5 . Principle of Electrical Discharge Detection

5 . 1 The basic diagram• 시편에서 발생하는 부분방전은 전류의 임펄스 형태로 나타난다 .• 가장 기본적인 검출회로 구성 ( 그림 5.1) 과 구성요소

1 . 고전압 전원으로 가급적 방전이 이루어지지 않을 것 .

2 . 시편 a

3 . 시편에서의 방전 임펄스에 의해 발생된 전압 임펄스에 따른 임피던스 Z.

4 . 결합 캐패시턴스 k 는 고주파 전류 임펄스를 쉽게 흐르 도록 하기 위한 것으로서 , 시편과 같은 order 의 값을 가져야 한다 .

5 . 증폭기 A

6 . 관측기 O 는 crest voltmeter, 오실로스코프 , 펄스시편 링소자로 구성된다 .

검출회로 구성요소

5 . 1 . 1 The detection impedance

• 부분방전 검출을 위한 임피던스 Z 의 연결 1. 시편과 직렬로 연결한다 .

2. 그림중의 dotted line 에 결합 캐패시터와 직렬로 연결한다 .

5 . 1 . 2 The RC circuit

)exp()( Rm

t

ka

aCa

qV

Cka

akm

• q 는 방전전하량

Vbq

•AC 전압하에서 내부방전은 a-b-c 회로로 설명

5 . 1 . 3 The LCR circuit

tRm

t

ka

Ca

qV cos)

2exp(

)1(

224

11

mRLm

• 발진회로 :

특정한 주파수의 전류만이 회로에 흐름 .

5 . 1 . 4 Conclusions

1 . 전압 임펄스의 크기는 방전의 크기 q 에 비례 방전의 크기를 측정 .

2 . 전압 임펄스의 높이는 R 과 무관함 .

양호한 방전을 얻기 위해서는 시편의 정전용 량과 정합 될수 있는 가변 임피던스를 가진 방전 검출기를 이용 .

3 . 임펄스는 k 에 따라 변함 .

5 . 2 Amplification of impulses

•수 microseconds 의 시정수를 가진 매우 짦은 임펄스군의 신호 발생 .• 임펄스의 위치와 높이필요 .

5.2.2 After RC circuit 5.2.3 After a LCR circuit

•증폭기 밴드폭은 신호의 밴드폭과 같거나 크다 .

• A , 까지 또는 그 이상 의 광대역 선택 신호의 높이는 임펄스 의 높이에 비례

1f

5 . 3 Sensitivity

• 검출가능한 가장작은 방전크기 : 수 pC

5 . 3 . 1 Noise sources

• 증폭기에서의 잡음 : 방전임펄스보다 크며 감도는 시편의 정전용량이 크게 됨에 따라 선형적으로 감소되므로 좋지 않음 .

• 검출회로에서의 잡음 : 잡음원은 변압기로서 신호를 단계적으로 높여가면 증폭기에서의 잡음수준 감도는 에 비례한다 .a

5 . 3 . 2 Sensitivity by amplifier noise

5 . 3 . 2 . 1 RC impulses at the amplifier

• 밴드폭의 제한은 이상적인 증폭기인 경우 , RC 회로에 의해 결정 .(RC=a)

• 증폭기를 통과한 임펄스 ( )

totC

qU

5 . 3 . 2 . 2 Overshoot

• 시험전압과 고조파는 증폭기의 포화를 방지하 기 위해 차단 .

5 . 3 . 2 . 3 Sensitivity (as degermined by amplifier noise)

totnsens CUq 2

5 . 3 . 2 . 4 Optimal bandwidth

•증폭기의 잡음은 밴드의 제곱근에 비례 .

( 밴드폭 증가잡음증가 factor 증가 ) • 신호대 잡음비의 최적화 : •

a

Cka

kaR

1) 최적 감도를 얻으려면 , 결합 커패시턴스 k 는 시편 a 와 동일 order 의 크기여야 한다 . 그렇지 않으면 기생커패시턴스 C 의 효과가 커지게 된다 .

2) 감도는 시편의 정전용량에 따라 선형적으로 감소하며 ,

용량이 큰 시편에 대해서도 가 된다 .aCtot

5 . 3 . 2 . 5 Variable R

• 가 되도록 의 시정수를 일정하게 유지 즉 검출저항 R 은 조정한다 .

a mR

•최적화가 예리하지 않을경우 , 즉 시편의 정전용량이 감소하면 , 저항을 최적감도가 유지되도록 비례적 증가 .

