KR20240008709A - 부분 방전 위치 추정 장치 - Google Patents

부분 방전 위치 추정 장치 Download PDF

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KR20240008709A
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Abstract

본 발명은, 변압기의 부분 방전 발생 위치를 정확하게 추정할 수 있는 부분 방전 위치 추정 장치를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치는 변압기의 사전에 설정된 위치에 부착되어 신호를 수집하는 복수의 센서를 갖는 센서부, 상기 센서부에 의해 수집된 신호 중 부분 방전에 해당하는 신호를 측정하는 측정부, 상기 변압기의 도면 유무 또는 타입 정보에 따라 상기 측정부에 의해 측정된 부분 방전 신호를 사전에 설정된 유한 차분 시간 영역(Finite-difference time-domain;FDTD) 방식, 사전에 설정된 심화 삼각 측량 방식(Advanced Triangluation Method; ATM) 및 사전에 상기 변압기의 구조 정보와 상기 복수의 센서의 위치 정보에 따라 부분 방전 신호가 전달되는 경로를 구축한 앰-매트릭스(M-matrix) 방식 중 하나의 방식으로 분석하여 부분 방전이 발생된 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함할 수 있다.

Description

부분 방전 위치 추정 장치{APPARATUS FOR ESTIMATING LOCATION OF PARTIAL DISCHARGE}
본 발명은 부분 방전 위치 추정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 변압기의 절연성능 저하로 사고가 발생되기 이전에 부분방전이 발생한다. 따라서, 부분방전 발생시 결함부위를 찾아 점검 및 수리를 수행해야할 필요가 있다.
이를 위해, 종래에는 변압기 내부 부분방전 위치를 찾기 위해서 변압기 내부에 점검자가 직접육안으로 검사하는 방식이나과거 경험을 통해 판정하는 방법을 사용하는데, 변압기 내부 부분방전 발생시 결함위치를 찾기는 매우 어려우며,
최근 들어, 초음파 신호를 이용한 부분방전 위치추정 기법이 사용되지만 이또한 변압기 내부의 권선안 또는 절연물내 부분방전의 위치를 찾을 경우 초음파 신호 레벨이 작아 측정이 잘않되며 또한 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0037288호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 변압기의 부분 방전 발생 위치를 정확하게 추정할 수 있는 부분 방전 위치 추정 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치는 변압기의 사전에 설정된 위치에 부착되어 신호를 수집하는 복수의 센서를 갖는 센서부, 상기 센서부에 의해 수집된 신호 중 부분 방전에 해당하는 신호를 측정하는 측정부, 상기 변압기의 도면 유무 또는 타입 정보에 따라 상기 측정부에 의해 측정된 부분 방전 신호를 사전에 설정된 유한 차분 시간 영역(Finite-difference time-domain;FDTD) 방식, 사전에 설정된 심화 삼각 측량 방식(Advanced Triangluation Method; ATM) 및 사전에 상기 변압기의 구조 정보와 상기 복수의 센서의 위치 정보에 따라 부분 방전 신호가 전달되는 경로를 구축한 앰-매트릭스(M-matrix) 방식 중 하나의 방식으로 분석하여 부분 방전이 발생된 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 변압기 부분방전 발생시 부분방전 위치추정을 자동으로 추정하고 검증을 통해 신속하게 점검 및 수리를 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치의 위치 추정을 검증한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치의 모의 방전 결과 표이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치의 부분 방전 위치 추정 결과 표이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치(100)는 센서부(110), 측정부(120) 및 위치 추정부(130)를 포함할 수 있으며, 검증부(140)를 더 포함할 수 있다.
센서부(110)는 복수의 센서를 포함할 수 있고, 상기 복수의 센서는 변압기의 사전에 설정된 위치에 부착될 수 있으며, 상기 복수의 센서는 극초고주파(Ultra High Frequency; UHF) 센서일 수 있다. 상기 복수의 센서는 신호를 수집할 수 있다. 상기 복수의 센서에 의해 수집되는 신호는 변압기에서 발생되는 부분 방전 신호일 수 도 있지만, 외부의 다양한 또는 불필요한 신호일 수 도 있다.
