[논문]고압 회전기 부분방전 신호에 혼합된 인접상 유도 잡음 제거 기법

윤영우; 이상화; 황돈하; 추영배; 강동식

문제 정의

본 논문에서는 운전중 고압 회전기 고정자 권선의 부분 방전 신호에서 국내 최초로 발견한 인접상 유도 잡음을 제거하기 위하여 계측 신호의 위상 대 개수 분포 정보를 이용하여 인접상 유도 잡음을 제거하는 알고리즘을 제안하였다. 알고리즘의 검증을 위하여 부문방전 측정 시스템올[5] 통해 측정한 대청댐 13[kV]급 수력 발전기 고정자 권선의 부분 방전 신호에 제안 알고리즘을 적용하였다.
본 논문에서는 종래의 하드웨어적 잡음제거 기법에서 해결하지 못한 고압 회전기에서 발생되는 부분방전 신호에 유입된 인접상 유도 잡음을 제거하기 위하여 신호의 위상 대 크기 분포 정보를 이용한 잡음제거 알고리즘을 제안하고 그 순서도를 그림 7에 나타내었다.
현재 상용화 되어 고압 회전기에 적용되고 있는 외부잡음 제거 방법인 Filtering 기법과 차동(Differential)기법은 외부잡음 신호 중저 주파 외부 잡음과 전 위상에 걸쳐 비슷한 크기로 나타날 확률이 높은 백색 잡음은 효과적으로 제거하지만, 인접 상에서 발생된 부분방전 신호가 유도에 의하여 특정 위상에 집중적으로 혼입된 인접상 유도 잡음을 제거하지 못하여 부분 방전 신호 분석의 신뢰성을 저하하는 문제를 야기한다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 본 논문에서는 대청댐 13[kV]급 수력발전기 고정자 권선에서 160[pF]용량의 접촉식 Capacitive Coupler를 Directional 방법으로 장착하여 [5] 측정한 부분방전 신호에서 국내 최초로 발견한 인접상 유도잡음의 특성을 분석하고, 이를 고려하여 부분방전 신호는 최대한 유지하면서 인접상 유도 잡음을 제거하는 알고리즘을 제시 하였다.

제안 방법

이를 해결하기 위하여 개발 및 Filtering 기법적용 후에 적용되는 차동기법은 그림 5에 나타낸 것과 같이각 상에 2개의 센서를 설치하여 부분방전 신호의 시간 지연을 발생시켜 부분방전 신호와 비슷한 대역의 외부 잡음을 제거한다. 구체적으로, 서로 다른 위치에 2개의 접촉식 부분 방전 센서를 설치하고, 두 센서 간의 거리 L1은 부분 방전 신호와 외부 잡음의 신호 지연을 고려하여 결정하고, 센서의 출력 라인 길이 L2는 "의 길이에 의해 발생하는 외부 잡음의 시간 지연을 보상할 수 있는 길이를 고려하여 결정한다.
계측하였다. 각 신호는 부분방전 신호의 발생 주파수 대역을 고려한 3[MHz] - 100[MHz] 대역의 Band-Pass Filter를 통과한 후 4중의 고속의 Peak Detector & Hold 회로에서 60[Hz] 한주기 동안 3600개의 Peak 신호만을 A/D 샘플링 하여 계측하였고 이러한 신호를 120주기 누적하여 표현하였다.
신호의 계측은 25년 이상 가동 중인 대청댐 13[kV]급 수력발전기 고정자 권선에서 160[pF]용량의 접촉식 Capacitive Coupler를 그림 3과 같이 Directional 방법으로 장착⑸하여 운전 상태의 고압 회전기에서 부분방전 신호를 계측하였다. 각 신호는 부분방전 신호의 발생 주파수 대역을 고려한 3[MHz] - 100[MHz] 대역의 Band-Pass Filter를 통과한 후 4중의 고속의 Peak Detector & Hold 회로에서 60[Hz] 한주기 동안 3600개의 Peak 신호만을 A/D 샘플링 하여 계측하였고 이러한 신호를 120주기 누적하여 표현하였다.
알고리즘의 검증을 위하여 부문방전 측정 시스템올[5] 통해 측정한 대청댐 13[kV]급 수력 발전기 고정자 권선의 부분 방전 신호에 제안 알고리즘을 적용하였다. 그 결과 종래의 하드웨어적 잡음제거 기법인 Filtering 기법 및 차동기법으로는 제거하지 못한 인접상 유도잡음을 부분방전 신호는 최대한 유지하면서 제거함을 확인할 수 있었다.