5 . 3 . 2 . 6 Using a LCR detection impedance

•LCR 임피던스를 사용할 경우 , RC 임피던스와 유사•검출가능한 가장 작은 방전레벨은 시편의 정전용량에 비례하고 RC 정도의 결과를 기대 .

5 . 3 . 2 . 7 Typical values•표 5.1 에서 정전용량 10nF 이상에서는 만족할 만한 감도가 아님 .

5 . 3 . 3 Sensitivity by circuit noise

5 . 3 . 3 . 1 RC circuit

•검출저항에서 신호는 RC 회로의 잡음이 증폭기의 잡음에 달할때까지 변압기에 의해 단계적으로 증가하며 감도는 회로잡음에 의해 결정된다 .

•검출저항에 걸리는 잡음의 유효전압 :

•잡음밴드 높이는 유효전압의 약 2.5 배이다 . ( 식 5.12)

)(n

eff C

TKU

•a/k 사이의 비가 n 인 평형및 직접 검출회로에서는 이므로 이며 , 이 잡음은 변압기에 의해 단계적으로 증가하며 , 증폭기 잡음과 합쳐진다 .

•적절한 변압비 : 회로잡음이 증폭기 잡음의 1.2 배 잡음은 원래 회로잡음보다 1.3 배 높게 나타남 .( 식 5.14)

방전 임펄스는 약 2 배보다 높음 . ( 식 5.15)

totn Cn

C

])1(

1[

totn C

KTnU

)1(5.2

•방전임펄스와 임펄스 높이 ( ) 가 같다면 totC

q

감도는 (5.17)totsens CKTn

q

])1[(4.6

(n:a/k( 직접 ) , a/a( 평형 ) , 는 증폭기 응답 는 a+C(1+n) 의 정전용량이다 . )

)/( af

totC

•검출가능한 가장 작은 방전은 에 비례• 항에서 n 은 작아야 하며 , 이는 k 가 시편 a

정도이어야 함을 의미 ( 시편용량 크기 정도의 큰 결합 커패시턴스가 필요하다 .)

totC

)1( n

•시편의 총 정전용량과 기생 정전용량 의 함수로서 감도를 그림 5.12 에 나타냄 ( 감도는 에 비례한다 )

totC

totC

•동일한 조건에서 승압 변압기가 없는 검출도 보임

5 . 3 . 3 . 2 The transfomer ratio

•양호한 감도를 얻기 위한 변압비 N

tot

amp

CKTn

UN

/)1[(5.2

2.1

5 . 3 . 3 . 3 LCR circuit

•검출 임피던스 양단의 임펄스가 증폭기에 인가되면 임펄스는 증폭기의 제한된 밴드폭 때문에 그림 5.13 과 같이 왜곡된다 . 증폭기의 밴드가 넓을수록 임펄스의 재생은 양호해지고 , 재생된 신호의 높이는 원래의 임펄스의 높이와 유사하게 된다 .

•RC 검출기에서와 같이 검출된 임펄스의 높이는 시편 정전용량이 증가할수록 감소한다 . 회로의 잡음은 시편 정전용량의 제곱근으로 감소한다 .

totsens Cn

KTq

)1()(1.7

)(

결합정전용량시편정전용량

k

an

• 는 이동전하량 q 가 발생되는 용량 ( =(1+C/k)a+C)

•factor 는 과 같지 않다 . Factor 의응답에서 회로 잡음의 감소에 대한 증폭기의 밴도폭의 효과는 무시한다 .

이런 효과는 와 합쳐진다 .

totC totC

• 는 증폭기의 밴드폭과 임펄스의 밴드폭의 함수

•그림 5.11 의 감도에 대해서 계산된 값과 측정된 값 ( 표 5.3)

( 여기서 q 는 k 가 a 비해서 큰경우임 또한 k 는 100 또는 1000[pF] 이고 a 에 따라 변하지 않으며 위에서 언급한 factor 와 곱해져야 한다 .

•a>>k 이고 a>>C 라면

•k 는 변하지 않고 , a>>k 라면 , 감도는 시편정전용량에 비례하여 증가하고 , 증폭기 감도를 결정하는 검출기에 비해서 얻어지는 것은 없다 .

)1/( ka

ak

Ckqsens

24[10

5.4

5 . 3 . 4 General remarks

•실험에 의해서 감도를 얻기는 쉽지 않다 .•시편보다 earth leads , discharge , electromagnetic

interference 가 주요한 장애요인이다 .•외부 방전은 특히 고전압으로부터 예방하기 어려움•100kV 와 더 높은 전압에서 1pC 보다 더 낮은 감도를 얻는 것은 매우 어려울 것이다 .