1. 서 론

현재 전력설비의 고장예방진단을 위하여 다방면으로 연구 및 실제 적용 되고 있으나 측정 환경적요인 및 인간의 주관적 판단에 따른 오류로 인하여 다양한 문제가 제기되고 있다^{[1, 2]}. 특히 배전급 전력설비의 고장예방진단을 위하여 초음파, 열화상 및 무선부하감시 세가지 방법을 적용하여 점검하고 있어 경제적인 측면 및 신뢰도 부분에서 문제가 야기된다. 전력설비는 고전압 및 대전류 환경에서 운용되며, 안정선과 신뢰성부분이 요구되고 있으나 전력설비의 구조적 결함, 열화 및 조립불량 등에 의하여 열화가 진행된다^[3]. 이에 이러한 예방진단을 본 논문에서는 부분방전을 활용한 진단법을 제시하고 한다.

부분방전은 전력설비의 절연 열화의 중요한 지표로 연구되고 있으며, 전력설비의 고장을 조기 감지하지 못하는 경우 심각한 고장으로 진전될 수 있다^[4].

예방진단을 위하여 부분방전을 초기 단계에서 검출하는 것은 변압기, 개폐기, 전력 케이블과 같은 고전압 설비의 신뢰성과 수명을 보장하는 기준으로 활용 될 수 있다.

본 논문에서 센서를 활용한 부분방전 검출을 통하여 절연 결함을 조기에 확인하고자 한다. 또한 높은 민감도와 정확성을 가지고 있는 센서 설계을 통하여 주변환경에 영향을 적게 받으면서 부분방전 신호을 습득하여 신뢰할 수 있는 데이터를 취합하고자 한다^{[5, 6]}. 마지막으로 이러한 신뢰성 및 정확도를 바탕으로 향후 실시간 예방진단 모니터링이 가능할 것으로 판단된다.

특히 절연 예방진단 센서는 소형화 및 경제성의 장점을 가지고있으면서 다양한 환경조건 속에서 반사손실 –10dB이하 성능을 가지고 있어야 부분방전 진단센서로서의 신뢰성이 보장된다^[7]. 본 논문에서는 원추형 센서를 응용한 삼각 단락판 구조를 가지고 있는 최적의 파라미터를 가지는 센서를 설계하고 시뮬레이션을 통하여 반사손실 특성을 확인하였다.

2. 센서의 제작 및 이론

삼각 단락판형 원추형 센서에서 단락판을 통한 전로를 증가시키는 구조를 통하여 0.5∼1.5GHz의 UHF 대역 절연진단센서에서 1GHz이상에서 우수한 반사손실을 가지는 구조를 도출하고 한다.

본 논문에서 제시한 센서의 구조는 Fig. 1과 같이 상판이 없는 삼각 단락판형 원추형 센서의 구조를 가지고 있으며, 방사체 높이h=60mm, 접지판 반경 R = 60mm이다. 원형 접지판 및 원추형 방사체는 완전도체로 설정하였다. 방사체의 반지름 a = 60mm, 방사체 하단 밑변 지름 b = 2mm이다. 접지판에는 폭 $L$=15mm인 2개의 직사각형 단락판이 기본적으로 접속되어 있으며, 원형 접지판 중심부에는 SMA 커넥터가 있는 구조로 동축케이블로 급전하는 구조이다.

Fig. 1. Proposed insulation sensor structure

Fig. 1과 같은 기본적인 원추형 진단센서에서 직사각 단락판의 개수, 단락판 폭, 방사체 높이 및 방사체 반지름길이을 변화시키면서 최적 특성을 가지는 센서의 구조를 도출하였다. 단락판은 180° 방향 두 개와 90° 방향으로 네 개를 배치하였다.

3. 외부 RI 및 온도에 대한 응답

Fig. 2는 직사각 단락판형 진단센서의 단락판 개수 에 따른 반사손실 주파수 특성을 나타낸다. 2개의 직사각 단락판 접속시 진단센서 전로 경로의 전기적인 길이가 길어지고, 단락판이 없을 때 보다 저주파수 대역에서의 반사손실이 개선된다. 그러나 직사각 단락판이 2개이상시 전로가 분산되어 전기적인 길이가 줄어들고 이에 저주파수 대역의 반사손실은 개선되지 않는 것을 확인하였다.

Fig. 2. Reflection loss characteristics based on the number of short-circuit plates in the diagnostic sensor

Fig. 3은 단락판 폭 $L$ 변화에 대한 반사손실 특성을 보여주고 있다. 단락판 폭에 반비례하여 전류비가 변화되어 저주파수대역의 대역에서의 특성이 향상되나 5mm 이하가 되면 센서 급전시 전류비가 문제로 반사손실특성이 개선되지 않는다. 이에 파라미터를 변화시 반사손실 특성이 15mm로 확인되었으며 그림과 같이 0.9GHz이상에서 반사손실이 –10dB 이하의 절연센서로서 우수한 특성을 보이고 있다.

Fig. 3. Reflection loss characteristics according to the variation in short-circuit plate width

Fig. 4는 진단센서 파라미터 방사체 높이 h 변화에 대한 반사손실의 주파수 특성을 보여준다. 방사체의 높이에 비례하여 전로 길이가 길어져 저주파수 대역에서의 반사손실이 개선되나, 높이가 80mm 이상시 반사손실 특성이 -10dB이상이 확인되었다.

Fig. 4. Frequency characteristics of reflection loss with respect to changes in the radiator height of the insulation sensor

Fig. 5는 방사체 반지름 길이 a 변화에 따른 반사손실 주파수 특성을 나타낸다. 방사체의 반지름에 비례하여 전로가 늘어나 저주파수 대역에서의 반사손실이 개선되나, 80mm 이상이 되면 반대의 현상이 일어난다.

Fig. 5. Frequency characteristics of reflection loss based on the radius length of the radiator in the insulation sensor

설계된 절연센서의 파라미터 변화시 반사손실 특성 확인결과 최적의 구조는 단락판 2개, 단락판 폭 15mm, 높이 60mm, 반지름 60mm일때로 확인되었다. 최적상태에서의 반사손실 특성은 Fig. 6에서 확인된다. 최적 구조의 센서는 0.8∼7GHz의 주파수 대역에서–10dB 이하의 반사손실 특성을 확인하였다.

또한 최적의 파라미터에서의 방사 지향성을 Fig. 7에 확인할 수 있으며, 1∼3GHz 대역에서 다이폴 안테나의 방사지향성 특성과 유사하였다. 4∼7GHz의 주파수 대역에는 방사지향성 패턴에 왜곡이 있으나, 전반적으로 다이폴 안테나의 방사지향성의 형상과 유사한 패턴을 확인하였다.

Fig. 6. Reflection loss characteristics of the optimized insulation diagnostic sensor structure

Fig. 7. The radiation patterns.

4. 결 론

본 논문에서는 전력설비의 예방진단을 위하여 설비의 부분방전시 방사전자파를 측정할 수 있는 원추형 센서를 응용한 삼각 단락판 구조를 가지고 있는 최적의 파라미터를 가지는 센서를 설계하고 시뮬레이션을 통하여 반사손실 특성을 확인하였다. 그 결과 제시된 고장진단형 센서는 향후 전력설비의 절연 예방진단 센서로 활용 가능할 것으로 생각된다.