[논문]초고주파 광대역 부분방전 센서를 내장한 지능형 스페이서 개발

김동석; 황철민; 김영노; 최재옥; 서왕벽; 한봉수; 최수헌

문제 정의

본 논문에서는 GIS 구조를 지탱해주며 내부의 전계완화 역할을 수행하는 스페이서의 기본적인 역할에 GIS 내부의 부분방전 상태감시 기능을 추가한 다목적 지능형 스페이서를 제작하였다. 3D EM Simulator를 이용하여 GIS 내부에서 결함 발생시 전자기파의 E-Field 분포특성을 분석하였으며, 170kV Mpck-up GIS의 E-Field 분포특성을 측정하였다.
본 논문에서는 삼상 lNkV GIS 스페이서 내부에 패치안테나를 내장하여 기존의 스페이서 기능에 부분방전을 검출할 수 있는 기능을 주가한 다목적지능형 스페이서를 개발하였다.

제안 방법

3-D EM simulator를 이용한 모의 설계 및 Simulation과정을 통해 삼상 170kV GIS 내부의 구조적 특성을 고려하였으며, 2종의 센서(Fat-Dipole, Log-Periodic)가 내장된 지능형 스페이서를 시험 제작하여 비교시험을 진행하였다. 또한 압력시험, 부분방전시험, 절연시험 등의 자체 시험과정을 통해 지능형 스페이서의 전기적 절연 성능과 기계적 강도에 관한 검증을 마쳤다.
지능형 스페이서를 제작하였다. 3D EM Simulator를 이용하여 GIS 내부에서 결함 발생시 전자기파의 E-Field 분포특성을 분석하였으며, 170kV Mpck-up GIS의 E-Field 분포특성을 측정하였다. E-Field 분포 특성 분석 결과를 바탕으로 2종류의 센서를 3D EM Simulator를 이용하여 설계, 제작하였다.
표 1은 전압가압시 센서의 최대전압값을 나타낸 것이다. A, B, C 각 상별로 전압을 20여회 가압하여 센서별 최대전압값을 구한 후 평균값을 정리해 놓았다. 실험결과 Log-Periodic 센서가 Fat-Dipole 센서보다 전압값이 높다는 것을 확인할 수 있었으나 전압값의 변화폭이 커 일정한 성능을 발휘한다고 볼 수 없었다.
3D EM Simulator를 이용하여 GIS 내부에서 결함 발생시 전자기파의 E-Field 분포특성을 분석하였으며, 170kV Mpck-up GIS의 E-Field 분포특성을 측정하였다. E-Field 분포 특성 분석 결과를 바탕으로 2종류의 센서를 3D EM Simulator를 이용하여 설계, 제작하였다. 제작된 센서를 GIS 스페이서에 내장하여 5pC의 부분방전 신호에 대한 각 센서의 성능을 비교하였으며, 센서 최적 배치를 위해 각 위치에 대한 최대전압값을 측정하였다’
또한 압력시험, 부분방전시험, 절연시험 등의 자체 시험과정을 통해 지능형 스페이서의 전기적 절연 성능과 기계적 강도에 관한 검증을 마쳤다. 내장된 센서의 특성 파악을 위해 PD Cell을 이용하여 반사손실(S11)과 최대 전압값을 측정하였으며, 그 결과를 바탕으로 센서와 최적위치를 선정하게 되었다.
스페이서 내장형 센서는 외장형 센서나 점검창 내장형 센서에 비해 스페이서 내부에 적용되어야 하기에 크기에 대한 제약이 매우 크다. 따라서 원하는 주파수대역을 적용하기 위해서는 효율적인 설계가 필요하며 본 논문에서는 3D EM Simulator를 이용하여 2종의 스페이서 내장형 안테나의 설계를 진행하였다.
또한 압력시험, 부분방전시험, 절연시험 등의 자체 시험과정을 통해 지능형 스페이서의 전기적 절연 성능과 기계적 강도에 관한 검증을 마쳤다. 내장된 센서의 특성 파악을 위해 PD Cell을 이용하여 반사손실(S11)과 최대 전압값을 측정하였으며, 그 결과를 바탕으로 센서와 최적위치를 선정하게 되었다.
패치안테나를 내장하였다. 또한 패치안테나의 성능 시험과 센서 최적 배치 시험을 위해 센서의 종류와 위치를 달리한 스페이서 4종을 제작하였으며 특성 시험을 통해 스페이서에 내장된 센서의 반사손실(S11)과 최대전압값(mV)을 측정하였다.
센서의 특성을 고려하여 스페이서 내부에 취부할 수 있도록 쉴드링의 위치를 조절하였으며 강도증가를 위해 스페이서의 두께를 균일하게 적용, 그림 4와 같이 제작하였다.
외장형 센서나 내장형 센서와는 달리 센서의 외관이 없이 패치 안테나가 스페이서 안에 내장되며 부분방전 데이터의 전송을 위해 N-type 컨넥터를 적용하여 외부로 돌출되도록 설계하였다.
위의 설계요소를 고려하여, 원하는、주파수 대역에서 처적의 성능을 발휘할 수 있는 센서를 설계할 수 있었다. 스페이서 내장형 센서는 외장형 센서나 점검창 내장형 센서에 비해 스페이서 내부에 적용되어야 하기에 크기에 대한 제약이 매우 크다.
E-Field 분포 특성 분석 결과를 바탕으로 2종류의 센서를 3D EM Simulator를 이용하여 설계, 제작하였다. 제작된 센서를 GIS 스페이서에 내장하여 5pC의 부분방전 신호에 대한 각 센서의 성능을 비교하였으며, 센서 최적 배치를 위해 각 위치에 대한 최대전압값을 측정하였다’

