[논문]절연유중 부분방전 검출을 위한 안테나의 최적 설계

이정윤; 조향은; 박대원; 길경석; 오재근

doi:10.4313/jkem.2013.26.4.309

절연유중 부분방전 검출을 위한 안테나의 최적 설계
Optimal Design of an Antenna for the Detection of Partial Discharges in Insulation Oil 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.4, 2013년, pp.309 - 314

이정윤 (이엠아이테크(주)) , 조향은 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 박대원 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 길경석 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 오재근 (국립과학수사연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper dealt with the radiated electromagnetic wave detection of partial discharge (PD) in oil for insulation diagnostics of oil-immersed transformers. Three types of electrode system were fabricated to simulate the insulation defects that could occur in oil-immersed transformers. Frequency components of radiated electromagnetic wave in oil was measured by broadband bi-conical antennas of 300 MHz~2 GHz and a spectrum analyzer of 9 kHz~3 GHz. Frequency component of electromagnetic waves from PD in oil were highly distributed at 500 MHz. From the result, a narrow-band monopole antenna with the center frequency of 500 MHz was fabricated. We could detect PD signal in insulation oil without an influence of external noise by a measurement system which consists of the prototype monopole antenna, a LNA (Low Noise Amplifier), an oscilloscope and a spectrum analyzer.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

선행 연구 결과들에서 유중 부분방전에 의한 방사전자파를 검출하는 방법은 나타나 있지만, 최적 검출 주파수 대역에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 전자파 측정법에서 최적의 감도를 갖는 안테나를 설계하기 위하여 유중 부분방전에 의한 방사전자파 주파수 스펙트럼을 분석하였으며, 그 결과로부터 모노폴 안테나를 제작하고 성능을 검증하였다.
유입변압기 내부에서 코일이나 철심과 같은 구조물이 운전 중에 발생하는 진동과 충격 등의 기계적 스트레스에 의해 절연이 파괴되어 부분방전이 발생된다. 본 논문에서는 유입변압기 내부에서 발생 가능한 결함을 모의하기 위하여 침-평판, 평판-평판, 구-구 형태의 전극계를 제작하였으며, 구성을 그림 1에 나타내었다.
본 논문에서는 유입변압기의 절연진단을 위한 기술로 유중 부분방전 검출을 위한 모노폴 안테나의 최적 설계에 대하여 기술하였다.

제안 방법

3가지 형태의 전극계에서 부분방전 발생 시 전자파 스펙트럼을 분석한 결과, 약 500 MHz 대역의 성분이 가장 높게 나타났다. 따라서 최적의 감도를 갖는 주파수 대역을 500 MHz로 선정하고 유입식 변압기의 부분방전 측정시스템을 구성하기 위하여 중심주파수가 500 MHz인 모노폴 안테나를 제작하였다.
모노폴 안테나와 저잡음 증폭기, 오실로스코프 및 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정시스템을 구성하였으며, 유중 부분방전을 모의하였다.
오실로스코프와 스펙트럼 분석기를 사용하여 부분 방전에 의한 시제작 안테나의 출력신호와 주파수 스펙트럼을 분석하였으며, 그림 8～그림 10에 측정결과를 나타내었다.
유입변압기를 모의하기 위하여 금속제 외함 (740 mm⨯740 mm⨯1,000 mm)에 절연유를 채웠으며, 전극계와 주파수대역이 300 MHz～2 GHz인 광대역 바이코니칼 안테나 (bi-conical antenna)를 유중에 설치하였다. 유중에 위치한 전극계에 고전압을 인가하여 부분방전을 발생시켰으며, 스펙트럼 분석기 (9 kHz～3 GHz)를 사용하였다.
유입변압기의 절연시스템에서 발생할 수 있는 결함들을 모의하기 위하여 침, 평판, 구 및 프레스보드로 구성된 3가지 종류의 전극계를 제작하였고, 유중에 설치하여 부분방전의 발생을 모의하였다. 광대역 바이코니칼 안테나로 검출된 방사전자파의 주파수 스펙트럼을 분석한 결과, 500 MHz에서 가장 높게 나타났으며, 측정 결과로부터 중심주파수가 500 MHz인 모노폴 안테나를 제작하였다.
유중 부분방전의 방사전자파 측정시스템에 적용할 모노폴 안테나의 중심주파수를 선정하기 위하여 그림 2와 같이 실험계를 구성하고 결함전극별 주파수 스펙트럼을 분석하였다.
유입변압기를 모의하기 위하여 금속제 외함 (740 mm⨯740 mm⨯1,000 mm)에 절연유를 채웠으며, 전극계와 주파수대역이 300 MHz～2 GHz인 광대역 바이코니칼 안테나 (bi-conical antenna)를 유중에 설치하였다. 유중에 위치한 전극계에 고전압을 인가하여 부분방전을 발생시켰으며, 스펙트럼 분석기 (9 kHz～3 GHz)를 사용하였다.
평판 전극은 직경 30 mm, 두께 15 mm로 모서리 부분을 둥글게 처리하여 전계의 집중이 발생하지 않도록 설계하였으며, 구 전극은 지름 30 mm, 침전극의 곡률반경은 약 10 μm이다.

