[논문]포켈스센서를 이용한 코로나방전 발생시의 전계변화 측정에 관한 연구

마지훈; 강원종; 임윤석; 최재옥; 장용무; 구자윤

포켈스센서를 이용한 코로나방전 발생시의 전계변화 측정에 관한 연구
A possible non-contact measuring technique for the variation of the electric field due to corona discharge by use of Pockels sensor 원문보기

마지훈 (한양대학교 전자전기제어공학과) , 강원종 (한양대학교 전자전기제어공학과) , 임윤석 (한양대학교 전자전기제어공학과) , 최재옥 (한양대학교 전자전기제어공학과) , 장용무 (한양대학교 전자전기제어공학과) , 구자윤 (한양대학교 전자전기제어공학과)

In this paper, an novel optical measuring system based on the electro-optic effect has been proposed and realized using Pockels cell with a view to detecting partial discharge taking place at the needle plane electrode. This system has the following advantages ; nonmetallic probe sensor, immune to external EMI noise and broad band response of the Pockels cell from DC to GHz. This system is constructed by He-Ne laser, Mach-Zehnder interferometer with Pockels sensor, balanced photo receiver, data acquisition board and PC. The response characteristics of the developed proto type sensor are examined for AC and corona discharge.

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문제 정의

본 논문에서는, 포켈스 센서와 광섬유 간섭계를 결합시켜 설계한 레이저 PD 측정 시스템의 AC 인가 전압에 대한 출력특성과 코로나 방전원으로부터의 측정 위치를 변화에 따른 PD 전계 특성 및 자체 개발한 프로그램을 이용한 데이터 획득 및 처리 결과를 보여준다.
본 연구실에서는 초고압 설비내부에서 발행하는 부분 방전을 직접 측정하기 위하여 전기광학 효과를 기초한 새로운 레이저 부분방전 진단 시스템을 제안하였다.[4] 전기광학(포켈스) 효과는 결정에 전계를 인가하면 굴절율이 변하여 결정을 통과하는 레이저광이 변조되는 현상을 말하는 것으로, 일반적으로 전압(전계) 측정을 위한 광분압기에 많이 적용되고 있다.

제안 방법

본 연구에서는 자체 제작한 레이저 PD 측정 시스템을 이용하여 침-평판에서 PD 발생전압, 센서의 위 등에 따른 부분방전을 검출분석한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
부분방전을 발생시키기 위하여 곡률반경 100㎛의 스테인레스 제질의 침전극(Ogura사 제품)과 로고 스키 전극 형태로 가공한 원형 평판 전극을 이용하여 전극 사이의 간격이 조절될 수 있도록 침대평판 전극을 구성하였고, 그림 4에서 전극구성을 보여주었다.
사이에 포켈스 센서를 삽입하였다. 외부에서 인가 전압을 IkV부터 20kV까지 IkV씩 증가시키면서 포켈스 센서의 출력값을 조사하여, 이 범위 내에서 인가 전압에 대한 출력값의 선형성을 확인하였다. 그림 5(a)는 7kV 인가시 포켈스 센서의 출력파형이고, 그림 5(b)는 외부 인가 전압에 대한 출력 값을 보여준다.
이 두 레이저광은 광다이오드로 검출되어 검출기 내부에서 두 신호 사이의 차등 신호를 출력하게 된다. 이 출력신호는 디지털 오실로스코프에 의해 측정되고, 이 검출파형은 GPIB를 통하여 PC로 전송되어 자체 개발한 프로그램을 이용하여 처리하였다.[4]
인가 전압에 대한 포켈스 센서 출력 특성을 보기 위하여, 평판전극 사이의 거리를 10cm로 고정하고 그 사이에 포켈스 센서를 삽입하였다. 외부에서 인가 전압을 IkV부터 20kV까지 IkV씩 증가시키면서 포켈스 센서의 출력값을 조사하여, 이 범위 내에서 인가 전압에 대한 출력값의 선형성을 확인하였다.
최초 침전극과 센서의 거리를 10mm로 하고, 방전 (약 100pC)이 개시됐을 때의 전압(10kV)을 그대로 유지시킨 상태에서 센서와 침전극 간의 사이를 10mm씩 늘여가며 50mm까지의 센서 출력 전압을 측정하였다. 그림 8에서는 거리에 따른 센서의 출력 전압을 나타내고 있다.
본 연구에서 사용된 포켈스 소자는 크기 5mmX5mm><5inni인 정육면체로 횡형 모드 응용을 위해 X-Z면이 연마된 Y-cut LiNbQ?는 결정이다. 편 광기와 검광기는 상용 diachronic 편광기를 다이아몬드 톱을 이용하여 5mmX5m 크기로 절단하여 UV curing epoxy를 사용하여 LiNbCh와 접착하였다.
포켈스 센서를 이용하여 코로나 방전 발생 시의 전계 변화를 측정하였다. 그림 6은 상부 침전극으로부터 10醐위치에서 약 100pC의 방전 발생시의 센서의 출력파형이다.

