비대칭 용량성 결합 센서 기반 온라인 HVDC 케이블 부분방전 검출 및 위치추정 Online HVDC cable partial discharge detection and location estimation based on Asymmetric Capacitive Coupling Sensor원문보기
HVDC 송전은 대용량 장거리 전력전송, 국가 간 계통연계 및 이종 주파수 연계가 가능하고, 최근 스마트 그리드의 도입으로 인하여 해상 풍력 발전 플랜트와 같은 신재생 에너지 발전 시스템과 지상의 전력 계통과의 연계가 용이한 장점으로 인하여 세계적으로 HVDC 수요가 지속적으로 증가하고 있다. HVDC 송전 시스템의 케이블은 지중 또는 해저에 주로 포설됨에 따라 접근이 제한적이어서 고장 발생 시 고장점 위치 탐지가 어렵고 탐지 기간 및 복구시간이 장기화되어 막대한 사회적 비용을 초래한다. HVDC 케이블의 주된 고장 원인은 부분방전이며, 이는 전력 케이블의 절연시스템에서 발생되는 국부적인 전기 방전 현상으로 부분방전의 발생 횟수가 많아지면 케이블 열화진전의 원인이 되어 결국에는 ...
HVDC 송전은 대용량 장거리 전력전송, 국가 간 계통연계 및 이종 주파수 연계가 가능하고, 최근 스마트 그리드의 도입으로 인하여 해상 풍력 발전 플랜트와 같은 신재생 에너지 발전 시스템과 지상의 전력 계통과의 연계가 용이한 장점으로 인하여 세계적으로 HVDC 수요가 지속적으로 증가하고 있다. HVDC 송전 시스템의 케이블은 지중 또는 해저에 주로 포설됨에 따라 접근이 제한적이어서 고장 발생 시 고장점 위치 탐지가 어렵고 탐지 기간 및 복구시간이 장기화되어 막대한 사회적 비용을 초래한다. HVDC 케이블의 주된 고장 원인은 부분방전이며, 이는 전력 케이블의 절연시스템에서 발생되는 국부적인 전기 방전 현상으로 부분방전의 발생 횟수가 많아지면 케이블 열화진전의 원인이 되어 결국에는 절연파괴를 초래하게 된다. HVDC 케이블의 부분방전은 내부도체 또는 금속 시스를 통해 전파되는 고주파 전류 펄스를 용량성 센서, 전자기 유도센서 또는 직접 전류 측정을 통해 온라인으로 검출할 수 있다. 그러나 이러한 온라인 부분방전 검출 방법은 케이블의 침습적 변형을 필요로 하거나 절연 접속함의 양단에 설치해야 하는 제약으로 설치 위치로 부터 일정 거리 내에서 발생하는 부분방전만 검출할 수 있는 단점이 있다. 오프라인 부분방출 검출 방법은 부분방전을 실시간으로 검출 할 수는 없지만 누적된 부분방전으로 인한 절연체의 열화를 검출할 수 있다. 그러나 실시간으로 부분방전을 검출할 수 없는 한계가 존재한다. 이와 같이 대부분의 부분방전 검출 방법 및 각종 센서는 케이블 종단 또는 접속부에서 일정거리 이내에서 발생하는 부분방전만 검출 가능하다. 수십 ~ 수백km에 달하는 해저 및 지중 HVDC 케이블 전반에 걸친 부분방전 모니터링을 통한 보수 교체 시기 판정을 위해서는 부분방전 센서를 케이블 전 구간에 일정간격으로 설치해야 하나 현재 이를 가능하게 하는 부분방전 검출 기술은 보고된 바가 없다. 본 논문에서는 이러한 기술적 한계를 극복하고자 HVDC 케이블 내에서 발생하는 부분방전 발생 탐지 및 위치 추정을 위해 부분방전에 의한 고전압 전류 펄스를 용량성 결합을 통해 HVDC 케이블의 고장을 조기에 진단하고 고장 발생 확률이 높은 지점을 실시간/온라인으로 검출할 수 있는 비대칭 용량성 결합 센서를 제안하였다. 논문에서 제안한 비대칭 용량성 결합 센서는 부분방전 검출을 위해 전력 케이블의 PVC 시스 위에 직접 부착할 수 있어 전력 케이블의 구조적 변형없이 비침습적으로 부분방전을 검출할 수 있으며, 센서의 민감도는 센서의 면적을 증가시키는 간단한 방법으로 향상시킬 수 있다. 센서 성능 검증을 위해 전력 케이블에서 발생하는 부분방전을 모의하고, 이를 측정하기 위한 축소 실험 플랫폼을 제작하였다. 논문에서 제안한 비대칭 용량성 결합 센서로부터 획득한 부분방전 신호와 부분방전 위치 검출 알고리즘을 이용하여 부분방전 위치를 최대 99.5%의 정확도를 가지고 검출해 낼 수 있었다. 또한 비대칭 용량성 커플링 부분방전 센서와 상용 HFCT를 이용한 HVDC 케이블의 부분방전 신호 검출 능력을 비교 분석하였다. HFCT와 전극의 면적이 증가된 비대칭 용량성 커플링 부분방전 센서의 출력 전압은 각각 19.6V 및 17V로 민감도가 HFCT 민감도의 86%를 보였다. 본 연구에서 제안한 비대칭 용량성 결합 센서는 전력 케이블의 구조적 변형없이 비침습적으로 설치 가능하며, 제조 비용이 저렴하여 해저 또는 지중 HVDC 케이블 전 구간에 대해 일정한 간격으로 설치하여 실시간/온라인 부분방전 발생여부를 모니터링 함으로써 부분방전에 의한 케이블 보수 교체 시기 판정을 위해 활용할 수 있을 것이다.
