[논문]HFCT를 활용한 고전압직류송전 케이블 부분방전 위치추정

홍선민; 손우영; 천혜원; 강대경; 박종후

doi:10.46670/jsst.2021.30.2.105

HFCT를 활용한 고전압직류송전 케이블 부분방전 위치추정
Detection and localization of partial discharge in high-voltage direct current cables using a high-frequency current transformer 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.30 no.2, 2021년, pp.105 - 108

홍선민 (경북대학교전기공학과) , 손우영 (경북대학교전기공학과) , 천혜원 (경북대학교전기공학과) , 강대경 (경북대학교 의생명융합공학과) , 박종후 (경북대학교전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Detection and localization of partial discharge are considered critical techniques for estimating the lifetimes of power cables. High-frequency current transformers (HFCTs) are commonly used for the detection of partial discharge in high-voltage alternating current (HVAC) power cables; however, their applicability is compromised by the limitations of the installation locations. HFCTs are typically installed in cable terminals or insulation joint boxes because HVACs induce strong time-varying magnetic fields around the cables, saturating the ferromagnetic materials in the HFCTs. Therefore, partial discharges near the installation locations can be detected. In this study, the feasibility of partial discharge detection using a HFCT was investigated for high-voltage direct current (HVDC) cables. We demonstrated that the HFCT could be installed at any location in the HVDC power cable to monitor partial discharge along the entire cable length. Furthermore, we showed that the HFCT could detect the location of partial discharge with high accuracy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 안정적인 HVDC 운영을 위해서 HVDC 케이블 전 구간에서 발생하는 부분방전을 실시간-온라인으로 탐지하고 부분방전의 위치까지 판별할 수 있는 센서 기술의 필요성이 크게 부각되고 있다. 이 논문에서는 HVDC 송전 시 케이블 주위에 시변 자기장이 생기지 않아 HFCT의 강자성체가 포화되지 않는다는 점에서 착안하여, HFCT를 HVDC 케이블에 직접 체결하여 부분방전을 검출할 수 있음을 검증하였다. 또한 두 개의 HFCT 센서를 이용하여 부분방전 발생 위치도 높은 정확도로 검출해 낼 수 있었다.

제안 방법

1. Experimental setup for Partial discharge detection and localization, consisting of power cable, artificial defect, HFCTs, high voltage source, and oscilloscope.
케이블의 도체와 중성 선에 고전압이 인가되며, 중선선은 마이크로 매니퓰레이터에 연결된 침전극과 전기적으로 연결되어 있어 일정 크기이상의 DC 전압이 인가되면 부분방전이 발생되게 구성하였다. 또한, 마이크로 매니퓰레이터를 사용하여 침전극과 도체 사이의 거리 조절하여 부분방전 발생 전압 조절을 가능하게 구성하였다. 실험에 사용된 HFCT의 민감도와 주파수 대역은 각각 1 pC과 2-200 MHz이다.
본 연구에서는 HVDC 케이블에서 발생하는 부분방전을 HFCT 로 검출하고 부분방전의 위치를 높은 정확도로 검출하였다. HFCT는 HVAC에 적용 시 강한 시변 자기장으로 인하여 케이블의 종단 또는 중간 접속함의 접지연결선에 설치되어 전력케이블 전 구간 부분방전 모니터링에 한계를 가지나, HVDC 케이블 부분방전 검출에 적용 시 시변 자기장이 없어 케이블의 구조변형 없이 어느 위치에나 설치하여 부분방전을 높은 민감도로 검출 가능하고 여러 개의 HFCT를 일정 간격으로 설치하여 부분 방전의 위치 검출까지 가능하다는 것을 확인하였다.
실험에 사용된 HFCT의 민감도와 주파수 대역은 각각 1 pC과 2-200 MHz이다. 부분방전 발생지점을 기준으로 좌우에 HFCT를 설치하여 부분방전에 의해 발생된 전류펄스가 양쪽의 HFCT 센서에도 달하는 시간 차이를 이용하여 부분방전 위치 검출이 가능하게 구성하였다. HFCT1은 부분방전 발생위치에서 오른쪽으로 16.

대상 데이터

부분방전 발생지점을 기준으로 좌우에 HFCT를 설치하여 부분방전에 의해 발생된 전류펄스가 양쪽의 HFCT 센서에도 달하는 시간 차이를 이용하여 부분방전 위치 검출이 가능하게 구성하였다. HFCT1은 부분방전 발생위치에서 오른쪽으로 16.5cm 떨어진 곳에 설치하고, HFCT2의 위치는 변경해가며 두 HFCT의 출력을 오실로스코프로 출력 데이터를 수집했다.
또한, 마이크로 매니퓰레이터를 사용하여 침전극과 도체 사이의 거리 조절하여 부분방전 발생 전압 조절을 가능하게 구성하였다. 실험에 사용된 HFCT의 민감도와 주파수 대역은 각각 1 pC과 2-200 MHz이다. 부분방전 발생지점을 기준으로 좌우에 HFCT를 설치하여 부분방전에 의해 발생된 전류펄스가 양쪽의 HFCT 센서에도 달하는 시간 차이를 이용하여 부분방전 위치 검출이 가능하게 구성하였다.
1은 부분방전 실험 구성도를 보여주고 있다. 실험에 사용된 케이블은 22.9kV 동심 중성선 케이블이며 도체(수밀 압축 연동 연선), 내부 반도전층, 절연체 (XLPE), 외부 반도전층, 동심 중성선, 피복체(PVC)로 구성되어 있다. 케이블의 도체와 중성 선에 고전압이 인가되며, 중선선은 마이크로 매니퓰레이터에 연결된 침전극과 전기적으로 연결되어 있어 일정 크기이상의 DC 전압이 인가되면 부분방전이 발생되게 구성하였다.

