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1 ISSN Vol. 58, No 년 월 제58권 제2호 기획시리즈 전자기파 부분방전 진단 기술 기술동향 초음파를 이용한 의료진단 기술

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4 ISSN Vol. 58, No.2 전기의세계 Vol. 58 No C O N T E N T S COVER STORY 학회 본부 임원 기획시리즈 전자기파 부분방전 진단 기술 기술동향 초음파를 이용한 의료진단 기술 회기회장 백수현 차기회장 박종근 부회장 이영희 김문덕 구자윤 김건중 김호용 김희준 권영수 김영철 감 사 문영현 송효성 총무이사 김철진 황종영 재무이사 정도영 명근식 기획 정책이사 한성진 이상렬 김동현 회원 교육이사 이건영 이상철 김재언 편집이사 김상식 장재원 안진우 문승일 학술이사 조금배 심재선 강희전 이학성 사업이사 박대희 송재륜 김 용 민석원 국제이사 이병준 이 주 홍보이사 문영환 전기계 뉴스 09 남동발전, 2013년까지 총 4조 3000억 투자 등 신기술 신제품 12 새로운 전력선 제빙 시스템 등 기획시리즈 (전자기파 부분방전 진단 기술) 16 한국전력공사 변전분야의 전자기파 부분 방전 진단기술 연구 및 적용사례 구선근, 한기선, 윤진열 23 전력케이블 시스템에서 발생하는 전자 기파 부분방전의 진단기술 김충식 31 배전용 가스개폐기의 UHF PD 측정 시스템 개발 권태호 36 GIS용 전자기파 부분방전 진단시스템 개발 및 적용 동향 김영노, 최영찬, 양항준, 박기준 44 전자파 부분방전 측정장치 KSC3700 규격 해설과 IEC규격동향 김광화 기술동향 부문회 회장 49 초음파를 이용한 의료진단 기술 김형석 A부문 회장 B부문 회장 C부문 회장 D부문 회장 김호용 김희준 권영수 김영철

5 2월 행사 안내 2/2(월) 2/3(화) 2/4(수) 2/5(목) 2/6(금) 2/13(금) - 제 1 차 본부 학술위원회 - 제 2 차 영문지 회의 - 제 1 차 지회장 회의 및 회원 관리 위원회 - 제 1 차 기획정책 위원회 - 제 1 차 D부문 이사회 - 제 2 차 본부 이사회 - 제 1 차 평의원회 재미있는 사회/과학 이야기 52 우리가 잘 사는 길을 과학적인 측면에서 바라보며 노대석 국제행사참관기 ICEE 오키나와를 다녀와서 박민수 학회기사 년도 부문회 임원 논문목차 59 전기학회논문지 2월호 목차 학회소식 60 학회 본부/부문회소식, 회비 납부자 명단 등 67 학회일지

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8 포스코건설이 짓고 싶은 것은 대한민국의 희망입니다 건물을 짓는 것이 아니라 꿈을 짓는다는 생각, 도시를 건설하는 것이 아니라 희망을 건설한다는 생각, 그 생각이 차가운 철과 시멘트에 혼을 불어넣습니다. 눈에 보이는 것보다 더 큰 가치를 지켜가는 포스코건설! 대한민국 국민 모두의 가슴 속에 세상에서 가장 높고 큰 희망을 짓겠습니다. 국가경제와 국민에게 힘이 되겠습니다.

9 HANBIT Electronic Diagnostic System 표준사양 구분 항목 직류입력 교류 출력 기구 외부인터페이스 보호 내용 최대 직류전압 800[V] 최대 직류 전류 500[A] 운전 범위 400 ~ 800[V] AC 전압 / THD(정격) 380 [V] / 5[%]이내 주파수 / 동기제어방식 60[Hz] / 계통선 동기 PLL 단독운전 검출시한 0.5[sec]이내 운전역률 / 정격효율 0.96이상 / 93[%]이상 유효전력 용량 / 제어방식 200[kW] / PWM 전류제어형 외형치수(WxDxH) 2800x100x2100[mm] 냉각방식 강제 공냉식 RS232/485 Interface RS232/485 Interface Ethernet 통신 Ethernet 통신 DC, AC 과전압 / 저전압 DC, AC 과전압 / 저전압 DC, AC 과전류 DC, AC 과전류 과열보호 / DC 지락검출 과열보호 / DC 지락검출 주파수 이상 주파수 이상 한빛EDS 주 대전광역시 유성구 탑립동 830번지 Tel: Fax:

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11 전기의세계 NEWS 전 기 계 뉴 스 남동발전, 2013년까지 총 4조 3000억 투자 신재생에너지에 1조 투자 62만kW 개발 공기업 최초 소사장제 도입 성과책임 강조 한국남동발전(사장 장도수)은 19일 글로벌파워 리더를 향한 새로운 도약 을 위해 2013년까지 총 4조 3000억원을 투자하고, 매출 5조5000억원 달성을 목표로 하는 중기 경영계획을 발표했다. 남동발전은 발전소 건설비 등에 3조원, 신재생에 너지 개발사업비에 1조원, 해외사업 등 신사업분 야에 3000억원 등 2013년까지 총 4조 3000억원 을 투자키로 했다. 남동발전 관계자는 세계적인 경제 위기로 투자 여건이 어려운 상황임에도 공격적인 투자로 신성 장 동력을 확보해 미래경쟁력을 강화하기로 했 다 고 밝혔다. 또 2013년에는 매출 5조5000억원, 영업이익 3500억원을 달성한다는 목표다. 매출은 2008년 추정치 3조434억원 보다 181% 증가한 것이며 영업이익은 2008년 추정 297억원 적자를 3500억원 규모의 흑자로 전환시킨다는 것이다. 남동발전은 이같은 목표를 달성하기 위해 영흥화 력 5 6호기 건설 착공과 예천양수 1 2호기 조기 준공, 신재생에너지 62만kW 개발, 유연탄 자주개 발률 15% 확보, 신규 해외사업 등을 추진한다. 또 노후설비를 리파워링(Repowering) 하고 신연 소, 예측정비, CO2 저감 등 3대 핵심기술 분야와 해외사업을 선도할 글로벌 인재를 양성한다. 글로벌 인재 확보를 위해 1월 중으로 신입사원 채 용 절차도 진행 할 예정이다. 남동발전은 이날 경영계획 발표와 함께 공기업 최초로 사업소 책임자에게 성과목표를 부여하고 결과에 책임을 묻는 소사장제를 도입했다. 남동발전은 19일 장도수 사장을 비롯한 임직원들이 참석한 가운데 비전선포식을 개최했다. 철저한 현장중심 경영으로 원가마인드를 심자는 의도다. 소사장에게는 인사 조직 예산 등을 위임해 생 산성은 10% 올리고, 원가는 10% 절감토록 하는 텐-텐(Ten-Ten)전략을 실천한다. 또 관리 생 산 프로세스를 개선하고 문제해결 중심으로 조직 을 슬림화한다. 이와함께 노사가 함께하는 혁신 으로 창조적 도전문화를 정착시킨다는 계획이다. 신재생에너지 등 17개 신성장동력 선정 정부, 13일 신성장동력 비전과 발전전략 발표 신재생에너지, 탄소저감에너지 등 미래 한국을 이끌어갈 17개 신성장동력이 선정됐다. 정부는 13일 이명박 대통령 주제로 제3회 미래기 획위원회를 열어 국가 경제의 새로운 성장비전으 로 신성장동력 비전과 발전전략 을 발표하고, 녹 색기술산업, 첨단융합산업, 고부가서비스산업 등 3대 분야 17개 신성장동력을 확정했다. 정부에 따르면 녹색기술산업은 신재생에너지, 탄 소저감에너지, 고도물처리, LED응용, 그린수송 시스템, 첨단 그린도시 등 6개, 첨단융합산업은 방송통신융합산업, IT융합시스템, 로봇응용, 신 소재 나노융합, 바이오제약 의료기기, 고부가 2009년 제58권 제2호 9

12 전기의세계 NEWS 전 기 계 뉴 스 식품 등 6개, 고부가서비스산업은 글로벌 헬스케 어, 글로벌교육서비스, 녹색금융, 콘텐츠 소프 트웨어, MICE 관광 등 5개 사업이다. 특히 연료전지발전시스템, 차세대 무선통신 등 핵심원천기술과 세계적인 경쟁력을 보유하고 있 는 대표적인 제품들을 향후 10년을 이어가는 World Best 품목으로 만든다는 계획이다. 이날 회의에서는 또 신성장동력 구현을 위한 정 책수단 중 R&D분야에 대한 종합대책도 함께 논 의됐다. 이날 확정된 녹색기술 연구개발 종합대책 에는 태양전지 고효율 저가화 기술, 이산화탄소 포집 및 저장 처리기술 등 신성장동력을 직접적으로 뒷받침할 총 21개의 원천기술과제가 선정됐다. 또 기후변화 예측 및 모델링개발 기술 등 신성장 동력화의 기반을 이루는 6개의 공공적 기술과제 도 선정됐다. 이를 수행하기 위해 정부는 연간 9000억원에 불 과했던 녹색기술부문 R&D투자를 2012년까지 연 간 2조원 수준으로 높여, 앞으로 4년간 총 6조 3000억원 이상을 투자한다는 계획이다. 또 녹색기술 R&D투자 중 기초 원천연구에 대 한 예산을 2012년까지 7000억원으로 확대한다 는 계획이다. 이에 대한 연구비는 2007년 기준으 로 1500억원에 불과했다. 한편 정부는 이번 신성장동력이 성공적으로 구현 된다면 2018년에 약 700조에 달하는 부가가치가 창출되고, 신성장동력 수출액도 9000억달러로 확대될 것으로 전망했다. 블루투스, 지그비 비켜 우리나라 연구진에 의해 개발된 무선 통신기술이 국제 표준으로 제정됨에 따라 기존 블루투스나 지그비 등 외국 기술을 대체할 수 있게 됐다. 지식경제부 기술표준원(원장 남인석)은 우리나라 동영상 전송용 무선네트워크. 바이너리 CDMA를 무선홈네트워크에 활용한 예 가 제안한 바이너리 CDMA 기술이 정보통신의 ISO 국제표준을 관장하고 있는 JTC1/SC6 기술 위원회에서 4년간의 기술검토를 거쳐 지난 20일 자로 국제표준으로 최종 제정됐다고 밝혔다. 바이너리 CDMA는 디지털 기기들을 무선으로 연 결, 음성, 영상, 데이터 등을 자유롭게 주고 받을 수 있는 기술로 무선 CCTV, 이동형 무선 영상 전 송기, 무선 제어기기 등이 필요한 산업 분야 및 정 보가전용 무선 네트워킹을 위한 홈네트워크 분야 에도 적용이 가능한 근거리 무선 통신기술이다. 특히 기존 근거리 무선 통신 기술에 비해 데이터 전송품질을 개선한 고속 데이터전송이 가능하고, 무선통신의 취약점인 보안기능을 개선한 기술로 높은 신뢰성이 요구되는 산업분야에서 활발히 적 용될 것으로 기대를 모으고 있다. 이 기술을 개발한 전자부품연구원은 국제표준 10 전기의 세계

