GIS내의 침 결함에 의한 부분방전 특성 연구 LG Industrial Systems. UHV CFT Teams

연구 배경 초고압 전력기기의 사고는 - 사회적, 경제적으로 막대한 피해 발생 시킴 - 복구에 장시간 소요 - 사회적, 경제적으로 막대한 피해 발생 시킴 - 복구에 장시간 소요 특히, 초고압 GIS 에서의 사고 발생 대책 예비설비 확보 : 시설투자로 인한 경제적인 부담 증가 사고의 징후 진단 기술확립 : 사전 조치, 계획보수 가장 효과적인 진단방법 : 부분방전 검출

연구 목표 및 내용 부분방전 신호를 검출하여 초고압 GIS의 결함발생 여부를 판단할 수 있는 기초 데이터 구축 - 경남 의령 변전소154kV on-line system 구축 (PSDTEC) - 서울 구리 야탑 변전소

GIS내의 부분방전 신호 검출방법 전기적 방법 UHF부분방전 검출법 - UHF대역의 안테나 센서를 GIS에 내장, 외장시켜 내부의 부분방 전에 의한 전자파 검출 방전전류 검출법 - CT센서를 이용한 접지에 흐르는 부분방전전류검출 비전기적 방법 초음파 검출법 - AE (Acoustic Emission)센서로 부분방전에 의한 초음파 신호검 출

실험장치 GIS 챔버 구성 점검창 4개, 붓싱, ES, 파티클 챔버 알루미늄 내부도체 (반경 60mm), 외함 (반경 150mm) 실험장치구성도 센서측정위치와 침 결함 위치

실험방법 내부 알루미늄도체에 ogura 침 고정(6cm, 10um) GIS내부를 진공 펌프로 진공 후(360mmHg) SF6 gas (3kgf/cm2) 주입 주파수 스펙트럼 비교 : 외부 노이즈 & 부분방전발생에 의한 신호 UHF, AE, CT센서 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 PD사 ) 1 atm =1013 mbar=760 mmHg=1013 Pa 1 kgf/cm2=980.7 mbar

PD 검출 센서 UHF센서 AE센서 450MHz 150KHz CT 실험용 GIS 2-25MHz 구성 형태

PD 검출 센서 PD사 센서 H.Y. Lab 센서 (300MHz~1.5GHz) (300MHz~2GHz)

100kV인가 시 실험실내 외부 노이즈: Frequency Domain Marker1-2: 174MHz~216MHz (VHF-TV대역) Marker2-3: 54~450MHz (CATV순방향 Analog 대역) Marker4: 869~894MHz (Digital cellular기지국 송신용대역)

100kV인가 시 실험실내 외부 노이즈 : Time Domain CT UHF센서 AE센서 PRPDA 패턴 오실로 스코프 파형 (2ms, 1V/div)

GIS내 부분방전 신호: Time Domain 35kV 인가 시 70-80pC 방전량 발생 CT 2ms, 1V/div 로 측정 CT와 UHF센서로 검출된 신호 UHF센서 : 동일위상에서 발생 AE센서로 검출된 신호 AE센서 : 시간지연 발생 40kV 인가 시 0.7-1nC 방전량 발생 CT Ch1 : 2ms, 5V/div Ch3,4 : 2ms, 1V/div UHF센서 펄스 수와 크기 증가 전자파와 초음파의 전파속도 차이에 의한 시간지연 발생 AE센서

GIS내 부분방전 신호: Frequency Domain Marker1: 448MHz Marker2: 653MHz Marker3: 803MHz Marker4: 935MHz 653MHz에서 935MHz 대역 : 부분방전에 의한 전자파 발생

침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 동일전압 인가 시(40kV) 검출되는 부분방전 신호 측정 내부도체(H.V)에 침 고정 : 70~860MHz, 1.3~1.5GHz 외함(L.V)에 침 고정 : 65~420MHz 40kV 동일전압 인가 시 침 결함 위치에 따른 스펙트럼 비교

침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 내부도체에 침 고정(H.V) 외함에 침 고정(L.V) 주파수 영역 UHF 센 서 시 간 영 PRPDA UHF 센 서

침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 내부도체에 침 고정(H.V) 외함에 침 고정(L.V) 주파수 영역 C T 센 서 시 간 영 PRPDA

