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문제 정의
- 본 논문에서는 UHF 전자기파 신호가 전력용변압기 내에서 전파하는 특성을 실험을 통하여 규명함으로써 결함위치 추정분야 기술진전에 기여하고자 한다.
제안 방법
- 154 kV, 15/20 MVA 표준 단상변압기와 동일한 규격으로 실험용 변압기를 제작하여 부분방전에 의한 전자기파의 전파특성에 대해 실험을 하였다.
- 권선부분은 그림 3과 같이 좌, 우 양측에 모형권선을 배치하였으며, 우측 (출입문측) 권선은 실제권선과 동일한 권선을 중간높이에 배치하고, 좌측권선은 금속제 원통형으로 권선을 모사하였다.
- 방전 전원으로는 임펄스 발생기 (Impulse noise generator, INS-410, 일본 Noise Laboratory사)를 이용하여 300～400 V의 임펄스를 인가하여 방전을 발생시켰다. 또한 발생된 전자기파 방전신호는 센서로부터 초고속 오실로스코프 (DPO71254, 미국 Tektronix, sampling=50 GS/s, bandwidth=12.5 GHz)를 사용하여 측정하였다.
- 또한, 회절전파에 의한 신호의 파두부분 주파수 영향을 측정하기 위하여 방전 갭을 그림 6과 같이 센서 8의 전면에 위치시켜놓고 직선전파 경로에 있는 센서 3과, 비슷한 전파거리에서 회절전파 경로를 갖는 센서 9에서 신호를 취득하여 파두부분 주파수 분포를 측정하여 비교하였다. 또한 회절전파 과정에서 신호크기 감쇠효과를 측정하기 위하여 센서 8의 전면에 방전갭을 위치시켜 둔 상태에서 서로 비슷한 거리에 있으면서 권선표면을 따라 회절전파 경로를 갖는 센서 4와 금속원통 표면을 따라 회절전파 경로를 갖는 센서 9에서 신호를 취득하여 서로를 비교하였다.
- 전자기파의 전파특성 중 직선전파와 회절전파에 의한 소요시간을 비교측정하기 위하여 방전 갭을 그림 5와 같이 변압기의 정 중앙에 위치시켜 센서 1과 5에서는 직선전파 시간을, 센서 4와 9에서는 회절전파 시간을 측정하였다. 또한, 회절전파에 의한 신호의 파두부분 주파수 영향을 측정하기 위하여 방전 갭을 그림 6과 같이 센서 8의 전면에 위치시켜놓고 직선전파 경로에 있는 센서 3과, 비슷한 전파거리에서 회절전파 경로를 갖는 센서 9에서 신호를 취득하여 파두부분 주파수 분포를 측정하여 비교하였다. 또한 회절전파 과정에서 신호크기 감쇠효과를 측정하기 위하여 센서 8의 전면에 방전갭을 위치시켜 둔 상태에서 서로 비슷한 거리에 있으면서 권선표면을 따라 회절전파 경로를 갖는 센서 4와 금속원통 표면을 따라 회절전파 경로를 갖는 센서 9에서 신호를 취득하여 서로를 비교하였다.
- 변압기 내부에서 전자기파 부분방전 신호의 전파특성을 파악하기 위하여 실험용 변압기를 설계제작하였다. 설계한 변압기는 국내에 가장 많이 사용하고 있는 154 kV, 15/20 MVA 표준 단상변압기와 동일한 규격으로 하였으며 실제 변압기에 있는 방열기, 콘서베이터, OLTC (on load tap changer) 등은 제외하였고 그 외 권선과 철심 같은 변압기 주요 부품은 최대한 실제 변압기와 동일하게 제작하였다.
- 그림 2와 같이 변압기 전면에는 부분방전원의 교체와 권선 교체가 용이하도록 사람이 출입할 수 있는 출입문을 설치하였고, 측면 하부에는 고전압을 인가하고 센서의 신호를 취득할 수 있도록 연결부(feed through)를 배치하였다. 상판에는 부싱이 설치되는 구조이며 변압기 내부에 장착되는 철심은 중량을 줄이고 조립과 분해가 용이하도록 적층철심의 실제크기와 같은 외형을 갖도록 금속원통 구조로 하였다.
- 실험용 변압기에 적용된 감시창은 지름이 150 mm이며 여기에 적합하도록 등각 스파이럴 형태의 센서를 다수 제작하였다. 센서를 감시창에 설치한 후 제작상의 결함 또는 오차를 확인하기 위하여 Network analyzer (일본 Anritsu사 S331)을 이용하여 그림 4와 같이 반사손실을 측정하였다. 제작된 모든 센서의 반사손실 측정결과로부터 가장 유사한 12종을 선택하여 실험용 변압기의 센서창에 설치하였다.
