1. 서 론

2. 주상변압기 방사전자파 특성

배전용 주상변압기는 원통형 금속용기 안에 전압강하용 변성기가 설치되며 내부는 절연유로 절연되어 있다. 1, 2차 부싱은 절연용 도자기가 적용되며 변압기 안에서 발생되는 결함으로 인한 부분 방전으로 방사전자파는 1차, 2차측 부싱을 통해 주상변압기 외부로 방사되는 구조를 가지고 있다.

Fig. 1는 시뮬레이션에 적용된 주상변압기 모델에 대한 구조를 나타낸다. 그림에서 주상변압기 내 방전원이 있는 경우 모델링 나타내며, 설계된 주상변압기에 용량에 따른 10kVA의 경우 $h_{1}$=640mm, $a$=375mm, $r_{0}$=10mm 으로 설계되었다. 모델링된 주상변압기는 절연유는 $\varepsilon_{r}=2.33$, 실제 모형 주상변압기를 통한 실험시에는 공기 $\varepsilon_{r}=1$ 내부로 설정하여 모형 주상변압기 특성을 측정하였다. Fig. 2은 제작된 모형 주상변압기는 알루미늄으로 원통을 제작하고 부싱은 베이클라이트를 사용하였다.

Fig. 3은 수평, 수직방전원에 따른 전자파특성을 보여주고 있다. Fig. 3(a)는 10kVA 용량의 원통형 모형 주상변압기에서 1, 2차에 부싱으로 방사되는 수평방전원 전계강도 주파수특성을 나타내고 있다. 원통형 모형 주상변압기 내부의 2차측 부싱 근방 $x_{0}$= 0, $y_{0}$= 0, $z_{0}$= 560mm 에서 $x$축 방향 부분방전이 발생시, 모형으부터 $x$축 방향으로 3m 위치에서의 전계강도 결과를 나타낸다. 모형 주상변압기 외부로 방사되는 전계강도는 약 3.2GHz 에서 $E_{x}$ 성분이 가장 크며, 약 3GHz에서 $E_{z}$ 성분이 가장 크게 방사됨을 확인하였다. Fig. 3(b)는 동일한 조건에서 원통형 모형 주상변압기에서 1, 2차에 부싱으로 방사되는 수평방전원 전계강도 주파수특성을 나타내고 있다. $z$축 방향 부분방전이 발생시, 모형 주상변압기 외부로 방사되는 전계강도는 약 2.4GHz 에서 $E_{z}$성분이 가장 크며, 약 2.6GHz에서 $E_{x}$성분이 가장 크게 방사됨을 확인하였다. 모형 주상변압기에서는 거리에 비례하여 방사 전계강도가 감소한다. 거리가 20배 떨어지면 전계강도는 수평은 약 28%, 수직은 약 28% 감소함을 확인하였다.

Fig. 1. Pole transformer modeling

Fig. 2. Model pole transformer

Fig. 3. Radiated electromagnetic wave characteristics according to discharge source

3. 제안된 센서 특성

Fig. 4는 제안된 배전설비용 부분방전 센서의 도면 및 세부 인자를 나타내고 있다. 제안된 센서는 소형 원형 접지판 위에 상하부에 원추가 상하 접속되어 있고 4개 포스트를 접지판에 부착함으로서 저주파 대역의 반사손실 특성과 구조적 강도을 개선하는 효과를 가진다. Fig. 5의 설계도를 기반으로 Fig. 6과 같이 실제 센서를 제작 특성을 실험하였다.

Fig. 6은 제작된 센서를 전자파 무향실에서 측정한 반사손실을 비교하여 나타내었다. 배전용 전력설비의 부분방전 진단용으로 제작된 센서의 신뢰성을 갖는 주파수 대역은 1.5∼7GHz 에서 반사손실이 –10dB를 만족함을 확인하였다. 절연진단용 센서의 반사손실의 경우 이론적으로 -15dB, 실증에서는 -10dB이하의 값을 가지면 신뢰성을 갖는 것으로 알려져 있다^{[8, 9]}. 이에 본 논문에서 제시한 센서는 변압기 내부에서 부분방전이 발생시, 변압기의 2차측 부싱에서 방사되는 방사전자파는 2∼5GHz 대역에서 발생됨에 따라 본 센서를 활용하여 측정/분석을 통하여 배전용 전력설비의 예방진단에 적용이 가능할 것으로 생각된다.

Fig. 7은 설계 제작된 예방진단용 센서의 광대역 안테나의 방사지향성 패턴을 측정한 그림이다. 제작된 센서의 방사지향성 패턴 측정은 전자파무향실에서 실시하였으며, 그림과 방사지향성 패턴 측정결과와 같이 다이폴 안테나와 흡사한 8자형 방사지향성 패턴을 확인하였다. 제작된 센서는 수직방향 세워서 사용하도록 설계되어 있으므로 배전용 주상변압기에서 방사되는 방사전자파를 측정에 적합한 방사지향성 패턴을 형성하고 있음을 확인하였다.

Fig. 4. Blueprint of the manufactured sensor

Fig. 5. Manufactured sensor

Fig. 6. Return loss characteristics of the manufactured sensor

Fig. 7. Radiation directivity characteristics

4. 결 론

본 논문은 전력설비의 절연진단을 통한 신뢰성 높은 예방진단법을 제시하기 위하여 배전설비의 대표적인 설비인 주상변압기를 모델링하여 구조에 따른 부분방전에 방사전자파 측정/분석을 통하여 주상변압기 구조에서의 방사전자파의 방사패턴을 확인하였으며, 배전용 전력설비의 고장진단을 위한 센서를 설계 및 실증을 통하여 실제 현장에 적용 가능성을 확인하였다. 이에 주파수 대역은 1.5∼7GHz에서 반사손실이 –10dB를 만족함을 실험을 통하여 확인하였으며, 절연진단센서로 활용이 가능함을 확인하였다. 본 논문에서 제시된 고장진단형 센서는 향후 배전급 전력설비의 예방진단을 하여 센서로 활용 가능할 것으로 생각된다.