1. 서 론
GIS(Gas Insulated Switchgear)의 예방진단방법으로 현재도 폭넓게 활용하고 있는 방법으로 극초단파(Ultra High Frequency)대역에서 전자파를 이용한 부분방전 측정 및 위치 추적기술[1]이 널리 적용되어 변전소 및 발전소에서 적용되어 GIS의 예방진단에 활발히 진행되고 있다. 가스절연개폐장치의 경우 부분방전 발생 위치 추적을 위하여 전자파 방전신호가 부분방전 센서에 도달하는 시간을 이용하여 부분방전 발생위치[2]를 추적하는 Time of Arrival(TOA) 기법은 높은 정확도를 보여주어 신속한 방전결함 제거 및 유지보수를 가능케 한다. 가스절연개폐장치와는 달리 변압기의 경우는 절연유(1종 4호)에 의해 액체 절연물로 구성되어 있으나. 절연유로 구성된 구조물의 경우, TOA기법을 적용하려면 절연유의 전자파 부분방전 신호의 속도를 알아야 방전발생위치의 계산이 가능하다. 지금까지는 절연유를 포함하여 GIS측에서 부분방전발생 시 전자파 속도를 빛의 속도(3×108 m/s)로 일괄 적용하여 위치를 추적함으로써 일부 절연유 구역에서 측정된 부분방전 (Partial Discharge) 발생위치 추정값에는 9.7cm/ns의 일부 오차가 포함되어 있었다.
이러한 오차를 저감하기 위하여 절연유(1종 4호)의 비유전율 2.21과 SF6 가스의 이종 유전율간의 전자파 이동속도를 이용하여 변압기내에서 발생하는 부분방전 신호와[3] 위치를 계산하면 비유전율에 의한 오차가 저감된 값으로 발생위치를 효율적으로 접근하여 산출할 수 있다.
본 논문에서는 UHF 주파수 대역에서 SF6 가스와 절연유등 절연매질이 혼합적으로 존재할 때 비유전율을 통하여 TDR(Time Domain Reflectometry)기법을[4] 쉽고 간단히 부분방전 위치를 추정할 수 있는 방법을 계산하여 GIB (Gas Insulated Bus)의 SF6 가스와 변압기측 절연유의 이종 비유전율에서 전자파 이동속도와 거리를 계산하여 현장에서 발생하는 부분방전위치 추적에 활용하고자 한다.
2. 본 론
2.1 이종 비유전율간의 전자파 이동 시간차
그림 1과 같이 동축챔버 내 매질을 공기와 변압기 절연유(1종 4호)를 각각 충진한 후 오실로스코프를 이용하여 펄스를 측정하면
그림 1절연유 비유전율 측정장치의 구성 Fig. 1 Insulating oil relative specific inductive capacity constant configuration of the measuring device
그림 2와 같이 점선 및 파선 그래프와 같이 매질별로 두 개의 펄스가 측정된다. 또한 공기 및 절연유에서 두 개의 펄스 시간 tair, toil는 그림 2와 같이 각각 6.96 ns 및 9.98 ns로 측정된 것을 알 수 있다[5].
그림 2오실로스코프 측정 펄스 파형 Fig. 2 Measuring pulse waveform oscilloscope
그림 2에서 두 개의 매질에 대하여 펄스 도착시간차는 3.02ns의 시간차가 2m 기준으로 발생함을 알 수 있다.
비유전율 εr 인 동축선에서 전파속도 v 는 식 (1)과 같다.
또한, 길이가 D인 동축선에서 신호가 통과하는데 소요되는 시간 t 는 식 (2)와 같이 동축선 매질에 대한 비유전율의 제곱근에 비례한다.
SF6 가스의 비유전율(εr1) 1, 절연유의 비유전율(εr2) 2.21에서 걸리는 시간이 각각 t1, t2 일 경우 시간차 계산은 식 (3)과 같다.
비유전율 차이에 따른 거리를 계산하면 식 (4)와 같다.
