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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, U 타입, 마이크로 스트립, 2선 평행 전송선로 센서의 성능을 검증하기 위하여 시간차분 수치해석 및 3차원 해석 프로그램을 사용하였다.
제안 방법
- 센서는 이 구조에서 웨지 위에 설치된다. 고주파 방전펄스를 시뮬레이션하기 위해 주파수 영역에서 300[心Hz]의 정현파를 공기로 채워진 크기 0.1[mm3] 의 공극에 입력한 후 이것을 입력 파로 하여 회전기기내 슬롯 구조에서 전계 분포를 살펴보았다. 시뮬레이션은 HFSS 3차원 해석 프로그램을 사용하였다.
- 해석 프로그램을 사용하였다. 방전 펄스로 0.92[ μ]의 가우시안 펄스를 인가한 후 마이크로 스트립 센서는 신호선과 접지의 중앙 지점에서, 2선 평행 전송선로의 경우 두 원통 도체사이의 중앙에서 시간에 따른 전계변화를 측정하였다. 입력 파형으로는 특정 시점에서 수 나노 초의 펄스 폭을 갖는 임의의 두 개의 가우시안 펄스를 사용하였다.
- 센서를 전동기 권선에 설치 후 권선 양단에 0.1〔A〕 의정현파를 입력한 후 센서에서 검출되는 천압을 측정하였다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 측정결과 10〔KHz〕 에서 0.
- 그래서 FDTD (Finite Difference Time Domain method) 나 FEM (Finite Element Method)등을 이용한 수치해석 방법이 적용되고 있으며 본 논문에서는 이러한 수치해석에 기반을 둔 Ansoft의 HFSS 상용프로그램과 CST 의 MWS (Microwave Studio)를 사용하였다 [2]. 저주파용 U 타입센서의 검출원리는 전동기 권선에 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
- 7〔mm〕. 둘러싼 유전체는 비유전율 弓 = 4.6 의 유전체를 사용하였다. 센서 출력 포트는 동축케이블로 연결되며, 다른 한쪽은 50〔2〕의 칩저항을 설치하였다.
- 실제 전동기에 설치 시 한쪽 포트만을 사용하므로 다른 한쪽 포트는 임피던스 정합을 위해 502의 칩저항을 설치 하였다. 센서의 두께는 0.787〔mm〕, 센서의 길이는 15〔cm〕, 신호라인의 폭은 이다.
- 92[ μ]의 가우시안 펄스를 인가한 후 마이크로 스트립 센서는 신호선과 접지의 중앙 지점에서, 2선 평행 전송선로의 경우 두 원통 도체사이의 중앙에서 시간에 따른 전계변화를 측정하였다. 입력 파형으로는 특정 시점에서 수 나노 초의 펄스 폭을 갖는 임의의 두 개의 가우시안 펄스를 사용하였다. 그림 4와 5는 시간영역에서 부분방전 두 입력 펄스와 두 센서에서 검출된 전압값을 비교하여 보여주고 있다.
데이터처리
- 고주파의 시간영역 모의 실험은 CST의 MWS 3차원 해석 프로그램을 사용하였다. 방전 펄스로 0.
- 고주파용 센서를 제안 하였다. 센서의 전체 크기는 회전기 기내 설치 가능한 작은 크기이며, U 타입, 마이크로 스트립, 2선 평행 전송선로 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.
- 1[mm3] 의 공극에 입력한 후 이것을 입력 파로 하여 회전기기내 슬롯 구조에서 전계 분포를 살펴보았다. 시뮬레이션은 HFSS 3차원 해석 프로그램을 사용하였다.
이론/모형
- U 타입 센서는 전동기 권선에 부착되며 수치적으로해석을 흐卜기 위하여 우선 Biot-Savart 법칙으로 다음과 같이 자기벡터 포텐셜 A를 계산한다.
- 고주파 영역에서 부분 방전의 전자기적 현상은 매우 복잡하며 고주파의 전파 현상은 단순한 등가회로 모델로는 그 현상을 고려할 수 없다. 그래서 FDTD (Finite Difference Time Domain method) 나 FEM (Finite Element Method)등을 이용한 수치해석 방법이 적용되고 있으며 본 논문에서는 이러한 수치해석에 기반을 둔 Ansoft의 HFSS 상용프로그램과 CST 의 MWS (Microwave Studio)를 사용하였다 [2]. 저주파용 U 타입센서의 검출원리는 전동기 권선에 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 측정 감도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 고주파용 센서 마이크로 스트립은 그림9에서 볼 수 있듯이 고주파로 갈수록 성능이 급격히 향상됨을 확인할 수 있다.
- 결과적으로 도체인 코일과 슬롯 간의 가이드 구조 사이에서 전자기 에너지가 전파됨을 확인 하였고 wedge 부분에서 구조의 불연속으로 인하여 전계가 크게 감소 됨을 알 수 있다. 그러므로 센서의 성능은 이러한 전자파 에너지를 얼마나 효과적으로 가이드 할 수 있는 가로 결정된다.
- 센서의 전체 크기는 회전기 기내 설치 가능한 작은 크기이며, U 타입, 마이크로 스트립, 2선 평행 전송선로 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.
- 1〔A〕 의정현파를 입력한 후 센서에서 검출되는 천압을 측정하였다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 측정결과 10〔KHz〕 에서 0.32〔mV〕, 100〔KHmz〕에서 3.18〔mV〕로 검출 능력이 선형적으로 증가하였고, 약 300KHz이하의 저주파에서는 수치적으로 계산된 값과 같았으나 고주파로 갈수록 커패시턴스 같은 기생성분으로 인해 실험 값과 수치해석 값에 차이가 나는 것을 볼 수 있다.
- 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 고주파용 센서 마이크로 스트립은 그림9에서 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.
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