1. 서 론

1.1 연구의 배경

기존의 전력설비는 다양한 방법으로 예방보전을 실시하고 있다. 그 중에서도 주변에서 쉽게 접할 수 있는 대표적인 주상변압기 절연진단법은 Fig. 1과 같이 초음파, 열화상, 무선부하감시 방법이 주로 활용되고 있으며, 제시한 절연진단법은 하나의 방법으로 전력설비의 결함을 진단할 수 없어 Fig. 1의 세가지 방식을 병행하여 설비예방관리하고 있다^[1-4]. 이는 각각의 방법에서 인간의 청력에 의존하여 주관적으로 결함을 검출하는 초음파, 하계 태양방사열로 인한 오류가 빈번한 열화상, 시간에 따른 고장검출률로 신뢰성이 떨어지는 무선부하감시와 같이 고장결함에 신뢰성이 확보되지 않아 본 논문에서는 결함에 따른 부분방전을 이용한 방사전자파 검출을 활용한 원추형 진단센서를 제한하고자 한다^[5-6].

Fig. 1. Diagnostic method

지금까지의 절연진단법의 측정방식을 고려한다면 전력설비인 주상변압기의 진단에 있어 설비의 설치 위치 등을 반영시 개발될 전연진단센서는 10m정도의 원거리에서 측정이 가능하면서 결함종류를 구분이 가능한 진단센서의 개발이 필요하다. 전력설비에서 방사전자파를 이용한 진단법은 UHF 대역에서의 GIS 절연진단센서가 운용되고 있다^[7]. 한국전력에서 적용되고 있는 부분방전에 의한 방사전자파를 측정하는 GIS 내부에 장착하여 운용 되는 Hitachi사 센서가 있으며, GIS내에서 UHF 대역에서 반사손실이 평균 –4 dB를 가지고 있다. 하지만 국제적으로 적용 되는 규격 IEC 60270 에 따르면 최소 5 pC의 방전 이상을 검출이 가능한 반사손실을 규정하고 있으며, 이에 설계될 진단센서의 S11의 주파수 특성은 –10dB이하의 감도를 가져야 된다^[8-11]. 이에 본 논문에서는 전력설비에서 주상변압기의 결함에　따른 방사전자파측정 할 수 있는 진단센서를 제안하고자 한다. 특히 진단센서 설계 있어 고려사항은 기존의 주상변압기 진단에 있어 문제가 되었던 외부 환경적요인에 영향이 적고, 이동형으로 쉽게 변압기의 결함에 대한 방사전자파 패턴을 얻을 수 있는 방사지향성이 우수한 형태 및 광대역 측정이 가능한 원추형 구조로 선정하였다.

2. 주상변압기 구조해석

전력설비의 주상변압기는 높이 10m 정도의 위치에 원통형 금속용기 안에 전압강하용 변성기가 설치되어 절연유로 절연되어 있다. 1차, 2차 부싱에는 절연용 도자기가 사용되며 주상변압기 안에서 발생되는 부분 방전으로 인한 방사전자파는 1차측, 2차측 부싱을 통하여 주상변압기 외부로 방사된다.

Fig. 2는 주상변압기에 대한 부분방전에 의한 방사전자파 수치 해석하기 위해 주상변압기를 모델링한 구조를 나타낸다. Fig. 2는 주상변압기 내 방전원이 있는 경우 모델링한 구조를 나타내며, 모델링된 주상변압기에 용량에 따른 $h_{1}$, $a$인자는 Fig. 3과 같이 10kVA는 640mm, 375mm이며, Fig. 4와 같이 30kVA는 720mm, 430mm이다. 각각의 모델링 구조에서 $z$축 방향의 원통면에 설치된 유전체로 둘러싸인 도체인 1차 8mm의 부싱지름($r$), $x$축 방향 원통면 유전체로 둘러싸인 도체인 2차측 부싱 $r_{0}$=20mm이다. 내부 도체는 완전도체로 되어 있으며 $w$=400, $d$=300, $h_{2}$=600mm이다. 원통형 캐비티의 절연유는 $\varepsilon_{r}=2.33$이 충진하였으며 내부에 완전도체가 내장되어 있는 것으로 시뮬레이션 하였으며, 캐비티 안의 부분방전 위치는 용량별로 $x_{0}$, $y_{0}$, $z_{0}$인자는 다음과 같다. Fig. 3의 10 kVA 경우 0, 0, 497.78mm, Fig. 4의 30kVA 경우 0, 0, 560mm 구분하였다. 각 위치에서 발생하는 부분방전을 $x$, $y$, $z$축 방향 전류를 구분하여 FDTD법(유한차분 시간영역, Finite-Difference Time-Domain)으로 해석하였다.