이에 따라, 측정부(120)는 센서부(110)의 상기 복수의 센서에 의해 수집된 신호를 필터링 및 신호처리하여 노이즈와 부분방전 신호를 구분하여 저장할 수 있다. 저장된 데이터는 위치 추정부(130)로 통신을 통해 전송된다.
위치 추정부(130)는 전송된 데이터가 각 센서에 도착한 신호차를 이용하여 부분방전 위치를 추정할 수 있다.
위치 추정부(130) 상기 변압기의 도면 유무 또는 타입 정보에 따라 다양한 방식으로 상기 변압기 내부 부분 방전 위치를 추정할 수 있다.
예를 들어, 위치 추정부(130) 상기 변압기의 도면 유무 또는 타입 정보에 따라 3가지 방법으로 상기 변압기 내부에서 부분 방전이 발생된 위치를 추정할 수 있다.
상기 3가지 방법은 유한 차분 시간 영역(Finite-difference time-domain;FDTD) 방식, 심화 삼각 측량 방식(Advanced Triangluation Method; ATM), 앰-매트릭스(M-Matrix) 방식일 수 있다.
예를 들어, 상기 변압기의 상세도면이 제공될 때는 유한 차분 시간 영역 방식으로 개발된 탐지엔진을 사용하고, 상기 변압기가 가스변압기이거나 또는 변압기 내부도면이 없을 경우에는 부분방전 감쇄율 맵(Map)을 이용한 심화 삼각 측량 방식을 사용하며, 상기 변압기가 전압 및 용량별로 표준화된 유입변압기의 경우 앰-매트릭스 방식을 사용할 수 있다.
상술한 유한 차분 시간 영역 방식은 사전에 상기 변압기의 내부 상세 도면을 이용한 시뮬레이션으로 룩업 테이블을 구축하고, 이를 이용하여 측정부(120)로부터의 부분 방전 신호에 따라 상기 변압기 내부에서 부분 방전이 발생된 위치를 추정할 수 있다.
상술한 심화 삼각 측량 방식은 상기 변압기 내부 도면이 없는 경우에 부분방전 위치추정 전에 두가지 정보를 사전에 측정하여 위치 추정 오차를 줄일수 있는 방법이다. 첫번째는 변압기 센서위치에 따른 감쇠율 맵(Map)을 구축하는 것으로 센서 간 신호 감쇠율을 측정하여 센서 사이에 있는 변압기 내부 구조물을 예측할 수 있으며, 부분방전 신호크기에 따라 위치 추정 구획을 나눌 수 있다. 두번째는 센서간 신호 도착시간을 측정한다. 즉, 센서간의 물리적인 거리와 도착 시간차를 이용하여 계산된 거리를 분석하면, 부분방전 신호가 전달되는 경로를 예측할 수 있다. 부분방전 위치 추정 전에 측정된 두가지 정보의 구축으로 결함원 위치의 정확도를 향상시킬 수 있다.
상술한 앰 매트릭스 방식은 상기 변압기의 기본적인 구조 정보와 상기 복수의 센서의 위치 정보를 이용해 변압기 내부에서 부분방전신호가 전달되는 경로(Path)를 구축하는 방법이다. 즉, 신호의 도착 시간차를 이용하는 방식이 아닌 복수의 센서에 도착하는 신호비와 측정된 부분 방전 신호의 경로를 착는 최단 경로 알고리즘(Dijkstra 알고리즘)으로 부분 방전 신호의 발생 위치를 추정하는 방식이다.