13 전기의세계 NEWS 전 기 계 뉴 스 획득에 따른 세계시장의 진출 기반이 마련됨에 따라 그 동안 근거리 무선 통신 제품 개발을 위해 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 등과 같은 외국 표준 기술만 적용해오던 국내 기업들이 자 체 개발한 바이너리 CDMA 기술을 활용한 제품 개발을 더욱 활발히 진행할 것 이라며 지금까지 해당 기술을 이전받아 제품 개발을 추진해온 대 우전자부품, LIG넥스원 등 국내 기업의 상용화된 제품들의 세계시장 진출이 더욱 탄력을 받을 전 망 이라고 내다봤다. 기표원 관계자는 2010년 약 125억 달러로 예상 되는 세계 무선 네트워크 시장에서 우리나라도 주도국으로 부상할 수 있는 기반을 마련했다 며 앞으로 표준화의 시장 지배력이 큰 정보통신 분 야에서 국내 연구소가 개발한 원천기술이 국내 기업의 제품 개발로 연결될 수 있도록 국제 표준 화 활동을 강화해 나갈 방침 이라고 밝혔다. 현대 重, 세계일류상품 최다 보유 중속디젤엔진 발전설비 등 6개 신규 등록 현대중공업은 19일 서울 코엑스 인터컨티넨탈호 텔에서 지식경제부로부터 6개 자사 제품에 대해 세계일류상품 인증서 를 수상했다. 이로써 현대중공업은 세계일류상품을 총 25개로 늘리며 국내 최다 기록을 보유하게 됐다. 이번에 세계일류상품으로 선정된 현대중공업의 제품은 중속디젤엔진 발전설비(DPP) 대형엔 진 실린더 프레임 대형엔진 선박용 터보차져 선박용 고압 스러스트 전동기 유동접촉분해 반응기/재생기 고정식 원유 생산 플랫폼 등 6 개다. 현대중공업은 세계일류상품 제도가 시작된 2001 년 선박(유조선, 컨테이너선, 살물선)이 인증받는 것을 시작으로 매년 세계일류상품을 배출했다. 현대중공업 김동해 상무(사진 왼쪽)가 지식경제부로부터 세 계일류상품 인증서 를 받고 있다 또한 세계일류상품은 선정된 후에도 매년 엄격한 심사를 거쳐 기준에 미달될 경우 그 자격을 박탈 시키는 등 인증을 유지하는 일도 매우 까다로우 나 현대중공업은 기존 제품에 대한 품질을 높여 가며 인증을 유지시키고 있다. 이와 함께 현대중공업은 이번 인증식에서 선박용 기관 감시제어장치 등을 차세대 일류상품으로 등 록하며 미래에 대한 밝은 전망을 보여주기도 했다. 현대중공업은 앞으로 주력제품 일류화와 핵심기 술 고도화, 생산기술 일류화, 신기술 신제품 개 발, 신규 사업 창출 등 기술 개발 분야 5대 중점사 업을 선도적으로 추진하면서 오는 2010년까지 세계일류상품을 30여개로 늘린다는 계획이다. 현대중공업 관계자는 기업의 경쟁력은 기술력에 달려 있다 며, 전 세계적으로 경제가 어려운 상 황이지만 위기를 기회로 삼기 위해 기술 개발 투 자를 지속적으로 확대해 새로운 성장 기반을 마 련할 것 이라고 말했다. 현대중공업은 이번 6개 제품의 세계일류상품 인증을 통해 해외 마케팅 효과와 함께 정부로부 터 디자인 개발, 금융 등의 지원을 받게 된다. 한편 이날 수여식에는 이윤호 지식경제부 장관을 비롯해 현대중공업을 비롯한 일류상품기업 56개 등 관계자 150여 명이 참석했다. 2009년 제58권 제2호 11

14 신 기 술 신 제 품 NEW PROJECT NEW TECHNOLOGY 새로운 전력선 제빙 시스템 대기전력이 0인 시스템 LSI 실현을 위한 비휘발성 플립플롭 개발 새로운 기술은 VRC(variable resistance cable; 가변저항케이블)이라고 불리는 제 빙 시스템이다. 케이블 변경을 최소화하 고 규격형(off-the-shelf) 전자장치를 이용 함으로써, 본 시스템은 기존 전력선의 전 기저항을 높게 변경시킬 수 있다. 높은 저 항은 자동으로 열을 발생시켜 전력선에 쌓은 얼음을 녹이며 얼음이 초기에 형성되는 것을 막을 수도 있다. VRC 시스템의 매력은 완전히 임의적(customizable)이고 현재의 제조 및 설치과 정에 부가적으로 설치하는 것이 가능하다는 것이다. 또한 어떤 서비스 공급의 중 단을 초래하지도 않는다는 점이라고 Ice Engineering사의 부사장인 Gabriel Martinez는 밝히고 있다. 이 기술은 재료과학, 전력전자 및 얼음의 물리학 분야에서 다년간의 연구가 이 루어낸 성과로, 전력전자 분야의 전문가이자 VRC 제빙기의 공동개발자인 다트머 스대학의 Charles Sullivan 교수 등이 참여하였다. Ice Engineering사는 대규모 VRC 시스템 원형(prototype)을 2009년 1월 러시아 Orenburg의 전력선에 설치하고 실험을 수행할 계획이다. 이 회사는 또한 현재 러 시아 및 중국의 다른 지역에서 VRC를 전면적으로 설치하는 것을 협의하고 있다. Martinez에 따르면, VRC 시스템을 가동하기 위해 필요한 제조 및 설치 변경으로 인한 비용 증가는 총비용의 10% 이내가 될 것이라고 한다. 보통 전력회사가 매년 케이블의 3%를 교체하기 때문에, 본 시스템은 계획된 유지보수 과정에서 설치할 수 있으며 다음 폭풍이 닥칠 때 상당부분 설치가 가능할 것으로 보인다. 게다가 제빙 시스템의 수명은 전력선의 수명보다 긴 30-50년에 이른다. 본 시스 템은 폭풍이 지난 간 후 끊어진 케이블을 교체하거나 눈이나 얼음으로 인한 정전 으로 발생하는 비용을 대체함으로써 쉽게 원금회수가 가능하다. VRC 시스템의 다른 장점으로는, 본 시스템을 이용하는 전력회사는 완전한 통제 력을 보유하게 될 것이라는 점이다. 시간, 온도 및 위치는 수동으로 조정되거나 전 자센서에 의해 자동으로 조정될 수 있게 된다. 일본의 NEC는 LSI 내부에서 일시적으로 정보를 보존하기 위한 기본소자인 플립 플롭[주1]의 비휘발성화를 실현하고, 이 기술로 제작한 [비휘발성 자기 플립플롭 (MFF)]의 동작 실증에 성공했다고 밝혔다. 이에 따라 대기상태에서 전력을 전혀 소비하지 않으며 대기상태로부터의 복귀가 고속으로 이루어지는 시스템 LSI를 종 래의 설계 방법을 사용하여 최첨단 프로세스로 실현할 수 있는 기반 기술이 확보 된 것으로 평가할 수 있다. 이번에 동작 실증에 성공한 MFF는 시스템 LSI 상에서 레지스터[주2]로서 빈번하게 이용되는 데이터 플립플롭(DFF)에 MTJ(magnetic tunnel junction)과 쓰기 회로를 조합하여 실현할 것이다. 12 전기의 세계

15 신 기 술 신 제 품 NEW PROJECT NEW TECHNOLOGY 시스템 LSI의 미세화와 회로의 복잡화 과정이 진 행됨에 따라 소비전력이 커지는 경향이 있다. 한 편, 시스템 LSI를 사용한 전자기기의 저소비전력화 에 대한 수요는 더욱 커지고 있어, 전자기기의 기 능과 소비전력을 어떻게 양립시킬 것인가가 최근 의 과제가 되고 있다. 특히 전지로 동작하는 휴대 기기의 경우에는 동작 시는 물론 대기 시의 소비전 력 절감이 강하게 요구된다. 시스템 LSI의 소비전 이번에 개발한 MFF 칩 사진 이다. 력을 줄이기 위해서는 전원을 끄고 대기상태로 들 어가는 것이 효과적이다. 그러한 시스템 LSI의 논 리회로는 전원을 차단하면 데이터가 지워지는 CMOS 소자로 구성되어 있기 때문에 데이터를 유 지하기 위해서는 대기상태라고 하더라도 일정 부 분의 전원을 완전히 끌 수가 없으며 대기전류를 완 전히 0으로 만드는 것은 어렵다. 한편 시스템 LSI의 논리회로는 클록 동기회로로 구성되어 있기 때문에 DFF를 비휘발성화할 수 있 다면 논리회로 전체를 비휘발성화할 수 있다. DFF 대신 MFF를 사용하여 휘발성 메모리인 SRAM 대신 MFF의 회로도이다. 비휘발성 메모리인 자기저항형 메모리(MRAM)를 사용함으로써 칩 전체를 비휘발성화할 수 있어 대기전류가 0인 시스템 LSI를 설계 할 수 있게 되었다. 강유전체 메모리(FeRAM)의 프로세스 기술을 응용하여 DFF를 비휘발성화하는 기술은 이미 있었지만 FeRAM 소자의 반복 기록동작 회수에는 제 한이 있기 때문에 그 용도가 한정되어 있었다. 또한 최신 시스템 LSI에서 사용되 고 있는 1.2V 이하의 전원전압에서는 FeRAM 소자를 제어하기 어렵기 때문에 비 휘발성 플립플롭을 자동 레이아웃 설계의 라이브러리 부품으로서 종래의 시스템 LSI의 설계 방법에 도입하는 것은 곤란한 상황이었다. 이번 개발에서 실증 실험에 성공한 것은 반복기록 동작 회수의 제한이 없고 1.2V 이하에서 동작이 가능한 MFF 및 MRAM을 응용하여 기존 과제 해결을 위한 방안을 제시한 것이다. NEC는 앞으로 이번 MFF를 시스템 LSI에 조합한 형태에서 동작 검증을 목표로 연구 개발을 진행할 계획이라고 한다. 2009년 제58권 제2호 13

16 PROJECT SERIES 09년 2월 기획시리즈

17 ㅣ 한국전력공사 변전분야의 전자기파 부분방전 진단기술 연구 및 적용사례 ㅣㅣ 전력케이블 시스템에서 발생하는 전자기파 부분방전의 진단기술 ㅣㅣㅣ 배전용 가스개폐기의 UHF PD 측정시스템 개발 ㅣㅣㅣㅣ GIS용 전자기파 부분방전 진단시스템 개발 및 적용 동향 ㅣㅣㅣㅣㅣ 전자파 부분방전 측정장치 KSC3700 규격 해설과 IEC규격동향

18 기 획 시 리 즈 한국전력공사 변전분야의 전자기파 부분방전 진단기술 연구 및 적용사례 구선근, 한기선, 윤진열/ 한국전력공사 전력연구원 1. 서 론 1999년부터 극초단파를 이용한 전 력기기 부분방전검출기술 연구를 시 작한 한전은 가스절연개폐장치 (Gasinsulated switchgear, 이하 GIS)와 변 압기로 대표되는 변전기기의 예방진 단기술 발전에 큰 공헌을 하고 있다. GIS와 관련하여 극초단파 부분방전센 서의 설계 및 평가기술, 센서 최적배 그림 1 GIS에서 전자기파 부분방전신호 검출의 기본 원리. 치기술, 극초단파신호 처리기술, 방전원인 자동추론기 술, 방전위치 추정기술 그리고 노이즈 저감기술 등 관련 된 거의 전 분야에 대한 기술개발을 완료하여 변전소 현 장에 적용하고 있으며 이를 통해 GIS 고장을 예방하여 고 장손실비용을 절감하고 안정적 전력공급에 기여하고 있 다[1~4]. 최근에는 GIS 분야의 성공을 바탕으로 극초단파 부분방전 진단기술을 응용하여 배전용개폐기의 진단에 적용하고 있으며 전력용 변압기 예방진단에 적용하기 위 한 연구를 시작하여 그 가능성을 확인하였다[5]. 향후 극 초단파 부분방전 진단기술을 이용한 변전기기 진단 종합 솔루션을 제공하고 나아가 변전기기 자산관리의 기초요 소로써의 진단기술을 완성코자 한다. 전자기파 부분방전기술의 개요 GIS에 고장 일으키는 요인에는 다양한 종류가 있으나 GIS 내부에서 부분방전을 일으키는 주요 원인으로 고정 된 금속이물이 전기적으로 GIS 외함이나 중앙도체에 연 결되지 않은 부유전극, 고정되지 않은 금속이물이 GIS 내부를 자유롭게 움이면서 절연파괴를 일으키는 자유 도체, 뽀족한 금속물에서 코로나 방전이 발생하는 돌출 전극, 절연체에 공극이나 이물 또는 크랙 등의 절연체 결함으로 나눌 수 있다. 이러한 결함에서 발생하는 방전 전류는 그림 1과 같이 상승시간이 수십~수백 ps 이고 폭이 1 ns 이하로 매우 짧아 수 GHz 대역의 극초단파 대역을 포함한 전자기파를 발생하여 GIS 내부를 전파하 면서 감쇠, 반사 등을 거쳐 부분방전센서에 도달한다. 2. 본 론 센서에 검출된 신호는 다양한 방법으로 분석하여 방전 원인과 결함위치를 추정하게 된다. 2.1 GIS 부분방전 진단기술 개발과 적용 극초단파 부분방전센서의 설계와 배치 16 전기의 세계

