GIS 내의 침 결함에 의한 부분방전 특성 연구

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GIS 내의 침 결함에 의한 부분방전 특성 연구

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연구 배경연구 배경

초고압 전력기기의 사고는

- 사회적 , 경제적으로 막대한 피해 발생 시킴

- 복구에 장시간 소요

특히 , 초고압 GIS 에서의 사고 발생 대책

시설투자로 인한 경제적인 부담 증가예비설비 확보 :

사고의 징후 진단 기술확립 : 사전 조치 , 계획보수

가장 효과적인 진단방법 : 부분방전 검출

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- 경남 의령 변전소 154kV on-line system 구축 (PSDTEC)

- 신 울산 전력소 온산 / 용연 GIS : 외장형 센서부착

부분방전 신호를 검출하여 초고압 GIS 의 결함발생 여부를 판단할 수 있는 기초 데이터 구축

인위적 결함 : 실험실에 설치된 실 규모 GIS 챔버를 이용

현장 데이터 확보 : 운전중인 기 설치된 GIS 에 센서를 이용

연구 목표 및 내용연구 목표 및 내용

- 서울 구리 야탑 변전소

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전기적 방법

비전기적 방법

UHF 부분방전 검출법

방전전류 검출법

초음파 검출법

- CT 센서를 이용한 접지에 흐르는 부분방전전류검출

- UHF 대역의 안테나 센서를 GIS 에 내장 , 외장시켜 내부의 부분방 전에 의한 전자파 검출

- AE (Acoustic Emission) 센서로 부분방전에 의한 초음파 신호검

GIS 내의 부분방전 신호 검출방법GIS 내의 부분방전 신호 검출방법

출

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GIS 챔버 구성

실험장치구성도 센서측정위치와 침 결함 위치

실험장치실험장치

점검창 4 개 , 붓싱 , ES, 파티클 챔버알루미늄 내부도체 ( 반경 60mm), 외함 ( 반경 150mm)

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내부 알루미늄도체에 ogura 침 고정 (6cm, 10um)

GIS 내부를 진공 펌프로 진공 후(360mmHg)

주파수 스펙트럼 비교 : 외부 노이즈 & 부분방전발생에 의한 신호

SF6 gas (3kgf/cm2) 주입

UHF, AE, CT 센서 이용 부분방전 검출 및 측정 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 측정 위치에 따른 부분방전 특성 전송 매질에 따른 부분방전 특성

센서 성능 비교 ( 자체제작센서 : 상용센서 PD 사 )1 atm =1013 mbar=760 mmHg=1013 Pa 1 kgf/cm2=980.7 mbar

실험방법실험방법

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PD 검출 센서PD 검출 센서

UHF 센서

CT

AE 센서450MHz

2-25MHz

150KHz

실험용 GIS

구성 형태

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PD 검출 센서PD 검출 센서

PD 사 센서

H.Y. Lab 센서

(300MHz~1.5GHz) (300MHz~2GHz)

(100MHz~1.5GHz)

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Marker1-2: 174MHz~216MHz

(VHF-TV 대역 )

Marker2-3: 54~450MHz (CATV 순방향 Analog 대역 )

Marker4: 869~894MHz (Digital cellular 기지국 송신용대역 )

100kV 인가 시 실험실내 외부 노이즈 : Frequency Domain100kV 인가 시 실험실내 외부 노이즈 : Frequency Domain

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PRPDA 패턴 오실로 스코프 파형 (2ms, 1V/div)