보다 상세하게는, 신호 경로 구축 시 매질(절연유, 가스, 고체절연물, 권선, 코어, 클램프 등)에 따라 가중치(속도, 감쇠율)를 매핑한다. 이는 매질에 따른 부분방전 신호의 감쇠, 지연, 차단 현상을 계산하는데 사용한다. 앰-매트릭스가 구축되면 각 부분방전 소스(Source) 위치 및 특성에 따라 상기 센서에 전달되는 최단경로를 산출한다. 즉, 변압기 내부의 부분방전신호 위치별, 매질별 앰-매트릭스가 구축되면가 구축되면 각 센서에 도착되는 신호비에 따라 부분방전 발생위치를 추정하는데 이용할 수 있다.
더하여, 변압기 부분방전 위치 추정 후 점검 또는 수리를 위해 배유 및 변압기 해체를 진행할 경우 비용 및 시간적인 문제가 발생할 수 있다. 이를 위해 추정된 부분방전 위치를 검증하기 위하여 변압기 배유 및 해체 전에 검증부(140)를 통하여 변압기 내부 부분방전 위치 추정 결과가 정확한지 검증할 수 있다. 검증부(140)는 펄스 제너레이터(Pulse Generator)(141)를 포함하여 라이징 타입(rising Time)이 1nsec이하인 임펄스 파형을 발생시킬 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치의 위치 추정을 검증한 그래프이다.
도 1과 함께, 도 2a 및 도 2b를 참조하면 상술한 앰 매트릭스 방식에서 센서부(110)의 각 센서에 펄스 제너레이터(141)로부터의 펄스 신호(라이징 타임 1ns 이하, 2kV)를 주입하여 각 센서별 신호비를 산출하여 상술한 앰 매트릭스의 신뢰도를 검출하였다. 신뢰도의 평가를 위한 군집도를 계산한 후 각 센서별로 군집도가 높은 방향으로 상기 앰 매트릭스의 가중치를 업데이트하여 실제 변압기에 적용할 앰-매트릭스를 구성하며, 이후 대상 변압기에 설치된 센서를 통해 신호를 취득한 후 구축된 신호 경로(도 2b의 ①,②,③)를 따라 부분 방전 위치를 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치의 성능 검증을 위하여 실제 변압기를 대상으로 부분 방전 위치 추정 시험을 수행하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치의 모의 방전 결과 표이다.
도 3을 참조하면, 유압/가스 변압기 모의를 위해 절연유 충전 상태와 N2가스 밀봉 상태에서 검증 시험을 진행하였으며, 부분 방전 위치 추정을 위한 측정 센서를 4개를 설치한 경우와 3개를 설치한 경우로 시험을 진행하였다. 도시된 표와 같이 유압 변압기와 가스 변압기에서 4개의 센서와 3개의 센서를 사용하는 경우 모두 600mm 이내로 부분 방전 위치를 추정한 것을 볼 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치의 부분 방전 위치 추정 결과 표이다.
도 4를 참조하면, SF6로 절연되는 가스 변압기에 부분 방전 위치 추정을 위한 센서를 4개 설치하였으며, 유도 시험 중 예상치 못한 부분 방전이 발생한 가스변압기를 대상으로 부분 방전 위치 추정 시험을 진행하였고, 도시된 표과 같이 개의 센서와 3개의 센서를 사용하는 경우 모두 600mm 이내로 부분 방전 위치를 추정한 것을 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 방전 위치 추정 장치가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면 상술한 본 발명의 부분 방전 위치 추정 장치의 하나 이상의 실시예를 구현하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스(1100)를 포함하는 시스템(1000)의 예시를 도시한다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 개인 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드헬드 또는 랩탑 디바이스, 모바일 디바이스(모바일폰, PDA, 미디어 플레이어 등), 멀티프로세서 시스템, 소비자 전자기기, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 임의의 전술된 시스템 또는 디바이스를 포함하는 분산 컴퓨팅 환경 등을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
컴퓨팅 디바이스(1100)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛(1110) 및 메모리(1120)를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛(1110)은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Arrays; FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 메모리(1120)는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 추가적인 스토리지(1130)를 포함할 수 있다. 스토리지(1130)는 자기 스토리지, 광학 스토리지 등을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다. 