Performance Verification and Improvement of UHF Sensor for the Increasement of the Partial Discharge Detection Reliability

부분방전검출 신뢰도 향상을 위한 UHF 센서개선 및 성능검증

Abstract

GIS(Gas Insulated Switchgear) is important power apparatus which have strong dielectric strength, supply electric power and is a part of the power system. Most substation type is configured as GIS. Recently, because of continuous increasement of GIS demand resulted from high quality & big capacity of electric power, the necessity of the preventive & diagnosis system is being expanded gradually. GIS partial discharge occurred on the UHF band is detected effectively by the method to IEC 60270 that recommend to be able to detect the apparent minimum discharge, 5 pC. Additionally, the UHF sensor should be installed to detect PD signal if Partial discharge signal, 5 pC occur in every part of GIS. Currently PD diagnosis system applying UHF sensor for GIS with various voltage level like 154 kV, 345 kV, 765 kV have been operated. And it is necessary to measure and analyze insulation breakdown phenomenon of inside GIS exactly. In this paper, we proposed Fat-dipole patch UHF sensor that is developed and more sensitive, excellent wide-range characteristic than the exising UHF sensor. And we performed KERI (Korea Electrotechnology Research Institute) reference test, which showed the excellent result for the all tests.

1. 서 론

가스절연개폐장치(Gas Insulated Switchgear, GIS)는 전력계통을 구성하는 전력설비의 한 부분이고 전력공급에 매우 중요한 설비이다[1], 현재 대부분의 변전소 형태는 GIS로 구성되어 있는데 최근에는 고품질 대용량 전력사용에 따른 지속적인 GIS수요증가로 인해 고장의 사전방지와 설비의 효율적인 관리를 통해 안정적이고 고품질의 전력공급을 하기 위한 예방진단의 필요성이 점차 확대되고 있다.

CIGRE (International Council on Large Electric Systems)는 UHF 센서를 실제 GIS에 설치할 때 부분방전신호를 검출할 수 있도록 IEC 60270 기술기준에 따른 최소 5 pC의 겉보기 방전을 검출할 수 있도록 추천을 하고 있다. 또한, GIS 내부 어느 곳에서도 5 pC의 부분방전이 발생하면 방전신호를 검출할 수 있도록 UHF 센서를 설치하여야 한다[2]. 현재 154 kV, 345 kV 및 765 kV 등의 송전계통뿐만 아니라 배전계통에도 GIS에 UHF 센서를 적용한 부분방전진단시스템이 운용되고 있기 때문에 설비신뢰도 향상을 통한 안정적인 전력공급을 위해서 GIS 내부에서 일어나는 절연파괴현상에 대해서 보다 정밀하고 정확한 측정과 분석이 필요하다.

이를 위해서 센서 설치위치 최적화, GIS 내부의 부분방전신호 감도개선, 노이즈 저감대책 등의 다양한 연구가 이루어지고 있지만[3][4][5], 센서 자체의 성능향상을 통해서도 부분방전신호를 보다 정확하게 검출할 수 있다[6].

따라서 본 논문에서는 기존 UHF 센서보다 대역폭과 감도를 개선한 Fat-dipole patch UHF 센서개발 및 성능검증에 관해 논하였다. 먼저, UHF 센서의 물리적인 구조를 변형하여 센서자체해석과 GIS 부착시 해석으로 나누어 모델을 해석하고 그 결과를 검토하였다. GIS chamber의 경우, 3상1괄형인 Compact Type GIS와 170 kV GIS 등의 내부에 UHF센서를 설치하여 실증시험을 하였다. 오실로스코프와 휴대용 iPDM (intellegent Partial Discharge Monitor)을 이용하여 자유입자나 돌기를 검출하는 UHF센서의 출력을 측정하였고 그 결과 기존 UHF센서보다 성능이 우수함을 확인하였다. 또한, KERI (Korea Electrotechnology Research Institute) 시험을 통해서 개선된 UHF 센서가 모든 시험항목에서 우수한 결과를 보였음을 알 수 있었다.