100kV 인가 시 실험실내 외부 노이즈 : Time Domain100kV 인가 시 실험실내 외부 노이즈 : Time Domain

CT

UHF 센서

AE 센서

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GIS 내 부분방전 신호 : Time Domain

GIS 내 부분방전 신호 : Time Domain

70-80pC 방전량 발생2ms, 1V/div 로 측정

35kV 인가 시

0.7-1nC 방전량 발생Ch1 : 2ms, 5V/div

40kV 인가 시

Ch3,4 : 2ms, 1V/div

CT

UHF 센서

AE 센서

CT

UHF 센서

AE 센서

CT 와 UHF 센서로 검출된 신호

AE 센서로 검출된 신호

펄스 수와 크기 증가

: 동일위상에서 발생

: 시간지연 발생

전자파와 초음파의 전파속도 차이에 의한 시간지연 발생

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Marker1: 448MHz Marker2: 653MHz Marker3: 803MHz Marker4: 935MHz

653MHz 에서 935MHz 대역 : 부분방전에 의한 전자파 발생

GIS 내 부분방전 신호 : Frequency Domain GIS 내 부분방전 신호 : Frequency Domain

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침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 동일전압 인가 시 (40kV) 검출되는 부분방전 신호 측정내부도체 (H.V) 에 침 고정 : 70~860MHz, 1.3~1.5GHz외함 (L.V) 에 침 고정 : 65~420MHz

40kV 동일전압 인가 시 침 결함 위치에 따른 스펙트럼 비교

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침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 내부도체에 침 고정 (H.V) 외함에 침 고정 (L.V)

주파수 영역

시

간 영

역

PRPDA

UHF

센

서

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침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 내부도체에 침 고정 (H.V) 외함에 침 고정 (L.V)

C

T

센

서

주파수 영역

시

간 영

역

PRPDA

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내부 도체 고정 ( H. V ) 외 함 고정 ( L. V )

UHF UHF분 류

70~860 MHz

1.3~1.5 GHz

CT CT

110~140 MHz

310 MHz

650 MHz

65 MHz

140 MHz

300 MHz

420 MHz

20~30 MHz

-45.21 -51.4 -52.3 -49.5

102

부극성 발생 -> 정극성 , 부극성 모두발생 -> 정극성 발생

10 11 10

정극성 발생 -> 정극성 , 부극성 모두발생 -> 부극성 발생

측정주파수대역

( Hz )

SPEC dBm

OSCI mV

방전형태

침 위치

침 결함 위치에 따른 부분방전 특성침 결함 위치에 따른 부분방전 특성내부도체에 침을 고정시킨 경우가 외함에 고정 시킨 경우 보다 출력 파워가 최대 7.1dBm, 출력전압은 약 9 배 높게 측정

40kV 동일전압 인가 시 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 비교

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전송매질에 따른 부분방전 특성전송매질에 따른 부분방전 특성점검창이 없는 경우 ( =1) 와 점검창이 있는 경우 ( = 5.5) 를 진행할 때 측정되는 주파수 대역 비교

εr εr

다른 매질 통과 시 부분방전신호 검출

점검창 有 : 600MHz ~ 1GHz, -36dBm점검창 無 : 1~1.5GHz, -

30dBm

전자파는 유전율이 다른 매질 통과 시 측정 주파수대역의 차이가 발생됨

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측정 위치에 따른 부분방전 특성측정 위치에 따른 부분방전 특성

점검창에서 측정 : 800MHz~1GHz스페이서에서 측정 : 500~700MHz

스페이서

점검창

도파관 구조에 따라 차단주파수 결정전자파 신호는 차단주파수 이하 대역에서 감쇄 발생

측정위치에 따른 주파수 특성

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센서성능비교센서성능비교

HFSS 를 이용한 안테나 AGP 시뮬레이션

자체 제작한 UHF 센서와 상용 UHF 센서 (PD사 )

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센서성능비교센서성능비교자체 제작한 UHF 센서와 상용 UHF 센서 (PD 사 ) 의 이득 (Gain)

네트워크 분석기를 이용한 센서 특성 비교

S11 : PD 사 센서의 이득

S22 : 자체제작 센서의 이득

200MHz~400MHz, 0.8GHz~1GHz : 자체제작 센서이득 우수600MHz, 1.1GHZ, 1.5GHz : PD 사 센서이득 우수

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센서성능비교센서성능비교자체 제작한 UHF 센서와 상용 UHF 센서 (PD 사 ) 를 이용한 부분방전 신호 측정

