[논문]가스절연 개폐장치의 내부절연 성능검증을 위한 UHF 협대역 부분방전 진단법

송원표; 김정배; 김민수; 정재룡; 박승재; 고희석

문제 정의

센서로부터 얻어진 신호는 주파수 분석과 위상분석을 실시하여, 주파수분석을 통해 부분방전 발생유무와 방전량을 알 수 있었으며, 위상분석 결과에 대해 Database를 이용하 여 부분방전 발생원인에 대해서도 진단이 가능하였다. 또한, 부분방전 신호로 측정된 전자파(단위 dBm)의 크기를 일반 적인 부분방전량 단위인 "으로 환산할 수 있는 관계식을 제시하였으며, UHF 센서의 신뢰성 검증 결과도 보고하였다.
본 논문에서는 UHF법 중 주파수 분석 및 위상분석을 실시하는 Narrow Band 기법을 제안하며, 이 방식에 의한 국내 최초로 개발된 휴대용 시스템을 이용하여 UHF 센서의 감도특성과 UHF 부분방전 진단기법의 신뢰성 검증연구를 기초로 실제 운전중인 변전소의 GIS에 적용한 시험 결과를 보고 하고자 한다. 우선, UHF 부분방전 측정법에 의한 측정 메카니즘을 소개하고, UHF 센서의 특성시험을 통해 센서의 감도를 측정하여 부분방전 측정에 적합한 센서인지 판단한 후 부분방전의 원인에 따른 위상 패턴을 분석하여 부분방전 진단의 신뢰성을 입증하였다.
GIS의 절연상태를 가장 효과적으로 진단하는 방식으로, 최근들어 UHF법에 의한 부분방전 진단 방식이 도입되고 있 다. 본 논문에서는 부분방전 측정장비의 감도특성, dBm-pC 환산관계 및 신뢰도를 현장시험 실시전에 시험실에서 수행 한 시험결과를 통해 제시하였으며, 동일 측정시스템을 이용 하여 실제 운전중인 GIS에 적용한 사례를 보고하였다
일반적으로 신설변전소에 납품되는 GIS에 대해서는 내장 형 UHF 센서를 내부 점검창에 부착하지만, 본 논문에서는 기존 운전중인 GIS 스페이서 외벽에 부착할 수 있는 외장형 UHF 센서와 휴대용 진단장치에 대한 연구내용을 제시하였 다. 센서로부터 얻어진 신호는 주파수 분석과 위상분석을 실시하여, 주파수분석을 통해 부분방전 발생유무와 방전량을 알 수 있었으며, 위상분석 결과에 대해 Database를 이용하 여 부분방전 발생원인에 대해서도 진단이 가능하였다.