 

2. 본 론

2.1 내장형 UHF 센서 성능변수 설명

2.1.1 주파수 특성시험과 관계된 성능변수

- 정재파 : 어떤 파동이 진행하다가 다른 매질을 만나서 반사되어 나온 파동과 합쳐지면서 생기는 고정된 파형이다.

- 정재파비(VSWR : Woltage Standing Wave Ratio) : 반사계수, 혹은 S11, S22 등을 다르게 표현한 값으로써 반사에 의해 생성되는 정재파(standing wave)의 높이비를 말한다.

- 대역폭 : VSWR값을 기준으로 전체 대역에 대한 전체 대역(1GHz : 0.5～1.5GHz)에 대한 상위 주파수와 하위 주파수간 차의 비율을 의미하고 %로 표시한다.

대역폭=×200[%]

여기서 FH : 상위주파수, FL : 하위주파수

센서 단품의 경우, 자유공간 하의 일반적인 통신용 안테나의 기준인 −10 dB (VSWR=2)이며, 시험용 GIS chamber에 부착했을 경우, Tank 내부의 불연속 구간 등의 손실을 감안하여 −6 dB (VSWR=3)를 기준으로 한다. 이는 일반적인 회로의 대역폭 기준의 반 전력인 −3 dB의 주파수 대역과는 다르다.

- 반사손실 : 기준 VSWR값 이하의 값 중 검출이 가능한 공진주파수 대역의 공진 값으로 작을수록 반사되어 오는 손실이 적어 성능이 좋다[7].

2.1.2 감도시험과 관계된 성능변수

- 센서출력 크기 : 5 pC 자유입자 PD cell을 chamber 내에 모의하여 센서의 출력을 오실로스코프로 측정하여, 최대 신호 크기를 구하며 한전 기준값은 22 mV@5 pC이다.

- 최대 power값 : 휴대용 iPDM 시스템을 이용하여 주파수 영역에서 측정한 최대 power값을 의미한다.

- 최대 power 크기합 : 센서출력 합과 마찬가지로 특정 구간이 아닌 전 대역에서 얼마만큼의 신호가 발생하는지를 판단한다.

- 최소검출감도 : 센서에서 부분방전신호를 검출할 수 있는 최소값으로 작을수록 감도 특성은 좋다. pC-dBm 환산그래프를 기준으로 판단한다[8].

2.2 내장형 센서 개선을 위한 설계 및 제작

2.2.1 개선된 센서 설계

그림 1의 (a)와 같은 형상의 기존 UHF 센서가 갖는 dipole patch 형태는 slot에서 단일 공진을 형성하기 때문에 대역폭도 좁게 나오므로 그림 1의 (b)와 같이 이중 대역을 형성하고 더 넓은 대역을 갖는 Fat-dipole patch 형태로 변형하였다.

그림 1UHF 센서 개선모델 (Fat-dipole patch 형태) Fig. 1 Advanded UHF sensor model (Fat-dipole patch type)

2.2.2 개선된 센서 모델 해석 및 검토

Fat-dipole patch 센서와 기존 UHF 센서 해석결과를 비교 및 검토한 결과, 표 1과 같이 Fat-dipole은 기존 센서에 비해 우수한 대역폭 특성을 가지는 것을 알 수 있다.

표 1Fat-dipole 및 기존 UHF 센서 해석결과 비교 Table 1 Analysis Result of Comparison between Fat-dipole patch and existing UHF sensor

그림 2Fat-dipole 및 기존 UHF 센서 해석결과 비교 Fig. 2 Analysis Result of Comparison between Fat-dipole patch and existing UHF sensor

2.2.3 Fat-dipole patch 모델 설계

기존 UHF 센서와 구조적으로 다른 Fat-dipole patch 형 설계하여 기존 센서보다 반사손실 및 광대역 성능이 개선된 고감도 UHF 센서를 설계하였다. 구조적인 차이에 따른 변경항목은 표 2와 같다.