19 한국전력공사 변전분야의 전자기파 부분방전 진단기술 연구 및 적용사례 그림 2 전산모사를 위해 모델링된 센서와 GIS. 그림 3 한전에서 보유하고 있는 GTEM 기반 센서특성 평가시스템. 그림 4 GIS를 이용한 센서특성 평가 개념도. 그림 5 (a)gis 및 GTEM cell을 이용해 측정한 센서의 주파수별 감 도 특성. 가로축: 주파수, 세로축: transfer function(effective height). (b) 동 센서로 측정한 실제 부분방전 신호의 주파수특성. 가로축: 주파수, 세로축: 방전신호의 크기. 그림 kv GIS에 설치한 내장형 센서. 한전에서 GIS 진단시에 측정하는 전자기파 방전신호 의 주파수 대역은 154 kv급 이상의 GIS에서 외부 노이 즈의 영향이 적고 방전신호의 전달 특성이 좋은 500~1,500 MHz 사이로 정하고 있다. 이 대역은 극초단 파(Ultra High Frequency, UHF)에 속하는 영역이다. 따 라서 이 대역에 높은 감도를 가진 센서의 설계를 위해 그림 2와 같이 전산모사로 센서의 크기, 모양, 재질을 최적화 한 후 실제 센서를 제작하여 감도, 주파수 대역 특성, 내구성 등을 측정한다. 센서의 감도와 주파수 대 역 특성은 일반적으로 그림 3과 같이 고주파 대역까지 균일한 전기장을 발생시킬 수 있는 GTEM 셀을 쓰거나, 한전 전력연구원에서 제안한 그림 4와 같이 GIS에 모노 폴 안테나를 이용하여 모사한 전자기파 부분방전에 대 해 부분방전 센서의 특성을 측정하는 방법이 있다[6, 7]. GTEM과 GIS를 직접 이용하는 방법을 이용해 동일 센 서의 주파수별 감도특성과 실제 방전신호를 측정했을 때의 주파수 분포를 그림 5와 같이 살펴보면 GIS를 이 용해 측정한 주파수 응답특성이 GTEM cell을 이용한 방 법보다 실제 부분방전의 주파수 분포를 더 잘 추종함을 알 수 있다. 한전에서는 두자지 방법을 사용해 센서의 주파수 특성을 시험할 수 있도록 GTEM 셀과 기본적인 GIS 모형들을 구비하고 있다. 이렇게 시험된 내장 또는 외장형 센서는 그림 6과 같이 GIS에 부착된다. GIS에 설치되는 센서의 숫자가 너무 많으면 설치와 2009년 제58권 제2호 17

20 기 획 시 리 즈 유지보수 비용이 증가하고 너무 적거나 설치위치가 부 적절하면 부분방전을 잘 검출하지 못한다. 그러므로 설 비를 운영하는 전력회사에서 센서 배치의 최적화는 경 제적이고 효율적인 GIS 예방진단을 위한 필수조건이다. 센서의 최적 설치위치를 산출하기 위하여 그림 7과 같 이 GIS에서 감시하고자하는 전자기파 부분방전 신호의 최소 전력을 U라 하고, 부분방전 발생위치와 센서사이 의 GIS 섹션에서 전자기파 신호감쇠율을 A, 센서의 감 도를 S라 할 때 부분방전 전력 U에 대해 센서는 U A S의 검출신호를 출력한다. 이때 센서의 출력이 부분방 전 측정기의 최소 측정가능전력 Pmin인 위치라면 U 이 상의 부분방전 전력의 측정이 가능하면서 센서와 방전 원의 거리가 가장 멀리 위치하므로 센서 개수를 최소화 할 수 있어 가장 적합한 센서배치가 된다[8]. 실 변전소 GIS의 각 섹션별 전자기파 신호의 감쇠율은 회로망분석 기를 이용해 측정할 수 있다. 표 1은 현장에서 측정한 GIS 내부를 통과하는 전자기파 신호 감쇠율의 일례이 다. 한전에서 운용하고 있는 GIS 종류별로 감쇠율을 측 정하였으며 이를 바탕으로 최적화 된 센서위치를 산출 하고 표준화 하여 센서의 설치에 적용하고 있다[1]. 그림 7 센서 최적배치의 방법. U: 부분방전에서 발생되는 전자기파의 전력, A: GIS에서 신호 감쇠율, S: 센서의 감도, Pmin: 측정기의 최 소측정가능 전력. 표 kv GIS 섹션별 극초단파 신호 신호감쇠율의 예. CB: 23 db +형(+형 분기, 부싱포함): 5 db L형(ES, DS 포함): 7 db Bus(3상일괄,T형 분기 3개 포함): 11 db GIL: 0.8 db/m Crank형 (ES, DS 1개, L 2개 포함): 9 db 방전원인 자동추론을 위한 인공신경망회로 방전을 일으키는 결함의 원인은 주로 방전신호의 패 턴을 분석하여 알아낸다. 이러한 작업은 실제 방전요인 과 신호패턴에 대한 다양한 경험과 높은 지식의 축적이 필요하므로 초심자도 사용 할 수 있도록 측정한 방전신 호로부터 방전의 원인을 자동으로 분석하여 알려주는 신경망회로를 개발하였다. 일반적으로 사용되는 방전 원인 자동추론용 신경망회로는 방전신호의 크기와 방 전발생시 GIS 인가전압의 위상정보를 사용하는 경우가 많다. 그러나 GIS 내부의 신호전달특성, 부분방전 측정 기의 증폭특성 등 다양한 이유로 측정한 방전신호의 크 기가 왜곡되는 경우가 있으며, 삼상일괄형 GIS나 정확 한 위상신호를 받기가 어려운 휴대형 부분방전 측정장 치의 경우 잘못된 방전원인을 알려주어 사용자가 적절 한 조치를 취하지 못하는 경우가 발생한다. 이를 예방하 기 위해 방전신호의 크기와 위상정보를 사용하지 않는 새로운 신경망회로를 개발하였다[9]. 연속한 두 방전신 호가 있을 때 각 방전신호가 발생할 때 GIS에 인가되는 그림 8 신경망회로 입력벡터 추출. 좌측 그림: Φn-1 : Φn 그래프. 우측 그림: 추출된 위상무관 합 및 위상상관 합. 표 2 위상정보가 잘못 측정된 방전신호에 대해 기존 신경회로망과 새로 운 입력벡터를 사용한 신경망회로의 방전원인 추론결과. 실제 신경망회로 추론 결과 (확률, %) 신경망회로 입력 방전원인 자유도체 부유전극 돌출전극 절연체결함 외부잡음 방전크기 및 자유도체 위상정보 사용 위상무관합 이용 방전크기 및 절연체결함 위상정보 사용 위상무관합 이용 전압 의 위상을 각각 Φn-1 및 Φn이라 하면 방전신호로 부터 (Φn-1, Φn)를 상대 좌표로 하여 방전신호의 크기 정보가 없는 그래프를 그림 8과 같이 생성 할 수 있다. 이를 적절히 가공하여 위상정보를 포함하지 않은 위상 18 전기의 세계

21 한국전력공사 변전분야의 전자기파 부분방전 진단기술 연구 및 적용사례 무관 합을 구할 수 있다. 표 2에서는 위상이 맞지 않은 두 가지 방전신호에 대해 기존과 같이 방전크기 및 위상 정보를 사용하는 신경망회로가 잘못된 방전신호를 출 력하는 반면 새로운 위상무관 합을 이용하는 신경망회 로은 정확한 방전원인을 제공 하는 것을 보였다. 그러므 로 위상무관 합을 입력벡터로 사용하는 신경망회로는 높은 신뢰도의 확보가 가능하다. 결함위치 추정 GIS의 결함은 크기가 작은 경우가 많아 결함의 위치 를 정확히 모른다면 방전신호를 측정하더라도 결함원 인을 찾아 제거하기 어려울 수 있어 결함위치 추정기술 은 부분방전 측정기술의 핵심요소이다. 일반적으로 결 함위치 추정을 위해 널리 쓰이는 방법은 Time of Arrival(이하 TOA)법으로 정확도와 신뢰도가 높아 한전 에서도 위치추정을 위해 TOA법을 주로 사용한다. TOA 법은 전자기파 방전신호가 그림 9와 같이 빛의 속도로 그림 9 TOA법에 의한 방전위치 추정. GIS 내부를 전파하는데 센서에 측정되는 신호는 방전발 생위치와 센서의 거리에 따라 센서에 방전신호가 도착 하는 시간의 차 Δt가 발생하며 이를 이용해 방전발생위 치를 추정하는 기술이다. TOA법을 사용하기 위해 최소 2개 이상의 부분방전센서에서 방전신호를 측정해야 한 다. 그러나 최근 GIS의 장대화, GIB의 보급 등으로 부분 방전센서를 부착할 수 있는 스페이서가 적어져 두개이 상의 센서에서 부분방전을 측정하기 어려운 상황이 종 종 발생한다. 이런 경우에도 한대의 센서로 측정한 신호 만을 이용해 방전을 발생시키는 결함 위치를 추정할 수 있는 군속도를 이용한 방전위치 추정기법을 개발하였 다[10]. 전자기파 방전신호는 그림 10과 같이 다양한 속도를 가진 성분으로 구성되어 있으며 이러한 성분을 모드라 고 부른다. 이중 속도가 광속도 C로 가장 빠른 모드는 TEM 모드이며 다음으로 빠른 모드는 TE11 모드이다. 따라서 한 센서에서 측정한 부분방전 신호는 다양한 속 도를 가진 여러 신호의 합으로 생각할 수 있으므로 센서 에서 각 모드가 도착하는 시간차를 이용해 방전위치를 추정할 수 있다. 그림 11은 긴 구간의 GIB에서 실제 방 전위치와 67 m 떨어진 센서에서 측정한 전자기파 부분 방전 신호의 파형을 단구간 푸리에 변환을 이용해 각 모 드별로 신호를 분리하여 분석한 것이다. 모드별 도착시 간차 Δt를 구하여 방전의 위치를 산정한 결과 센서에서 65.4 m 떨어진 곳에서 방전이 발생한 것으로 추정되었 다. 이는 실제 방전위치와 약 2 %의 오차범위에서 일치 하는 높은 정밀도를 보여주었으며 향후 선로의 길이가 그림 kv GIS의 모드별 군속도. 가로축: 주파수, 세로축: 군속도. 그림 11 단구간 푸리에변환을 이용한 전자기파 방전신호의 모드분석. 가로축: 시간, 세로축: 주파수. 2009년 제58권 제2호 19

22 기 획 시 리 즈 그림 12 시간 흐름에 대한 GIS내 자유도체의 운동궤적. 그림 13 연속한 방전신호 사이의 발생시간 간격과 자유도체의 상승높이. 긴 GIL 등 에서 본 기술이 널리 쓰일 것으로 생각한다. 자유도체에 의한 위험도 평가 부분방전 신호를 통해 방전을 일으키는 결함의 위험도 를 정량적으로 평가하는 것은 매우 어려운 일이다. 그러 나 결함의 원인이 자유도체인 경우 자유도체가 GIS의 중 앙 도체에 근접할 때 절연파괴가 발생할 가능성이 매우 높으므로 방진신호의 분석을 통해 자유 도체와 중앙도체 사이의 거리를 구할 수 있다면 위험도를 간접적으로 평 가할 수 있다. 그림 12는 GIS 내부에서 자유도체가 움직 일 때의 높이 H를 구한 것으로 방전은 자유도체가 바닥 에 부딪힐 때(그림 12의 빨간색 선) 발생한다. 이때 높이 H와 방전과 방전사이의 시간간격을 그림 13과 같이 분석 해 보면 H = (1/8)gt2 의 관계가 성립한다[11]. 따라서 방 전과 방전사이의 시간간격을 측정하면 자유 도체의 상승 높이를 알 수 있고 이 높이가 GIS 중앙도체와 가까울수 록 더 위험하다[12]. CIGRE 자료에 따르면 GIS 고장의 가 장 큰 원인이 자유 도체이므로 본 방법을 사용한다면 GIS 고장예방에 큰 기여를 할 것으로 생각한다[13] 한전의 예방진단시스템의 운용현황 및 진단사례 한전에서는 약 10년 동안의 연구결과를 바탕으로 GIS 고장예방을 위해 극초단파 부분방전 측정기술을 실 변 전소에 성공적으로 적용하고 있다. 최근에는 모든 154 kv GIS에 극초단파 부분방전 센서의 설치를 완료하였 으며 345 kv급 이상의 중요 변전소와 발전소의 GIS에 는 부분방전 상시감시시스템을 설치를 기본으로 하고 있다. 2008년 현재 38개 변전소의 GIS에 부분방전 상시감 그림 14 전력연구원의 GIS 고장예방 실적. 시 시스템이 설치되었고 연차적으로 전 345 kv GIS에 확 대 할 예정이다. 154 kv GIS의 고장예방을 위해서 2007년 도에 48대의 휴대용 부분방전 측정 장치를 도입하여 점 검과 고장예방 활동을 하고 있다. 특히 그림 14와 같이 한 전 전력연구원에서 2000년 이후 수행한 24건 GIS 부분방 전 정밀측정을 통해 20건의 GIS 고장을 예방하였으며 이 를 통해 절약한 복구 및 고장손실 비용은 약 200억원이 다. 이외에도 한전의 변전소에서 직접 수행한 부분방전 진단에서도 다수의 고장예방 실적이 있다. 그런데 GIS 고 장의 원인이 외국의 사례와는 다르게 한전의 GIS 결함은 부유전극과 절연체 결함이 다수를 차지 하고 있다[4]. 전자기파 부분방전 신호의 측정을 통해 GIS 고장예방 의 한 예로 변전소 345 kv GIS에서 부분방전을 측정한 결과 그림 15와 같은 phase resolved partial discharge (이하 PRPD) 패턴을 얻었다. 측정시에 GIS 인가전압의 위상정보를 취득할 수 없어 측정기기에 공급된 전원의 위상을 기준으로 PRPD 패턴을 생성하였다. 측정한 신 호는 전형적인 절연체 내부의 공극에 의한 PRPD 패턴 이었으며 방전발생위치 추정결과 절연체로 이루어진 20 전기의 세계

