Application of Acoustic Sensing and Signal Processing for PD Detection in GIS 20003년 05월 10일 이 찬 영

■ Abstract 부분 방전의 필요성과 AE법 논문 전개 방식 • Free moving metalic particles and other defects inside GIS cause partial discharge (PD) which can degrade insulating properties of insulants gas SF6 to such an extent that breakdown may occur in GIS system. • Partial discharge emits acoustic signals which can be detected by applying an acoustic emission sensor (AE sensor) outside the GIS chamber 논문 전개 방식 • This paper initially describe some fundamental aspects as related to PD detection. • Finally development of acoustic PD detection system and some experimental investigation have also presented

1. Introduction ■ GIS 내부의 SF6 가스 1) 고전압 환경에 있어서 매우 뛰어난 유전체이다. 2) 부분 방전이나 전도성의 금속 입자에 의해 절연 특성이 불리하게 영향을 받는다. 3) GIS 내부의 방전이나 금속 입자에 의해 생기는 breakdown은 전체 시스템에 악영향. → 컴퓨터를 통한 부분 방전 검출의 모니터링이 요구된다. 검출방법 : Acoustic Emission method ■ Acoustic Emission method 1) 일반적인 부분 방전의 결함을 검출하는 데에 있어서 높은 민감도를 가진다. 2) 전자파(EMI)에 의한 영향이 미소하다. 3) 결함으로부터의 음향 신호의 특성은 테스트 진행절차와 장비에 기초를 두고 있다. → 테스트 장비의 간편화, simple화에 중점을 둔 방법 4) Portable PD 검출기는 PD와 금속 입자로부터 음향 신호를 검출할 수 있도록 만들어졌다.

2. Acoustic PD Detection 3. Fundamental Aspect 1) Detection of acoustic signals emitted from partial discharges and free moving metallic particles bouncing on the GIS chamber. 2) PD 검출기의 출력은 컴퓨터나 오실로스코프를 통해서 분석된다. → it is possible to reveal the type of defects. 3. Fundamental Aspect 3.1 Acoustic wave Propagation in GIS 1) Acoustic wave의 진행은 주로 탄성고체, GIS내에 있는 SF6가스와 같은 점성이 높고 압축성있는 유체에서 일어난다. 2) PD에 의해 발생되는 전기적 신호와는 달리, 음향 신호는 많은 진행의 경로와 mode를 가지고 있다. → mode : gas or casing or combination of two. 3) 입자들에서 나오는 acoustic signal은 금속을 통해서 sensor로 진행한다. → 부분 방전 때문에 생기는 acoustic signal은 sensor에 도착하기 전에 가스나 금속을 통해서 진행한다.

4) 다른 매개체들을 통한 acoustic wave 진행은 매개체들이 관계된 음향 임피던스 매칭에 의존한다. 5) Z = P/V (P: acoustic pressure, V: particle speed) 6) Z = c ( : constant equilibrium density, c: phase speed) → c: 매개체의 특성 임피던스(효율적인 전달을 위해서 특성 임피던스가 매칭이 되어야 한다.)

3.2 Signal Attenuation 1) GIS를 통해서 acoustic wave가 진행할 때, 파의 진폭과 세기는 방전원에서 거리의 함수로써 줄어든다. 2) 신호 감쇠의 원인 한 매체에서 다른 매체로의 진행에서 transmission loss (SF6 gas to GIS chamber) 매체에서 acoustic energy의 분산 매체에서 acoustic absorption 3.3 Noise 1) GIS에서 PD 검출을 하는동안 정보 오류를 범할 노이즈에 영향을 받는다. 2) 노이즈는 여러가지 방전원과 검출 기기로부터 차폐되어야 한다. 3) 노이즈의 종류 a. Electrical noise : 검출 회로에서 thermal effect에 의해 발생. b. External noise : electrical noise보다 더 심각한 노이즈 - Power supply system에서의 코로나 방전 - PD test동안 기계적 vibration - 전자파 신호 etc

4. Instrumentation and Signal conditioning 1) The acoustic PD detection system contains. - PD Detector - Fibre-optic system for signal transmission - A/D Conversion - Storage oscilloscope and computer 4.1 PD Detector 1) sensor output으로부터 acoustic signal을 받을 수 있도록 제작 A. Sensor - Sensitivity와 bandwidth는 sensor 선택에 있어서 최초 고려 옵션. - AE sensor는 20kHz ~ 1MHz의 주파수 응답을 가지는 초음파 공진. B. Pre-amplifier - 센서 출력전압이 너무 낮아서 센서에서 나온 신호를 우선 pre-amplifier - pre-amplifier에서 나온 신호는 필터링 되고, 증폭되고, 다시 필러링. C. Amplifier - 증폭기는 음향 신호 레벨을 매칭시키기 위해서 여러가지 gain을 가지도록 디자인. D. Band Pass Filter - Multiple feedback band pass filter - Filter with low pass and High pass

4.2 Optical-Fibre System for data transmission 1) 광 파이버 시스템은 외부 노이즈 간섭의 영향을 줄이기 위한 것. 2) 송전단 : 전기 신호 → 광 신호 수전단 : 광 신호 → 전기 신호 4.3 A/D conversion 1) Data acquisition, patter display, signal analysis을 컴퓨터로 하기 위해서 아날로그 신호는 디지털 신호로 convert 되어야 한다. 2) Accuracy는 sampling rate와 A/D Converter에 의존.

5. Experimental Investigation 1) 모든 실험은 Lab에서 행해졌고, 만족스런 결과 창출 2) Acoustic sensor의 calibration은 이미 잘 알려진 음향 신호를 만들어 냄으로써 수행. 코로나 방전을 시뮬레이션 하기 위한 시스템

3) 검출 신호의 특징으로부터 부분 방전의 원인을 알 수 있는 가능성을 시사. 4) GIS 챔버 내부에서 고전계 때문에 free moveing 금속 입자는 bounce되고 챔버에서의 충격 때문에 음향신호들이 다른 신호와는 쉽게 구별된다. - 금속 입자들은 펄스 타입의 신호를 만들고 이것은 그림 6에서의 파워 사이클과는 다르다. - 부분 방전은 Fig5에서 보는 바와 같이 power cycle과 함께 관련되면서 랜덤하게 나타나는 연속적인 신호를 발생시킨다 5) 음향 신호의 격렬함은 센서와 부분 방전원 사이의 거리에 의존한다 6) 방전원의 위치는 신호의 격렬함으로부터 나타내어 질 수 있다. 7) 방전원 위치에 대한 쉬운 방법은 두가지 센서를 적용하고 신호의 도착시간에서의 차이를 측정한다

1) 개발된 PD 검출기는 low cost, small size, 정확도 면에서 이점을 가지고 6. Conclusion 1) 개발된 PD 검출기는 low cost, small size, 정확도 면에서 이점을 가지고 있으며 노이즈에 영향을 덜 받는다. 2) 광 파이버 시스템은 노이즈의 영향을 받지 않으면서 깨끗한 데이터 전송이 가능. 3) 초음파 대역에서 사용되는 AE 센서는 GIS에서 PD 검출에 적당하다. 4)검출된 음향 신호로 부터 결함의 종류를 예상할 수 있다. 5) 실험적 연구로 부터 음향 PD검출은 성공적인 방법이라는걸 보여준다.