그림 2에서 200cm 기준으로 비유전율 차이(SF6 가스와 절연유)에 따른 시간차는 3.02ns가 됨을 알 수 있다. 또한 식 (1)에서 SF6 가스의 비유전율 1, 절연유의 비유전율 2.21을 적용한 속도를 산출하면 SF6 가스에서는 3×108 m/s, 절연유에서는 2.03×108 m/s 의 속도로 전자파가 이동함을 알 수 있다. 이를 이용하여 절연매질이 다른 구조물에서 다른 비유전율을 활용하여 구간별 전자파 이동시간을 산출하면 부분방전 위치를 용이하게 추적할 수 있으며, SF6 가스에서 1ns에 30cm, 절연유에서는 1ns당 20.6cm 이동속도를 이용하여 부분방전 발생 위치계산 시 절연매질에 따른 상수로 사용할 수 있다.
2.2 이종 절연매체내 UHF 센서에 의한 부분방전 위치 계산
부분방전발생 위치를 산정 시 그림 3과 같이 부분방전발생 위치 검증을 매질의 종류에 따른 SF6 가스와 절연유의 결함위치를 분류 후 2가지 방법으로 확인할 수 있으며, 이때 적용되는 상수로 속도와 비유전율을 활용할 수 있다.
그림 3GIB ↔ 유입 변압기간 부분방전발생 위치 추정 Fig. 3 GIB ↔ PD occur position assume of oil type transformer
부분방전 발생위치를 그림 3과 같이 X 와 Y 로 구분하여 X 위치에 존재할 경우 식 (5)∼식 (8)를 이용하여 산출을 하면 아래와 같다.
Ch1 센서에 도달하는 시간 t1은 식 (5)와 같다.
Ch2 센서에 도달하는 시간 t2 는 식 (6)과 같다.
두신호의 도착시간차 Δtx 은 식 (7)과 같다
부분방전이 발생하는 위치 X1는 식 (8)과 같다.
그리고, Y 위치에 존재할 경우 식 (9)∼식 (12)을 이용하여 산출을 하면 아래와 같다.
Ch1 센서에 도달하는 시간 t1 은 식 (9)와 같다.
Ch2센서에 도달하는 시간 t2 는 식 (10)과 같다.
두 신호의 도착시간차 Δty 는 식 (11)과 같다.
부분방전이 발생하는 위치 Y1 는 식 (12)와 같다
2.3 독립적 절연매체내 UHF 센서에 의한 부분방전 위치 추적
그림 4의 B상 GIB에서 검출된 부분방전 신호는 154kV 변전소의 변압기와 연결된 GIB에서 검출된 절연체 결함신호로 약 −35dBm의 크기로 발생되었으며, B상 GIB측에서 발생되어 C상과 A상으로 전파되었음을 알 수 있다.
그림 4GIB A, B, C상에서 절연체 부분방전 신호 취득 Fig. 4 GIB A, B, C phase partial discharge acquisition of signal
상부 스페이서에서 하부 스페이서로 감에 따라 부분방전 신호가 감쇠되어 부분방전원은 상부측에 있음을 추정할 수 있다. 154kV 변전소의 GIB에서 절연체 결함의 부분방전 신호가 그림 4와 같이 검출되었으며, 부분방전 발생신호의 발생시간은 오실로스코프에 의하여 그림 5, 그림 6과 같이 측정되었다.
그림 5GIB ↔ 유입식변압기 부분방전 신호 측정1 (a) GIB측 부분방전 신호측정 위치 (GIB/변압기) (b) 오실로스코프 부분방전 측정 신호 Fig. 5 GIB ↔ Oil type transformer PD signal measurment1 (a) PD signal measurment position of GIB (b) Measurment PD signal using oscilloscope
그림 6GIB ↔ 유입식변압기 부분방전 신호 측정2 (a) GIB측 부분방전 신호측정 위치 (GIB/변압기) (b) 오실로스코프 부분방전 측정 신호 Fig. 6 GIB ↔ Oil type transformer PD signal measurement2 (a) PD signal measurement position of GIB(GIB/transformer) (b) Measurement PD signal using oscilloscope
그림 5와 같이 Ch1과 Ch2 센서간 신호를 오실로스코프로 측정한 결과 Ch1에서 먼저 신호가 검출되었으며, 결함은 절연체 결함으로, 센서간 시간차 △t = 4.9 ns, 부분방전 발생위치는 L1 = −10.9cm로, 거리 L1의 “−”값 산출은 센서 Ch1과 Ch2 사이에서 발생하는 것이 아니고 Ch1의 변압기 측에서 발생하는 것으로 판정할 수 있다.