HVDC 송전은 대용량 장거리 전력전송, 국가 간 계통연계 및 이종 주파수 연계가 가능하고, 최근 스마트 그리드의 도입으로 인하여 해상 풍력 발전 플랜트와 같은 신재생 에너지 발전 시스템과 지상의 전력 계통과의 연계가 용이한 장점으로 인하여 세계적으로 HVDC 수요가 지속적으로 증가하고 있다. HVDC 송전 시스템의 케이블은 지중 또는 해저에 주로 포설됨에 따라 접근이 제한적이어서 고장 발생 시 고장점 위치 탐지가 어렵고 탐지 기간 및 복구시간이 장기화되어 막대한 사회적 비용을 초래한다. HVDC 케이블의 주된 고장 원인은 부분방전이며, 이는 전력 케이블의 절연시스템에서 발생되는 국부적인 전기 방전 현상으로 부분방전의 발생 횟수가 많아지면 케이블 열화진전의 원인이 되어 결국에는 절연파괴를 초래하게 된다. HVDC 케이블의 부분방전은 내부도체 또는 금속 시스를 통해 전파되는 고주파 전류 펄스를 용량성 센서, 전자기 유도센서 또는 직접 전류 측정을 통해 온라인으로 검출할 수 있다. 그러나 이러한 온라인 부분방전 검출 방법은 케이블의 침습적 변형을 필요로 하거나 절연 접속함의 양단에 설치해야 하는 제약으로 설치 위치로 부터 일정 거리 내에서 발생하는 부분방전만 검출할 수 있는 단점이 있다. 오프라인 부분방출 검출 방법은 부분방전을 실시간으로 검출 할 수는 없지만 누적된 부분방전으로 인한 절연체의 열화를 검출할 수 있다. 그러나 실시간으로 부분방전을 검출할 수 없는 한계가 존재한다. 이와 같이 대부분의 부분방전 검출 방법 및 각종 센서는 케이블 종단 또는 접속부에서 일정거리 이내에서 발생하는 부분방전만 검출 가능하다. 수십 ~ 수백km에 달하는 해저 및 지중 HVDC 케이블 전반에 걸친 부분방전 모니터링을 통한 보수 교체 시기 판정을 위해서는 부분방전 센서를 케이블 전 구간에 일정간격으로 설치해야 하나 현재 이를 가능하게 하는 부분방전 검출 기술은 보고된 바가 없다. 본 논문에서는 이러한 기술적 한계를 극복하고자 HVDC 케이블 내에서 발생하는 부분방전 발생 탐지 및 위치 추정을 위해 부분방전에 의한 고전압 전류 펄스를 용량성 결합을 통해 HVDC 케이블의 고장을 조기에 진단하고 고장 발생 확률이 높은 지점을 실시간/온라인으로 검출할 수 있는 비대칭 용량성 결합 센서를 제안하였다. 논문에서 제안한 비대칭 용량성 결합 센서는 부분방전 검출을 위해 전력 케이블의 PVC 시스 위에 직접 부착할 수 있어 전력 케이블의 구조적 변형없이 비침습적으로 부분방전을 검출할 수 있으며, 센서의 민감도는 센서의 면적을 증가시키는 간단한 방법으로 향상시킬 수 있다. 센서 성능 검증을 위해 전력 케이블에서 발생하는 부분방전을 모의하고, 이를 측정하기 위한 축소 실험 플랫폼을 제작하였다. 논문에서 제안한 비대칭 용량성 결합 센서로부터 획득한 부분방전 신호와 부분방전 위치 검출 알고리즘을 이용하여 부분방전 위치를 최대 99.5%의 정확도를 가지고 검출해 낼 수 있었다. 또한 비대칭 용량성 커플링 부분방전 센서와 상용 HFCT를 이용한 HVDC 케이블의 부분방전 신호 검출 능력을 비교 분석하였다. HFCT와 전극의 면적이 증가된 비대칭 용량성 커플링 부분방전 센서의 출력 전압은 각각 19.6V 및 17V로 민감도가 HFCT 민감도의 86%를 보였다. 본 연구에서 제안한 비대칭 용량성 결합 센서는 전력 케이블의 구조적 변형없이 비침습적으로 설치 가능하며, 제조 비용이 저렴하여 해저 또는 지중 HVDC 케이블 전 구간에 대해 일정한 간격으로 설치하여 실시간/온라인 부분방전 발생여부를 모니터링 함으로써 부분방전에 의한 케이블 보수 교체 시기 판정을 위해 활용할 수 있을 것이다.
A high-voltage direct current (HVDC) electric power transmission has attracted tremendous interests for last decades because it is capable of transmitting high electric power over long distance, and connecting power grids which have different operating frequencies. It also provides easy connection o...
A high-voltage direct current (HVDC) electric power transmission has attracted tremendous interests for last decades because it is capable of transmitting high electric power over long distance, and connecting power grids which have different operating frequencies. It also provides easy connection of renewable energy system such as offshore wind power plant with ground power system. However, the accessibility to the HVDC cables installed underground and in seabed is highly limited, which makes it difficult to predict the location and time of system failure. Even after the system fault, it requires a quite long time to detect the location of fault and recover the system, resulting in enormous social costs. The main cause of HVDC cable failure is partial discharge (PD), a local electrical discharge phenomenon that occurs in