1. 서 론

전력설비는 가전제품부터 공장의 생산설비, 건물, 도로, 교통 등의 사회 인프라에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되며, 일상생활과 산업 전반의 필수적인 요소로서의 역할을 수행하고 있다. 이러한 전력설비의 안전한 운용은 생활의 안전과 생산성에 직접적으로 연관된다. 과거에는 전력 사용량이 폭발적으로 증가하던 시기에 용량 증설의 필요성이나 기술 발전에 따른 새로운 설비의 개발이 주요 이슈였기에, 설비의 교체 주기가 비교적 짧았고 노후화 설비에 대한 연구는 제한적이었다. 그러나 최근에는 기술 발전 속도의 포화와 함께 설비의 교체 주기가 길어지고 있으며, 이에 따라 노후화 설비를 안전하게 관리하고 운영하기 위한 연구의 필요성이 대두되고 있다^[1-3].

전력설비는 운전이 시작되는 순간부터 점진적인 열화가 시작되며, 이는 시간이 경과함에 따라 진전되어 절연체의 절연내력을 감소시킨다^[4-8]. 전력설비의 열화를 유발하는 요소는 외부 환경조건부터 내부의 전압, 전류 등 다양한 요인에 의해 결정된다. 특히, 전력설비의 통전부에 인가된 전압의 크기가 증가하면 주변 절연체에 전계가 집중되는 경향이 있다. 일반적으로 준평등전계 이하의 조건에서는 전계의 집중 정도에 따라 부분 방전 (PD, Partial Discharge)이 발생하며, 시간이 지남에 따라 성장하게 된다^{[9, 10]}. 부분방전은 열, 빛, 소리 등의 형태로 발생하는 전력 손실로, 통전부나 절연체에서 발생하여 절연체를 복합 열화시키고 최종적으로 절연파괴 사고로 이어질 수 있다^[11]. 이와 같은 절연파괴로 인한 화재는 인명과 재산에 막대한 피해를 초래하므로 이를 예방하기 위한 기술 개발이 필요하다.

부분방전의 실시간 감시를 통한 전력설비 절연성능 평가는 이러한 예방 기술의 중요한 부분을 차지하고 있다. 다양한 조기 검출 기술이 개발되었지만, 높은 가격으로 인해 접근성이 떨어지는 경우가 많다. 또한, 높은 레벨의 백색 잡음과 간섭, 동시에 발생하는 여러 부분방전 소스, 절연 결함 위치 확인 등은 온라인 실시간 감시를 어렵게 만드는 주요 장애물로 남아있다^{[12, 13]}.

본 논문에서는 부분방전의 실시간 측정 및 감시를 위한 센서로서 고주파 전류 변환기 (HFCT, High-Frequency Current Transformer)를 활용한 실시간 부분방전 검출 방법에 대하여 연구를 수행하였다. HFCT 센서의 경우 광범위한 주파수를 포착할 수 있는 능력과 비용이 저렴하다는 장점으로 인하여 널리 사용되고 있는 방법이므로, 본 연구의 기준으로 채택하였다^[14]. 특히, 부분방전 검출 시스템의 상용화를 목표로 하여 저가화를 구현하려고 노력하였으며, 이를 위하여 고속 샘플링 대신 피크 검출 신호를 활용하여 방전 여부를 판단하는 기술을 적용하였다. 이러한 방법을 통하여 전력설비 절연의 건전성을 보다 정확하게 판단할 수 있게 되었다. 본 연구에서 제안하는 측정 및 감시 방법의 유효성은 부분방전 검출 실험을 통하여 실증하였다.

2. 실험 장치 구성

본 연구에서는 HFCT를 활용한 부분방전 검출 실험을 진행하였으며, 실험 구성은 다음의 Fig. 1에 나타내었다. 전압을 인가한 절연파괴 시스템을 부분방전 모의에 활용하였으며, 실험 조건은 Table 1에 요약하여 나타내었다. 최대 100kV까지 전압을 인가할 수 있는 변압기를 사용하였으며, 인가된 AC 전압은 60Hz이다. 방출되는 에너지의 양은 Ultra TEV (Transient Earth Voltage) 장비를 활용하여 측정하였으며, 인가전압은 25dBμV (±5dBμV)를 기준으로 설정하였다. 부분방전을 모의하기 위한 시스템을 선정하기 위해, 기중방전, 연면방전, 공극방전, 부유방전 등의 4가지 조건에서 부분방전 발생 시스템을 구성하고 사전 실험을 진행하였다. 이 중에서 부분방전 신호가 가장 강하게 발생한 것은 연면 절연파괴 시스템이었음을 확인하였으므로 Fig. 2와 같이 연면 절연파괴 시스템을 구성하여 본 실험을 수행하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of PD detection experiment