제안 방법

1 차 시험에는 실제 부하가 걸려 있지 않았지만(전압만 인 가되고 전류는 통전되지 않음), 2차 시험에는 GIS에 실부하 (전류통전)가 연결되어 있는 상태에서 즉, 발전소의 전압/전류가 계통에 연계되어 실전력계통으로 운전을 시작한 후에 부분방전 측정시험을 실시하였다. 3개 변전소 전 영역에 대 해서는, 1차 시험 때와 같이 어떠한 부분방전도 측정되지 않았지만, 특정구간에서 부분방전으로 예상되는 신호가 측정되어, 정밀조사에 착수하였다.
1 차 시험에는 실제 부하가 걸려 있지 않았지만(전압만 인 가되고 전류는 통전되지 않음), 2차 시험에는 GIS에 실부하 (전류통전)가 연결되어 있는 상태에서 즉, 발전소의 전압/전류가 계통에 연계되어 실전력계통으로 운전을 시작한 후에 부분방전 측정시험을 실시하였다. 3개 변전소 전 영역에 대 해서는, 1차 시험 때와 같이 어떠한 부분방전도 측정되지 않았지만, 특정구간에서 부분방전으로 예상되는 신호가 측정되어, 정밀조사에 착수하였다. 부분방전 신호가 계측된 구역은 그림 8의 붓싱 구간으로 그림에 표기된 5개의 스페이서를 통해 GIS 내부 부분방전 측정시험을 실시하였다.
센서 감도특성을 시험하기 위해 그림 4와 같은 시험 장치 를 구성하였다. AC Power Supply는 Noise-free 변압기를 사용하였으며, ERA방식의 PD Detector (Robinson사)를 통 해 겉보기 부분방전량 단위인 pC으로 부분방전량을 확인하 였다. 또한, PD Cell은 10pC, 20pC, 100pC이 발생되는 Rolling BaU 형식으로 각각 수제작 [9] 되었으며, Pulse Generator는 NoiseKen사의 INS-4001 < 사용하였다.
본 논문에서 이용한 부분방 전 측정장치의 구성도는 그림 2와 같다. UHF 센서는 에폭시 스페이서에 취부되는 외장형과 GIS 내부에 취부되는 내장형이 있는데, 본 논문에서는 대상 GIS가 기 설치된 GIS이 므로 외장형 UHF 센서에 대해서만 고려하였다.
1 절에 서술한 바와 같이 일부 노이즈영역을 강제적으로 제거함으로써 노이즈의 영향을 최소화 할 수 있다. 노이즈를 제거하기 위한 Mask 영역 설정은 센서를 취부하기 전에 측정한 외부 노이즈와 취부 후에 얻어진 신호를 비교하여 결정하였다. UHF 대역의 노이즈중 통신용으로 사용되는 주파수는 UHF TV와 핸드폰, HAM등 의 이동통신기기의 주파수 대역이며, 이밖에 송전선로 등에 의한 현장 노이즈가 있다.
이렇게 dBm으로 측정된 신호에 대해 일반적인 부분방전량 표시 방빕인 pC과의 상관 관계를 알 수 있다면, 운전중인 GIS의 위험도 평가의 수단 으로 활용할 수가 있다. 또한 UHF 센서 감도 특성의 동일 성을 주기적으로 확인하기 위해 다음과 같은 일련의 시험을 수행하여, 변전소 현장에서 사용할 외장형 UHF 센서의 감 도 특성에 대한 신뢰도를 확인하였다.
이때 ERA PD Detector로 부분방전량이 각각 10pC, 20pC, lOOpC이 발생되는지를 시각적으로 확인 후 인가전압 을 고정시켰다. 발생된 부분방전에 대해 그림 4의 플랜지에 의해 장착된 Internal Sensor(B)와 External Sensor로 부분 방전량을 측정하여, 각각의 부분방전에 대해 출력(dBm)을 확인하였다. 또한, PD Cell 의.
3개 변전소 전 영역에 대 해서는, 1차 시험 때와 같이 어떠한 부분방전도 측정되지 않았지만, 특정구간에서 부분방전으로 예상되는 신호가 측정되어, 정밀조사에 착수하였다. 부분방전 신호가 계측된 구역은 그림 8의 붓싱 구간으로 그림에 표기된 5개의 스페이서를 통해 GIS 내부 부분방전 측정시험을 실시하였다. 또한, 외부 노이즈가 스페이서를 통해 GIS내부로 들어갈 확률을 제거하기 위해 그림 8에 표기된 에폭시 스페이서에 대해서는 도전성 고무로 된 밸트를 취부하여 외부노이즈를 차폐하였다.
