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문제 정의
- 본 논문에서는 변압기류가 갖는 특수한 형태의 결함인 절연지 표면방전을 검출할 목적으로 표면 방전의 일종인 절연지 표면에서의 금속 이물질 결함에 의해 발생하는 부분방전 현상을 조사하고 이들 결함에 의한 전자기파 신호의 특성을 분석함으로써 변전소 변압기 고장예방에 기여하고 변압기 부분방전 상시감시시스템 개발을 위한 요소기술개발에 기여하고자 한다.
제안 방법
- 오실로스코프에서 측정된 신호는 인가전압 위상에 대한 신호의 크기로 변환 되어 컴퓨터로 전송되어 프로그램에 의해 PRPD 패턴으로 변환되어 표시된다. PRPD 패턴으로 변환할 때 측정에 사용한 필터에 의한 손실과 안테나 팩터는 고려하지 않았으며 모든 측정에서 같은 설정을 사용하여 상대적인 크기를 표시하였다. 전자기파 신호의 측정과 함께 겉보기 방전량을 IEC60270 방식에 의한 PD detector(Robinson, DDX 7000)를 이용하여 동시에 측정하였다.
- 전자기파 신호의 측정과 함께 겉보기 방전량을 IEC60270 방식에 의한 PD detector(Robinson, DDX 7000)를 이용하여 동시에 측정하였다. 모든 측정기는 인가전원의 위상에 동기하여 측정하였으며, 각각의 기기에서 측정된 결과는 PC로 전송하여 저장하고 분석하였다.
- 방전에 의한 전자기파 신호의 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 패턴을 얻기 위하여 PD cell에서 0.5 m 떨어진 위치에 혼 안테나를 설치하였다. 안테나에서 검출된 방전신호는 필터를 이용하여 잡음이 제거되고 오실로스코프(TDS7104, Tektronix)로 입력된다.
- 변압기 충전부에 금속이물이 접촉되어 있을 경우 발생하는 부분방전 현상을 검출하기 위해 그림 1의 표면방전 cell 내 고압측 전극 부위에 직경 0.5 mm 이하의 알루미늄 금속 이물질들을 절연지 표면에 접촉시킨 cell에 절연유를 충진하는 구조로 제작하였다. Cell에 충진한 절연유는 CPS사 제품의 FR3이며 이 제품의 절연파괴전압 크기는 56 kV@25℃(0.
- 전자기파 신호의 파형과 주파수 분포를 측정하기 위해 안테나에서 검출된 신호는 신호감쇠기와 분배기를 거쳐 오실로스코프(TDS7404, Tektronix)와 주파수 분석기(FSP7, Rohde & Schwarz)로 입력되도록 하였다. 이때 분배기와 신호감쇠기의 감쇠량을 조정하여 신호의 크기를 계측기의 입력범위에 맞도록 조절하였다. 획득한 주파수 분포로부터 안테나 팩터와 감쇠기 삽입손실(6.
- 전력용변압기 내부의 절연지 표면방전 결함의한 종류인 절연지 표면의 금속 이물질 결함을 모의한 PD cell을 제작하여 방전실험을 하였다. 금속 이물질 결함에 의한 방전현상은 인가전압이 증가할수록 겉보기 방전량은 급격히 증가하는 반면 전자기파 방전신호의 크기는 크게 증가하지 않았다.
- 전자기파 신호의 파형과 주파수 분포를 측정하기 위해 안테나에서 검출된 신호는 신호감쇠기와 분배기를 거쳐 오실로스코프(TDS7404, Tektronix)와 주파수 분석기(FSP7, Rohde & Schwarz)로 입력되도록 하였다.
- 이때 분배기와 신호감쇠기의 감쇠량을 조정하여 신호의 크기를 계측기의 입력범위에 맞도록 조절하였다. 획득한 주파수 분포로부터 안테나 팩터와 감쇠기 삽입손실(6.1 dB)을 보정하여 측정된 신호의 주파수에 대한 전기장의 크기를 산출하였다.
대상 데이터
- 0～50 kV의 60 Hz의 AC 전압을 20분 단위로 수 kV씩 증가시키면서 부분방전을 발생시켰다. PD에 의한 방사 전자기파 전기장의 세기를 측정하기 위해 PD cell과는 6 m 떨어진 위치에 교정된 대수 주기 안테나를 설치하였다. 전자기파 신호의 파형과 주파수 분포를 측정하기 위해 안테나에서 검출된 신호는 신호감쇠기와 분배기를 거쳐 오실로스코프(TDS7404, Tektronix)와 주파수 분석기(FSP7, Rohde & Schwarz)로 입력되도록 하였다.
- 절연지 표면 금속 이물질 결함에 의해 발생한 PD에 의해 방사되는 전자기파 신호의 파형과 주파수 분포와 방전패턴을 측정하기 위해 그림 2와 같은 실험 장치를 구성하였다. 방전을 모의하기 위해 그림 1과 같은 PD cell을 제작하여 사용하였다. 0～50 kV의 60 Hz의 AC 전압을 20분 단위로 수 kV씩 증가시키면서 부분방전을 발생시켰다.
