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문제 정의
- 본 논문에서는 국내 수력발전소 중 25년 동안 가동중인 13 ［kV］급 대청댐 발전기 고정자 권선의 안정적 운전을 위하여 개발된 On-line 부분방전 측정용 Capacitive Coupler인 세계 최초 적용되는 Ceramic Coupler (CC)의 설계, 제작 및 가장 중요한 장기 사용상 절연파괴 가능성을 평가하는 신뢰 성 실험 등에 대하여 기술하였다. 또한, 본 논문을 통하여 자체 제작된 운전중 부분방전 측정시스템은 현장조건을 고려한 잡음제거 기법 구현, 센싱된 방전펄스를 신호처리하는 측정 Transducer 및 진단 알고리즘을 지닌 운전중 측정시스 템으로 구축하였다［6] 아울러 이들 센서 및 시스템을 국내 최초로 대청댐 2호 발전기에 설치를 완료하여 현재 운전증 상태에서의 Raw Database를 구축 중에 있으며, 이 결과를 이용하여 향후 절연상태 판정기준의 향상에 이용할 예정이다.
제안 방법
- 1) Channel 입력단과 Differential Amplifier단 : 고속 Relay를 통하여 입력 상을 선택하고, 선택된 상을 통한 부 분방전 신호에 포함된 기본 외부잡음을 제거하기위하여 고속 OP-amp를 이용하여 Differential Amp를 구성하였다.
- 2) Zero-cross Detector : 본 시스뎀은 60 [Hz] 기준 신호 로 실제 계측되는 부분방전 센서에서 나오는 신호를 통하여 인가전압에 대한 위상을 검출하는 것으로 함으로서, 실제 발생하는 부분방전 신호의 위상을 정확한 기준 신호로 찾을 수 있도록 구성하였다.
- 4) PD Divider : 부분방전 신호가 있는 극성을 분리하는 것으로, 인가전압 위상기준으로 전압상승 구간인 270'~90' 사이에 발생하는 펄스는 정극성, 전압하강 구간인 90.~270, 사이에 발생하는 펄스는 부극성으로 나타내도록 구성하였다.
- 5)Wave Shaping 회로 : 고속의 Peak Detector 전단에 Wave Shaping 회로를 추가하여, 회로를 통과한 펄스 신호는 수백 kHz 대역폭을 가지는 신호로 변환되나 이때 Peak 크기는 변하지 않게 설계되었다. Wave Shaping 회로는 다 이오드 후단의 콘덴서의 용량에 의해 고속 펄스 신호의 충 전 속도인 회로의 응답속도가 결정되고, 콘덴서와 병렬로 결 합되어 있는 저항의 값에 따라 방전 속도가 결정되어 회로 의 반복 주기를 결정하게 된다.
- 6) 1차 잡음제거 회로 : 차동 증폭단을 이용하여 펄스도 달시간 차를 통하여 잡음을 제거하는 것으로, 외부잡음 신호는 펄스 전송 경로가 동일하여 펄스 신호의 시간 지연 특성이 동일하므로 제거되도록 구성하였다. 반면, 부분방전 신호는 각 센서에 도달되는 시간 지연이 다르게 나타난다.
- （4） On-line 시스템의 최대단점 중의 하나인 외부잡음 제 거를 위해 새로운 2단계 외부잡음 제거기법을 개발하였다.
- 또한, 소체의 양쪽 전극 면 에 은(Ag)으로 프린팅 후 800 [℃]로 소성한 금속 전극층을 형성하는 구조로 하여 기계적 접착력을 높였다. 다음으로 소체결합 공정에서 필요한 직렬연결 수량인 4개 기본소체를 연결하는 구조로 구성하였다. 이와 같이 설계 제작되어지는 150 [pF] 세라믹 소체를 만드는 중간단계인 2단 직렬연결 소체 형상을 그림 1에 나타내었다.
- 대청댐 #2호기의 부분방전 측정시스템은 각 센서에서 연 결되어질 동축케이블 길이를 고려하여 발전기 외부 콘크리 이트 벽면에 설치하는 것으로 하였으며. 이용된 고주파 동축케이블 길이 선정은 계통측에서 들어오는 외부잡음의 영향을 최소화하기 위하여 센서가 설치된 각상의 부스 길이만큼 신호전송에 필요한 길이를 보상해 주도록 1차 선정하였다.