대상 데이터

모든 시스템은 전자파 차폐실(전기장 1kHz — 1GHz : lOOdB, 자기 장 100kHz ~ 1GHz : 100dB )에서 방진대 위에 설치되었고, 전압원은 Haefely Trench사의 noise free High-voltage transformer PZTL100-0.25를 사용하였다.

성능/효과

1. 침-평판 사이에 포켈스센서를 고정시킨 후 전압을 서서히 인가하여 얻은 센서의 출력은 인가 전압과 정비례하여 선형적으로 나타나게 되었고, 이 결과로 포켈스센서의 선형성이 보장되었다.
2. 전압을 인가하여 코로나 방전이 생겼을 때 CT、} TE-5기로 검출한 신호와 포켈스 센서의 출력 신호를 비교해 보면, 방전이 발생한 부분이 정확이 일치하고 방전량에 따른 센서 출력신호의 변화가 다르고 그것이 기울기로서 비교할 수 있다는 것을 확인할수 있었다.
3.100pC정도의 방전량을 발생시킨 상태에서, 침전 극에서 포켈스 센서까지의 거리가 증가될 때 센서 출력이 비례적으로 감소함을 알 수 있었다.
첫째, LiNbO₃ 결정유 전체의 유전율이 상당히 크기 때문에 측정하고자 하는 전계를 거의 왜곡시키지 않는다. 둘째, 전계의 시간적인 변화에 대한 응답 특성이 매우 좋으며 또한 센서의 소형화가 가능하다. 셋째, 측정된 광신호 정보는 광파이버를 통하여 전달되므로 외부 전자기장에 의한 영향을 받지 않는다.
둘째, 전계의 시간적인 변화에 대한 응답 특성이 매우 좋으며 또한 센서의 소형화가 가능하다. 셋째, 측정된 광신호 정보는 광파이버를 통하여 전달되므로 외부 전자기장에 의한 영향을 받지 않는다. 넷째, 이러한 레이저 측정 시스템은 DC부터 GHz까지 넓은 주파수 응답을 갖는다.
같은 이점이 있다. 첫째, LiNbO₃ 결정유 전체의 유전율이 상당히 크기 때문에 측정하고자 하는 전계를 거의 왜곡시키지 않는다. 둘째, 전계의 시간적인 변화에 대한 응답 특성이 매우 좋으며 또한 센서의 소형화가 가능하다.

후속연구

그림 5(a)는 7kV 인가시 포켈스 센서의 출력파형이고, 그림 5(b)는 외부 인가 전압에 대한 출력 값을 보여준다. 이 그래프에서 보이는 오차는 외부 전압인가시의 미세한 변동 성분과 광원으로 사용된 레이저의 리플 성분으로 생각되며’ 차후 모듈화된 시스템 제작에 의해 개선될 것으로 사료된다.
이러한 결과로써 GIS와 같은 여러 고전압 기기에서의 포켈스센서를 이용한 PD검출 및 해석의 가능성이 보였으며, 앞으로는 이러한 광측정시스템이 실제 현장 에서의 신뢰할만한 측정이 가능케하는 연구가더 진행되어야 할 것이다

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