표 2Fat-dipole patch 및 기존 UHF 센서의 구조적 차이 Table 2 The difference between Fat-dipole & existing UHF sensor

2.2.4 Fat-dipole patch UHF 센서 제작 및 성능시험

개발한 Fat-dipole patch 센서를 제작하여 170 kV GIS chamber 및 Compact-GIS(이하 C-GIS) chamber에 부착하여 주파수 특성시험, 감도시험 및 센서출력시험 등의 성능시험을 실시하였다.

2.2.4.1 주파수 특성시험

먼저, 그림 3과 같이 주파수 특성시험결과를 살펴보면, Fat-dipole patch UHF 센서가 기존 UHF 센서보다 대역폭은 약 2.5∼3배 넓으며, 반사손실 합도 음의 영역을 기준으로 약 10 % 높은 값을 보인다.

그림 3주파수 특성시험 결과 Fig. 3 The result of Frequency characteristic test

2.2.4.2 감도시험

감도시험을 위해서 C-GIS 및 170 kV GIS에 Fat-dipole patch 및 기존 UHF 센서를 설치하고 chamber내부에 존재하는 particle로는 자유입자와 돌기의 경우로 구분하여 감도시험을 실시하였다. 먼저 C-GIS의 경우 그 결과를 살펴보면, 표 3에서와 같이 C-GIS chamber 내부에 존재하는 자유입자나 돌기를 검출해내는 센서출력을 비교해 봤을 때 Fat-dipole patch 센서의 오실로스코프 측정값이 기존 UHF 센서보다 높음을 알 수 있다. 또한, 휴대용 iPDM을 통해서 검출할 수 있는 신호의 크기도 Fat-dipole patch 센서가 기존 UHF 센서보다 양호함을 알 수 있다. 상세한 출력신호분포는 그림 4 및 그림 5와 같다.

표 3Fat-dipole patch 및 기존 UHF 센서 감도시험 결과 (C-GIS) Table 3 The Result of sensitivity test between Fat-dipole patch and existing UHF sensor (C-GIS)

그림 4센서출력시험 결과 (C-GIS) Fig. 4 The result of Sensor output test (C-GIS)

그림 5휴대용 iPDM 시험결과 (C-GIS) Fig. 5 The test result using portable iPDM (C-GIS)

다음으로 170 kV GIS의 경우 시험결과를 살펴보면, 표 4에서와 같이 170 kV GIS chamber 내부에 존재하는 자유입자나 돌기를 검출해내는 센서출력 비교 결과 Fat-dipole patch 센서의 오실로스코프 측정값이 기존 UHF 센서보다 높음을 알 수 있다. 또한, 휴대용 iPDM을 통해서 검출할 수 있는 신호의 크기 또한 Fat-dipole patch 센서가 기존 UHF 센서보다 양호함을 알 수 있다. 인가전압에 따른 자유입자와 돌기를 검출해내는 센서출력 상세분포는 그림 6 및 그림 7과 같다.

표 4Fat-dipole patch 및 기존 UHF센서 감도시험결과 (170 kV GIS) Table 4 The Result of sensitivity test between Fat-dipole patch and existing UHF sensor (170 kV GIS)

그림 6센서출력시험 결과 (C-GIS) Fig. 6 The result of Sensor output test (C-GIS)

그림 7휴대용 iPDM 시험결과(C-GIS) Fig. 7 The test result using portable iPDM(C-GIS)

2.2.5 KERI 참고시험

2.2.5.1 시험 Layout

최적화한 Fat-dipole patch UHF 센서에 대해 KERI (Korea Electrotechnology Research Institute) 시험을 실시하였으며 모든 시험항목의 기술기준을 만족하였다. 그림 8은 시험을 위한 Layout을 나타낸 것이다.

그림 8초고압 GIS chamber용 시험 Layout Fig. 8 Test Layout of Ultra high Voltage GIS chamber

그림 9배전급 GIS chamber용 시험 Layout Fig. 9 Test Layout of GIS chamber for Distribution

2.2.5.2 ERA 측정

시험실에서 부분방전 성능평가를 위해 ERA 측정을 수행하는데 Partial Discharge Cell에 10.9 kV 전압 인가시 그림 10과 같이 2.3～3.0 pC의 부분방전이 ERA PD 측정기기에 나타났다.