스토리지(1130)에는 본 명세서에 개진된 하나 이상의 실시예를 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 명령이 저장될 수 있고, 운영 시스템, 애플리케이션 프로그램 등을 구현하기 위한 다른 컴퓨터 판독 가능한 명령도 저장될 수 있다. 스토리지(1130)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령은 프로세싱 유닛(1110)에 의해 실행되기 위해 메모리(1120)에 로딩될 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 입력 디바이스(들)(1140) 및 출력 디바이스(들)(1150)을 포함할 수 있다. 여기서, 입력 디바이스(들)(1140)은 예를 들어 키보드, 마우스, 펜, 음성 입력 디바이스, 터치 입력 디바이스, 적외선 카메라, 비디오 입력 디바이스 또는 임의의 다른 입력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 출력 디바이스(들)(1150)은 예를 들어 하나 이상의 디스플레이, 스피커, 프린터 또는 임의의 다른 출력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 다른 컴퓨팅 디바이스에 구비된 입력 디바이스 또는 출력 디바이스를 입력 디바이스(들)(1140) 또는 출력 디바이스(들)(1150)로서 사용할 수도 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 네트워크(1200)을 통하여 다른 디바이스(예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1300))와 통신할 수 있게 하는 통신접속(들)(1160)을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 접속(들)(1160)은 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 통합 네트워크 인터페이스, 무선 주파수 송신기/수신기, 적외선 포트, USB 접속 또는 컴퓨팅 디바이스(1100)를 다른 컴퓨팅 디바이스에 접속시키기 위한 다른 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 통신 접속(들)(1160)은 유선 접속 또는 무선 접속을 포함할 수 있다.
상술한 컴퓨팅 디바이스(1100)의 각 구성요소는 버스 등의 다양한 상호접속(예를 들어, 주변 구성요소 상호접속(PCI), USB, 펌웨어(IEEE 1394), 광학적 버스 구조 등)에 의해 접속될 수도 있고, 네트워크에 의해 상호접속될 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 "측정부", "위치 추정부" 등과 같은 용어들은 일반적으로 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어, 또는 실행중인 소프트웨어인 컴퓨터 관련 엔티티를 지칭하는 것이다. 예를 들어, 구성요소는 프로세서 상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능물(executable), 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨트롤러 상에서 구동중인 애플리케이션 및 컨트롤러 모두가 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소는 프로세스 및/또는 실행의 스레드 내에 존재할 수 있으며, 구성요소는 하나의 컴퓨터 상에서 로컬화될 수 있고, 둘 이상의 컴퓨터 사이에서 분산될 수도 있다.
일반적으로, 변압기의 절연성능 저하로 발생되는 부분방전 현상은 변압기의 사고를 방지하기 위하여 반드시 제거해야한다. 그러나 종래의 기술로는 변압기의 부분방전 위치추정을 육안검사가 경험에 의해 이루어지기 때문에 변압기 배유 및 해체에 따른 손실비용이 크게 발생한다.
즉, 종래에는 변압기 부분방전 발생시 변압기 점검자의 경험을 통하여 부분방전 위치를 추정하였으며, 변압기 점검자가 변압기에 직접 들어가 육안검사를 수행하여 부분방전 발생원을 찾았다. 이 경우 변압기 부분방전원(결함원)을 육안으로 찾는 것은 매우 어려운 일로 많은 시간과 비용이 소요되었다. 또한, 부분 방전원을 찾는 경우 발생 위치가 매우 부정확하여 부분방전이 의심되는 변압기 부품을 점검 및 교체를 수행하여 해결하였다. 이는 많은 비용과 시간의 낭비를 초래하였다.
본 발명은 변압기 부분방전의 위치를 자동으로 추정하고 변압기 수리 전에 추정되는 부분방전원(결함원) 근처에 모의신호(Pulse Generator)를 주입하여 검증업무를 수행하여 변압기 수리시 비용과 시간을 최소화 할 수 있다. 또한, 기존에 음향 방출(Acoustic Emission; AE) 센서를 이용한 부분방전 위치추정 장치의 경우 변압기 내부 깊숙한 곳에서 발생되는 부분방전을 측정할 수 없는 단점이 있었으나 본 발명은 극초음파 센서를 사용함으로 이를 해결 할 수 있다.