Fig. 2. Electrode system for creepage discharge

부분방전 시 발생하는 신호는 HFCT를 이용하여 측정하였으며, Fig. 3에 해당 장치를 나타내었다. HFCT 모델은 Calvus Instruments사의 CTI-200을 사용하였으며, 이 장치는 1MHz～100MHz의 주파수 범위에서 검출이 가능하다. HFCT의 연결 구성도는 Fig. 4에 나타내었으며, HFCT는 절연파괴 시스템의 접지선을 통과하여 누설전류 발생 시의 출력을 나타내었다. 출력 신호는 증폭 회로를 통하여 증폭되며, 증폭 신호와 피크검출 회로의 신호를 비교하기 위하여 오실로스코프를 사용하였다.

Fig. 3. HFCT sensor

Fig. 4. Diagram of sensor connection

HFCT 출력의 증폭률에 따른 신호 검출을 확인하기 위하여, Fig. 5와 같은 증폭 회로를 사용하였다. 이 증폭 회로는 아날로그 디바이스사의 LTC 6226을 사용하였으며, 비반전 증폭비를 각각 6.1, 11, 31배로 설정하여 다양한 증폭 조건에서의 신호 검출을 실험하였다. 증폭비 조절 시에는 R112의 저항값을 변경하여 증폭비를 조절하였다. 출력 전압은 식 (1),(2)와 같이 계산할 수 있으며, 입력전압의 $1+\dfrac{R112}{R113}$배가 된다.

Fig. 6에는 피크검출 회로를 나타내었다. 이 피크 검출회로는 Analog Devices, Inc.의 LTC 6226을 사용하였으며, RC 병렬 회로를 이용하여 신호를 검출할 수 있게 구성하였다.

부분방전 모의실험을 위해 연면 절연파괴 시스템을 구성하였고, 부분방전 시 발생하는 신호를 HFCT로 측정하였다. 그리고 이 측정된 신호를 증폭 회로와 피크검출을 통해 분석하였다. 이와 같은 실험 구성을 통하여 부분방전의 신호 검출 및 분석에 활용할 수 있었다.

Fig. 5. Amplification circuit

Fig. 6. Peak detection circuit

3. 실험결과 및 고찰

3.1 증폭 회로의 동작 검증

본 절에서는 증폭 회로의 동작을 검증하기 위한 실험에 대해 다루었다. 초기 실험에서는 Gain Bandwidth (GBW)가 700kHz인 LM358 OP-AMP를 사용하였으며, 결과 파형은 Fig. 7에 나타내었다. 노란색의 신호는 HFCT에서 측정된 신호이며, 초록색의 신호는 OP-AMP에서 측정된 신호이다. 이 경우, HFCT에서는 약 1.3MHz의 신호가 검출되었으나, 실험에 사용된 OP-AMP의 성능이 검출 신호 이하의 속도로 동작하기 때문에 신호가 검출되지 않는 것을 확인할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 GBW가 420MHz인 LTC6226 OP-AMP로 교체하여 실험을 재시행하였으며, 결과는 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8(a)는 증폭된 신호가 증폭비에 근접한 값을 나타내는 것을 보여주며, Fig. 8(b)는 증폭된 신호가 피크검출 회로에 의하여 성공적으로 감지되는 것을 보여준다. 따라서 OP-AMP의 GBW가 높을수록 신호 증폭이 효과적으로 이루어진다는 것을 확인할 수 있었으며, 이후 실험은 420MHz의 GBW를 갖는 LTC 6226 OP-AMP를 사용하였다.