100MHz~500MHz : 자체제작센서 감도 (5~10dBm) 우수

500~600MHz, 700~800MHz : PD 사 센서 감도 (5~8dBm) 우수다른 대역에서 : 비슷한 감도

GIS 내 부분방전 신호측정을 통한 센서성능 비교

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센서성능비교센서성능비교자체 제작한 UHF 센서와 상용 CT(PD 사 ) 를 이용한 부분방전 신호 측정

UHF 센서와 CT 센서로 측정한 부분방전 주파수 비교

UHF 센서 : 70MHz~1.5GHz, 광대역 측정CT 센서 : 3MHz~30MHz , 110~200MHz, 협대역 측정

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센서성능비교센서성능비교

센서구분 전체측정주파수대역

(Hz)

파워 (Spectrum)

(dBm)

전압 OSC)

(mV)

UHF

CT

70MHz~1.5GHz

-48.14 77.55~30M ,110~200M -50.48 11.5

UHF CT센서구분

내

용

전자파 측정

Background 노이즈에 많은 간섭 없음

측정결과 CT 보다 감도가 좋다

OSC : 77.5 mV

Spectrum : -48.14 dBm

차단주파수 이하의 신호는 감쇄가 심함

광대역

70 MHz ~ 1.5 GHz

접지전류 측정

Background 노이즈에 영향 많음

협대역

OSC : 11.5 mV

Spectrum : -50.48 dBm

다중 접지일 경우

5~30 MHz, 110~140 MHz

자체 제작한 UHF 센서와 상용 CT(PD 사 ) 를 이용한 부분방전 신호 측정

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결 론결 론

GIS 구조를 고려한 차단 주파수는 다음과 같으며 계산값과 실험값의 오차는 근소하였다 .

차단주파수 이하에서는 신호 감쇄가 커지므로 센서 설계 시 차단 주파수 이상의 신호검출이 가능하도록 설계하여야 한다 .

- GIS 챔버 : 계산값 - 460MHZ, 측정값 - 500MHZ

결함의 위치에 따라 검출되는 부분방전 신호의 주파수 대역이 다르므로 절연진단을 위한 주파수 분석 시 결함 위치를 판단할 수 있는 근거를 제공할 수 있다고 여겨진다 .

- 내부도체 : 70~860MHz, 1.3~1.5GHz

- 외함 : 65, 140, 300, 420MHZ

- 점검창 : 계산값 – 416 MHZ, 측정값 - 500MHZ

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결 론결 론

GIS 챔버 내부에서 발생하는 부분방전 신호는 센서의 측정위치에 따라 검출되는 신호의 주파수 대역이 다르므로 절연진단을 위한 주파수 분석 시 센서의 취부 위치를 반드시 고려하여야 한다 .

- 스페이서 : 500 - 700MHZ, -40dBm

자체 제작한 UHF 센서가 PD 사 센서보다 전체적인 감도면에서는 우수 ( 약 10dBm) 하나 특정 주파수 대역 (600MHz, 1.1GHz 및 1.5GHZ) 에서는 낮은 이득 (10dB) 특성을 보인다 . 광대역에 걸친 감도개선은 향후 연구되어야 할 과제이다 .

- 점검창 : 800~1GHz, -35dBm

GIS 내부에서 발생되어지는 부분방전신호는 측정센서의 형태 및 취부 위치 , 결함의 종류와 발생위치 , GIS 의 구조에 따라 그 신호의 전파 특성과 방전패턴을 달리 한다 . 따라서 다양한 결함과 서로 다른 형태의 센서를 이용하여 보다 많은 Database 를 구축하는 것이 GIS 내부 결함을 더욱 정확히 진단할 수 있는 방법이라 여겨진다 .