23 한국전력공사 변전분야의 전자기파 부분방전 진단기술 연구 및 적용사례 그림 15 (좌)측정한 방전신호의 PRPD 패턴, 가로축: GIS 인가전압 위상, 세로축: 신호의 크기; (우): 결함이 발견된 스페이서와 공극의 X선 사진. 스페이서에서 방전이 발생함을 알 수 있었다. 해당 스페 이서를 X선으로 조사한 결과 그림 15와 같이 직경 5 mm의 공극을 발견하였다. 2.3 전자기파를 이용한 전력용 변압기 부분방전 진단기술 개발 유중에서의 전자기파 부분방전신호 GIS 예방진단에 성공적으로 적용하였던 극초단파 부 분방전 진단기술을 변압기의 예방진단에 적용하려는 시도가 수년간 있어왔다. 그러나 전력용 변압기는 GIS 와 달리 유중에서 부분방전이 발생하며 유중 부분방전 에서 극초단파 대역의 전자기파 신호가 발생하는지에 대한 논란이 있었다. 따라서 극초단파 부분방전 진단기 술을 사용하기 위해서는 유중 방전에서 극초단파 신호 의 발생여부에 대한 확인이 선행되어야 한다. 유중방전 의 주파수 대역 확인을 위해 그림 16과 같이 전력용 변 압기에서 방전을 일으키는 4가지의 대표적인 경우에 대 해 극초단파 대역에서 방전신호의 PRPD 패턴을 그림 17과 같이 측정하였다. 대부분의 경우 UHF 대역에서 방전신호가 잘 발생되어 극초단파 대역에서의 부분방전 진단기술이 변압기 진단 에도 유효하다. 그러나 그 빈도나 크기가 SF6 가스나 기중에서의 방 전과 사뭇 다름을 알 수 있다. 예를 들어 돌출전극의 경우 SF6 가스에 서는 매우 잦은 방전 빈도를 보이 나 절연유에서 방전빈도는 그림 17과 같이 현저히 적어 서 주의 깊게 측정하지 않으면 방전신호를 측정하기 어 려울 수 있다[14]. 따라서 다양한 환경에서 열화정도에 대한 극초단파 대역의 방전신호 데이터베이스를 구축 하는 것이 극초단파 진단 기술을 전력용 변압기 분야에 성공적으로 적용하기위한 필수 요소이며, 한전은 지속 적으로 관련 데이터베이스를 구축하고 있다. 절연유에서 부분방전 전자기파의 전파속도와 위치추정 3차원적인 구조의 변압기에서 방전위치 추정은 1차 원 직선구조를 가진 GIS에 비해 어렵고 정확도도 떨어 진다. 특히 변압기 내 절연유의 상태와 철심 및 권선의 구조는 방전위치 추정에 큰 영향을 주기 때문에 일반적 인 TOA 방법을 적용하면 정확한 방전위치를 추정하기 어렵다. 또한 절연유로 채워진 변압기에서 방전위치 산 정을 위해서는 절연유에서의 전자기파 전파속도를 정 확히 알아야 하는데 전력연구원에서는 간단한 time domain reflectometry(tdr)방법을 이용하여 절연유의 그림 16 유중방전의 종류. 그림 17 극초단파 대역에서 유중방전에 의한 PRPD 패턴 (돌출전극은 20분 동안 측정한 자료임). 2009년 제58권 제2호 21

24 기 획 시 리 즈 유전율을 측정하였다[15]. 그림 18에서 보인 동축챔버에 서 전자기파가 왕복하는 시간은 챔버 매질에서의 전기 기파의 속도이므로 전파속도를 이미 알고 있는 매질이 채워진 동축챔버와 절연유로 채워진 동축챔버에서의 펄스의 왕복시간을 비교하면 간단히 절연유에서의 전 파속도를 구할 수 있다. 전력연구원에서는 TDR방법으 로 얻은 절연유의 전파속도를 이용하여 변압기 내부의 방전 위치를 추정 할 수 있는 방법을 개발하였다. 그림 18 TDR을 이용한 전자기파 신호의 전파속도 측정. 3. 결 론 국내 전력수요 증가가 둔화되고 변전기기가 점점 노 후화됨에 따라 변전기기의 예방진단기술에 대한 중요 성이 그 어느 때 보다 강조되고 있다. 한전은 이를 대비 하여 예방진단기술 개발에 지속적인 투자를 하여 극초 단파 대역의 전자기파 부분방전 진단을 위한 핵심기술 의 개발을 완료하고 이를 변전소 현장에 보급하였으며 국내 관련분야의 연구에 촉매 역할을 하였다. 이를 바탕 으로 극초단파 진단기술을 전력용 변압기에 적용하기 위한 연구를 시작하여 그 가능성을 보였다. 향후 변압기 진단분야에서 방전원인 자동추론기법을 개발하고 열화 정도에 대한 방전신호 데이터베이스를 구축함은 물론 시스템화 할 예정이다. 아울러 GIS와 변압기 진단을 통 합한 변전소 예방진단 기술을 마련하여 안정적인 전기 에너지를 공급하는 한전의 역할을 다 하고자 한다. 참고문헌 1. 구선근, 박기준, 윤진열, GIS 부분방전 검출기술 연 구, 한국전력공사, 구선근, 박기준, 윤진열, GIS 고장예방을 위한 UHF 부분방전 신호해석 기술 연구, 한국전력공사, GIS 고장 예방을 위한 UHF 부분방전 상시 감시시스 템 개발 최종보고서, 산업자원부, 윤진열 외, GIS 부분방전 진단사례집, 한국전력공 사, 김동명 외, 개폐기 건전성 평가 및 진단기준 제정에 관한 연구, 한국전력공사, Sun-geun Goo et al., Novel Calibration Method of UHF Partial Discharge Sensor for GIS, Proc. of ICEE2002, Jeju, 한국전력공사, 광대역 극초단파(UHF) 부분방전 신 호 및 신호유형패턴 발생 장치, 대한민국 특허, 등록 번호: , Sun-geun Goo et al,, Sensitivity Determination Method of On-line UHF Partial Discharge Monitoring System for Gas Insulated Switchgear, Proc. of CMD2006. ChangWong, 한국전력공사, 부분방전 원인 자동 추론용 신경망 회로의 입력벡터 생성방법, 대한민국 특허, 등록번 호: , 한국전력공사, 전력기기에서 전자파 방전신호의 모 드별 군속도 차이를 이용한 방전위치 추정기법, 대 한민국 특허, 출원번호: , Park, Kijun et al., Dynamics of a metallic particle bouncing between alternating high voltage electrodes, Applied Physics Letters, Volume 83, Issue 1, id. 195, 한국전력공사, 배전선로의 가스절연 고전압 개폐 장치의 부분방전 위험도 평가방법과 그 장치, 대한 민국 특허, 등록번호: , CIGRE JWG 33/23.12, Insulation Co-ordination of GIS: Return of Experience, On Site Teats and Diagnostic Techniques, Electra No, 176, p 75, Sun-geun Goo, et al., Ultra-high frequency spectral characteristics of partial discharge in insulation oil, Proc. Intl Conf. Condition Monitoring and Diagnosis, CMD 2008, pp.64-67, Apr 구선근 외, TDR을 이용한 극초단파 대역에서 사용 절연유의 유전율과 전파속도 측정, 대한전기학회 논문지 Vol. 56, No. 12, pp.2184~2187, 전기의 세계

25 기 획 시 리 즈 전력케이블 시스템에서 발생하는 전자기파 부분방전의 진단기술 김 충 식 / LS 전선 1. 서 론 지금까지 IEC규정에 근거한 케이블 및 접속함의 부분 방전(PD: Partial Discharge) 시험은 수십 khz에서 수백 khz의 저주파 대역에서 측정하여 왔으며, 이러한 저주 파 대역에서의 PD측정은 쉴드룸과 같이 정전차폐가 잘 된 곳에서는 큰 문제가 없으나, 옥외와 같이 공기 중이 나 전원을 통해서 노이즈가 측정 시스템에 심하게 유입 되는 곳에는 PD신호가 노이즈 신호에 묻혀 측정이 매 우 곤란하였다. 따라서, 이러한 S/N비(signal-noise)향상 을 위해 노이즈가 심한 주파수 대역을 피하여 고주파 대 역에서 측정함으로써 PD를 고감도로 측정하는 방법이 개발되었다. 이러한 고주파대역에서의 PD측정은 여러가지 장점 으로 국내외에서 실선로와 같은 현장 시험(PQ시험포 함)에서는 전부 HFPD(High Frequency Partial Discharge) 측정법으로 수행하고 있다. 일본의 히타찌 전선은 접속함용 박전극 센서를 개발하여 수MHz에서 십 수 MHz의 고주파 대역을 측정하는HFPD법으로 1993년 장거리 275 kv XLPE 선로(총길이 26.9 km)의 준공시험에 적용하여 이상 접속함에서 발생된PD를 검 출하는데 성공하였다. 이러한 PD 측정시스템은 현재 널리 상용화되고 있으며, 특히 독일, 이탈리아, 네덜란 드를 중심으로 실선로 진단시 VHF/UHF 대역에서 PD 를 측정하는 기술이 빠르게 연구되고 있다. 한국의 경우 에는 1999년부터 민수선로를 중심으로 HFPD시험을 진 행하여 오다가2003년에 한전의 길이 9.75 km의 345 kv XLPE케이블 선로(영서-영등포 구간)를 휴대용 고주파 PD진단 장비를 이용하여 시험한 후 본격적으로 실선로 진단에 사용 중에 있다. 한편, 저주파 대역에서 PD를 측정원리와 고주파에서 PD측정 원리가 다르므로, 무엇보다도 고주파에서 PD 펄스 특성에 대한 정확한 이해가 필요하다. PD 가 발생 한 곳에서 PD펄스는 선로를 따라 진행하면서 감쇄 (attenuation)와 분산(dispersion)이 발생한다. 따라서 PD 펄스는 원래 신호에 비하여 발생한 곳에서부터 진 행 경로가 길어지면 길수록, 측정주파수가 고주파 대역 이면 일수록 펄스 크기는 감쇄에 의하여 작아지고, 펄스 폭은 분산에 의하여 증가하여 중심주파수가 저주파 대 역으로 이동한다. 따라서 PD펄스의 이러한 고주파 특 성 때문에 케이블 선로에서는 주로 센서 설치가 용이하 고 시공 불량이 발생할 가능성이 높은 접속함을 대상으 로 시험을 수행한다. 본 특집에서는 전자기파 PD펄스 의 고주파 측정기술과 이러한 전자기파 특성을 이용한 PD발생 위치 추정기술에 대해서 서술하였다. 2009년 제58권 제2호 23