침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 내부도체에 침을 고정시킨 경우가 외함에 고정 시킨 경우 보다 출력 파워가 최대 7.1dBm, 출력전압은 약 9배 높게 측정 내부 도체 고정( H. V ) 외 함 고정 ( L. V ) UHF 분 류 70~860 MHz 1.3~1.5 GHz 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 정극성 발생 -> 정극성, 부극성 모두발생 -> 부극성 발생 측정주파수대역 ( Hz ) SPEC dBm OSCI mV 방전형태 침 위치 40kV 동일전압 인가 시 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 비교

전송매질에 따른 부분방전 특성 점검창이 없는 경우( =1) 와 점검창이 있는 경우( = 5.5)를 진행할 때 측정되는 주파수 대역 비교 점검창 有 : 600MHz ~ 1GHz, -36dBm 점검창 無 : 1~1.5GHz, -30dBm 전자파는 유전율이 다른 매질 통과 시 측정 주파수대역의 차이가 발생됨 다른 매질 통과 시 부분방전신호 검출

측정 위치에 따른 부분방전 특성 점검창에서 측정 : 800MHz~1GHz 스페이서에서 측정 : 500~700MHz 도파관 구조에 따라 차단주파수 결정전자파 신호는 차단주파수 이하 대역에서 감쇄 발생 측정위치에 따른 주파수 특성

센서성능비교 자체 제작한 UHF센서와 상용 UHF센서 (PD사) HFSS를 이용한 안테나 AGP시뮬레이션

센서성능비교 자체 제작한 UHF센서와 상용 UHF센서 (PD사)의 이득(Gain) S11 : PD사 센서의 이득 200MHz~400MHz, 0.8GHz~1GHz : 자체제작 센서이득 우수 600MHz, 1.1GHZ, 1.5GHz : PD사 센서이득 우수 네트워크 분석기를 이용한 센서 특성 비교

센서성능비교 자체 제작한 UHF센서와 상용 UHF센서 (PD사)를 이용한 부분방전 신호 측정 100MHz~500MHz : 자체제작센서 감도(5~10dBm) 우수 500~600MHz, 700~800MHz : PD사 센서 감도(5~8dBm) 우수 다른 대역에서 : 비슷한 감도 GIS내 부분방전 신호측정을 통한 센서성능 비교

센서성능비교 자체 제작한 UHF센서와 상용 CT(PD사)를 이용한 부분방전 신호 측정 UHF센서 : 70MHz~1.5GHz, 광대역 측정 CT센서 : 3MHz~30MHz , 110~200MHz, 협대역 측정 UHF센서와 CT센서로 측정한 부분방전 주파수 비교

Background 노이즈에 많은 간섭 없음 센서성능비교 자체 제작한 UHF센서와 상용 CT(PD사)를 이용한 부분방전 신호 측정 센서구분 전체측정주파수대역 (Hz) 파워(Spectrum) (dBm) 전압OSC) (mV) UHF CT 70MHz~1.5GHz -48.14 77.5 5~30M ,110~200M -50.48 11.5 내 용 전자파 측정 Background 노이즈에 많은 간섭 없음 측정결과 CT보다 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

결 론 GIS구조를 고려한 차단 주파수는 다음과 같으며 계산값과 실험값의 오차는 근소하였다. 결 론 GIS구조를 고려한 차단 주파수는 다음과 같으며 계산값과 실험값의 오차는 근소하였다. - GIS 챔버 : 계산값 - 460MHZ, 측정값 - 500MHZ - 점검창 : 계산값 – 416 MHZ, 측정값 - 500MHZ 차단주파수 이하에서는 신호 감쇄가 커지므로 센서 설계 시 차단 주파수 이상의 신호검출이 가능하도록 설계하여야 한다. 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

결 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 - 점검창 : 800~1GHz, -35dBm 자체 제작한 UHF센서가 PD사 센서보다 전체적인 감도면에서는 우수(약10dBm) 하나 특정 주파수 대역(600MHz, 1.1GHz 및 1.5GHZ)에서는 낮은 이득(10dB) 특성을 보인다. 광대역에 걸친 감도개선은 향후 연구되어야 할 과제이다. GIS내부에서 발생되어지는 부분방전신호는 측정센서의 형태 및 취부 위치, 결함의 종류와 발생위치, GIS의 구조에 따라 그 신호의 전파 특성과 방전패턴을 달리 한다. 따라서 다양한 결함과 서로 다른 형태의 센서를 이용하여 보다 많은 Database를 구축하는 것이 GIS내부 결함을 더욱 정확히 진단할 수 있는 방법이라 여겨진다.