이때 적용 한 부분방전 발생위치 계산식은 식 (13)과 같다.
여기서 L은 센서간의 거리이며, 절연매질이 SF6 가스이므로 속도상수는 30cm/ns을 적용하였다.
그림 5와 같이 부분방전 발생위치를 추적한 결과 변압기측 (Ch1)에서 먼저 신호가 검출되었으며, GIB 상부 스페이서(Ch2) ↔ 가스켓 (Ch1) 기준으로, 변압기 가스켓측 기준 변압기 본체측에서 발생하는 것으로 추정되었다.
그림 6과 같이 유입식변압기에 위치한 가스켓을 기준으로 부분방전 발생위치를 추적한 결과 △t = 3.5ns로, 식 (13)을 활용하여 계산한 결과 변압기 변류기측 가스켓 기준
GIB 가스켓 측으로 약 16.4cm지점에서 절연체 부분방전이 발생하는 것으로 산출되었다.
전압의 크기는 Ch1 0.82mV, Ch2 240mV로 측정되었으며 증폭기 18dB를 사용하였다.
여기서 절연매질이 절연유이므로 속도상수는 20.3cm/ns를 적용하였다.
유입식변압기를 정밀점검 한 결과 부분방전 발생위치는 권선과 GIS를 연결한 부분으로 절삭된 절편에 의해 발생한 곳으로 상세부분은 그림 7과 같다.
그림 7유입식변압기측 부분방전 신호 발생부위1 Fig. 7 PD signalling parts of oil type transformer1
부분방전 발생원인은 B상 권선 및 부싱간 커넥터 접속용 볼트를 체결 시 볼트부분에 와샤 미사용으로 커넥터가 절삭 되었으며, 이로 인해 내부에 부분방전이 발생한 것으로 추정된다.
2.4 이종 절연매체내 UHF 센서에 의한 부분방전 위치 추적
765kV 변전소 345kV #4Sh.R(Shunt Reactor) 가스켓 부분에서 부분방전 신호가 그림 8과 같이 검출됨에 따라 부분방전 발생위치를 그림 9와 같이 오실로스코프를 이용하여 센서별 시간차를 측정하였다. 그림 9와 같이 GIB의 총 길이는 312cm이며, 171.5cm는 절연 매체가 SF6 가스이고, 140.5cm은 절연유로 채워져 있는 구조물로 이루어져 있다.
그림 8병렬리액터측 A, B, C상 부분방전 신호 측정파형 Fig. 8 PD signal waveform measurment of Shunt Reactor A, B, C phase
그림 9Sh.R GIB ↔ 유입식변압기 부분방전 신호 측정 (a) Sh.R GIB(Ch2)↔변압기 변류기측(Ch1)측정 위치 (b) 부분방전 측정 파형 Fig. 9 Sh.R GIB ↔ Oil type transformer PD signal measurement (a) Sh.R GIB(Ch2)↔measurement of transformer CT(Ch2) (b) Measurement waveform of PD signal
그림 9와 같이 GIB(Ch2) ↔ 유입식변압기 변류기(Ch1) 스페이서를 기준으로 PD발생 위치를 추적한 결과 △t = 10.8ns로, 변압기측에서 먼저 신호가 먼저 검출되어 식 (8), 식 (12)를 활용하여 계산한 결과 변압기 변류기측(Ch1) 기준 GIB 스페이서측으로 약 233cm지점에서 절연체 부분방전이 발생하는 것으로 계산되었다. 이 값은 절대적 위치값이 아닌 방향을 판단할 수 있는 참고값으로 볼 수 있다. Ch2에서 검출된 신호는 굴곡부와 절연유 비유전율에 의한 신호감쇠결과로 추정된다.