1 에서 ERA법으로 센서 감도(lOpC시 -30±ldBm)를 확인한 표준 Internal Sensor(B) 를 점검창에 설치한 후 표준 Internal Sensor(B)의 출력이 그림 5의 10pC, 50pC, 100pC 과 동일한 에너지가 나오도록 Pulse Generator의 인가전압을 확인한다. 상기와 같은 방식 으로 확인된 Pulse Generator 의 인가전압으로 Internal Sensor(A)에 10pC, 50pC, 100pC 부분방전을 발생시킨 후, 감도 동일성을 확인하고자 하는 피시품 UHF 센서를 그림 4의 Internal Sensor (B) 혹은 External Sensor 위치에 부착 하여 출력신호를 측정하였다. 측정된 결과가 그림 5의 출력 dBm에 대해 ±10%의 오차범위 내에서는 감도특성의 동일성 으로 인정 하였다.
표 1의 결과로부터 변전소 현장시험용 External Sensor 의 성능은 표준 External Sensor 대비 ±10%이하 이므로, 센서의 신뢰성은 확인되었다. 상기의 간이 프로세스에 의해 확인된 외장형 UHF 센서에 대해 변전소에 운전중인 GIS에 대해 부분방전 진단을 실시하였다.
본 논문에서는 UHF법 중 주파수 분석 및 위상분석을 실시하는 Narrow Band 기법을 제안하며, 이 방식에 의한 국내 최초로 개발된 휴대용 시스템을 이용하여 UHF 센서의 감도특성과 UHF 부분방전 진단기법의 신뢰성 검증연구를 기초로 실제 운전중인 변전소의 GIS에 적용한 시험 결과를 보고 하고자 한다. 우선, UHF 부분방전 측정법에 의한 측정 메카니즘을 소개하고, UHF 센서의 특성시험을 통해 센서의 감도를 측정하여 부분방전 측정에 적합한 센서인지 판단한 후 부분방전의 원인에 따른 위상 패턴을 분석하여 부분방전 진단의 신뢰성을 입증하였다. 그리고, 외장형 UHF 센서와 측정장비를 이용하여 국내에서 운전중인 변전소의 GIS에 시험한 결과에 대해 보고한 후 3장에 결론을 기술하였다.
그림 9에서 측정된 파형의 500~1500MHz 대역중 가장 큰 신호를갖는 주파수 대역(705MHz)에서 위상 분석을 실시하여 그림 9의 위상 파형을 얻었다. 위상분석시 에는 Spectrum Analyser의 전원과 GIS 인가전압은 위상차 를 갖고 있으므로, 위상측정기를 이용하여 위상차를 측정한 후 위상보정을 실시하였다. 그림 9(b)의 파형을 실험을 통해 구해진 부분방전 원인별 위상 패턴[9]과 비교한 결과 부분방 전 발생원인으로는 플로팅전극(Floating Electrode)으로 판단 하였다.
AC Power Supply® 이용하여 Rolling Ball Type의 lOpC PD Cell, 20pC PD Cell과 lOOpC PD Cell에 각각 5~10kV 전압을 인가하여, lOpC, 20pC, lOOpC 부분방전을 발생시킨다. 이때 ERA PD Detector로 부분방전량이 각각 10pC, 20pC, lOOpC이 발생되는지를 시각적으로 확인 후 인가전압 을 고정시켰다. 발생된 부분방전에 대해 그림 4의 플랜지에 의해 장착된 Internal Sensor(B)와 External Sensor로 부분 방전량을 측정하여, 각각의 부분방전에 대해 출력(dBm)을 확인하였다.
국내 메이커에 의해 개발되어 제작된 초고압 GIS는 개발 시험을 통해 성능검증은 확인되었으나, 실계통에서 운전되는 GIS로써 주기적으로 운전상태 진단이 요구되고 있다. 이러한 관점에서 실제 3개 변전소에 대해 외장형 UHF센서를 이용하여 주기적인 부분방전 진단을 실시하였다.