Fig. 7. Waveform of oscilloscope

Fig. 8. Measurement result after OP-AMP replacement (6.1x amplification ratio)

3.2 피크검출 회로 커패시터의 용량에 따른 신호검출

Micro Controller Unit (MCU)의 데이터 수집 성능을 향상시키기 위하여, Table 2의 조건과 같이 100nF와 1μF의 두 가지 다른 커패시턴스를 가진 피크검출 회로를 비교하였다. Fig. 9(a)의 녹색 신호와 Fig. 9(b)의 파란색 신호는 피크검출 회로에 의하여 검출된 신호를 보여주며, 노란색은 HFCT 신호, 그리고 Fig. 9(b)의 녹색은 증폭 회로에 의하여 검출된 신호를 보여준다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 커패시터의 용량이 커질수록 충전 및 방전 시간이 증가하고, 이에 따라 피크검출 신호의 평균전압 크기가 변화하는 것을 확인할 수 있다. 이 두 조건을 비교한 결과, 1μF 커패시터는 100nF 커패시터보다 방전 유지 시간이 길어, 신호 검출에 더 유리하다는 사실을 알 수 있었다.

Table 2. Changes in capacitance of capacitors

OP-AMP	LTC6226
GBW	420MHz
증폭비	6.1배
capacitor	(a) 100㎋	→	(b) 1㎌

Fig. 9. Result waveform of HFCT signal amplification experiment(amplification ratio 6.1x, resistance 1kΩ)

3.3 증폭비 변화에 따른 신호검출

앞서, 6.1 배의 증폭비를 가진 증폭 회로를 사용하여 신호를 측정했을 때, 평균전압 값이 낮아져서 방전 크기가 0 V에 가까워질 수 있다는 문제를 확인하였다. 이는 실제로는 부분방전이 발생했음에도 불구하고, 부분방전이 발생하지 않았다고 잘못 판단되는 경우를 초래하였다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 Table 3과 같이 증폭 회로의 증폭비를 조정하여 실험을 다시 수행하였으며 Fig. 10에는 실험의 결과를 나타내었다. Fig. 10의 파란색 신호는 증폭비를 6.1 배에서 11 배로 높였을 때의 피크검출 결과를 나타낸다. Fig. 9(a)와 비교하였을 때, 정상적으로 증폭되어 Peak to Peak가 증가한 것을 확인할 수 있으며, 부분방전을 정상적으로 검출할 수 있을 것으로 예상된다.

Table 3. Changes in amplification ratio

OP-AMP	LTC6226
GBW	420MHz
증폭비	6.1배	→	11배
capacitor	100㎋

Fig. 10. HFCT signal amplification experiment result waveform (amplification ratio 11x, resistance 1kΩ, capacitor 100㎋)

앞서 실험한 결과와 같이 신호 검출을 더욱 용이하게 하기 위하여 커패시터의 용량을 Table 4와 같이 1μF로 늘리고 증폭비를 높여서 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 11에 나타내었다. Fig. 9(b)와 비교하였을 때, 증폭 회로의 증폭비가 커지면 피크검출 신호의 평균전압값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 MCU에서 주기적으로 신호를 측정했을 때, 방전 신호를 더 잘 검출할 수 있음을 의미한다.

Table 4. Changes in capacitance of capacitors and amplification ratio

OP-AMP	LTC6226
GBW	420MHz
증폭비	6.1배	→	11배
capacitor	100㎋	→	1㎌

Fig. 11. HFCT signal amplification test result waveform (amplification ratio 31x, resistance 1kΩ, capacitor 1㎌)

4. 결 론

HFCT 신호 검출 실험에서 OP-AMP의 GBW가 1MHz 이하인 증폭 회로를 사용했을 때, 증폭이 예상 수치보다 낮거나 증폭되지 않는 현상을 발견하였다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 GBW가 420MHz인 OP-AMP 부품으로 교체한 후에 증폭이 정상적으로 이루어지는 것을 확인하였다. MCU에서 피크검출 데이터를 보다 효과적으로 식별하기 위하여 커패시터의 용량과 증폭 회로의 증폭비를 조정하였다. 증폭비와 커패시터 용량을 증가시키면서 피크검출 신호의 평균전압값이 증가하였고, 이로 인하여 MCU에서의 신호 식별이 용이해졌다.

본 연구의 목적은 저비용으로 부분방전 검출 시스템을 개발하는 것이기 때문에, 고속 샘플링보다는 피크신호 검출 방식을 사용하여 방전 여부를 판단하는 기술을 적용하고자 하였다. 이를 위하여 기존 증폭 회로의 OP-AMP와 MCU에서의 데이터 식별이 원활하게 이루어지는 증폭 및 피크검출 회로의 커패시터 조건을 파악하였다. 본 연구결과는 향후 다양한 부분방전 신호 측정에 따른 적절한 증폭 회로와 피크검출 회로 커패시터의 선정에 도움이 될 것으로 기대된다.