성능/효과

그 결과 그림 6에 도시된 바와 같이, 차동 기법은 백색 잡음 제거에는 효과적이지만, 인접한 상의 크기가 큰 부분방전 신호가 유도되어 혼입된 A, C상, 특히 C 상에 대해서는 인접상 유도 잡음을 제거하지 못함을 알 수 있다. 따라서 보편적으로 이용되고 있는 기존의 하드웨어적 잡음 제거 기법들은 인접상 유도 잡음이 발생할 시에 이를 제거하지 못함으로써 부분방전 신호 분석의 신뢰성을 저하시킴을 알 수 있다.
알고리즘의 검증을 위하여 부문방전 측정 시스템올[5] 통해 측정한 대청댐 13[kV]급 수력 발전기 고정자 권선의 부분 방전 신호에 제안 알고리즘을 적용하였다. 그 결과 종래의 하드웨어적 잡음제거 기법인 Filtering 기법 및 차동기법으로는 제거하지 못한 인접상 유도잡음을 부분방전 신호는 최대한 유지하면서 제거함을 확인할 수 있었다. 또한 제안 알고리즘은 기존의 차동 기법과 연동이 용이하여 인접상 유도 잡음이 존재하는 부분방전 신호일 경우에도 기존 기법의 성능을유지시킬 수 있는 장점을 확인할 수 있었다, 그러므로 본 논문에서 제안한 인접상 유도잡음 제거 알고리즘은 고압 회전기기 절연상태 진단의 신뢰성을 크게 향상시킴과 함께 상당한 상업적 - 경제적 효과가 기대되리라 판단된다.
그림 9에서 볼 수 있듯이 본 논문에서 제안한 인접상 유도 잡음 제거 알고리즘은 종래의 하드웨어적 잡음 제거 기법으로는 해결할 수 없었던 문제인 인접상 유도 잡음을 효과적으로 제거함을 알 수 있다.
크기 분포를 점으로 표현한 예이다. 그림에서 볼 수 있듯이 실제 현장에서 계측된 신호는 Band-Pass Filter를 통과하더라도 부분방전 신호뿐만 아니라 부분방전 신호와 같은 주파수 대역에서 발생한 외부 잡음이 함께 측정됨을 알 수 있다. 구체적으로, 다른 상에 비해 부분방전 신호의 크기가 큰 B상은 부분방전 신호와 외부 잡음 중 전 위상에 걸쳐 비슷한 크기로 나타날 확률이 높은 백색 잡음이 관찰되는 반면, A상과 C상의 경우에는 부분방전 신호와 백색잡음 뿐만 아니라 각각 B 상 A, B 상으로 추정되는 인접 상에서.
또한 제안 알고리즘을 기존의 하드웨어적 잡음제거 기법인 차동(Diff亦ntial)기법과 결합하여 그림 4의 신호에 적용한 결과인 그림 10에서 볼 수 있듯이 본 논문의 제안 기법은 종래 기술과의 연동이 쉬울 뿐만 아니라 종래 기술과의 결합을 통해 부분방전 신호에 혼입된 외부잡음인 백색 잡음과 인접상 유도 잡음을 보다 효과적으로 동시에 제거함을 알 수 있다.

후속연구

그 결과 종래의 하드웨어적 잡음제거 기법인 Filtering 기법 및 차동기법으로는 제거하지 못한 인접상 유도잡음을 부분방전 신호는 최대한 유지하면서 제거함을 확인할 수 있었다. 또한 제안 알고리즘은 기존의 차동 기법과 연동이 용이하여 인접상 유도 잡음이 존재하는 부분방전 신호일 경우에도 기존 기법의 성능을유지시킬 수 있는 장점을 확인할 수 있었다, 그러므로 본 논문에서 제안한 인접상 유도잡음 제거 알고리즘은 고압 회전기기 절연상태 진단의 신뢰성을 크게 향상시킴과 함께 상당한 상업적 - 경제적 효과가 기대되리라 판단된다.

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