- 부분방전을 측정하는 Ceramic Compound로 개발되는 센 싱부는 유전율이 500근처인 Srl'iO3 계열의 세라믹 컴파운드 에다 적정 첨가제를 배합한 소체를 원통형으로 수십 kg/cm2의 압력으로 성형/소성하는 자기화 공정을 거친 후 표면 연 마과정으로 각 소체를 완성한다. 또한, 소체의 양쪽 전극 면 에 은(Ag)으로 프린팅 후 800 [℃]로 소성한 금속 전극층을 형성하는 구조로 하여 기계적 접착력을 높였다. 다음으로 소체결합 공정에서 필요한 직렬연결 수량인 4개 기본소체를 연결하는 구조로 구성하였다.
- 본 논문에서는 발전기 고정자 권선의 각상 인출단 부분의 2곳에 센서를 부착하여 발전기 운전중에 발생되는 부분방전을 센 싱하는 접촉식 센서는 센싱부인 세라믹 소체와 기계적 지지 및 전 기적 절연부인 에폭시 몰딩부로 설계하여 제작되었다.
- 본 논문에서는 수력발전기 고정자 권선에서 발생되는 부 분방전 현상을 On-line으로 측정, 분석 및 진단하는 센서와 시스템을 제시하였고, 대청댐 발전소 #2 발전기에 국내 최초 로 설치하여 운전중 측정을 실시한 것으로 다음과 같은 결 론을 얻었다.
- 본 연구에서 개발한 CC에 이용된 Ceramic Compound는 온도보상용 계열로서 온도에 따른 용량변화가 직선적이며 유전율의 온도의존성도 적은 재료를 선택하여 제작하였다. Coupler의 정전용량(C) 설계는 식 (1)과 같이 할 수 있다.
- 차동 증폭된 신호와 부분방전 측정용 신호는 고속의 Peak Detector & Hold 회로에서 60 [Hz] 한주기 동안 3,600 point의 peak 신호만을 A/D Sampling하여, Digital Data로 내부 Ram에 저장한다. 저장된 Data는 Ethernet 혹은 RS485 통신으로 PC로 전송하며, 모니터링 소프트웨어에 의해 취득 된 부분방전 신호를 진단알고리즘을 이용하여 분석/진단/관 리하고, 이를 데이터 베이 스화하도록 구성 하였다.
- 이용된 고주파 동축케이블 길이 선정은 계통측에서 들어오는 외부잡음의 영향을 최소화하기 위하여 센서가 설치된 각상의 부스 길이만큼 신호전송에 필요한 길이를 보상해 주도록 1차 선정하였다. 최종 동축케이블 길이를 선정하기 위하여 그림 12와 같이 교정용 펄스(NPG-2 Calibrator 이용)를 센서 양단에 인가하여 전송시간차가 5 [ns] 이내에 들어오도록 조정하는 방법으로 실시하였다.
- （1） 수력발전기의 운전중에 고정자 권선에서 발생하는 부 분방전 신호의 측정이 가능한 150 [pF] 세라믹 재질을 이용한 13 [kV]급 세라믹 커플러 부분방전 센서를 세계 최초로 개발하였다.
대상 데이터
- 3) Amplifier & Filter Stage : 증폭단은 2개의 Relay와 2개의 OP-amp로 구성되어 총 4가지의 증폭비를 가지며, 입력 신호의 크기에 따라 적당한 증폭비가 선택된다. 제작된 기본 Band-pass Filter 회로는 50 [kHz] ~ 100 [MHz] 대 역이다.
- 이와 같이 제작된 4단 직렬연결 소체에 내부단자를 결합 하고, 외부에 연면방전 방지 및 기계적 지지를 위하여 진공 속에서 에폭시로 성형 몰딩하는 스텍화 공정으로 완성된 13 [kV]급 접촉식 부분방전 센서를 나타낸 것이 그림 2이며, 이를 제작하기 위한 최종 설계도를 나타낸 것이 그림 3이다. 최종 제작된 제품은 높이 125 [mm], 직경 90 [mm]이며, 이 제품의 개발 기준 및 최종 개발 후 완성된 상용품의 성 능은 다음과 같이 나타났다.
성능/효과
- 3) Amplifier & Filter Stage : 증폭단은 2개의 Relay와 2개의 OP-amp로 구성되어 총 4가지의 증폭비를 가지며, 입력 신호의 크기에 따라 적당한 증폭비가 선택된다. 제작된 기본 Band-pass Filter 회로는 50 [kHz] ~ 100 [MHz] 대 역이다.
- 그러므로 개발된 센서는 30 [kV] 인가전압 하에서 2,500 시간 동안 열화의 징후가 나타나지 않았으므로, 최소조건인 수명지수 4.8을 이용한 전기적 수명기간인 220년 동안 안전 성이 확보된 것으로 판단되어졌다.