the cable. Therefore, the purpose of this study is to develop a sensor system that can monitor the HVDC cable on-line and in realtime to diagnose the failure of HVDC cable in the early stage. The small scale-experimental platform to generate and investigate the partial discharge in power cable has been built. The differential mode asymmetric capacitive coupling partial discharge sensor provides sensitivity as 86% as the sensitivity of the HFCT. The sensitivity of the sensor can be increased by increasing the size of the sensor and optimizing the area ratio of two electrodes. The designed and fabricated asymmetric capacitive coupling sensor can be attached on the any location of the cable without any modification of the power sensor. The asymmetric capacitive coupling sensor provides accuracy higher than 96% for detecting the location of the partial discharge.
A high-voltage direct current (HVDC) electric power transmission has attracted tremendous interests for last decades because it is capable of transmitting high electric power over long distance, and connecting power grids which have different operating frequencies. It also provides easy connection of renewable energy system such as offshore wind power plant with ground power system. However, the accessibility to the HVDC cables installed underground and in seabed is highly limited, which makes it difficult to predict the location and time of system failure. Even after the system fault, it requires a quite long time to detect the location of fault and recover the system, resulting in enormous social costs. The main cause of HVDC cable failure is partial discharge (PD), a local electrical discharge phenomenon that occurs in the cable. Therefore, the purpose of this study is to develop a sensor system that can monitor the HVDC cable on-line and in realtime to diagnose the failure of HVDC cable in the early stage. The small scale-experimental platform to generate and investigate the partial discharge in power cable has been built. The differential mode asymmetric capacitive coupling partial discharge sensor provides sensitivity as 86% as the sensitivity of the HFCT. The sensitivity of the sensor can be increased by increasing the size of the sensor and optimizing the area ratio of two electrodes. The designed and fabricated asymmetric capacitive coupling sensor can be attached on the any location of the cable without any modification of the power sensor. The asymmetric capacitive coupling sensor provides accuracy higher than 96% for detecting the location of the partial discharge.
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