[논문]6.6 kV 회전기 고정자 권선에서 부분방전 신호 검출을 위한 평면 패치 센서 설계

임광진; 박노준; 김희동; 주영호; 박대희

doi:10.4313/jkem.2008.21.5.481

6.6 kV 회전기 고정자 권선에서 부분방전 신호 검출을 위한 평면 패치 센서 설계
The Design of a Planar Patch Sensor for Partial Discharge Diagnosis in 6.6 kV Rotating Machine Stator Windings 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.21 no.5, 2008년, pp.481 - 485

임광진 (원광대학교 전기전자 및 정보공학부) , 박노준 (원광대학교 전기전자 및 정보공학부) , 김희동 (한국전력공사 전력연구원) , 주영호 (한국전력공사 전력연구원) , 박대희 (원광대학교 전기전자 및 정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In stator windings of 6.6 kV rotating machine, corona discharge, surface discharge and internal discharge are caused mainly by internal voids and insulation degradation. Also, if partial discharge occurs in inner-part of stator windings, it will be happened electromagnetic pulses at wide frequency range. In case of discharge spark, electromagnetic pulse generated from discharge source, and we can detect it by using various RF resonators as an EM sensor. In order to detect these kind of electromagnetic sources, we have designed and fabricated planar patch sensor using CST MWS simulation, and also PD signals from artificial defected cable were measured by our proposed sensor. Furthermore, HFCT was used as a reference sensor and compared with our proposed new planar patch sensor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 회전기 고정자 권선에서 100 kHz ~ 수백 MHz 범위에 발생되는 부분방전 신호를 검출하기 위해서 광대역 평면 패치 센서를 제작하였으며, 실제 현장에서 이용되고 있는 证CT 센서와 평면 패치 센서로 코로나 방전, 내부방전, 표면방전의 신호를 측정하여 검출 성능을 비교하였다. HFC₇T 센서는 10-50 MHz와 60 - 80 MHz 주파수 범위에서 최대 -25 dBm 크기의 부분방전 신호검출 성능을 보였고, 평면 패치 센서는 10 ~ 20 MHz 와 108 ~ 177 MHz, 206 ~ 310 MHz 대역에서 최대 -23 dBm 크기의 부분방전 신호 검출 성능을 보였다.
본 연구에서는 절연파괴의 초기현상인 부분 방전 신호 검출을 위해 광대역 평면 패치 센서를 설계하였다. 또한 설계된 평면 패치 센서와 HFCT (High Frequency Current Transformer)센서로 모의결함을 가지고 있는 고정자 권선을 측정하였고, 이 두 개의 센서를 통해 스펙트럼 아날라이저 (spectrum analyzer)에서 얻어지는 데이터를 비교하여 부분방전의 검출 성능에 대하여 살펴보았다.

제안 방법

HFCT 센서와 평면 안테나 센서로 모의 결함을 가지고 있는 고정자 권선에 4.5 kV, 6.6 kV의 전압을 인가하여 센서의 검출 특성을 측정하였다.
또한 설계된 평면 패치 센서와 HFCT (High Frequency Current Transformer)센서로 모의결함을 가지고 있는 고정자 권선을 측정하였고, 이 두 개의 센서를 통해 스펙트럼 아날라이저 (spectrum analyzer)에서 얻어지는 데이터를 비교하여 부분방전의 검출 성능에 대하여 살펴보았다.
본 논문에 사용된 평면 패치 센서는 마이크로 스트립의 형태로서 다양한 급전 방법과 패치 형태에 의해 그 특성이 달라진다. 평면 패치 센서는 매우 얇은 금속박인 CPWG(Coplanar Waveguide Ground) 급전부와 평판 패치 (patch) 그리고 접지면으로 구성되어 있다.
일반적으로 센서가 가지고 있는 신호 검출 대역은 다르나 실제 현장에서 이용되고 있는 HFCT 센서와 기존의 제작된 평면 패치 센서로 부분 방전 신호를 측정하여 부분방전 신호 검출 성능을 알아보았다.
제작된 평면 패치 센서의 크기는 가로 5 cm, 세로 15 cm 이며, 이 센서를 이용하여 코로나 방전, 내부방전, 표면방전등의 모의 결함을 가지고 있는 고정자 권선에서 부분방전 신호를 측정하였다. 측정 시스템은 그림 4와 같이 구성도를 나타냈으며, 전원공급장치(Tektronix), 스펙트럼 아날라이저 (Agilent, N₉₃20A, 9 kHz ~ 3 GHz), Notebook PC, 평면 패치 센서(150 MHz ~ 1.
제작된 평면 패치 센서의 크기는 가로 5 cm, 세로 15 cm 이며, 이 센서를 이용하여 코로나 방전, 내부방전, 표면방전등의 모의 결함을 가지고 있는 고정자 권선에서 부분방전 신호를 측정하였다. 측정 시스템은 그림 4와 같이 구성도를 나타냈으며, 전원공급장치(Tektronix), 스펙트럼 아날라이저 (Agilent, N₉₃20A, 9 kHz ~ 3 GHz), Notebook PC, 평면 패치 센서(150 MHz ~ 1.2 GHz) 및 HFCT(0 ~ 50 MHz) 센서로 구성하였다. 각각의 센서는 스펙트럼 아날라이저를 통해서 크기와 주파수 사이의 관계를 나타내었다.