26 기 획 시 리 즈 2. 케이블 내 부분방전의 발생과 측정 이론 2.1 케이블 내에서 고주파 부분방전의 발생 고체 절연체 혹은 액체 절연체 내부에 있는 보이드에 서발생한PD는약수~ 수십ns 이하정도의지속시간 을 가지는 매우 짧은 전류 펄스를 발생시킨다. 이것은 매우 제한된 공간 내에서 기체 방전 프로세스가 매우 짧 은 시간 동안 진행되어 종료되기 때문이다. 균일한 유전체, 즉 기체 내부에서 발생하는 방전은 매 우 짧은 상승시간 ( 5 ns)과 긴 꼬리를 갖는 전류 펄스를 발생시킨다. 급속한 전류상승은 빠른 avalanche 프로세 스 때문으로 전자성 전류를 발생시키며 전류의 감쇄는 공극 내 공기의 전자 부착성과 양이온의 이동속도(drift velocity) 때문이다. 보통 대기 중에서 방전 펄스는 일반 적으로 100 ns이하의 지속시간을 가지는 전류 펄스를 발 생시킨다. 절연체 내부에서 발생된 이러한 고주파 PD펄 스는 선로를 따라 진행하면서 저주파 펄스로 바뀐다. 2.2 등가회로 절연체 내부의 결함에서 발생하는 PD는 직접적으로 크기를 측정할 수 없으며, 다만 전극 단자에 유기되는 전하량을 간접적으로 측정할 수 있다. 그림 2-1(a)에 두 전극 A와 B사이의 고체 혹은 액체 유전체와 기체가 채워져 있는 공극(Cavity)으로 구성된 간단한 커패시터 회로를 나타내었다. 외부전압이 증가하면, 공극의 형상과 유전율 차이에 의하여 보이드 내에서 전계가 강하게 집중되기 때문에 PD가 발생하게 된다. AC 전압을 증가시키면 최초의 방 전은 외부 전압이 상승하는 반주기 동안에 나타나며, 공 극의 커패시턴스 Cc가 방전하게 된다. 방전전류 ic(t)는 Dirac 함수와 유사한 형태를 가지며, ns 범위의 극도로 짧은 펄스이다. 방전에 의하여 발생한 반대 극성의 전하 는 전계 방향을 따라 보이드 벽면으로 이동하게 되며, 따라서, 처음의 전계를 상쇄한다. 전압이 계속 증가하거나 AC 전압의 negative slope로 감소하는 경우에, 새로운 전기력선이 형성되어, 각 주기 동안 방전현상이 반복된다. 공극과 직렬로 연결된 절연 부를 2개의 정전용량 Cb 와 Cb 로 가정하고 전체가 되며, 공극과 병렬로 형성된 절연부를 Ca=Ca +Ca 로 표현할 수 있다. 그리고, 커패시턴스의 크기는 가 된다. 이러한 유전체 내부의 정전용량의 구성을 그림 2-1(b) 에 등가회로로 나타내었다. 시료가 Va로 충전되었다고 가정하고, A, B 단자는 더 이상 전원에 연결되어있지 않다고 가정하면, 전류 ic(t) 는δqc=CcδVc의 전하를 Cc로부터 방출하며, 단자 사이 에 발생하는 전압강하 δva를 쉽게 계산할 수 있다. 이 결과는 식 (2-1)이 된다. 이러한 전압 강하는 전하량 δqc는 CbδVc에 비례하 며, Cb는 공극의 직경에 따라 증가하기 때문에 이 크기 는 어느 정도 전극에 걸리는 전압에 영향을 준다. 2.3 잡음의 발생 내압기의 메인 전원을 필터링하여 사용하는 전자기 적으로 잘 차폐된 쉴드룸에서 PD시험을 할 수도 있으 (a) (b) 그림 2-1 PD 등가회로. (a) 공극(cavity)를 포함한 유전체, (b) 등가회로 24 전기의 세계

27 전력케이블 시스템에서 발생하는 전자기파 부분방전의 진단기술 나 노이즈가 많은 옥외 환경에서도 PD 시험을 행하여 야 할 경우가 있다. 공장이나 연구실의 쉴드룸 내에서는 외부에서 유입되는 노이즈가 차단되기 때문에 이러한 외부 노이즈는 시험 회로에 영향을 거의 주지 않지만 실 제로는 시험장 주변 환경에 의해 발생하는 많은 종류의 간섭신호가 측정에 영향을 주고 있다. 고압전원 회로에서 발생하는 접촉불량은 전류 위상 0 점 근처에서 작은 크기의 고주파 전류 진동을 발생시킨 다. 인접한 고전압 회로에 의하여 생기는 표류 정전계 또는 자계가 PD 시험 회로에 간섭 전압을 유도할 수도 있다. 방송국으로부터 전자기파가 시험회로에 유도되 어 간섭 전압을 발생시킨다. 또한 연결이 느슨한 금속 혹은 전도성 입자가 시험회 로 주변에 놓여 있으면, 회로 주위의 정전계에 의하여 대전되어 미리 접지를 잡아 놓지 않으면 작은 스파크에 의하여 방전한다. 한편 시험 대상 시료에서 뿐만 아니라 측정 회로에서도 방전이 발생할 수도 있다. 즉 고전압 전원, 커플링 커패시터, 또는 회로의 장치를 서로 연결 지점에서 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 간섭 노이즈를 가능한 한 억제하지 않 고서는 시료에서 발생하는 PD와 다른 모든 간섭 노이 즈 사이의 구별은 거의 불가능하다. 간섭신호는 고조파 와 펄스 타입으로 구분할 수 있으며, 고조파는 인가 전 압에서 발생하거나 전자파의 영향 때문이며, pulse 타입 의 간섭신호는 PD와 유사한 신호로 시험장 주변의 금 속체에서 발생하는 코로나 현상 때문이다. 약2~10 ns까지 증가하며, 이 범위는 약 50 MHz의 최적 검출 주파수 대역에 해당한다. 300 m의 전파 거리에서 는 펄스 폭은 30 ns의 범위까지 증가하고, 최적 주파수 대역은 20 MHz이하에 해당한다. 차폐 전력 케이블에서 는 PD 펄스가 전파함에 따라 감쇄와 분산으로 PD 펄스 가 완만하게 되어, 케이블에서 PD펄스의 위치를 추정하 기 위하여 설계된 측정기기의 PD 검출 주파수 대역은 대략 10~20 MHz의 범위에 있다. 3. 전자기파 부분방전 측정 기술 소개 3.1 측정센서 정전용량성 센서 1) 동축케이블 센서 (CCS:Coaxial Cable Sensor) 동축케이블 센서는 케이블의 반도전층에 금속 포일 을 설치하여, 반도전의 표면저항을 측정 임피던스로 이 용하여 부분방전을 측정하는 센서이다. 이 센서는 케이 블 및 접속함의 결함부에서 발생하는 PD에 의해서 생 기는 미소전압 강하신호를 반도전의 표면저항 R과 적절 한 정전용량을 가지는 박전극의 Ccable과 표류정전용 량 Cstray에 의하여 센서의 특성이 결정된다. 그림 3-1 은 접속함 내부의 케이블 반도전층 위에 설치한 동축 케 이블 센서를 보여주고 있으며, 그림 3-2에는 이 센서의 등가회로를 나타내었다. 2.4 케이블의 고주파 특성 차폐 전력 케이블에서 고주파 감쇄에 대한 이론은 1982년 처음으로 발표되었다. 감쇄는 고체 유전체의 유 전손(tanδ)과, 반도전층의 저항을 통과하는 직경방향 전 류의 전파, 이 두 가지 현상의 결과로 나타나게 된다. PD 펄스가 이러한 케이블을 전파해 갈 때 PD 펄스 모양 의 변화를 전파한 거리와의 Gaussian 함수로 표현하고 있다. PD펄스의 주파수 성분은 주로 상승시간(risetime)에 의해 영향을 받아 초기 PD펄스는 대략250 MHz의 최적 검출 주파수 대역을 가지고 있다. 케이블에서 약 100 m 를 전파한 이후에는, 펄스의 상승시간이 길어 지고 폭도 그림 3-1 동축케이블 센서 설치도 그림 3-2 동축케이블 센서의 등가회로도 2009년 제58권 제2호 25

28 기 획 시 리 즈 동축케이블 센서의PD 측정 주파수 대역은 전력 케이 블의 고주파 감쇄 특성으로 low pass filter역할을 하는 케이블 의 주파수영역과, 또한 센서부의 정전용량 Ccable와 표류정전용량 Cstray 및 반도전 표면저항에 의 하여 High pass filter 역할을 하게 되는 센서 주파수영역 에 의하여 결정된다. 이러한 센서를 사용하여 케이블 및 접속함에서 PD 측정 시 수~수십MHz 정도의 대역폭을 가진 증폭기가 적합하다. 동축 케이블 센서를 설치할 때 주의하여야 할 사항은, 측정 동축 케이블의 신호선과 접지선의 리더선이 긴 경 우, 리더선에 의한 인덕턴스로 인하여 측정감도가 감소 하므로 리더선을 최대한 줄이는 것이 바람직하며, 또한 동축 케이블의 신호선과 접지선의 Loop는 외부 노이즈 를 수신하게 되는 안테나 역할을 하므로 가능한 한 이러 한 Loop가 적게 되도록 하는 것이 바람직하다. 그림 3-3 접속함 내부에 동축케이블 센서가 설치된 모습 2) 박전극 센서 (Capacitive sensor) Hitachi사의 Endo박사가 고안한 박전극 센서는 절연 접속함(Insulation Joint Box, 이하 IJB)의 PVC 자켓 위에 부착하는 형태의 정전용량성 센서의 일종이다. 박전극 센서는 우선 설치가 간단하며, 접속함의 전기적, 기계적 성능에 영향을 주지 않는다는 장점이 있다. 그러나 이러 한 박전극 타입은 동축케이블 센서에 비하여 조금 감도 가 떨어질 수 있다. 그림 3-4는 절연 접속함의 차폐 절연통의 양측 PVC자 켓에 금속 박전극을 부착한 것을 나타낸 것이다. 그림 3-5의 등가회로에서 보는 바와 같이, 금속전극과 동관 사이의 정전용량(C3와 C4)를 통하여 측정 임피던스로 연결되는 것으로 볼 수 있다. 여기에서 C3, C4의 임피던 스가 Zd에 비하여 충분하게 작도록 박전극의 크기를 선 택하면, C3와 C4의 영향을 무시할 수 있으며, 차폐 시스 에 직접 접속한 경우와 동일하게 된다. IJB의 좌측에서 PD가 발생할 경우 그 결함을 정전용량 Cg라고 하면, IJB 의 우측의 정전용량 C1이 커플링커패시터 Ck로 작용하 여, 시스와 절연통 사이에 접속된 측정임피던스 Zd를통 하여 PD가 검출되게 되는 방식이다. 그림 3-6는 전력구 내 초고압 케이블 선로의 접속함 외부에 설치한 박전극 센서의 모습이다. 박전극 센서는 기설 선로에 간편하게 설치할 수 있기 때문에 경년 케이 그림 3-4 절연 접속함에 설치된 박전극 센서 그림 3-5 접속함내 박전극 등가회로 그림 3-6 전력구내 초고압 케이블 접속함에 설치된 박전극 센서 블선로의 열화진단으로 많이 사용되고 있다 유도성 센서 (Inductive sensor) 케이블 내에서 부분방전이 발생하면 그림 3-7과 같이 26 전기의 세계

29 전력케이블 시스템에서 발생하는 전자기파 부분방전의 진단기술 그림 3-7 케이블에서 부분방전의 진행과 유도성 센서의 적용 장의 변화를 측정하기 위해 사용되는 것이 유도성 센서 이다. 일반적으로 라디오 주파수대역의 전류 신호를 전 압으로 변화시켜주기 위해 페라이트 같은 강자성체를 이용하는 RFCT와 Rogowski coil이 가장 많이 사용된다. RFCT의 출력 크기가 크고 감도가 높고 Rogowski coil은 변환 임피던스값이 크지 않기 때문에 주파수 대역폭이 좁고 감도가 낮다. 현장에서 운전중인 케이블의 경우 접 지를 통해 흐르는 전류 형태의 부분방전 신호를 측정하 기 위해 접속함의 접지선에 장착된다. 해외의 경우 국내와 같이 전력구나 맨홀 내에 포설되 지 않고 케이블을 땅 속에 묻는 직매형태로 포설되는 경 우가 대부분이다. 이 경우 크로스본딩을 위하여 지상에 설치된 Link-Box에 CT를 장착하여 부분방전을 측정한 다. 아래 사진은 중동 지역에서 직매형태로 포설된 초고 압 케이블의 Link-Box에 HFCT가 장착된 모습이다. 그림 3-8 Link-Box 내 접지선에 설치 된 측정용 CT, 교정용 CT 및 위상 측정용 CT 사진 그림 3-9 케이블 위 방향성 센서를 설치 PD펄스는 도체와 시스를 따라 진행한다. 시스를 타고 진행하는 부분방전 신호에 의해 발생하는 미세한 자기 방향성 센서(Directional sensor) 정전용량성 센서와 유도성 센서의 특성을 모두 지니 고 있는 방향성 센서는 측정되는 신호가 유도성 신호의 극성이 전류의 진행 방향과 함께 바뀌기 때문에 방향성 센서라고 한다. 두 개의 방향성 센서를 접속함의 양쪽에 설치하면 측정된 신호가 접속함 내부에서 발생된 것인 지 아니면 접속함 외부의 좌측 혹은 우측 방향에서 발생 된 것인지를 알 수 있으며, 따라서 외부에서 유입되는 노이즈의 판별이 가능하다. 그리고, 넓은 주파수 대역폭 을 가진 방향성 센서는 접속함 내에서 발생된 결함의 위 치를 시간차 계산을 통해 찾을 수 있다. 그림 3-10은 방향성 센서에서 측정된 펄스의 시간차 와 크기를 판별하여 PD 발생 위치를 나타내는 그림이 다. 예를 들어 접속함 내부(1)에서 PD가 발생하면 각 각 좌측과 우측으로 펄스가 진행하여 센서 B,C에서 먼 저 검출되고 약간의 시간차를 가지고 A,D에서 검출된 다. 그림에서는 B가 C보다 먼저 검출되어 PD발생은 접 속함의 좌측 B에서 가까운 곳에서 발생하였음을 알 수 있다. 그러나 전력 케이블에서 PD펄스의 진행 속도가 대략 0.17 m/ns임을 감안하면 A와 B, C와 D에서 검출 되는 신호의 차는 극히 짧기 때문에 초고속 신호 처리 기술이 필요하다. 2009년 제58권 제2호 27