- 실험용 변압기 외함은 절연유의 압력을 견딜 수 있도록 실제사용 변압기와 유사한 강도를 갖도록하였다. 전자기파 방전신호 검출용 UHF PD 센서의 설치를 위해 그림 1과 같이 외함의 전면에 3개, 후면에 4개, 상판에 3개, 측면에 각 1개를 설치하여 총 12개의 감시창을 설치하였다. 그림 2와 같이 변압기 전면에는 부분방전원의 교체와 권선 교체가 용이하도록 사람이 출입할 수 있는 출입문을 설치하였고, 측면 하부에는 고전압을 인가하고 센서의 신호를 취득할 수 있도록 연결부(feed through)를 배치하였다.
- 전자기파의 전파특성 중 직선전파와 회절전파에 의한 소요시간을 비교측정하기 위하여 방전 갭을 그림 5와 같이 변압기의 정 중앙에 위치시켜 센서 1과 5에서는 직선전파 시간을, 센서 4와 9에서는 회절전파 시간을 측정하였다. 또한, 회절전파에 의한 신호의 파두부분 주파수 영향을 측정하기 위하여 방전 갭을 그림 6과 같이 센서 8의 전면에 위치시켜놓고 직선전파 경로에 있는 센서 3과, 비슷한 전파거리에서 회절전파 경로를 갖는 센서 9에서 신호를 취득하여 파두부분 주파수 분포를 측정하여 비교하였다.
- 센서를 감시창에 설치한 후 제작상의 결함 또는 오차를 확인하기 위하여 Network analyzer (일본 Anritsu사 S331)을 이용하여 그림 4와 같이 반사손실을 측정하였다. 제작된 모든 센서의 반사손실 측정결과로부터 가장 유사한 12종을 선택하여 실험용 변압기의 센서창에 설치하였다.
- 직선경로와 회절경로에 의해 전파되는 신호의 파두부에 대한 주파수 특성을 비교하기 위해 방전원을 센서 8의 전면에 배치해 둔 상태에서 센서 3과, 방전원으로 부터 유사한 회절경로를 갖는 센서 9 에서 측정한 두 신호의 파두부분 주파수 분포를 그림 9와 같이 분석하였다. 그림에서 센서 9의 파두부 고주파 성분이 센서 3보다 작음을 알 수 있으며 이는 회절에 의해 파두부의 고주파수 성분이 낮아졌음을 의미한다.
대상 데이터
- 방전원으로는 수직 및 수평편파를 동시에 발생시키는 방전 갭 (BBS75, 미국 Citel사)을 절연유를 채우지 않은 상태에서 실험의 용도에 알맞게 위치를 옮겨가며 사용하였다. 방전 전원으로는 임펄스 발생기 (Impulse noise generator, INS-410, 일본 Noise Laboratory사)를 이용하여 300～400 V의 임펄스를 인가하여 방전을 발생시켰다.
- 변압기 내부에서 전자기파 부분방전 신호의 전파특성을 파악하기 위하여 실험용 변압기를 설계제작하였다. 설계한 변압기는 국내에 가장 많이 사용하고 있는 154 kV, 15/20 MVA 표준 단상변압기와 동일한 규격으로 하였으며 실제 변압기에 있는 방열기, 콘서베이터, OLTC (on load tap changer) 등은 제외하였고 그 외 권선과 철심 같은 변압기 주요 부품은 최대한 실제 변압기와 동일하게 제작하였다. 실험용 변압기 외함은 절연유의 압력을 견딜 수 있도록 실제사용 변압기와 유사한 강도를 갖도록하였다.
- 실험용 변압기에 적용된 감시창은 지름이 150 mm이며 여기에 적합하도록 등각 스파이럴 형태의 센서를 다수 제작하였다. 센서를 감시창에 설치한 후 제작상의 결함 또는 오차를 확인하기 위하여 Network analyzer (일본 Anritsu사 S331)을 이용하여 그림 4와 같이 반사손실을 측정하였다.
성능/효과
- 방전신호가 전파과정에서 권선표면을 회절경로로 갖는 경우 신호 크기가 금속표면의 경우에 비해 크게 감쇠함을 확인할 수 있었다.
- 부분방전에 의한 전자기파 신호가 변압기 내부를 전파하는 경로는 다양하나 센서에서 측정되는 신호의 파두부를 결정하는 전파경로는 직선경로에 의하며, 직선경로 상에 지장물이 있을 경우에는 탱크면에 의한 반사에 의해서가 아니라 지장물의 표면을 따라 회절하는 경로를 따라 전파함을 알 수 있었다.
- 전자기파 신호가 변압기 내부를 전파할 때 직선경로와 회절경로에 의해 신호 파두부에 대한 주파수 분포에 미치는 영향을 비교한 결과 회절과정에서 신호 파두부의 고주파수 성분이 직선경로에 비해 상대적으로 더 작아짐을 알 수 있었다. 방전위치 정확도를 높이기 위해서는 즉, 신호 시작점을 정확히 파악하기 위해서는 신호 파두부의 고주파 성분이 클 필요가 있음을 감안할 때 신호전파 경로 상에서 회절경로가 길수록 위치추정 정확도는 낮아질 것으로 예측된다.
후속연구
- 본 실험결과에서 얻은 전자기파 전파특성은 변압기내 결함위치 추정 정확도를 높이는 데에 필요한 기본 기술로서 뿐만 아니라 센서의 배치기술 확보에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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