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문제 정의
- 본 연구에서는 유입식변압기를 대상으로 전자파를 이용한 운전 중 부분방전 측정의 가능성을 검토하기 위하여 기초연구를 실시하였다. 그 연구 내용으로서 변압기에서 부분밯전을 모의하여 전자파를 측정하기 위한 변압기 모델 챔버를 제작하였고, 기초 실험용 안테나 센서를 제작하였으며, 부분방전실험을 통하여 액체 절연에서의 부분 방전에 대한 주파수대역을 분석하였으며, 부분 방전 크기에 대한 전파 센서의 출력 크기특성 분석을 실시하였다.
제안 방법
- 일정한 전하량의 부분방전을 지속적으로 일으키기 위하여 그림 5와 같은 전극에 3mm 두께의 유리판을 장착하였으며 부분방전량은 IEC 60270 시험법을 통하여 실험과 동시에 측정하였다. 2개의 동일한 센서를 챔버 전면 및 측면에 동시 장착하였으며 각각의 센서로부터 5m의 고주파 동축케이블을 스펙트럼분석기 (Advantest, R313A, 9kHz ~ 3GHz) 와 오실로스코프 (LeCroy, wavePro 960, 2GHz / 16GS/s, 16Mpts)에 연결하였다. 변압기 모델 챔버 내부에 절연유가 없는 상태에서, 전극 주위에 도체 장애물을 설치했을 경우와 하지 않았을 경우 각각의 채널에서 주파수 스펙트럼과 파형을 측정하였다.
- 기초연구를 실시하였다. 그 연구 내용으로서 변압기에서 부분밯전을 모의하여 전자파를 측정하기 위한 변압기 모델 챔버를 제작하였고, 기초 실험용 안테나 센서를 제작하였으며, 부분방전실험을 통하여 액체 절연에서의 부분 방전에 대한 주파수대역을 분석하였으며, 부분 방전 크기에 대한 전파 센서의 출력 크기특성 분석을 실시하였다.
- 2개의 동일한 센서를 챔버 전면 및 측면에 동시 장착하였으며 각각의 센서로부터 5m의 고주파 동축케이블을 스펙트럼분석기 (Advantest, R313A, 9kHz ~ 3GHz) 와 오실로스코프 (LeCroy, wavePro 960, 2GHz / 16GS/s, 16Mpts)에 연결하였다. 변압기 모델 챔버 내부에 절연유가 없는 상태에서, 전극 주위에 도체 장애물을 설치했을 경우와 하지 않았을 경우 각각의 채널에서 주파수 스펙트럼과 파형을 측정하였다.
- 변압기의 부분방전을 전자파를 통해 진단하기 위한 기초실험을 실시하기 위하여 변압기 모델 챔버와 측정용 센서를 제작하였다. 제작한 센서는 500MHz~2GHz의 넓은 주파수 대역에서 동작하는 것을 확인하였다.
- 부분방전에 의해 발생되는 전파의 변압기 내부 분포 특성을 측정하기 위하여 그림.1과 같은 변압기 모델 챔버를 설계 제작하였다. 전극이 부싱을 통해 챔버 내부로 들어가게 되어 여러가지 결함 모델에 고전압을 인가하여 부분방전을 일으키게 할 수 있는 구조이다.
- 이러한 조건에 가장 부합하는 센서로서 등각스파이럴 안테나를 그림 2와 같이 설계, 제작하였다. 설계한 동작 주파수는 500MHz~2GHz이며, 50 2 동축 케이블로 급전하기 위하여 자체 제작한 발룬 (balun:balance to unbalance transformer) 을 취부하였다. 그림 3.
- 기중챔버 내부에서 부분방전을 발생시킨 후 신호를 측정한 결과 300MHz~900MHz 의 넓은 대역에서 부분 방전 신호가 검출되었고, 도파관 역할을 하는 장애물이 있을 때가 없을 때보다 큰 신호가 측정되었다. 센서의 위치별 측정 신호 크기의 비교로 부분방전의 방향성 및 위치판별의 가능성을 확인하였다.
- 는 실시한 실험의 장치도이다. 실험은 차폐된 한국전기연구원의 고전압 흘에서 실시하였으며 실험실시 동안에 수차례 외부노이즈 상황을 체크하여 그에 대한 영향을 최소화하였다. 일정한 전하량의 부분방전을 지속적으로 일으키기 위하여 그림 5와 같은 전극에 3mm 두께의 유리판을 장착하였으며 부분방전량은 IEC 60270 시험법을 통하여 실험과 동시에 측정하였다.
