1.1 연구의 배경

기존에 적용된 전력설비는 절연가스인 SF6 Gas가 적용되어 절연내력이 보장되었다. 하지만 도시의 발달로 소형화, 지중화 된 전력설비에 대한 신뢰성과 양질의 전력품질에 대한 소비자의 인식개선으로 한국전력공사는 초음파, 열화상, 무선부하감시시스템 등을 적용한 다양한 사전 전력사고 예방활동을 하고 있다^(1-4). Fig 1과 같이 다양한 전기설비의 진단법에는 주관적 및 환경적인 요소로 인한 진단의 문제점이 제기되고 있다^(5-7). 또한 절연가스로 사용되고 있는 SF6 Gas가 온실가스로 지정되어 사용을 줄이거나 금지하는 것을 국제규약 지정되어 국내외적으로 SF6 Gas를 대체 위하여 건조공기나 제조공기 등을 활용한 다양한 전력설비가 개발 운용 중에 있다. 하지만 대체 개발된 건조공기, 제조공기와 같은 절연매질이 기존의 SF6 Gas에 비해 절연내력이 현저히 낮아 이를 보완하기 위하여 고체절연물을 활용하고 있다.

Fig. 1. Diagnostic method of electrical equipment

친환경절연가스를 적용되어 운용되고 있는 전력설비는 상대적으로 낮은 절연능력을 가지고 있어 고체절연물의 연면으로 절연파괴진전이 되어 전력사고로 이어 질 수 있어 현재 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다. 한국전력에서 사용되고 적용되고 있는 부분방전 발생시 발생되는 방사전자파를 이용한 진단센서는 대표적으로 GIS 내부에 취부되는 Hitachi사 내장형 센서가 있다. Hitachi사 내장형 센서는 GIS내부에서 UHF 대역에서 평균 약 -4dB의 반사 손실 특성을 가지고 있다. 하지만 CIGRE는 부분방전 검출장치가 UHF 대역에서 IEC 60270 의거 최소 5pC의 방전 이상을 검출이 가능한 감도로 규정하고 있다^(8-11). 이에 본 논문에서는 건조공기에서 고체절연물의 연면파괴전압에 대한 연구를 통하여 절연파괴진전에 따른 방사전자파를 측정 분석하고 친환경절연재를 적용한 전력설비에 적용이 가능한 고감도 센서를 제안하고자 한다.

3.1 연면절연파괴 진전시 방사전자파특성

고체절연물의 연면절연파괴 시 방사전자파 특성은 건조공기 1atm일 때 연면파괴전압 Teflon 41kV으로 측정되어 기기의 보호를 위해 인가전압 40kV 인가하여 측정하였다. 연면방사전자파 측정치는 방사전자파 신호 MAX의 신호를 취합 후 방사전자파치는 배경잡음을 제거한 방사전자파 신호를 분석하였다. 일반적으로 절연파괴진전에 따른 방사전자파는 100MHz 이하의 대역에서는 특성을 규정할 수 없어 100MHz 이상 대역에서의 값을 해석하였다.

Fig. 5. Surface radiated electromagnetic characteristics of Teflon by applied voltage

Fig 5는 고체절연물의 인가전압별 연면절연파괴진전시 방사전자파를 측정한 값이며, 초기방전은 5kV 인가일때 1080, 1110MHz 대역에서 각각 5, 4dBμV/m가 확인되었다. 인가전압 증가에 따라 10, 15, 20kV일 때는 초기방전의 같은 대역대에서 신호를 확인할 수 있었다. 25kV 일 때 700MHz 대역에서 4dBμV/m증가된 신호가 검출되었고, 중기방전으로 확인되는 35kV 일 때 400MHz 대역에서 7dBμV/m로 증가됨을 확인하였다. 연면절연파괴 직전 말기신호가 40kV 일 때 방사전자파가 1080, 400, 700MHz 대역 순으로 방사전자파값이 8, 7, 4dBμV/m 정도로 확인되었다. 이에 고체절연물의 연면방전진전 형태를 방사전자파로 구분할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 6. Surface radiated electromagnetic of Teflon by 6, 4, 3atm

Fig 6은 건조공기의 압력이 6, 4, 3atm일 때 45, 41, 41kV인가시 방사전자파의 파형을 보여주고 있다. 건조공기의 압력이 6, 4, 3atm일 때 연면절연파괴전압은 48, 46, 43kV에서 확인되었으면 기기보호를 위하여 절연파괴가 일어나기 전에 방사전자파를 측정하였다. 그림과 같이 연면절연파괴 진전에 따라 비슷한 대역에서 방사전자파가 발생됨을 확인하였다. 이에 반사손실(S11) –10dB이상의 고감도 측정센서를 설계하여 친환경절연재를 활용한 전기시설물에 적용시 전력설비의 예방보전이 가능할 것으로 생각된다.

3.2 고감도 UHF 센서 설계

친환경절연재를 사용한 전력설비에 내부에 설치가 가능한 UHF센서를 맥스웰방정식을 활용하여 시간, 공간에서 차분화, 해석 공간의 전계와 자계를 활용한 계산을 이용해서 시간적에 따른 출력점의 시간응답을 얻는 Finite Difference Time Domain(FDTD)법을 고감도 UHF 진단센서를 설계하였다. Fig 7은 제안된 스트립실린더 형태이다. 스트립 구조는 물리적 직관성으로 해석이 쉬운 전송선로모델을 적용하였다. 센서설계시 해석, 제작의 용이성, 방사특성, 교차편파 방사와 광대역을 측정하기 위하여 원형 패치를 적용하엿다. 센서 내부 원추형은 유전율 2.2로 설정, 기본재질을 전기도체(PEC)로 설정하였다.

Fig. 7. Design of insulted diagnosis micro-strip sensor

설계된 센서의 반사손실(S11) 파라미터를 Fig 8에서 보여주고 있다. 설계된 센서 S11 파라미터는 -20dB 이하에서 안테나의 측정주파수 대역을 결정되어 신뢰성을 가진다. 하지만, 일반적으로 -10dB이하의 값을 갖는 주파수 대역을 그 센서의 신뢰성을 갖는 측정주파수대로 적용한다. 센서가 사용되는 전력설비 내 방사전자파 신호는 수 GHz 대의 주파수 성분을 가지며 전력설비 내를 진행하면서 반사, 굴절, 감쇠현상에 의하여 TE11, TE21, TE31, TE41의 모드형상으로 일반적으로 전파된다. 이때 전파하는 전자파의 모양은 전력설비의 구조와 부분방전 전류의 특성에 따른다. Fig 8에서 보는 것과 같이 원통형 챔버을 가정한 시뮬레이션 결과, 상기 고체절연물의 연면파절연파괴시 방사전자파 발생 실험에서 측정된 UHF 대역(0.3～1.5GHz)에서 –20dB이하의 S11 파라미터값을 확인하였다.

Fig. 8. Port signal (S- parameter)