30 기 획 시 리 즈 3.2 Frequency tuning 장거리 선로의 경우 케이블 자체가 안 테나 역할을 하기 때문에 많은 주위의 노이즈가 유도되어 측정센서로 유입된 다. 주로 종단 접속함에서 유입되어 선 로를 따라 진행하기 때문에 노이즈는 저 주파 대역에서 크게 나타나지만 측정 센 서 주변에서 발생되는 노이즈가 유입되 는 경우도 있다. 이럴 경우 선로에서 발 생한 PD신호와 노이즈가 섞여 있어서 PD검출이 어렵다. 박전극 센서나 HFCT를 이용한 고주파 측정법의 측정 주파수 대역은 대략 1~100 MHz 대역이다. 이 범위에서 측정되는 모 든 신호들에는 PD신호와 함께 해당 영역 의 모든 노이즈 신호가 포함된다. 그러나 측정 주파수대역 중에는 신호에 비해 노 이즈가 적은 즉, S/N (Signal to Noise ratio)이 높게 나타나는 영역이 존재한다. 그림 3-11은 실선로에서 측정한 노이 즈와 PD신호에 대한 주파수 스펙트럼을 분석을 한 그래프이다. 보이는 것과 같 이 25 MHz 대역에서 노이즈에 비해 PD 신호가 상당히 크게 측정됨을 알 수 있 다. 신호대 잡음비가 높은 주파수 대역 을 Tuning하면 그럼 3-11에서와 같이 노 이즈는 줄고 신호만 크게 나타난다. 그림 3-10 방향성 센서를 이용하여 접속함 내부 PD와 외부 유입신호 판별 그림 3-11 노이즈 스펙트럼과 부분방전 스펙트럼 3.3 노이즈 제거 코로나와 같은 펄스성 노이즈는 PD신 호와 유사한 주파수 대역을 차지 하므로 주파수 Tuning으로 제거할 수 없다. 그 러나 이러한 노이즈는 Gating 회로를 이 그림 3-12 Noise gating 원리 용하여 제거 할 수 있다. 그림 3-12는 PD 센서에서 검출된 신호와 안테나에서 검출된 신호를 Open시간은 약 1~50μs정도로 가변이 가능하다. 그러 Noise gating회로에서 gating하여 PD신호만 통과시키는 나, Thyristor에서 발생되는 노이즈는 펄스 폭이 길어 약 개념도를 보여 준다. Noise Gating 회로는 고속 아날로 20~100μs 정도의 Open 시간이 필요하다. 그림 3-13는 그 스위치나 디지털 스위치를 이용하여 노이즈가 검출 실제 선로에서 PD센서와 안테나에서 측정된 신호를 되면 Open되어 신호를 통과시키지 않는다. Gate의 Noise gating 회로로 노이즈를 제거한 예이다. 28 전기의 세계

31 전력케이블 시스템에서 발생하는 전자기파 부분방전의 진단기술 이다. 그림 3-13 실선로에서 측정된 노이즈와 PD신호의 Gating 4. 부분방전의 전자기파 성질을 이용한 위치 추정 정확도를 보다 높이기 위해서는, B단자에서 위치 추 정시험을 한번 더하는 것이 좋다. 이렇게 하여 고장 위 치가 겹치는 구간을 얻을 수 있다. 따라서 고장 지점은 A단자에서 측정한 결과와, B단자에서 측정한 결과가 중 첩되는 부분에 있을 확률이 가장 높다. 그림 4-4는 초고압 케이블에서 PD펄스 전파 속도를 계산하기 위해 주입된 교정신호와 반사신호의 시간차 를 보여준다. 실험을 통한 154 kv, 220 kv, 345 kv 초고 압 케이블에서의 PD 전파 속도는 약 1.6~1.9ⅹ108 m/s 정도로 나타났다. 부분방전 발생위치 검출 방법은 부분방전 펄스 신호의 travelling wave 특성 원리에 바탕을 두고 있다. 부분방전 펄스는 발생지점으로부터 케이블의 양단으로 진행한다. 케이블 끝 단이 케이블의 서지 임피던스로 연결되어 있 지 않으면 (예를 들어, 개방되어 있거나 Ztransformer>>Zcable), 펄스는 전반사된다. 위치추정 시험시 PD 펄스를 High pass 필터를 통하여 고속으로 디지타이징하면, 그림 4-2 에 나타난 바와 같이 직접파와 반사파형을 얻을 수 있다. 케이블 한쪽 끝 단 A에서, 직접 들어오는 PD펄스를 오실로스코우프에서 트리거 신호로 트리거하면, 다른 쪽 끝 단 방향으로 진행한 펄스가 B에서 반사되어 2(l-x) 에 전파하는데 필요한 시간 후에 A에 도달한다. 이러한 한 쌍의 펄스는 케이블 길이에 따라 한번 혹은 수번을 왕복할 수 있으며, 펄스 간 시간 간격이 고장 위치를 찾 는데 필요한 측정 변수이다. 첫 번째 펄스와 두 번째 펄스가 디지타이징 되면, 다 음과 같은 식에 해당한다. 그림 4-1 PD발생위치와 PD펄스의 진행 거리 그림 4-2 직접파와 반사파의 파형 여기서, 이다. 전파속도 v는 케이블의 종류에 따라 변화하기 때문에 사전에 교정 펄스를 케이블에 주입하여 v를 결정하는 것이 좋다. 이미 알고 있는 케이블 길이 L에 대하여, 전 파속도는 l v = 2 t k 에 의하여 결정된다. 따라서 고장지점 x는. 이면 이고 따라서, 그림 4-3 쉴드룸내 초고압 케이블 PD 시험 2009년 제58권 제2호 29

32 기 획 시 리 즈 5. 결 론 초고압 케이블은 출하 전 시험으로 쉴드룸 내에서 부 분방전 시험을 통해 신뢰성을 검정하였으나 접속함의 경우는 현장에서 접속하게 되므로 이물의 유입이나 시 공상의 실수로 불량이 날 가능성이 존재한다. 그러나, 수 km의 장거리 선로를 IEC 규정에 따른 전통적인 시험 방법으로는 노이즈의 영향과 측정 감도 저하로 측정이 불가능하다. 따라서 현장에서 노이즈의 영향을 최소화 할 수 있는 전자기파를 이용한 고주파 부분방전 측정법 이 널리 사용되고 있다. 정전용량성 센서와 유도성 센서 를 접속함에 설치하므로서 노이즈가 저감된 고감도의 부분방전 측정이 가능할 뿐 아니라 부분방전을 일으키 는 결함의 위치까지 찾아 낼 수 있게 되었다. 이러한 기 술은 고속 디지털 처리기술의 진보와 더불어 발전 해 왔 으며 현재 케이블 시스템에서 측정 주파수 대역은 HF(High frequency) 대역에서 VHF(Very high frequency)대역으로 올라가고 있으며 향후 측정 주파수 대역은 UHF(Ultra high frequency)대역으로 더욱 더 확 대 될 것으로 보인다. 참고문헌 1. K. Rethmeier, M. Krvger, A. Kraetge, R. Plath, W. Koltunowicz, Obralic3, Prof. W. Kalkner, Experiences in On-site Partial Discharge Measurements and Prospects for PD Monitoring, CMD R. Plath, R. Heinrich, K.Rethmeier, W. Kalkner, W. Wei enberg, Sensitive PD detection on high voltage XLPE cable lines using field coupling sensors, JICABLE, Steven Boggs, Ash Pathak, Philip Walker, Partial Discharge XXII: High Frequency Attenuation in Shielded Solid Dielectric Power Cable and 그림 4-4 케이블 드럼에 주입된 교정신호와 반사신호 Implications Thereof for PD Location, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 12, No.1, P9~ T. Strehl, On- and Off-Line Measurement, Diagnostics and Monitoring of Partial Discharges on High-Voltage Equipment, HV Testing, Monitoring and Diagnostics Workshop, 13 & 14th September 2000, paper No Q. Su, Kevin sack, New Techniques for On-line Partial Discharge Measurements, IEEE INMIC 2001, p49~ 김충식 외 3, HFPD 부분방전 측정기술의 국내 최 초 345kV XLPE 선로준공시험 적용, 전력케이블 연구회, 김충식 외 2, 초고압 케이블 선로에 대한 고주파 부분방전 시험, 고전압 및 방전응용기술 연구회, 김충식, 최신 전력케이블 부분방전 진단기술 동 향, 설비진단 연구회, 김충식, 김영홍, 초고압 XLPE 케이블 및 접속함의 파괴원인 규명을 위한 PDD(Pre-breakdown Partial Discharge Detection) 기술개발, LS전선 기술지, 전기의 세계

33 기 획 시 리 즈 배전용 가스개폐기의 UHF PD 측정시스템 개발 권태호/ 한국전력공사 전력연구원 1. 개 요 그림 1 UHF PD 측정시스템의 구성 그림 2 내장형 UHF PD 센서 그림 3 외장형 UHF PD 센서 23 kv 개폐장치는 전력계통에 있어서 고객의 부하와 직접 연결 되어 차단ㆍ투입, 통전되는 설비 로 사용된다. 따라서 개폐장치의 고장은 산업설비의 제어불능, 정 지를 의미하며, 수용가의 광범위 한 정전을 유발함과 동시에 전기 품질 저하의 원인이 되고 있다. 그러므로 고객이 만족하는 전기 를 판매하기 위해서는 선로운영 에 기본이 되는 개폐장치의 품질 확보가 우선적으로 제고되어야 한다. 절연내력 및 소호능력이 우수한 SF6 가스 를 절연매체로 사용하는 가스절연개폐장치 (GIS : Gas Insulated Switchgear)는 소형화, 고신뢰화 등의 장점을 가지고 있어 대표적인 전력기기로 사용되고 있지만 SF6 가스를 금 속용기에 밀폐시킨 매우 콤팩트한 기기이기 때문에 고전계 상태에서 금속이물 등의 내부 결함이 존재하면 절연성능에 미치는 영향은 2009년 제58권 제2호 31

34 기 획 시 리 즈 상대적으로 크게 된다. 따라서 운전 중에 GIS 내부에서 발생하는 이상의 징후를 초기단계에서 검출하는 예방 진단기술이 중요하다. 본 고에서는 가스개폐기의 내부결함 검출에 가장 신뢰 도가 높고 활선진단 적용이 가능한 부분방전(PD : Partial Discharge) 측정기술을 배전급 개폐기에 적용하여 개발 템의 구성은 그림 4와 같이 가스개폐기 PD 측정 및 분 석시스템의 소프트웨어는 노트북에 설치하여 스펙트럼 분석기(Spectrum analyzer)와 Cross Cable을 이용하여 Lan 통신방식으로 전송한다. 본 시스템에서는 UHF 대 역의 PD 신호 측정을 위하여 Anritsu사의 상용 Spectrum analyzer MS2721A를 사용하였다. 한 UHF(Ultra High Frequency) PD 측정시스템 표 1 UHF PD 센서의 특징 개발 내용을 소개하고자 한다. 구 분 내장형 외장형 주파수 대역 300 MHz~1.5 GHz 300 MHz~1.5 GHz 측정감도 < 5 pc < 5 pc 2. UHF PD 측정시스템의 구성 설치위치 개폐기 내부 개폐기 외부(부싱부) 센서 형태 Spiral type Log Periodic type 단자 종류 N-type connector N-type connector 배전용 가스개폐기의 UHF PD 측정시스템 센서 재질 Cooper, Epoxy Cooper, MC Nylon, Aluminum 구조는 그림 1과 같이 개폐기 내부결함에서 ㆍ광대역 방식 ㆍ협대역 방식 ㆍ외부 노이즈 차폐기능 ㆍ착탈식 구조 발생되는 PD의 방사 전자파 신호를 측정하 특징 ㆍ감도특성 우수 ㆍ지상개폐기에 적용 기 위한 내/외장형 UHF PD 센서, 측정된 신 ㆍ노이즈 차폐구조 호를 처리하는 신호처리부(DAU : Data Acquisition Unit), PD 신호를 저장, 분석하고 DAU를 제어하는 분석부(HMI : Human Machine Interface)로 구성되어 있다. 2.1 UHF PD 센서 내장형 UHF PD 센서는 광대역 주파수 특 성을 갖는 Archimedean 스파이럴(Spiral) 안테나 의 원리를 이용하여 제 작하였으며, 가스개폐기 의 부싱부에 부착이 가 능한 외장형 UHF PD 센 서는 협대역 주파수 특 성을 갖는 Log-periodic 안테나의 원리를 이용하 여 외부 노이즈의 영향 을 최소화하기 위하여 차폐형태의 착탈식 구조 로 제작하였다. 그림 4 PD 측정 및 분석시스템의 구성 2.2 PD 측정 및 분석 시스템(DAU & HMI) PD 측정 및 분석시스 그림 5 PD 분석 Software 구조 32 전기의 세계