대상 데이터

시제작 모노폴 안테나와 전극계를 유중에 설치하고, 0～15 kV까지 전압을 인가하면서 부분방전을 발생시켰다. 방사전자파 신호의 검출에는 주파수 대역이 0.1 MHz～1.3 GHz, 이득 25 dB인 저잡음 증폭기를 사용하였다.
중심주파수가 500 MHz인 모노폴 안테나의 길이는 150 mm로 계산되며, 그림 5에 나타낸 것과 같이 모노폴 안테나를 제작하였다.

데이터처리

안테나는 하나의 입력단을 가진 소자이므로 입력 반사계수를 의미하는 S11만 존재하며, 특정 주파수에서 S11이 낮으면 송·수신 효율이 높아지므로, 이를 측정하면 최대 감도의 주파수 대역을 알 수 있다. 따라서 제작된 모노폴 안테나의 전파 특성을 평가하기 위하여 측정 주파수대역이 40 MHz～40 GHz인 네트워크 분석기 (Anritsu 37369D)를 사용하여 S11을 측정 하였으며, 그림 6에 결과를 나타내었다. 시제작 모노폴 안테나는 설계 이론과 동일한 중심 주파수인 500 MHz 부근에서 최대 감도를 갖는 것으로 나타났다.

성능/효과

3가지 형태의 전극계에서 부분방전 발생 시 전자파 스펙트럼을 분석한 결과, 약 500 MHz 대역의 성분이 가장 높게 나타났다. 따라서 최적의 감도를 갖는 주파수 대역을 500 MHz로 선정하고 유입식 변압기의 부분방전 측정시스템을 구성하기 위하여 중심주파수가 500 MHz인 모노폴 안테나를 제작하였다.
유입변압기의 절연시스템에서 발생할 수 있는 결함들을 모의하기 위하여 침, 평판, 구 및 프레스보드로 구성된 3가지 종류의 전극계를 제작하였고, 유중에 설치하여 부분방전의 발생을 모의하였다. 광대역 바이코니칼 안테나로 검출된 방사전자파의 주파수 스펙트럼을 분석한 결과, 500 MHz에서 가장 높게 나타났으며, 측정 결과로부터 중심주파수가 500 MHz인 모노폴 안테나를 제작하였다.
따라서 제작된 모노폴 안테나의 전파 특성을 평가하기 위하여 측정 주파수대역이 40 MHz～40 GHz인 네트워크 분석기 (Anritsu 37369D)를 사용하여 S11을 측정 하였으며, 그림 6에 결과를 나타내었다. 시제작 모노폴 안테나는 설계 이론과 동일한 중심 주파수인 500 MHz 부근에서 최대 감도를 갖는 것으로 나타났다.
시제작 안테나의 출력신호와 주파수 스펙트럼을 분석한 결과, 침-평판 전극에서 445 MHz～535 MHz, 평판-평판과 구-구 전극에서는 각각 450 MHz～510 MHz 및 470 MHz～560 MHz 대역에서 스펙트럼이 크게 나타났으며, 외부 노이즈의 영향없이 유중 부분 방전을 검출할 수 있었다.
침-평판 전극에서 부분방전 발생 시, 445 MHz～535 MHz 대역에서 스펙트럼이 높게 분포하였으며, 평판-평판과 구-구 전극에서는 450 MHz～510 MHz 및 470 MHz～560 MHz 대역에서 스펙트럼이 높게 나타났다. 실험 결과, 시제작 모노폴 안테나를 이용하여 부분방전에 의해 발생하는 방사전자파를 외부 노이즈의 영향없이 검출할 수 있었다.
침-평판 전극에서 부분방전 발생 시, 445 MHz～535 MHz 대역에서 스펙트럼이 높게 분포하였으며, 평판-평판과 구-구 전극에서는 450 MHz～510 MHz 및 470 MHz～560 MHz 대역에서 스펙트럼이 높게 나타났다. 실험 결과, 시제작 모노폴 안테나를 이용하여 부분방전에 의해 발생하는 방사전자파를 외부 노이즈의 영향없이 검출할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	침-평판, 평판-평판, 구-구 형태의 전극계에서 침, 구, 평판 전극의 형태는 어떻게 설계되었는가?	평판 전극은 직경 30 mm, 두께 15 mm로 모서리 부분을 둥글게 처리하여 전계의 집중이 발생하지 않도록 설계하였으며, 구 전극은 지름 30 mm, 침전극의 곡률반경은 약 10 μm이다. 또한, 전극 사이에 유입변압기에서 사용하는 두께 1.