대상 데이터

각 스페이서에는 패치안테나의 형태를 달리하여 종류별로 3종씩 총 6종의 패치안테나를 내장하였다. 또한 패치안테나의 성능 시험과 센서 최적 배치 시험을 위해 센서의 종류와 위치를 달리한 스페이서 4종을 제작하였으며 특성 시험을 통해 스페이서에 내장된 센서의 반사손실(S11)과 최대전압값(mV)을 측정하였다.
삼상 170kV GIS 스페이서에 내장된 센서의 성능을 평가하기 위하여 모의 부분방전을 일으킬 수 있는 5pC PD Cell을 제작하여 그림 5와 같이 실험 장치를 구성하였다.
스페이서 내부에 적용하가 위해 FR4(€r=4.4)기판을 사용하였으며 상위 단으로 부분방전 데이터를 전송하기 위하여 N-Type 컨넥터를 적용, 그림 3 과 같이 시제품을 제작하였다..

성능/효과

그림 7은 3D EM Simulator를 이용하여 센서의 스페이서 위치별 반사손실(S11)을 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과 상과 상사이에 위치할 경우 가장 좋은 특성을 보였다.
A, B, C 각 상별로 전압을 20여회 가압하여 센서별 최대전압값을 구한 후 평균값을 정리해 놓았다. 실험결과 Log-Periodic 센서가 Fat-Dipole 센서보다 전압값이 높다는 것을 확인할 수 있었으나 전압값의 변화폭이 커 일정한 성능을 발휘한다고 볼 수 없었다. 이에 비해 Fat-Dipole 센서는 Log-Periodic에 비해결과값은 작게 나타났으나 일정한 전압값이 linear하게 나타나 보다 나은 성능을 보였다.
이에 비해 Fat-Dipole 센서는 Log-Periodic에 비해결과값은 작게 나타났으나 일정한 전압값이 linear하게 나타나 보다 나은 성능을 보였다. 주파수 대역폭은 Log-Periodic(1.3GHz 이상에 비해 Fat-Dipole(1.0GHz 이상)이 UHF대역을 측정하기에 적합한 것으로 나타났다.
측정결과 상과 상사이 구간인 E구간과 G구간에서 지능형 스페이서에 적합한 센서로 선정된 Fat-Dipole의 최대전압값이 높게 나타났으며 시뮬레이션 결과와 크게 다르지 않음을 확인할 수 있었다.

후속연구

변전설비의 적용이 가능하리라 본다. 그리고 추후 현장 시범적용과 스페이서 소재 개발을 통해 추가적인 제품의 보완이 가능하며 국내 전력기기생산업체의 국제경쟁력 강화 및 품질의 향상 등의 파급효과가 발생할 것으로 예상된다.
지능형 스페이서의 적용을 통해 기존의 부분방전 상태 감시를 위해 점검 창에 내장형 센서를 설치하거나 스페이서에 외장형 센서를 설치함으로써 부가되는 비용의 절감의 절감 및 GIS 설치공간의 협소화를 통해 기능 집약적인 변전설비의 적용이 가능하리라 본다. 그리고 추후 현장 시범적용과 스페이서 소재 개발을 통해 추가적인 제품의 보완이 가능하며 국내 전력기기생산업체의 국제경쟁력 강화 및 품질의 향상 등의 파급효과가 발생할 것으로 예상된다.

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