거한 사다리꼴 모양 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 방전 센서
- 제 1 항에 있어서,
접지판과 방사체인 모노폴 주위의 차폐를 위한 금속 사이에 사용 용도에 따라 공기층 또는 유전체가 채워지는 것을 특징으로 하는 광대역 방전 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 사다리꼴 모양 구조를 차폐 구조 내부에 위치시키는 것을 특징으로 하는 광대역 방전 센서.
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|---|---|---|---|---|
| CN113782961A (zh) * | 2021-09-19 | 2021-12-10 | 江苏方天电力技术有限公司 | 一种定向小型化多频点外置天线及其设计方法 |
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- 2018-05-15 KR KR1020180055261A patent/KR20190130758A/ko not_active Application Discontinuation
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