성능/효과

(1) N 번째와 N+1 번째 센서에 도달하는 부분방전 신호의 도착 시간 차이가 l/v이면, 부분방전은 그 두 센서 사이에서 발생하지 않은 것임.
(2) 만약 N 번째와 N+1 번째 센서에 도달하는 부분방전 신호의 도착시간의 차이가 양수이면 부분방전은 N+1 번째 센서 오른쪽에서 발생한 것임.
(4) 만약 N 번째와 N+1 번째 센서에 도달하는 부분방전 신호의 도착시간의 차이가 음수이면 부분방전은 N 번째 센서 왼쪽에서 발생한 것이어서, N-1번째와 N 번째 센서의 도착시간 차이를 확인해야 함. 따라서 (1) 조건이 거짓일 때까지 N 값을 1 감소시킴.
018 ns 늦게 도착함을 확인할 수 있다. HFCT2의 위치를 변경해가면서 총 10번의 측정을 수행하였고, 부분방전 발생 위치로부터 HFCT2의 위치가 멀어질수록 HFCT1과 HFCT2에 도달하는 부분방전 신호의 시간 차이가 커짐을 확인하였다.
검출하였다. HFCT는 HVAC에 적용 시 강한 시변 자기장으로 인하여 케이블의 종단 또는 중간 접속함의 접지연결선에 설치되어 전력케이블 전 구간 부분방전 모니터링에 한계를 가지나, HVDC 케이블 부분방전 검출에 적용 시 시변 자기장이 없어 케이블의 구조변형 없이 어느 위치에나 설치하여 부분방전을 높은 민감도로 검출 가능하고 여러 개의 HFCT를 일정 간격으로 설치하여 부분 방전의 위치 검출까지 가능하다는 것을 확인하였다.
이 논문에서는 HVDC 송전 시 케이블 주위에 시변 자기장이 생기지 않아 HFCT의 강자성체가 포화되지 않는다는 점에서 착안하여, HFCT를 HVDC 케이블에 직접 체결하여 부분방전을 검출할 수 있음을 검증하였다. 또한 두 개의 HFCT 센서를 이용하여 부분방전 발생 위치도 높은 정확도로 검출해 낼 수 있었다.
또한 부분방전 신호의 평균 전파 속력은 12.63cm/ns임을 확인할 수 있었다. 부분방전 신호의 평균 전파 속도 (ν), 두 센서에 도달하는 부분방전 신호의 도착시간 차이 (t¹−t²), 두 센서 간의 거리 (l)를 사용하여 부분방전 발생 위치(x)를 아래의 식을 사용하여 구할 수 있다.
평균 전파 속력과 Fig. 2의 시간차이를 사용하여 역으로 검출한 부분방전의 위치는 15.92cm로 실제 부분방전 위치인 16.5 cm의 96.49% 정확도로 부분방전의 위치를 검출하였다.

참고문헌 (10)

I.E.C. Standard, High Voltage Test Techniques: Partial discharge Measurement, IEC-60270, pp. 13-31, 2000.
P. A. A. F. Wouters, P. C. T. Laan van der, E. Hetzel, and E. F. Steennis, "New on-line PD measurement technique for polymer insulated cables and accessories", Proc of 8th Int. Symp. on High Voltage Engineering. pp. 105-108, Yokohama, Japan, 1993.
N. H. Ahmed and N. N. Srinivas, "On-line partial discharge detection in cables", IEEE-DEI Trans., Vol. 5, No. 2, pp. 181-188, 1998.

상세보기
B. T. Phung, Z. Liu, T. R. Blackburn, and R. E. James, "Online partial discharge measurement on high voltage power cables", Proc. of 11th Int. Symp. on High Voltage Engineering. pp. 328-332, London, UK, 1999.
Z. Liu, B.T. Phung, T. R. Blackburn, and R. E. James, "The propagation of partial discharge pulses in a HV cable", Proc. of AUPEC/EECON eds, pp. 287-292 Darwin NT, Australia, 1999.
E. F. Steennis, F. van den Boogaard, C. G. N. de Jong, M. J. M. van Riet, and G. P. T. Van der Wijk "Learning from high-voltage XLPE cable system testing and monitoring", CIGRE, pp. 21-203, 2000.
W. Wei, Z. Sen, C. Bin, and L.En-heng, "The study of online PD detector in power cable", Proc. of 6th Int. Conf. on Properties and Applications of Dielectric Materials, pp. 177-180, Xian, China, 2000.
A. Rodrigo, P. Llovera, V. Fuster, and A. Quijano, "Influence of High Frequency Current Transformers Bandwidth on Charge Evaluation in Partial Discharge Measurements", IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 18, No. 5, pp. 1798-1802, 2011.

상세보기
A. Rodrigo, P. Llovera, V. Fuster, and A. Quijano, "Study of Partial Discharge Charge Evaluation and the Associated Uncertainty by Means of High Frequency Current Transformers", IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 19, No. 2, pp. 434-442, 2012.

상세보기
D. Jovcic, High voltage direct current transmission: Converters, Systems and DC Grids, 2nd ed., John Wiley & Sons, NJ, pp. 1-12, 2019.

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