- 즉, 절연층 내의 보이드에 고전압이 인가되면 부분방전으로 도전성 경로가 형성되어 보이드가 도전체의 역할을 하게 되므로 절연간격이 짧아지는 효과를 가져와 절연파괴 전압은 저하하게 된다. 또한, 운 전상태의 열적 열화로는 무기재료인 마이카의 성능은 크게 변화가 없지만, 유기재료인 에폭시 수지에서는 분자 분해와 산화를 발생시키는 화학적 과정이 수반되므로, 결과적으로 마이카와 에폭시 표면의 결합력이 감소되어 마이카와 에폭시 사이의 계면에서 박리현상이 나타나게 된다. 이곳에 기 동과 정지의 반복에 의한 열-기계적 응력이 가해지면 박리 가 증가되어 결함이 성장하게 된다.
- 접촉식 센서에서 절연기능은 2종류의 절연재료가 병렬 복 합으로 사용되어지는 구조이고, 이들 절연물의 최소 수명지 수는 앞서 파악한 결과에서 나타난 것과 같이 에폭시 절연 물은 n=6, 세라믹 컴파은드는 n=7.45로 나타났다. 수명지수 를 선정함에 있어서 적은 값을 기준으로 하고 여기에 시험 상 안전율 20 [%]를 감안하여 선정된 수명지수 ne 4.
- （2） 개발된 CC 부분방전 센서는 주파수 응답특성, 부분방 전 개시전압, 유전정접 및 건조섬락 전압을 측정한 결과 초 기성능이 매우 우수한 것으로 나타났으며, 전압열화 수명 계 산에서도 200년 이상의 수명이 산출되어져 현장에 설치하여 사용하여도 충분한 안전성이 확보된 것으로 판단되어졌다.
- （3） 부분방전 검출 및 모니터링을 위한 측정시스템인 PDMS-HG를 개발하였고, 센서와 시스템의 현장설치를 완 료하였다.
- （5） 측정시스템의 경우도 현장측정 결과를 통하여 기동시에 측정되어진 결과는 경향관리에 이용됨이 곤란한 것으로 나타났으며, 추출된 부분방전 인자를 이용한 측정이 충분한 가능성이 있는 것으로 판단되어졌다.
후속연구
- 그리고 꾸준한 Database 확보를 통하여 추가 분석을 실 시하고, 이를 토대로 측정정도 및 분석기술의 향상이 가능할 것으로 기대된다.
- 본 논문에서는 국내 수력발전소 중 25년 동안 가동중인 13 ［kV］급 대청댐 발전기 고정자 권선의 안정적 운전을 위하여 개발된 On-line 부분방전 측정용 Capacitive Coupler인 세계 최초 적용되는 Ceramic Coupler (CC)의 설계, 제작 및 가장 중요한 장기 사용상 절연파괴 가능성을 평가하는 신뢰 성 실험 등에 대하여 기술하였다. 또한, 본 논문을 통하여 자체 제작된 운전중 부분방전 측정시스템은 현장조건을 고려한 잡음제거 기법 구현, 센싱된 방전펄스를 신호처리하는 측정 Transducer 및 진단 알고리즘을 지닌 운전중 측정시스 템으로 구축하였다［6] 아울러 이들 센서 및 시스템을 국내 최초로 대청댐 2호 발전기에 설치를 완료하여 현재 운전증 상태에서의 Raw Database를 구축 중에 있으며, 이 결과를 이용하여 향후 절연상태 판정기준의 향상에 이용할 예정이다.
- 그림 15의 MPM 및 POE 측정중 크기의 큰 변동이 있는 부분은 분석결과 1일 1-2회 기동되는 동절기 운전 특성으로 초기 운전상태에서 나타나는 것으로 나타나 기동시점 회 측정 Data를 제거하면 일정하게 나타나는 것으로 판단되어 졌다. 이 현상을 제외한 MPM 및 POE의 설정은 정확한 것으로 나타났으며, POA의 경우는 변동 폭이 상대적으로 심 하여 2차 잡음제거 기법의 보완 또는 설정조건의 수정 등을 위한 추가 분석을 실시할 예정에 있다. 이를 토대로 측정정도 및 분석기술의 향상에 이용할 예정이다.
- 이 현상을 제외한 MPM 및 POE의 설정은 정확한 것으로 나타났으며, POA의 경우는 변동 폭이 상대적으로 심 하여 2차 잡음제거 기법의 보완 또는 설정조건의 수정 등을 위한 추가 분석을 실시할 예정에 있다. 이를 토대로 측정정도 및 분석기술의 향상에 이용할 예정이다.
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