35 배전용 가스개폐기의 UHF PD 측정시스템 개발 소프트웨어는 DAU를 Local로 제어하는 프로그램과 On-site에서 Portable로 PD 신호를 분석하는 프로그램 그림 6 PD 측정 시스템 구동 화면 으로 크게 2부분으로 나눌 수 있다. 가장 널리 사용되고 있는 PD 분석방법인 PRPDA(Phase Resolved Partial Discharge Analysis)을 사용하여 phi-n, phi-q, n-q를 분석하고 2차원 로 표현할 수 있으며, 1 차 노이즈 판정을 위한 phi-q-n의 3차원 표시 기능을 가지고 있다. 이들을 통하여, 2차 분 석을 수행하지 않고도 PD의 유무를 1차 측정 으로 판정할 수 있다. 그림 5는 PD 측정 및 분석 프로그램의 구조 를 나타내고 있으며, 그림 6은 분석 소프트 웨어 구동화면이다. 3. PD 검출 주파수 대 역의 선정 그림 7 외부노이즈의 주파수 스펙트럼 (a) 외부 노이즈 측정 데이터(대도시) (b) 가스개폐기 내장형센서 측정 데이터 UHF PD 측정 시스템을 사용하 여 가스개폐기의 절연이상 유무를 파악하기 위해서는 UHF 대역에 서 Signal/Noise 비가 가장 우수한 대역을 선정하여야 한다. 이를 위 하여 외부 노이즈가 심한 대도시 5개소를 선정하여 100 2,000 MHz 대역에 존재하는 외부 노이 즈와 이들의 가스개폐기내 유입특 성을 분석하였다. 금속으로 구성된 가스개폐기의 외함 및 본체는 자체 차폐성능을 가지고 있어 거의 모든 주파수 대 역에서 약 20 db이하로 차폐되었 다. 따라서 많은 노이즈가 제거 되 었으나 핸드폰, 방송파와 같이 상 대적으로 전자파의 세기가 강한 2009년 제58권 제2호 33

36 기 획 시 리 즈 주파수 성분이 개폐기 내부로 유 입됨을 확인하였다. 실제 배전선 로에 존재하는 노이즈와 가스개 폐기 내부로 유입되는 노이즈 주 파수 대역을 파악한 결과, 최적 PD 측정 주파수 대역으로서는 MHz, 900 1,200 MHz 및 1,400 1,600 MHz의 3개 주파 수 대역으로 확인되었다. 4. 배전선로 모의시험 (a) 사용품(절연물 결함) 그림 8 시험용 가스개폐기 (b) 신품(돌출전극, 자유도전입자) 한전 고창 전력시험센터에 설치되어 있는 22.9 kv 시 험선로에 그림 8과 같이 인공결함이 내부에 부착된 시 험용 가스개폐기 2대(사용품 1대, 신품 1대)를 설치하여 개폐기 내부에 인공결함을 설치하여 방출되는 신호를 통하여 UHF PD 측정시스템의 성능을 검증하였다. 인위적으로 방전신호를 발생시키기 위해 가스개폐기 내부에 돌출전극, 자유 도전성 입자 및 절연물 등의 결 함을 모의하였다. 이들 결함은 배전개폐기의 절연고장 중 가장 높은 점유율을 가지고 있어 분석결과는 예방진 단에 많은 도움이 될 것으로 기대된다. 인공결함의 PD 신호를 측정한 결과, 절연물결함에서 는 1,100 MHz, 1,300 MHz, 자유도전성 입자결함에서는 MHz의 주파수 대역에서, 돌출전극은 MHz 대역에서 신호 검출이 양호하였다. 인공결함에 대하여 2006년 9월부터 2008년 2월까지 매월에 걸쳐 UHF PD에 대한 주파수 스펙트럼 측정을 실시하였다. 돌출전극 및 자유도전성 입자 결함은 PD 신호가 측정시점에 따라 일시적인 변화는 있으나 지속 적으로 증가 또는 감소하는 경향은 없었다. 절연물 결함 의 경우 초기 단계에서는 300 MHz 부근과 600 MHz 부 근에서만 -50 dbm(1 pc이하) 수준의 신호가 검출되었 으나, 2008년 2월 측정시에는 거의 모든 주파수 대역에 서 약 -15 dbm (26 pc)까지 증가함을 확인할 수 있었다. 초기에는 정상 과 요주의 경계값 정도의 크기였으 나, 최종 측정시에는 약 100 pc 이상의 PD 신호가 발생 되어 위험 수준으로 진전되었음을 확인할 수 있었다. 그림 9 인공결함 예(돌출전극) 5. PD 위험도 판정기준 UHF PD 진단 시스템을 이용하여 가스 개폐기에 대 한 PD 측정을 수행하면 그 출력값은 전자파 측정 단위 인 dbm 형태이기 때문에 정확한 판정을 위해서 이 값 을 실제 겉보기 방전전하량인 pc으로 환산하였다. PD 신호를 IEC 규격을 만족하는 PD 시험기와 UHF PD 측정시스템를 이용하여 동시에 측정하고, 이 두 측 정값의 상관관계를 선형회귀(linear regression)방정식 을 이용하여 분석하였다. 측정결과로부터 겉보기 방전 량 pc과 선정 주파수 대역에서 피크값(dBm)과의 상관 성 비교를 위하여 그림 11과 같이 1차 회귀직선 (regression line)을 통해 관계식을 도출하였다. PD 위험도 판정기준은 겉보기 방전량을 기준으로 약 5 pc이하 발생시는 정상(노란색), pc은 요주의 34 전기의 세계

37 배전용 가스개폐기의 UHF PD 측정시스템 개발 그림 10 돌출전극에 대한 PD 측정결과 (주황색), 100 pc초과 발생시에는 위험(빨간색)으로 설정하였다. 향 후 현장 적용 및 여러 가지 형태의 내부 결함에서 발생되는 PD 신호 에 대한 트랜드(trend) 분석 수행 을 통하여 결함의 형태에 따른 기 준과 요주의 기준을 세분화 한다면 더욱 정확한 위험도 평가 기준 제 시가 가능할 것이라 판단된다. 본 연구에서 개발된 배전급 UHF PD 센서는 실계통 지중선로의 지상개 폐기에 부착하여 2008년 8월부터 2010년 10월까지 효용성 검증과 성능 보완을 할 계획이다. 그림 11 절연물 결함에 대한 UHF PD 측정 데이터 참고문헌 1. 개폐기 건전성 평가 및 진단 기준 제정에 관한 연구, 한 국전력공사, 배전용 개폐기 교체기준 설 정에 관한 연구, 한국전력 공사, GIS 고장예방을 위한 UHF 부분방전 신호해석 기술 연 구, 한국전력공사, 遮 斷 器 の 信 賴 性 および 診 斷 技 術, 日 本 電 氣 學 會 技 術 報 告 제 290 호 5. CIGRE WG TF Partial Discharge Detection System for GIS : Sensitivity Verification for the UHF Method and the Acoustic Method, Electra, 그림 12 pc과 dbm의 관계 2009년 제58권 제2호 35

38 기 획 시 리 즈 GIS용 전자기파 부분방전 진단 시스템 개발 및 적용 동향 김 영 노 / (주)피에스디테크 기술연구소 최영찬/ 현대중공업 기계전기연구소 양 항 준 / (주)효성 중공업연구소 박기준/ 한국전력공사 전력연구원 GIS의 전자기파 부분방전 진단 시스템 개발 현황 전자기파 측정 방법을 이용한 PD진단 시스템은 1990 년대 말 영국 DMS사에 의해 가스절연개폐장치(GIS)에 대해 최초로 상용화되어 적용되기 시작한 이후 국내외 많은 연구자들이 관련 기술의 연구개발을 통해 대표적 인 GIS의 내부결함 진단 방법으로 사용되고 있다. 국내 에서는 전력연구원을 중심으로 1998년부터 관련 연구 개발이 시작되고 2002년부터 연구소와 기업을 중심으 로 GIS용 진단시스템 개발을 추진하여 국내기술로 GIS 용 극초단파(UHF) 부분방전 진단시스템을 상용화 하였 다 [1, 2]. 중소기업과 GIS제작사를 중심으로 국내에서 개발된 예방진단 시스템은 제작사 자체 또는 한전의 변 전소 현장에서 시험을 거쳐 2006년부터 국내의 345 kv 및 765 kv GIS에 적용되기 시작 하였으며 지금은 세계 시장에서 경쟁하고 있다. 국외에서는 GIS용 UHF PD 측 정 장치가 다양한 이름으로 판매되고 있는데 특히 독일 과 영국에서 PD-Guard/UHF (LDIC)[3], PDMG-P/S/R (DMS systems)[4], ICMsystem (Power Diagnostix)[5], PD-Monitoring Expert (Siemens)[6] 등의 상품명으로 수 년 전부터 판매되고 있다. 아울러 일본의 Japan AE Power, Mitsubishi Electric, Toshiba, ABB에서는 자사의 GIS와 함께 전자기파 방식의 진단 시스템을 공급하는 것으로 알려져 있다. 특히, 최근의 초고속 신호처리 기 술과 IT기술의 발전으로 전자기파 부분방전 진단시스템 의 성능은 날로 향상되고 있으며 향후 변전소 자동화에 대응하는 신뢰도 높은 고성능 제품이 계속 선보일 것으 로 예상된다. 우리나라에서 전자기파 부분방전 진단기술은 UHF 대역에서 부분방전을 검출하는 방법이 최근 몇 년 동안 한전과 기업체의 변전소 GIS에 성공적으로 적용되었다. 특히 진단시스템은 운전중인 GIS를 상시 감시하여 내부 의 결함을 사전에 탐지하고 고장을 예방 할 수 있는 대 표적인 GIS진단 기술로 현장에서 활용되어 상당수의 고 장을 예방하였다. 또한 휴대형 진단장비로도 변형 개발 되어 다양한 변전소 현장에서 결함검출과 고장예방에 활용되고 있다. 국내에서 개발되어 판매중인 전자기파 측정 방식의 부분방전 진단 시스템은 신호측정 방식에 따라 크게 협대역 방식과 광대역 방식으로 나눌 수 있는 데 적용되는 GIS의 환경과 주변 조건에 따라 각 방식은 장단점을 갖고 있다. 이러한 진단장치는 변전소 또는 GIS에 고정 설치되어 상시 감시 형태로 구성되는 online 진단 시스템과 휴대형 진단 장치로 상품화 되었으 며 일부 제품은 혁신적인 신기술 개발과 적용으로 신제 품인증(NEP)을 받았거나 IR52장영실상을 수상 하였다 [7, 8]. 개별 시스템에 적용된 센서의 형태와 UHF 신호 처리방식, 신호 분석과 진단 방식은 각 개발사 별로 차 36 전기의 세계

