[논문]저.고주파용 부분방전 센서 해석 및 설계

박윤미; 허창근; 이정엽; 정현교

저.고주파용 부분방전 센서 해석 및 설계
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박윤미 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) , 허창근 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) , 이정엽 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) , 정현교 (서울대학교 전기컴퓨터공학부)

운전 중인 회전기기에서 고정자 권선의 절연 상태는 부분방전시험을 통해 검사, 평가할 수 있고 이를 통하여 사고예방을 위한 진단을 할 수 있다. 기존 센서인 SSC(Stator Slot Coupler)는 비접촉식으로 권선의 웨지 아래에 설치하므로 설치하기가 불편하고 Global VPI 방식으로 제작된 소형 회전기에는 사용할 수 없는 단점이 있다. 본 논문에서는 소형 회전기에 사용 가능한 저, 고주파용 부분방전 센서를 제안하였다. 웨지 위에 설치 가능한 SSC 형태의 마이크로스트립 센서 및 2선 평행 전송선로 센서는 고주파에 적합하고 저렴하며 소형 회전 기에 설치 가능하다. 센서의 성능을 검증하기 위해 3차원 해석 프로그램을 사용하여 좋은 전자파 검출 성능을 도출할 수 있었다. 또한 저주파용으로 제안된 U 타입 센서는 유도전류를 검출하는 센서로서 슬롯 외부에 설치되어야 하고 시간차분 수치해석을 이용해서 저주파에서 효과적으로 방전 펄스를 검출함을 확인할 수 있었다.

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문제 정의

본 논문에서는 효과적인 부분방전 측정을 위한 저주파 및 고주파용 센서를 제안 하였다. 센서의 전체 크기는 회전기 기내 설치 가능한 작은 크기이며, 마이크로스트립, 2선 평행 전송선로, U 타입 센서의 성능을 검증하기 위하여 시간차분 수치해석 및 3차원 해석 프로그램을 사용하였다.

제안 방법

센서를 전동기 권선에 설치 후 권선 양단에 O.KA]의 정현파를 입력한 후 센서에서 검출되는 전압을 측정하였다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 측정결과 10[KHz]에서 0.
고주파용 센서를 제안 하였다. 센서의 전체 크기는 회전기 기내 설치 가능한 작은 크기이며, 마이크로스트립, 2선 평행 전송선로, U 타입 센서의 성능을 검증하기 위하여 시간차분 수치해석 및 3차원 해석 프로그램을 사용하였다. 고주파용 마이크로스트립 센서와 2선 평행 전송선로 센서를 비교 분석 하였고, 결과적으로 센서로서 좋은 전자파 검출 특성을 도출할 수 있었다.
따라서 FDTD (Finite Difference Time Domain method)1-} FEM (Finite Element Method) 둥을이용한 수치해석 방법이 적용되고 있으며 본 논문에서는 이러한 수치해석에 기반을 둔 Ansoft의 HFSS 상용프로그램과 CST 의 MWS (Microwave Studio)를 사용하였다. 저주파용 U 타입센서의 검출원리는 전동기 권선에서 발생되는 방전 펄스로 인한 와전류를 검출하는 것으로서 U 타입 코일의 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를수치적으로 구한 후 시간차분에의해 센서 양단의 전압을 계산한 후 실험과 비교 분석하였다.

대상 데이터

센서의 두께는 0.787[mm], 센서의 길이는 15[cm], 신호라인의 폭은 1.4[mm] 이다. 2선 평행 전송선로 센서는 고정자 권선 위의 웨지에 설치되며 두 원통 도선이 일정한 거리를 두고 코일의 길이방향으로 놓여져있는 구조로 이루어져 있다.
센서는 크게 접지 라인과 신호라인, 유전체 부분으로 구분되며 한 개의 출력포트를 가진다. 원통 도선의 지름은 이며 두 도선의 중심사이 거리는 0.7[mm], 둘러싼 유전체는 비유전율 e, =4.6의 유전체를 사용하였다. 센서 출력 포트는 동축케이블로 연결되며, 다른 한쪽은 50[0]의 칩 저항을 설치하였다.

이론/모형

U 타입 센서는 전동기 권선에 부착되며 수치적으로 해석을 하기 위하여 우선 Biot-Savart 법칙으로 다음과 같이 자기벡터 포텐셜 A를 계산한다.
고주파의 시간영역 모의실험은 3차원 FDTD 해석 프로그램을 사용하였다. 방전 펄스로 0.
없다. 따라서 FDTD (Finite Difference Time Domain method)1-} FEM (Finite Element Method) 둥을이용한 수치해석 방법이 적용되고 있으며 본 논문에서는 이러한 수치해석에 기반을 둔 Ansoft의 HFSS 상용프로그램과 CST 의 MWS (Microwave Studio)를 사용하였다. 저주파용 U 타입센서의 검출원리는 전동기 권선에서 발생되는 방전 펄스로 인한 와전류를 검출하는 것으로서 U 타입 코일의 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를수치적으로 구한 후 시간차분에의해 센서 양단의 전압을 계산한 후 실험과 비교 분석하였다.

성능/효과

결과적으로 고주파로 갈수록 상대적으로 즉정감도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 고주파용 센서 마이크로 스트립은 그림7에서 볼 수 있듯이 고주파로 갈수록 성능이 급격히 향상됨을 확인할 수 있다.
센서의 전체 크기는 회전기 기내 설치 가능한 작은 크기이며, 마이크로스트립, 2선 평행 전송선로, U 타입 센서의 성능을 검증하기 위하여 시간차분 수치해석 및 3차원 해석 프로그램을 사용하였다. 고주파용 마이크로스트립 센서와 2선 평행 전송선로 센서를 비교 분석 하였고, 결과적으로 센서로서 좋은 전자파 검출 특성을 도출할 수 있었다. 또한 저주파용 센서로서 비자성체 코어를 사용한 U 타입의 센서를 제안 하였고 저주파에서 효과적으로 방전 펄스를 검출함을 확인할 수 있었다.
기존 SSC의 경우 고정자 권선과 웨지 사이에 설치되어야 하고 그 크기가 소형 회전기기에 적합하지 않는 단점을 가지고 있다. 그러나 제안된 마이크로 스트립 센서와 2선 평행 전송선로 센서는 크기가 작고 가격이 저렴해서 소형기기의 부분방전 검출 센서로 적합하고 U 타입의 경우 기존 로고우스키 타입의 센서와는 달리 플라스틱 등과 같은 유동적으로 구부릴 수 있는 비자성체 코어를 사용함으로서 설치가 용이하다는 장점을 가지고 있다.
것을 볼 수 있다. 또한 고주파용 센서 마이크로 스트립은 그림7에서 볼 수 있듯이 고주파로 갈수록 성능이 급격히 향상됨을 확인할 수 있다.
고주파용 마이크로스트립 센서와 2선 평행 전송선로 센서를 비교 분석 하였고, 결과적으로 센서로서 좋은 전자파 검출 특성을 도출할 수 있었다. 또한 저주파용 센서로서 비자성체 코어를 사용한 U 타입의 센서를 제안 하였고 저주파에서 효과적으로 방전 펄스를 검출함을 확인할 수 있었다.
94xlOT[I〃m]를 검출하였다. 이를 전압으로 계산하면 실제 측정되는 전압은 마이크로스트립의 경우, 1.574x102.*10-1°[μ]이며 2선 평행 전송선로 센서의 경우 #이 됨을 확인할 수 있었다.

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