Fig. 2. Pole transformer modeling

Fig. 3은 모델링 원통형 캐비티 안의 2차측 부싱 근처에 해당하는 $x$, $y$, $z$축 방향으로 부분방전이 발생할 경우, 모델링 원통형 캐비티로 부터 5m의 이격된 위치에서의 전계강도 계산 결과를 보여주고 있다. Fig. 2에서 알 수 있는 것처럼, $x$축 방향에서는 원통형 캐비티의 외부로 방사되는 전계강도가 가장 큰 대역은 4.2GHz 부근 $E_{z}$ 성분으로 방사되며, 3.6GHz에서는 $E_{y}$ 성분이 가장 큰 방사전자파 값을 확인하였다. $y$축 방향에서는 전계강도는 4GHz 정도에서 $E_{y}$ 성분이 가장 큰 방사값을 갖는 것으로 확인되었다. $z$축 방향에서는 전계강도는 3.5GHz 부근에서 $E_{z}$ 성분이 가장 크게 방사되고 있음을 확인된다.

Fig. 3. Frequency characteristics of radiated field strength(10kVA)

Fig. 4도 Fig. 3과 같은 조건에서 $x$, $y$, $z$축 방향으로 부분방전이 발생할 경우, 모델링 원통형 캐비티로부터 5m 이격된 위치에서의 전계강도 계산 결과를 보여주고 있다. $x$축 방향에서는 원통형 캐비티의 외부 방사되는 전계강도가 3.7GHz 정도에서 $E_{y}$ 성분이 가장 큰 방사값이 확인되며, $y$축 방향에서는 전계강도는 3.6GHz 정도에서 $E_{y}$ 성분이 가장 크게 확인된다. $z$축 방향에서는 전계강도는 3.0GHz 부근에서 $E_{z}$ 성분이 가장 크게 방사되고 있음을 확인된다.

Fig. 4. Frequency characteristics of radiated field strength(30kVA)

3. 원추형센서 설계

Fig. 5는 원추형 안테나의 구조와 좌표계를 보여주고 있다. 높이는 90mm, 접지판 반경은 60mm이다. 접지판를 포함한 이중 원추형 방사체는 완전도체로 설정하였다. 상하 원추의 반지름(a) 60mm, 하부 원추의 밑변지름(b)이 2mm이다. 상부 원추의 높이(h1) 30mm, 하부 원추 높이(h2)는 60mm이다. 접지판 직경(p)는 6mm인 2개의 단락포스트가 존재하며 방사체와 접속되어 원형 접지판 중심부에 SMA (SubMiniature version A) 커넥터가 부착 동축케이블 급전하는 구조이다.

Fig. 5. Geometry and coordinate system of a double conical antenna with posts

Fig. 6. Current distributions of antenna with posts

Fig. 6은 급전시 원추형진단센서 소자의 전류 분포를 표현하고 있으며, 급전점에서 급전된 전압은 센서 소자에 전류가 흘러 원추형의 상하부 도체를 따라 흐르게 되는 구조이다. 저역 주파수 대역에서의 반사손실 특성 개선을 위하여 단락포스트이 구조로 인하여 전류 흐름 경로의 전기적인 길이가 길어지게 되는 구조이다. 특히 원추형센서 도체와 단락포스트에 흐르는 전류비에 의하여 광대역 특성을 보이게 된다.

Fig. 7은 단락포스트의 개수 변화에 따른 반사손실 주파수 특성에 대한 시뮬레이션 결과이다. 그림과 같이 2개의 단락포스트일 때의 반사손실에 있어 저주파수 대역에서의 반사손실이 개선됨을 확인되며, 단락포스트가 4개로 증가되면 전류 흐름이 분산됨에 따라 전기적인 길이가 짧아져 저주파수 대역의 반사손실 특성이 나빠짐을 확인할 수 있다. 이에 단락포스트가 2개일 때, 단락포스트가 없을 경우 보다 1GHz 이하의 주파수 대역에서 최대 25dB의 반사손실 특성이 개선된다. 또한 반사손실이 0.8∼2.0GHz 대역에서 -10dB이하인 것으로 시뮬레이션 결과 확인되어 절연진단센서로 활용이 가능하다.

Fig. 7. Frequency characteristics

3. 결 론

본 논문은 기존의 전력설비의 절연진단을 통한 예방진단법의 결점을 보완하고자 전력설비의 대표적인 설비인 주상변압기를 모델링하여 부분방전에 따른 방사전자파 측정이 가능한 원추형 진단센서를 설계하여 그 특성을 시뮬레이션을 통하여 규명하였다. 시뮬레이션 결과와 같이 0.8∼2.0GHz 대역에서 반사손실 특성이 –10dB이하인 것으로 확인되어 절연진단센서로 활용이 가능함을 확인하였다. 이에 향후 원추형센서의 실제 제작 및 특성검토를 통하여 전력설비의 절연진단에 활용될 수 있을 것이라 기대된다.