이론/모형

또한, PD Cell은 10pC, 20pC, 100pC이 발생되는 Rolling BaU 형식으로 각각 수제작 [9] 되었으며, Pulse Generator는 NoiseKen사의 INS-4001 < 사용하였다. 상기시 험의 기본방식은 CIGRE TF 15/33.0305에서 제시한 기법을 적용하였다. [10]

성능/효과

국내 메이커에 의해 개발되어 운전중인 GIS에 있어서 "플로팅 전극"에 의한 부분방전을 절연파괴 전에 발생원인, 발생위치, 부분방전량 등을 진단하였으며 내부점검 결과로부 터 충분한 신뢰성을 검증할 수 있었다.
이 기간에 측정된 UHF 대역의 신호를 그림 7에서 보여주고 있다. 500-1500MHz 대역에 있어서 주파수 분석을 실시한 결과 Mask 영역을 제외한 전대역에서는 5pC 이상의 어떠한 부분방전도 존재하지 않음을 확인하였다.
UHF법에 의한 부분방전진단 결과를 근거로 실제 GIS를 분해하여 정밀 점검한 결과, 진단결과와 동일한 결과를 얻었 으며, 따라서 UHF법에 의한 부분방전진단이 실제 변전소 현장점검에서도 적용가능할 만큼 신뢰성이 높다는 것을 입 증한 시험이었다. 또한, 무부하운전등에 실시한 1차 PD 진 단시험시에는 느슨하게 조여진 볼트에서 PD가 발생되지 않 았으나, 부하운전 중에는 전류에 의한 전자력에 의해 볼트가 물려지면서 PD가 집중적으로 발생하였음을 알 수 있었다.
UHF법에 의한 부분방전진단 결과를 근거로 실제 GIS를 분해하여 정밀 점검한 결과, 진단결과와 동일한 결과를 얻었 으며, 따라서 UHF법에 의한 부분방전진단이 실제 변전소 현장점검에서도 적용가능할 만큼 신뢰성이 높다는 것을 입 증한 시험이었다. 또한, 무부하운전등에 실시한 1차 PD 진 단시험시에는 느슨하게 조여진 볼트에서 PD가 발생되지 않 았으나, 부하운전 중에는 전류에 의한 전자력에 의해 볼트가 물려지면서 PD가 집중적으로 발생하였음을 알 수 있었다.
물론 풀어진 볼트 부위에는 부분방전에 의한 탄흔이 남아있었다. 문제부위에 대한 수정후 C상 No.l 스페이서에서 No.5 스페이서에 걸쳐 부분 방전 계측을 실시한 결과, 그림 13과 같이 1차 계측시 얻은 결과와 동일한 파형을 얻어 부분방전으로 인한 전자파가 제 거되었음을 확인하였다.
부분방전발생이 예상되는 구간의 GIS에 대해 내부정밀 점검을 실시한 결과, 붓싱 도체 연결부 부위의 볼트가 전자 력에 풀려져 있음을 확인하였다. 물론 풀어진 볼트 부위에는 부분방전에 의한 탄흔이 남아있었다.
일반적으로 신설변전소에 납품되는 GIS에 대해서는 내장 형 UHF 센서를 내부 점검창에 부착하지만, 본 논문에서는 기존 운전중인 GIS 스페이서 외벽에 부착할 수 있는 외장형 UHF 센서와 휴대용 진단장치에 대한 연구내용을 제시하였 다. 센서로부터 얻어진 신호는 주파수 분석과 위상분석을 실시하여, 주파수분석을 통해 부분방전 발생유무와 방전량을 알 수 있었으며, 위상분석 결과에 대해 Database를 이용하 여 부분방전 발생원인에 대해서도 진단이 가능하였다. 또한, 부분방전 신호로 측정된 전자파(단위 dBm)의 크기를 일반 적인 부분방전량 단위인 "으로 환산할 수 있는 관계식을 제시하였으며, UHF 센서의 신뢰성 검증 결과도 보고하였다.
그림 6 (a)는 외장형 UHF센서를 대기중에 노출 하여 측정한 결과이고, 그림 6 (b)는 외장형 UHF센서를 에 폭시 스페이서에 부착후 측정한 결과를 보여주고 있다. 외장형 UHF 센서를 통해 부분방전 신호즉정시에는, 주위의 외부노이즈가 에폭시 스페이서를 통해 GIS 내부로 침입되지 않도록 근처의 에폭시 스페이서에 대해 도전성 고무 벨트로 차폐를 시켰지만, 차폐되지 않은 에폭시 스페이서를 통해 외부 노이즈가 여전히 침입되어 PD 신호와 혼합될 가능성이 있음을 알 수 있었으며, 상기의 Masking 기법으로 외부 노이즈를 상당부분 제한시킬 수 있음을 알 수 있다.
표 1은 본 연구에서 사용한 External Sensor에 대해 측정한 감도특성 시험 결과를 보여주고 있다. 표 1의 결과로부터 변전소 현장시험용 External Sensor 의 성능은 표준 External Sensor 대비 ±10%이하 이므로, 센서의 신뢰성은 확인되었다. 상기의 간이 프로세스에 의해 확인된 외장형 UHF 센서에 대해 변전소에 운전중인 GIS에 대해 부분방전 진단을 실시하였다.

후속연구

본 연구팀은 국내 변전소 현장에 대한 노이즈 Database 화, 부분방전 종류별 위험지수, 부분방전진단 시스템 On-line화둥에 대해서도 지속적인 연구를 수행하여, GIS의 신뢰성 향상에 이바지할 계획을 갖고 있다.

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