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LG Industrial Systems. UHV CFT Teams. GIS 내의 침 결함에 의한 부분방전 특성 연구. 연구 배경. 초고압 전력기기의 사고는 - 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. - PowerPoint PPT Presentation
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LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
GIS 내의 침 결함에 의한 부분방전 특성 연구
GIS 내의 침 결함에 의한 부분방전 특성 연구
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
연구 배경연구 배경
초고압 전력기기의 사고는
- 사회적 , 경제적으로 막대한 피해 발생 시킴
- 복구에 장시간 소요
특히 , 초고압 GIS 에서의 사고 발생 대책
시설투자로 인한 경제적인 부담 증가예비설비 확보 :
사고의 징후 진단 기술확립 : 사전 조치 , 계획보수
가장 효과적인 진단방법 : 부분방전 검출
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
- 경남 의령 변전소 154kV on-line system 구축 (PSDTEC)
- 신 울산 전력소 온산 / 용연 GIS : 외장형 센서부착
부분방전 신호를 검출하여 초고압 GIS 의 결함발생 여부를 판단할 수 있는 기초 데이터 구축
인위적 결함 : 실험실에 설치된 실 규모 GIS 챔버를 이용
현장 데이터 확보 : 운전중인 기 설치된 GIS 에 센서를 이용
연구 목표 및 내용연구 목표 및 내용
- 서울 구리 야탑 변전소
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
전기적 방법
비전기적 방법
UHF 부분방전 검출법
방전전류 검출법
초음파 검출법
- CT 센서를 이용한 접지에 흐르는 부분방전전류검출
- UHF 대역의 안테나 센서를 GIS 에 내장 , 외장시켜 내부의 부분방 전에 의한 전자파 검출
- AE (Acoustic Emission) 센서로 부분방전에 의한 초음파 신호검
GIS 내의 부분방전 신호 검출방법GIS 내의 부분방전 신호 검출방법
출
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
GIS 챔버 구성
실험장치구성도 센서측정위치와 침 결함 위치
실험장치실험장치
점검창 4 개 , 붓싱 , ES, 파티클 챔버알루미늄 내부도체 ( 반경 60mm), 외함 ( 반경 150mm)
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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내부 알루미늄도체에 ogura 침 고정 (6cm, 10um)
GIS 내부를 진공 펌프로 진공 후(360mmHg)
주파수 스펙트럼 비교 : 외부 노이즈 & 부분방전발생에 의한 신호
SF6 gas (3kgf/cm2) 주입
UHF, AE, CT 센서 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 PD 사 )1 atm =1013 mbar=760 mmHg=1013 Pa 1 kgf/cm2=980.7 mbar
실험방법실험방법
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
PD 검출 센서PD 검출 센서
UHF 센서
CT
AE 센서450MHz
2-25MHz
150KHz
실험용 GIS
구성 형태
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
PD 검출 센서PD 검출 센서
PD 사 센서
H.Y. Lab 센서
(300MHz~1.5GHz) (300MHz~2GHz)
(100MHz~1.5GHz)
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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Marker1-2: 174MHz~216MHz
(VHF-TV 대역 )
Marker2-3: 54~450MHz (CATV 순방향 Analog 대역 )
Marker4: 869~894MHz (Digital cellular 기지국 송신용대역 )
100kV 인가 시 실험실내 외부 노이즈 : Frequency Domain100kV 인가 시 실험실내 외부 노이즈 : Frequency Domain
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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PRPDA 패턴 오실로 스코프 파형 (2ms, 1V/div)
100kV 인가 시 실험실내 외부 노이즈 : Time Domain100kV 인가 시 실험실내 외부 노이즈 : Time Domain
CT
UHF 센서
AE 센서
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
GIS 내 부분방전 신호 : Time Domain
GIS 내 부분방전 신호 : Time Domain
70-80pC 방전량 발생2ms, 1V/div 로 측정
35kV 인가 시
0.7-1nC 방전량 발생Ch1 : 2ms, 5V/div
40kV 인가 시
Ch3,4 : 2ms, 1V/div
CT
UHF 센서
AE 센서
CT
UHF 센서
AE 센서
CT 와 UHF 센서로 검출된 신호
AE 센서로 검출된 신호
펄스 수와 크기 증가
: 동일위상에서 발생
: 시간지연 발생
전자파와 초음파의 전파속도 차이에 의한 시간지연 발생
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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Marker1: 448MHz Marker2: 653MHz Marker3: 803MHz Marker4: 935MHz
653MHz 에서 935MHz 대역 : 부분방전에 의한 전자파 발생
GIS 내 부분방전 신호 : Frequency Domain GIS 내 부분방전 신호 : Frequency Domain
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 동일전압 인가 시 (40kV) 검출되는 부분방전 신호 측정내부도체 (H.V) 에 침 고정 : 70~860MHz, 1.3~1.5GHz외함 (L.V) 에 침 고정 : 65~420MHz