그림 10ERA 측정 Fig. 10 ERA measurement

2.2.5.3 오실로스코프 측정

오실로스코프로 Fat-dipole patch UHF 센서의 출력을 측정하기 위해서 PD Cell에 10.9 kV 전압을 인가한 후 20회 data를 측정한다. 먼저 초고압 GIS chamber에 부착하여 측정한 결과는 그림 11과 같고 최대 41.6 ㎷ (−14.61 dBm), 최소 34.4 ㎷ (−16.26 dBm)으로 측정되었다. 다음으로 배전급 GIS에 부착하여 시험한 결과는 그림 12와 같고 최대 40.0 ㎷ (−14.59 dBm), 최소 28.0 ㎷ (−18.05 dBm)으로 측정되었다. 이 측정결과는 기술사양 기준인 −20 dBm 이상에 만족하는 값이다.

그림 11오실로스코프 측정결과 (초고압 GIS 챔버) Fig. 11 Ocilloscope measurement result (UHV GIS chamber)

그림 12오실로스코프 측정결과 (배전급 GIS 챔버) Fig. 12 Ocilloscope measurement result (GIS for distribution)

2.2.5.4 상용주파 내전압시험

AC 내압기를 이용하여 안테나와 프랜지, 2차 리드선과 프랜지에 각각 연결한 후, 2000 V 이상의 전압을 1분 동안 인가하여 내전압 특성을 확인한다. 상용주파 내전압시험에 대한 결과는 표 5와 같고, 그림 13는 Fat-dipole patch UHF 센서에 내전압 시험을 수행하고 있는 모습이다.

표 5상용주파 내전압시험 결과 Table 5 The result of Power Frequency Voltage Test

그림 13상용주파 내전압 측정 Fig. 13 Power Frequency Voltage measurement

2.2.5.5 절연저항 측정

그림 14와 같이 Fat-dipole patch UHF센서의 안테나와 프랜지, 2차 리드선과 프랜지에 각각 회로를 연결한 후, 절연저항 측정기로 측정한 절연저항값은 표 6과 같다.

표 6절연저항 측정결과 Table 6 The result of Insulation Resistance measurement

그림 14절연저항 측정 Fig. 14 Insulation Resistance measurement

 

3. 결 론

본 논문에서는 부분방전 발생시 기존 내장형 UHF 센서보다 성능이 향상된 Fat-dipole patch UHF 센서의 개발 및 성능검증에 대해서 살펴보았다. 개발된 Fat-dipole patch UHF센서는 IEC 60270의 기준인 5 pC의 겉보기 전하량은 물론 그보다 더 작은 전하량의 부분방전 발생 시에도 측정이 가능하도록 기존의 UHF 센서에 비해 감도 특성을 개선시켰다. 개발을 위해 먼저, 물리적인 형상 변형을 통한 모델링 및 해석 그리고 실제 제작품을 GIS chamber에 설치해서 성능을 비교·검증하였다. 개선된 센서의 해석결과 0.5～1.5 ㎓ 까지의 주파수 영역에서 센서 단품의 경우(VSWR=2)는 기존 UHF센서와 Fat-dipole patch UHF 센서 간 대역폭과 반사손실합이 각각 12 %/54 %, -2310 dB/-1470 dB로 기존 UHF 센서보다 월등히 좋은 특성을 보였다. 시험용 chamber 내부에 부착했을 경우(VSWR=3) 또한 두 센서 간 대역폭과 반사손실합이 각각 2 %/5 %, -831 dB/-728 dB로 GIS 내부의 손실을 감안하더라도 기존 UHF 센서보다 확실히 좋은 특성을 보였다. 또한, 개발한 Fat-dipole patch UHF sensor를 C-GIS와 170 kV GIS chamber에 설치한 후 자유입자와 돌기에 대한 주파수 특성시험, 감도시험 및 센서 특성시험 등을 수행한 결과 기존 UHF센서보다 우수함을 알 수 있었다. 그리고 KERI(Korea Electrotechnology Research Institute) 시험을 통해서 개발한 UHF센서가 기술기준을 만족함을 알 수 있었다.