대상 데이터

평면 패치 센서의 제작 시 사용할 재료는 5 T 우드락으로써 비유전율 @=1.06, 두께 h=5.7 mm이며, 급전 부와 ti, t2의 재질은 전기도체(PEC)로 하였다. 센서의 파라미터 값은 표1을 통해 나타내었으며, 급전부 (W5)는 5 mm이며, 급전부와 윗면 그라운드 사이 의거리(WQ는 3 mm, 평판 패치와의 거리(W2)는 5 mm의 간격을 유지하였다.

데이터처리

각각의 설정된 파라미터 값을 CSTMWS(Computer Simulation Technology Microwave Studio) 프로그램을 이용하여 그 특성을 확인하였으며, 이때 평면 패치 센서의 반사손실 값은 그림 2와 같다.

성능/효과

비교하였다. HFC₇T 센서는 10-50 MHz와 60 - 80 MHz 주파수 범위에서 최대 -25 dBm 크기의 부분방전 신호검출 성능을 보였고, 평면 패치 센서는 10 ~ 20 MHz 와 108 ~ 177 MHz, 206 ~ 310 MHz 대역에서 최대 -23 dBm 크기의 부분방전 신호 검출 성능을 보였다. 평면 패치 센서는 HFCT 센서 보다 더 넓은 검출 대역을 가지고 있어 다양한 주파수 범위에서 부분 방전의 신호를 검출할 수 있었으며, 검출 감도 또한 HFCT 센서와 비슷한 측정 능력을 가짐으로써 실제 센서로서의 사용 가능성을 확인할 수 있었다.
평면 패치 센서의 경우 코로나 방전에서 10 ~ 20 MHz와 120 ~ 160 MHz 그리고 250 ~ 310 M 田에서 부분 방전 신호가 측정 되 었으며, 최대 T7 dBm의 신호 크기를 나타내었다. 내부 방전에서는 10 ~ 15 MHz에서 -7 dBm 크기의 부분방전 신호와 108 ~ 138 MHz, 155 ~ 170 MHz, 240 ~ 265 MHz 에서 최 대 -16 dBm크기의 부분방전 신호가 검출되었고, 표면방전은 148 ~ 177 MHz와 206 ~ 250 MHz에서 -23 dBm 크기의 부분방전 신호가 검출되었다.
6 kV 인가했을 때 부분방전 신호는 10-40 MHz와 60-80 MHz 주파수 대역에서 최대 -15 dBm의 신호 크기가 측정 되었다. 내부방전은 10 ~ 30 MHz와 40-45 MHz에서 최대 -13 dBm의 부분방전 신호가 측정되었고, 표면방전은 20 ~ 50 MHz의 주파수 대역에서 -25 dBm의 부분방전 신호가 측정되었다.
두 센서의 측정 데이터를 비교 하였을 때 평면 패치 센서의 경우 코로나 방전과 내부방전에서 높은 측정 감도를 나타내었으며, 표면 방전 경우에는 HFCT 센서가 높은 측정 감도를 나타내었다. 또한 평면 패치 센서는 광대역 검출 범위를 가지고 있어 넓은 대역에서 부분방전 신호가 검출됨을 확인할 수 있었다.
따라서 HFCT 센서는 표면 방전에서 높은 측정 감도를 나타내었고, 인가된 전압이 높아짐에 따라 부분 방전 신호가 넓은 대역에서 분포 되었으며, 신호 크기 또한 증가하는 것을 확인할 수가 있었다. 평면 패치 센서의 경우 코로나 방전에서 10 ~ 20 MHz와 120 ~ 160 MHz 그리고 250 ~ 310 M 田에서 부분 방전 신호가 측정 되 었으며, 최대 T7 dBm의 신호 크기를 나타내었다.
높은 측정 감도를 나타내었다. 또한 평면 패치 센서는 광대역 검출 범위를 가지고 있어 넓은 대역에서 부분방전 신호가 검출됨을 확인할 수 있었다.
HFC₇T 센서는 10-50 MHz와 60 - 80 MHz 주파수 범위에서 최대 -25 dBm 크기의 부분방전 신호검출 성능을 보였고, 평면 패치 센서는 10 ~ 20 MHz 와 108 ~ 177 MHz, 206 ~ 310 MHz 대역에서 최대 -23 dBm 크기의 부분방전 신호 검출 성능을 보였다. 평면 패치 센서는 HFCT 센서 보다 더 넓은 검출 대역을 가지고 있어 다양한 주파수 범위에서 부분 방전의 신호를 검출할 수 있었으며, 검출 감도 또한 HFCT 센서와 비슷한 측정 능력을 가짐으로써 실제 센서로서의 사용 가능성을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (9)

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