이론/모형
- PRPD 패턴으로 변환할 때 측정에 사용한 필터에 의한 손실과 안테나 팩터는 고려하지 않았으며 모든 측정에서 같은 설정을 사용하여 상대적인 크기를 표시하였다. 전자기파 신호의 측정과 함께 겉보기 방전량을 IEC60270 방식에 의한 PD detector(Robinson, DDX 7000)를 이용하여 동시에 측정하였다. 모든 측정기는 인가전원의 위상에 동기하여 측정하였으며, 각각의 기기에서 측정된 결과는 PC로 전송하여 저장하고 분석하였다.
성능/효과
- 금속 이물질에 의한 전자기파 방전신호의 전기 장에 대한 주파수 분포와 크기를 그림 3과 그림4에서 살펴보면 2 GHz 이하의 전 대역에서 방전신호가 비교적 균등하게 발생하였다. 그러나 인가전압이 증가할수록 겉보기 방전량은 급격히 증가하는 반면 전자기파 방전신호의 크기는 상대적으로 조금 증가하였다. 이는 인가전압의 증가에 따라 방전신호가 상대적으로 저주파 영역에서 주로 증가하였음을 의미한다.
- 금속 이물질 결함에 의한 방전현상은 인가전압이 증가할수록 겉보기 방전량은 급격히 증가하는 반면 전자기파 방전신호의 크기는 크게 증가하지 않았다. 금속 이물질 결함에 대한 인가 전압별 전자기파 부분방전 신호의 PRPD는 인가전압 위상을 기준할때 1, 3사분면에서 비교적 일정한 크기의 방전신호가 발생하였으며 금속 이물질 결함의 PRPD는 타 결함과는 달리 다양하면서도 고유한 양상을 보였다. 본 실험 결과에서 얻은 방전의 특성은 전력용 변압기에서 발생하는 내부결함의 종류를 진단하는데에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 전력용변압기 내부의 절연지 표면방전 결함의한 종류인 절연지 표면의 금속 이물질 결함을 모의한 PD cell을 제작하여 방전실험을 하였다. 금속 이물질 결함에 의한 방전현상은 인가전압이 증가할수록 겉보기 방전량은 급격히 증가하는 반면 전자기파 방전신호의 크기는 크게 증가하지 않았다. 금속 이물질 결함에 대한 인가 전압별 전자기파 부분방전 신호의 PRPD는 인가전압 위상을 기준할때 1, 3사분면에서 비교적 일정한 크기의 방전신호가 발생하였으며 금속 이물질 결함의 PRPD는 타 결함과는 달리 다양하면서도 고유한 양상을 보였다.
- 고전압을 인가한 후 절연지의 상태를 관찰해 보면 그림 7과 같이 절연지의 중앙부에 있는 금속이물질로부터 외곽방향으로 백화된 영역을 확인할수 있었으며, 이는 표면방전이 발생한 증거라 하겠다. 이 실험에서 알 수 있듯이 금속 이물질에 의한 방전현상은 다양한 양상을 보임을 알 수 있다.
- 절연지 표면에 금속 이물질을 모의한 PD cell에 전압을 인가하였을 때 19 kV 에서 부분방전이 발생하기 시작하여 인가전압을 증가시킬수록 그림 3과 같이 방전량도 급격히 증가함을 알 수 있었다. 금속 이물질에 의한 전자기파 방전신호의 전기 장에 대한 주파수 분포와 크기를 그림 3과 그림4에서 살펴보면 2 GHz 이하의 전 대역에서 방전신호가 비교적 균등하게 발생하였다.
후속연구
- UHF PD 진단 기술은 GIS 예방진단 수단으로 신뢰성이 인정됨에 따라 본 기술을 보유하고 있는 국가들 중 일부에서는 전력용 변압기에도 적용할 목적으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 변압기는 GIS와는 달리 내부공간을 1차원이 아닌 3차원으로 해석해야하는 점과 전자기파 전파매질이 가스가 아닌 절연유라는 점, 부분방전 발생장소가 코일 내부 깊숙한 곳이 될 수 있다는 점, 절연체가 절연유뿐만 아니라 절연지 등 다양한 재료로 구성된다는 점, 내부 구조도 GIS와는 비교가 되지 않을 만큼 복잡한 점 등으로 인해 GIS용 UHF PD 진단 기술 개발 경험을 보유하고 있는 연구기관도 지금까지 상당한 기간의 연구노력에도 불구하고 상업용으로 사용할 만큼 만족스런 수준까지 도달하지 못하였으며 앞으로 많은 연구가 이루어질 것으로 예측된다[6-9]. 지금까지 각 나라의 연구결과들을 살펴보면 절연유 중에서 일어나는 부분방전에 의한 전자기파의 주파수 분포가 UHF 대역(300 MHz ～ 3 GHz)에도 고루 분포하고 있어서 GIS에서 개발된 기술의 상당부분을 활용하여도 어려움이 없을 것으로 보고 되고 있다.
- 금속 이물질 결함에 대한 인가 전압별 전자기파 부분방전 신호의 PRPD는 인가전압 위상을 기준할때 1, 3사분면에서 비교적 일정한 크기의 방전신호가 발생하였으며 금속 이물질 결함의 PRPD는 타 결함과는 달리 다양하면서도 고유한 양상을 보였다. 본 실험 결과에서 얻은 방전의 특성은 전력용 변압기에서 발생하는 내부결함의 종류를 진단하는데에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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