- 전극이 부싱을 통해 챔버 내부로 들어가게 되어 여러가지 결함 모델에 고전압을 인가하여 부분방전을 일으키게 할 수 있는 구조이다. 챔버 내부에 철연유릂 주입할 수 있게 설계되었으며, 여러 가지전 자파의 상황을 모의 할 수 있게 하기 위해 전극의 위치, 장애물의 위치 및 크기, 관측하는 센서의 위치 둥을변화 시킬 수 있게 하였다.
이론/모형
- 실험은 차폐된 한국전기연구원의 고전압 흘에서 실시하였으며 실험실시 동안에 수차례 외부노이즈 상황을 체크하여 그에 대한 영향을 최소화하였다. 일정한 전하량의 부분방전을 지속적으로 일으키기 위하여 그림 5와 같은 전극에 3mm 두께의 유리판을 장착하였으며 부분방전량은 IEC 60270 시험법을 통하여 실험과 동시에 측정하였다. 2개의 동일한 센서를 챔버 전면 및 측면에 동시 장착하였으며 각각의 센서로부터 5m의 고주파 동축케이블을 스펙트럼분석기 (Advantest, R313A, 9kHz ~ 3GHz) 와 오실로스코프 (LeCroy, wavePro 960, 2GHz / 16GS/s, 16Mpts)에 연결하였다.
성능/효과
- 않고 측정한 스펙트럼이다. 300M1L#900MHz 의 넓은 대역에서 큰 부분방전 신호가 검출되었고, 그 외의 주파수 대역에서도 간헐적으로 측정되었다. 이러한 경향은 장애물이 있을 때에도 유사하게 나타났다.
- 제작한 센서는 500MHz~2GHz의 넓은 주파수 대역에서 동작하는 것을 확인하였다. 기중챔버 내부에서 부분방전을 발생시킨 후 신호를 측정한 결과 300MHz~900MHz 의 넓은 대역에서 부분 방전 신호가 검출되었고, 도파관 역할을 하는 장애물이 있을 때가 없을 때보다 큰 신호가 측정되었다. 센서의 위치별 측정 신호 크기의 비교로 부분방전의 방향성 및 위치판별의 가능성을 확인하였다.
- 은 네트웍 분석기(HP 8753D)로 측정한 센서의 반사계수 특성이다. 설계 한 대로 500MHz 이상에서 l(kiB이상의 반사계수 특성을 나타내고 있으며, 그 이하의 200MHz~300MHz대역에서도 동작하는 것을 확인할 수 있다.
- 제작하였다. 제작한 센서는 500MHz~2GHz의 넓은 주파수 대역에서 동작하는 것을 확인하였다. 기중챔버 내부에서 부분방전을 발생시킨 후 신호를 측정한 결과 300MHz~900MHz 의 넓은 대역에서 부분 방전 신호가 검출되었고, 도파관 역할을 하는 장애물이 있을 때가 없을 때보다 큰 신호가 측정되었다.
후속연구
- 하지만 현재 전자파를 이용하여 부분방전을 운전 중에 감시하는 방식은 GIS나 배전반에서 주로 연구되고 있다. 그러나 이러한 적용 전력기기는 전자파 생성의 원인이 되는 전류 펄스의 주파수 대역이 변압기와 같이 액체절연에서 발생하는 것과는 크게 다른 것으로 알려져 있기 때문에 변압기에서 전자파를 이용한 부분방전측정 방식을 적용하기 위해서는 이에 대한 기초연구가 필요하다.
- 그러므로 기초 실험용 전파 센서는 최대한 넓은 주파수에서 동작할 수 있어야 하며, 부분방전의 방향에 따라 신호의 크기가 변화가 없는 원형편파의 특성을 지니면 편리할 것이다. 이러한 조건에 가장 부합하는 센서로서 등각스파이럴 안테나를 그림 2와 같이 설계, 제작하였다.
- 이러한 이유로 장애물이 존재할 때 두 채널간의 크기 차이가 벌어진 것으로 보인다. 그리고, 200pC 이상의 전하량에서 측정신호가 포화하는 경향도 관찰 되었으며, 이러한 현상을 설명하기 위한 추가적인 실험과 해석이 필요하다.
- ch#l의 신호가 ch#2보다 조금 더 크게 나타났으며, 이것은 챔버의 구조상 전면센서와 부분방전전극사이의 거리가 측면센서와의 그것보다 조금 더 가깝고, 부분방전이 사각의 유리를 통한 연면방전이기 때문에 지표와 평행한 방향의 전류 성분이 발생하여 전후 좌우성분의 전계에 크기 차이가 발생했기 때문이라고 생각돤다. 이것은 전극 사이의 시료의 모양과 방향을 바꾸는 등의 추가적인 실험과 추후에 실시할 전자파 해석 등을 통하여 규명할 예정이다.
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