여기서, 부분방전 발생위치는 식 (12)를 이용하여 계산한 결과 Y1(변압기 유입측)이 “−”값으로 의미 없는 값이 된다.
식 (8)을 이용하여 계산한 결과 X1(SF6 가스측)이 “+”값 발생으로, 부분방전 발생위치는 SF6 가스부분인 “X"측에서 발생하는 것으로 확인되었다.
#4Sh.R 설비를 휴전 후 GIB 내부를 정밀점검한 결과 계산값과 같은 방향으로 그림 10과 같이 SF6 가스 구역부분의 내부에서 부분방전이 발생한 것으로 부분방전의 위치를 확인 할 수 있었으며,
그림 10Sh.R 내부 구조 및 PD발생 위치 Fig. 10 Sh.R internal structure and position took place PD
이와 같이 이종 절연물의 구조에서 비유전율 상수를 활용하여 UHF대역에서도 TDR을 이용하면 보다 효과적으로 부분방전위치 추적이 용이함을 알 수 있으며, GIB와 연결된 유입식변압기의 부분방전 발생 시 적용하면 정확한 부분 방전위치 추적에 적정하다고 본다.
부분방전이 발생한 부분은 362kV Sh.R과 GIB를 연결한 부분으로 GTO(Gas To Oil Bushing)부싱 부분에서 발생하였으며, 이 부분은 전계집중 완화를 위하여 그림 11의 부싱쉴드(청색부분)을 코팅한 부분으로 부분방전 발생원인은 전계완화 기능을 위한 코팅부분으로, 코팅의 소손으로 인하여 전계완화 기능의 저하로 부분방전이 발생한 것으로 추정된다. 전기절연은 현장에 설치된 설비의 절연구성이 단일 유전체만의 구성으로 이루어진 것은 아니며, 기계적 성능 등의 요구에도 응해야 하며, 이들의 종합적인 성능을 충분히 발휘하는데는 복합유전체 구성하여 전력통로를 형성하는 경우가 종종 있다.
그림 11Sh.R 내부 정밀점검 결과 Fig. 11 Internal precision inspection result of Sh.R
위의 부분방전원인은 코팅부분의 소손(거북이등 모양)으로 인한 연면방전의 일종으로 추정하고 있다.
3. 결 론
본 논문에서 절연매체가 독립적이고, 이종 비유전율간에 부분 방전 발생 시 신호를 검출하고, 속도상수를 적용하여 현장의 GIS와 변압기 내부에서 발생한 부분방전 위치를 추적할 수 있는 방법을 적용하여 보았다.
기존에는 복합유전체가 있을 시 SF6 가스의 비유전율만을 이용하여 부분방전 위치를 주적하여 약 9.7cm/ns의 오차가 발생하였으나. 변압기 절연유가 존재할 경우에는 절연유 비유전율 2.21을 적용하여 TDR기법을 이용하여 UHF영역에서 절연유와 SF6 가스의 비유전율이 다른 구조물에서 부분방전 위치를 추적할 수 있도록 유용하게 쓰일 예정이다.
또한, SF6 가스와 변압기절연유간에서 부분방전이 발생 시 부분방전 위치추적을 TDR과 전자파의 이동속도를 30cm/ns의 상수를 적용하여 산출하였으나, 본 논문에서는 비유전율이 다른 이종 절연물 구조에서의 부분방전 위치를 더욱더 정확한 위치에 접근할 수 있도록 비유전율 상수(SF6 가스 : 30cm/ns, 변압기절연유 유입 시 : 20.3cm/ns)를 현장에 적용하여 오차를 저감하고 위치를 효율적으로 추적할 수 있었다.
부분방전 발생 시 측정되는 신호는 전력계통을 구성하는 절연물과 밀접한 관계가 있으므로, GIS에 구성하는 비유전율이 상이 하여도 내부 구성물의 비유전율 상수를 적용하여 부분방전 발생 위치를 추적한다면 지금보다는 현저히 오차가 저감된 위치산출로 좀 더 정확한 위치를 추정할 수 있다.