40kV 동일전압 인가 시 침 결함 위치에 따른 스펙트럼 비교
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 내부도체에 침 고정 (H.V) 외함에 침 고정 (L.V)
주파수 영역
시
간 영
역
PRPDA
UHF
센
서
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 내부도체에 침 고정 (H.V) 외함에 침 고정 (L.V)
C
T
센
서
주파수 영역
시
간 영
역
PRPDA
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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내부 도체 고정 ( H. V ) 외 함 고정 ( L. V )
UHF UHF분 류
70~860 MHz
1.3~1.5 GHz
CT 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 10
정극성 발생 -> 정극성 , 부극성 모두발생 -> 부극성 발생
측정주파수대역
( Hz )
SPEC dBm
OSCI mV
방전형태
침 위치
침 결함 위치에 따른 부분방전 특성침 결함 위치에 따른 부분방전 특성내부도체에 침을 고정시킨 경우가 외함에 고정 시킨 경우 보다 출력 파워가 최대 7.1dBm, 출력전압은 약 9 배 높게 측정
40kV 동일전압 인가 시 침 결함 위치에 따른 부분방전 특성 비교
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전송매질에 따른 부분방전 특성전송매질에 따른 부분방전 특성점검창이 없는 경우 ( =1) 와 점검창이 있는 경우 ( = 5.5) 를 진행할 때 측정되는 주파수 대역 비교
εr εr
다른 매질 통과 시 부분방전신호 검출
점검창 有 : 600MHz ~ 1GHz, -36dBm점검창 無 : 1~1.5GHz, -
30dBm
전자파는 유전율이 다른 매질 통과 시 측정 주파수대역의 차이가 발생됨
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측정 위치에 따른 부분방전 특성측정 위치에 따른 부분방전 특성
점검창에서 측정 : 800MHz~1GHz스페이서에서 측정 : 500~700MHz
스페이서
점검창
도파관 구조에 따라 차단주파수 결정전자파 신호는 차단주파수 이하 대역에서 감쇄 발생
측정위치에 따른 주파수 특성
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센서성능비교센서성능비교
HFSS 를 이용한 안테나 AGP 시뮬레이션
자체 제작한 UHF 센서와 상용 UHF 센서 (PD사 )
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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센서성능비교센서성능비교자체 제작한 UHF 센서와 상용 UHF 센서 (PD 사 ) 의 이득 (Gain)
네트워크 분석기를 이용한 센서 특성 비교
S11 : PD 사 센서의 이득
S22 : 자체제작 센서의 이득
200MHz~400MHz, 0.8GHz~1GHz : 자체제작 센서이득 우수600MHz, 1.1GHZ, 1.5GHz : PD 사 센서이득 우수
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센서성능비교센서성능비교자체 제작한 UHF 센서와 상용 UHF 센서 (PD 사 ) 를 이용한 부분방전 신호 측정
100MHz~500MHz : 자체제작센서 감도 (5~10dBm) 우수
500~600MHz, 700~800MHz : PD 사 센서 감도 (5~8dBm) 우수다른 대역에서 : 비슷한 감도
GIS 내 부분방전 신호측정을 통한 센서성능 비교
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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센서성능비교센서성능비교자체 제작한 UHF 센서와 상용 CT(PD 사 ) 를 이용한 부분방전 신호 측정
UHF 센서와 CT 센서로 측정한 부분방전 주파수 비교
UHF 센서 : 70MHz~1.5GHz, 광대역 측정CT 센서 : 3MHz~30MHz , 110~200MHz, 협대역 측정
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센서성능비교센서성능비교
센서구분 전체측정주파수대역
(Hz)
파워 (Spectrum)
(dBm)
전압 OSC)
(mV)
UHF
CT
70MHz~1.5GHz
-48.14 77.55~30M ,110~200M -50.48 11.5
UHF CT센서구분
내
용
전자파 측정
Background 노이즈에 많은 간섭 없음
측정결과 CT 보다 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
자체 제작한 UHF 센서와 상용 CT(PD 사 ) 를 이용한 부분방전 신호 측정
LG Industrial Systems. UHV CFT Teams
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결 론결 론
GIS 구조를 고려한 차단 주파수는 다음과 같으며 계산값과 실험값의 오차는 근소하였다 .
차단주파수 이하에서는 신호 감쇄가 커지므로 센서 설계 시 차단 주파수 이상의 신호검출이 가능하도록 설계하여야 한다 .
- GIS 챔버 : 계산값 - 460MHZ, 측정값 - 500MHZ
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
- 점검창 : 계산값 – 416 MHZ, 측정값 - 500MHZ
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결 론결 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
자체 제작한 UHF 센서가 PD 사 센서보다 전체적인 감도면에서는 우수 ( 약 10dBm) 하나 특정 주파수 대역 (600MHz, 1.1GHz 및 1.5GHZ) 에서는 낮은 이득 (10dB) 특성을 보인다 . 광대역에 걸친 감도개선은 향후 연구되어야 할 과제이다 .
- 점검창 : 800~1GHz, -35dBm
GIS 내부에서 발생되어지는 부분방전신호는 측정센서의 형태 및 취부 위치 , 결함의 종류와 발생위치 , GIS 의 구조에 따라 그 신호의 전파 특성과 방전패턴을 달리 한다 . 따라서 다양한 결함과 서로 다른 형태의 센서를 이용하여 보다 많은 Database 를 구축하는 것이 GIS 내부 결함을 더욱 정확히 진단할 수 있는 방법이라 여겨진다 .