[논문]지능형 배전기기를 위한 UHF 부분방전 센서 개발

조용준; 황철민; 김영노; 최재옥; 송일근; 이병성

문제 정의

본 연구를 통해 배전기기 내부의 특성에 맞는 부분방전 신호 검출을 위한 내장형 UHF PD 센서를 개발하였다. 배전기기 내부의 주파수 대역 및 전자파 전파 특성을 파악하고자 3D EM Simulatoi를 이용하여 기기별 Modeling 및 Simulation 과정을 진행하였다.
배전 설비 역시 수용가 전력공급의 신뢰성을 높이기 위한 일환으로 배전자동화 설비 등에 대한 연구가 진행 중이며 일부 실용화 되고 있는 실정이다, 그러나 배전 설비에 대한 상태평가 및 사고예방을 위한 점검 및 검사는 일정시간 경과 후 교체하거나 점검하는 방식을 취하고 있다. 이에 본 논문에서 개폐기 설비 내부 절연 열화 상태를 실시간으로 감시할 수 있는 UHF PD 센서 개발에 관한 연구를 진행하였다.

제안 방법

Simulation 결과를 바탕으로 Mock-up 개폐기(가스절연 부하개폐기)의 하부에 UHF PD 센서를 장착하였으며, 모의 부분방전 시험을 위해 개폐기 내부에 부분방전을 일으킬 수 있는 PD Cell을 장착시킨 후 전압을 가압하여 오실로스코프를 통해 특성을 측정하였다.
내장형 UHF PD 센서를 개발하였다. 배전기기 내부의 주파수 대역 및 전자파 전파 특성을 파악하고자 3D EM Simulatoi를 이용하여 기기별 Modeling 및 Simulation 과정을 진행하였다. Simualtion 결과를 바탕으로 배전기기 내부의 주파수 대역(1.
센서는 개폐기 내부의 모든 구간에 대하여 감시 할 수 있도록 전방향성 (omni directional)특성을 가지며, 전방향에 대하여 동일한 이득을 갖도록 Monopole 형태로 선정하였다. 센서의 주파수 대역은 개폐기에 적용될 수 있도록 선정하였으며(1.
형태로 선정하였다. 센서의 주파수 대역은 개폐기에 적용될 수 있도록 선정하였으며(1.0~1.4GHz), 센서의 고유한 특성을 나타내는 정재파비(VSWR: Voltage Standing Wave Ratio)를 3.0이하로 설계하였다. 정재파 비는 입사파에 대한 반사파의 비로 안테나의 성능을 평가하는 지표로 사용되고 있으며, 보통 공기 중의 전자파를 수신하는 안테나의 경우에는 L5 ' 2.
위와 동일한 Simulation을 각 기기에 대하여 수행하였으며, 센서 위치에 대한 결과는에 요약 하였다.
있도록 소형으로 제작되어야 한다. 이를 만족하기 위해서 다양한 안테나 소자들 중 Tear drop Monopole type을 선정하여 센서를 설계하였다. 센서외 구조는 그림 2과 같이 안테나소자(Tear-drop monopole)와 접지판(Ground Plate), 출력커넥터 및 안테나 소자와 출력을 연결하는 임피던스 정합 소자(Matching element)로 구성되어 있으며, 외부는 절연체커버와 부분방전 데이터를 전송하기 위한 N-type 컨넥터로 이루어져 있다.
0~L4GHz)을 만족하는 센서를 제작하였으며, 내부 절연에 영향을 미치지 않으면서 모든 구간을 감시할 수 있는 센서의 최적 배치 위치를 선정할 수 있었다. 이후 Mock-up 개폐기와 PD Cell 을 이용한 부분방전 시험을 통해 센서의 성능을 검증하였다.
제작사별 배전기기의 구조적 특성에 맞게 가스 기밀 타입과 가스 비기 밀 타입, 두 종류의 센서를 제작하였다. Network Analyzer(HP 8753D)를 이용하여 각 센서의 정재파비(VSWR)롤 측정하였으며 그림 6은 측정 결과와 Simulation 결과를 비교한 그래프이다.

이론/모형

배전기기 특성에 적합한 센서를 설계하기 위하여 3D EM simulatoi를 사용하였다. 그림 1과 같이 가스절연 부하개폐기, 가스절연 다회로 개페기, 폴리머절연 리클로저, 폴리머절연 다회로차단기 Modeling 통한 Simulation를통해 기기 내부의 전자파 전파 모드와 분포 특성 및 내부의 차단주파수를 확인할 수 있었다.

성능/효과

배전기기 내부의 주파수 대역 및 전자파 전파 특성을 파악하고자 3D EM Simulatoi를 이용하여 기기별 Modeling 및 Simulation 과정을 진행하였다. Simualtion 결과를 바탕으로 배전기기 내부의 주파수 대역(1.0~L4GHz)을 만족하는 센서를 제작하였으며, 내부 절연에 영향을 미치지 않으면서 모든 구간을 감시할 수 있는 센서의 최적 배치 위치를 선정할 수 있었다. 이후 Mock-up 개폐기와 PD Cell 을 이용한 부분방전 시험을 통해 센서의 성능을 검증하였다.
0GHz 이상에서 측정이 용이한 특성을 보여주고 있다. 또한 Mock-up 개폐기 장치에 센서를 취부시 주변 구조물에 의한 센서의 특성변화를 보이나 주 측정주파수 대역(1~L4GHz)에서는 큰 영향이 없음을 확인할 수 있었다.
배전기기 내부에 임의의 결함을 발생시켜 400~ 1400MHz 대역에서의 방사 전기장의 크기를 살펴본 결과 800MHz 이상의 전파신호가 외함 내부로 전파됨을 알 수 있었으며, 1.0~1, 4GHz 주파수 대역에서 내장형 센서의 특성이 가장 우수했음을 확인할 수 있었다.
부분방전 발생 시 UHF PD 센서의 반사손실을 측정한 결과 1.0GHz 이상에서 측정이 용이한 특성을 보여주고 있다. 또한 Mock-up 개폐기 장치에 센서를 취부시 주변 구조물에 의한 센서의 특성변화를 보이나 주 측정주파수 대역(1~L4GHz)에서는 큰 영향이 없음을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 추후 현장시범설치를 통한 보완으로 센서의 성능향상을 꾀할 수 있으며, 상태감시 진단 모듈의 개발을 통해 배전설비의 이상유무를 판별할 수 있는 하나의 시스템을 구축할 수 있을 것으로 생각된다.
결과는<표 2>에 요약 하였다. 향후 시제품 제작 시에는 절연상태 와기기 별 구조적 특성을 고려하여 센서를 배치할 예정이다.

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