	변압기 내부에서 UHF 대역의 방사전자파를 측정하는 방법의 장점은 무엇인가?	부분방전은 절연파괴로 진전하기 전에 수반되는 현상이며, 절연상태의 진단 및 감시를 위해 온라인 부분방전 검출에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 [5-8]. 그 중에서도 변압기 내부에서 UHF 대역의 방사전자파를 측정하는 방법은 높은 감도를 가지며, 외부 잡음에 대한 영향이 적으며 온라인 진단이 가능한 장점이 있다 [9,10]. 최근에는 변압기 외함에 UHF 센서를 직접 설치하거나 드레인 밸브를 통하여 다양한 형태의 센서를 장착하는 연구가 활발히 진행 되고 있다.
	유입변압기 내부에서 부분방전은 어떻게 발생하게 되는가?	유입변압기 내부에서 코일이나 철심과 같은 구조물이 운전 중에 발생하는 진동과 충격 등의 기계적 스트레스에 의해 절연이 파괴되어 부분방전이 발생된다. 본 논문에서는 유입변압기 내부에서 발생 가능한 결함을 모의하기 위하여 침-평판, 평판-평판, 구-구 형태의 전극계를 제작하였으며, 구성을 그림 1에 나타내었다.

참고문헌 (13)

G. S. Kil, D. W. Park, I. K. Kim, S. Y. Choi, and C. Y. Park, J. KIEEME, 21, 85 (2008).

원문보기 상세보기
Fruth and L. Niemeyer, IEEE Trans. on Dielectr. Electr. Insul., 23, 59 (2000).
H. Kawada, M. Honda, T. Inoue, and T. Amemiya, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-103, 422 (1984).

상세보기
H. Kawada, M. Honda, T. Inoue, and T. Amemiya, IEEE Transaction on Power Apparatus and System, PAS-103, 422 (1984).

상세보기
M. Pompili, C. Mazzetti, and R. Bartnikas, IEEE Trans. on Dielectr. Electr. Insul., 12, 395 (2005).

상세보기
A. S. Farag, M. H. Shewhdi, X. Jin, C. Wang, T. C. Cheng, X. Dong, S. Gao, W. Jing, and Z. Wang, Electr. Power Syst. Res., 3, 213 (1990).
M. D. Judd, O. Farich, and B. F. Hampton, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 3, 213 (1996).

상세보기
J. J. Park, S. Y. Lee, and D. C. Mun, J. KIEEME, 19, 942 (2006).

원문보기 상세보기
S. Coenen, S. Tenbohlen, S. M. Markalous, and T. Strehl, IEEE Trans. on Dielectr. Electr. Insul., 15, 1553 (2008).

상세보기
H. J. Ju, K. S. Han, and J. Y. Yoon, J. KIEEME, 23, 809 (2010).

원문보기 상세보기
G. S. Kil, I. K. Kim, D. W. Park, S. Y. Choi, and C. Y. Park, Current Appl. Phys., 9, 296 (2009).

상세보기
D. W. Park, G. S. Kil, S. G. Cheon, S. J. Kim, and H. K. Cha, Journal of Electrical Engineering & Technology, 7, 389 (2012).

원문보기 상세보기
W. L. Stutzman and G. A, Thiele, Antenna Theory and Design, 2nd Ed. (John Wiley & Sons, New York, 1998) p. 8.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증