본 발명의 효과를 정리하면 다음과 같다.
1. UHF센서를 이용한 부분방전 위치 추정으로 변압기 내부 깊숙한 곳에서 발생되는 부분방전원을 찾을 수 있다.
2. 변압기 부분방전 위치를 자동으로 추정하는 기능 제공으로 현장 문제 발생시 신속하게 대응할 수 있다.
3. 추론된 변압기 부분방전 위치 검증 기능(부분방전 신호 모의)으로 육안검사의 단점을 해결할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100: 부분 방전 위치 추정 장치
110: 센서부
120: 측정부
130: 위치 추정부
140: 검증부
141: 펄스 제너레이터

Claims (7)

  1. 변압기의 사전에 설정된 위치에 부착되어 신호를 수집하는 복수의 센서를 갖는 센서부;
    상기 센서부에 의해 수집된 신호 중 부분 방전에 해당하는 신호를 측정하는 측정부;
    상기 변압기의 도면 유무 또는 타입 정보에 따라 상기 측정부에 의해 측정된 부분 방전 신호를 사전에 설정된 유한 차분 시간 영역(Finite-difference time-domain;FDTD) 방식, 사전에 설정된 심화 삼각 측량 방식(Advanced Triangluation Method; ATM) 및 사전에 상기 변압기의 구조 정보와 상기 복수의 센서의 위치 정보에 따라 부분 방전 신호가 전달되는 경로를 구축한 앰-매트릭스(M-matrix) 방식 중 하나의 방식으로 분석하여 부분 방전이 발생된 위치를 추정하는 위치 추정부
    를 포함하는 부분 방전 위치 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치 추정부는
    상기 변압기의 도면이 있을 경우 상기 유한 차분 시간 영역 방식으로 상기 측정부에 의해 측정된 부분 방전 신호를 분석하여 부분 방전이 발생된 위치를 추정하는 부분 방전 위치 추정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위치 추정부는
    상기 변압기의 도면이 없을 경우 또는 가스 변압기의 경우 사전에 설정된 부분방전 감쇄율 맵(Map)을 이용한 상기 심화 삼각 측량 방식으로 상기 측정부에 의해 측정된 부분 방전 신호를 분석하여 부분 방전이 발생된 위치를 추정하는 부분 방전 위치 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 위치 추정부는 상기 변압기에 배치된 센서의 위치에 따른 감쇠율 맵을 구축하고 센서 간 신호 감쇠율을 측정하여 센서 사이에 있는 변압기 내부 구조물을 예측하고, 부분 방전 신호크기에 따라 위치 추정 구획을 구분하며. 센서간 신호 도착 시간을 측정하여 센서간의 물리적인 거리와 도착 시간차를 이용하여 계산된 거리를 분석하여 부분방전 신호가 전달되는 경로를 예측하여, 부분 방전이 발생된 위치를 추정 하는 부분 방전 위치 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위치 추정부는 상기 변압기가 사전에 설정된 전압 및 용량별로 표준화된 유입변압기에 해당되면, 상기 변압기의 구조 정보와 상기 센서부의 상기 복수의 센서의 위치 정보에 따라 상기 변압기 내부에서 측정된 부분 방전 신호가 전달되는 경로(Path)를 구축하여 사전에 설정된 부분 방전 소스(source) 위치 및 특성에 따라 센서에 전달되는 최단 경로를 산출해서 부분 방전이 발생된 위치를 추정하는 부분 방전 위치 추정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 위치 추정부의 상기 변압기 내부의 부분 방전 위치 추정 결과가 정확한지 검증하는 검증부를 더 포함하는 부분 방전 위치 추정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 검증부는 사전에 설정된 임펄스 파형을 출력하는 펄스 제너레이터를 포함하는 부분 방전 위치 추정 장치.
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