39 GIS용 전자기파 부분방전 진단시스템 개발 및 적용 동향 이가 있으나 내부 결함에 의해 발생되는 부분방전을 UHF 대역의 전자기파 신호를 검출-신호처리 하여 분석 화면에 표시하는 기본기능은 비슷하다. 본 고에서는 국 내에서 개발되어 국내외 현장에 적용되고 있는 대표적 인 GIS 부분방전 진단 시스템의 특성과 적용 현황에 대 해 소개한다. I. 피에스디테크 GIS 부분방전 상태감시 시스템 AMoS - ㄜ피에스디테크 기술연구소 김영노 1. 시스템 개요 AMoS(Advanced Monitoring System)는 GIS 내부 열 화시 발생되는 UHF 대역의 부분방전 전자파 이상신호 를 센서로 검출하여 이상 유무를 실시간으로 감시, 분 석, 경보하는 System으로서 2003년도에 개발에 착수 하 여 2005년 개발을 완료하고 현장시험을 거쳐 다양한 변 전소 현장에 적용되고 있다. 2. 주요 기능과 특장점 (주)피에스디테크의 부분방전진단 상시 진단 시스템 AMoS와 휴대형시스템 PAMoS는 다음과 같은 기능과 특징을 갖고 있다. 1) 높은 신뢰도와 정확성 - 장기간에 걸친 현장 필드테스트 - GIS 부분방전 진단시스템 분야를 선도할 수 있는 최 첨단 솔루션 제공 - 한전 전력연구원(KEPRI) 기술사용 및 공동개발 - NEP 인증 및 국내 특허 취득 2) 효율적인 4단계 노이즈 제거 - GIS 스페이서에 차폐밴드 적용을 통한 노이즈 제거 - 노이즈 센서를 이용한 주변 환경 노이즈 제거 (Gating Method) - 운전 환경을 고려한 3단계 band pass filter(bpf) 적용 - Neural Network Engine을 이용한 노이즈 데이터 분 리기능 3) GIS 내부 UHF 대역 부분방전 신호를 검출하기 위 한 고성능의 센서 적용 - 최소 검출 감도: 내장형 센서: > -15 dbm (2 pc), 외 장형 센서: >-24 dbm (5 pc) 4) 고성능 DAU(Data Acquisition Unit) - 최대 8채널의 부분방전 데이터를 실시간으로 동시 확인이 가능한 real time 알고리즘 적용 - 다양한 분석기법 적용(PRPD/PRPS/2D/3D) 및 장시 간 데이터 저장(최대 10년) - Neural Network Engine을 이용한 부분방전 이상유 무 자동추론 및 결함별 분류 5) 사용자의 편의를 고려한 운영소프트웨어 - 모든 데이터 자동 저장 및 자체 진단기능 보유(통신, H/W. S/W Fault 기록 및 경보신호 송출) - 저장된 데이터의 Trend(일간, 주간, 월간) 분석 및 그림 1-1 On-line 시스템 구성도. 2009년 제58권 제2호 37

40 기 획 시 리 즈 보고서 출력 가능 - 운전 환경을 고려한 채널별 이벤트 발생 기준 조정 가능 6) 시스템 무한확장 및 원격제어 기능 - 설비증설에 따른 시스템의 무제한 확장 가능 및 H/W 및 S/W 오류 자동 복구 시스템 - TCP/IP 통신망을 이용한 원격지 제어 서비스 제공 (Client S/W, Sensor Monitor Consol) 2-1. 시스템 주요 사양 1) Sensor 3) 운영 Software 주요기능 분류 내장형 센서 외장형 센서 노이즈 센서 설치 GIS 점검창 GIS SPACER GIS SPACER 외부 위치 (Open Barrier Type) (Metal-Closed Barrier) 감도 2 pc 이하 5 pc 이하 5 pc 이하 - 대역 0.5 ~ 1.5 GHz 0.5 ~ 1.5 GHz 0.5 ~ 1.5 GHz 0.3~3.0 GHz 출력 > -15dBm > -22 dbm > -24 dbm - Measuring Method Trend, Event, Real-Time Mode Expression Method Time/trend Chart 2D 또는 3D PRPD 및 PRPS 분석 보고서 기능 (일간, 주간, 월간) Analysis Method Neural network엔진 이용 PD 결함별 분석 Real-Time 데이터 저장 및 Trend 패턴 분석 2) On-line 시스템: DAU(Data Acquisition Unit) 및 Main Unit 4) Portable 시스템: PAMos(Portable Advanced Monitoring System) 공급 전원 AC 90 ~ 240V 최소 검출 신호 <-60 dbm (<0.001 μw) 0.5~2 GHz 항목 내용 입력 채널 8Ch/Unit (동시, 연속측정) 입력전원 AC 90 ~ 240V, 50/60Hz 통신 TCP/IP(IEEE802.X)/Optical Fiber 최소검출신호 <-65dBm ( = μW) 프로세서 Dual 600 MHz DSP 과전압보호 Surge Protector 내장 Filter 사용자 선택(3단계) 입력채널 4 Ch./Unit (동시, 연속측정) Gating Multi Channel, 사용자 선택 Filter/Gail 사용자 선택(3단계), 5단계 Gating Multi Channel, 사용자 선택 (a) Main 화면 및 3D 분석화면 (b) 경향분석 화면 (c) 요약 보고서 화면 (d) 주요결함 도움말 화면 그림 1-2 운영 소프트웨어 주요 화면 38 전기의 세계

41 GIS용 전자기파 부분방전 진단시스템 개발 및 적용 동향 3. 국/내외 현장 적용사례 국내의 경우 2004년 보령화력 S/Y를 시작으로 POSCO 광양제철소, 삼성전자(구미), 현대제철 한전 345 kv 곤지암 및 신시흥 변전소 등에 부분방전 진단 시스템 AMoS 가 설치 되었으며 2007 년도에는 휴대형 진단장비 PAMoS 를 한전전력관리처에 공급하였다. 국 외의 경우 2007년도에 중국 베이징파워와 말레이지아 Matrix Power에 PAMoS 수출을 시작으로 2008년도에는 홍콩 전력청(CLP Power)의 Tsz Wan Shan 400 kv 변전 소에 GIS 부분방전 진단시스템 AMoS를 납품함으로써 해외시장 진출의 교두보가 마련되었다. II. 현대중공업 UHF 온라인 진단시스템 HiPDS-G - 현대중공업 기계전기연구소 최영찬 1. HiPDS-G(Hyundai intelligent Preventive Diagnostic System for GIS) 개발 현황 현대중공업에서는 1단계(1999~2005)로 전자기파 부 분방전 측정 방식을 적용한 온라인과 휴대용 GIS 예방 진단시스템 개발 연구를 추진하여 다음과 같은 연구성 과를 얻었다. - 온라인 진단기법 개발 및 적용 - 광대역 부분방전 신호처리 및 평가 그림 2-1 GIS 예방진단시스템 H/W 구성 및 HMI - 부분방전 검출용 내장형/외장형 센서 개발 - 온라인 및 휴대용 DAS, 통신제어장치(CCU) 및 HMI (Human Machine Interface) 개발 - 원격에서도 GIS의 운전상태를 확인할 수 있는 Web Service 또한 2단계(2006~2008)로 개발품의 현장 검증과 알고 리즘 고도화 연구를 추진하여 362kV GIS를 대상으로 현장검증 및 실증시험을 하였으며, 위상 독립형 부분방 전 진단 알고리즘을 개발하여 적용하고 있고 아크접점 성능 및 수명평가기술을 개발하였다. 2. 주요 기능과 특장점 HiPDS-G는 운전중인 GIS의 고장을 사전 방지하는 것 을 목적으로 하는 감시/진단장치로서 상태 진단(CBM: Condition Based Monitoring) 결과에 따른 유지보수로 휴전 및 점검 비용을 최소화 할 수 있고, 실시간(Real Time) 감시진단으로 문제 발생 징후에 대한 신속한 진 단이 가능하며 다음과 같은 기능을 갖고 있다. 1) 실시간 부분방전 감시 - SF6 가스 및 절연물 결함, GIS 열화에 의한 물리적 변이 감시 - 부분방전 실시간 감시에 의한 설비 열화 및 절연파 괴사전차단 2) Time Machine 기능 탑재에 의한 현 장상황재현기능 - 현장 측정 데이터의 고효율 압축에 의 한 장기간 측정데이터 보관 기능 - 측정 시점 회기에 따른 현장 상황 재현 기능 3) 단상형 및 3상 일괄형 GIS 부분방전 진단 알고리즘 - 위상 독립변수 특징량 추출을 통한 부 분방전 진단 알고리즘 구현 - 인공지능(신경망, 유전알고리즘 등)을 이용한 진단 4) 노이즈 처리 기능 - 노이즈 센서 및 BRF(Band Rejection Filter) 적용 - 히스토그램 기법 적용 노이즈 전처리 2009년 제58권 제2호 39

42 기 획 시 리 즈 5) 구동부 건전성 및 가스압력 상태 확인 - 접점의 마모도 및 구동부 부품의 상태를 실시간 감 시하여 사전 차단능력 확보 - SF6의 가스압력/변화율 감시로 소호성능 및 절연성 능평가 6) 피뢰기 누설전류 감시 기능 - 피뢰기 동작횟수 감시, 전누설전류, 제3고조파 누설 전류, 저항성 누설전류 감시를 통한 Metal Oxide 2.1 UHF 센서 주요 사양 Element의 열화 진단 및 누설전류의 월변화율, 연변 화율 감시에 따른 경보 7) 시스템 추가 기능(CB Watcher) - CB Open/Close 상태, SF6 가스압력, 전류 차단 파형 등의 기능 제공 - 각종 이벤트 발생시 Alarm 발생 및 상단 전송 기능 및 휴대용 기능 제공 분 류 내장형 센서 외장형 센서 노이즈 센서 취부위치 GIS 점검창 GIS SPACER GIS SPACER GIS 주변에 거치 (Open Barrier Type) (Metal-Closed Barrier Type) (자석식 고정) 검출감도 < 2pC < 5pC < 5pC (겉보기부분방전량) (겉보기부분방전량) (겉보기부분방전량) - 검출대역 0.5 ~ 1.5 GHz 0.5 ~ 1.5 GHz 0.5 ~ 1.5 GHz 0.3 ~ 3.0 GHz 출력 > -20 dbm > -21 dbm > -26 dbm - 센서사진 2.2 휴대용 예방진단 장치의 주요 사양 항목 사양 진단 주파수 대역 0.5 ~ 1.5 GHz 시간축 Resolution 260 μs (64 sample, 60 Hz) 입력 채널 PD 3채널, Noise 1채널 (PD 4채널 측정 가능) 무게, 크기 18 kg, 450 x 270 x 350mm(W x H x D) - 2D/3D 표현 선택 가능 특징 - PD 라이브러리 추가 기능 - 리포트 기능 제공 (a) Main 화면 (b) 상태 감시 화면 (C) 이벤트 분석 화면 그림 2-2 휴대용 예방진단시스템 주요 HMI 화면 3. 국내외 현장 적용 사례 국내의 경우 2006년 여천 NCC (170kV GIS)를 시작으 로 2007년에는 청주 하이닉스 1공장 (170kV GIS), 2008 년에는 보령 화력발전소 (362kV GIS), 청주 하이닉스 3 공장 (170kV GIS), 현대제철 (170kV GIS) 등의 민수 및 발전회사를 중심으로 예방진단시스템을 설치하고 운영 40 전기의 세계

43 GIS용 전자기파 부분방전 진단시스템 개발 및 적용 동향 중에 있다. 해외 실적으로는 중국 LAXIWA 수력발전소 (800kV GIS), 호주 Liverpool Transmission Substation (145kV GIS)에 설치한 실적을 갖고 있다. 이 외에 휴대 용 진단장비는 카타르(245/145/66kV GIS) 에 수출한 실 적을 보유하고 있다. 이와 같이 현대중공업의 GIS 예방 진단시스템은 높은 기술력을 바탕으로 170kV 급에서 800kV 급까지 적용이 확대되고 있으며, 현재 내수 및 수 출 등의 수주 상담이 활발하게 진행 중이다. III. 효성 ipdm시스템 -(주)효성 중공업연구소 양항준 분방전을 감시하기 위한 장비이며 크게 UHF센서, Local unit과 Main Unit으로 구성되어 있다. 각 구성요소는 통 신망으로 연결되어 사용자에게 실시간으로 정보를 제 공하고 업데이트 된다. 초고압 GIS에 적용한 ipdm 시 스템은 고감도 센서 및 고정도 주파수 분석장비를 적용 하였으며, 현재 배전급에 확대 적용하여 국/내외 변전 소에 납품 중에 있다. 2. 주요 기능과 특장점 효성 ipdm 시스템은 On-line용과 휴대용 장비가 있 으며 각 시스템의 구성 및 특징은 다음과 같다. 1. 시스템 개발 현황 ㄜ효성에서 개발한 ipdm 시스템은 초고압 GIS의 부 그림 3-1 On-line ipdm 시스템 구성 표 3-1 On-line ipdm 시스템: UHF센서 사양 내장형 센서 외장형 센서 주파수대역 500~1500 MHz 500~1500 MHz 최소 감도 0.3 pc 이하 2 pc 이하 Antenna Type Dipole Antenna Dipole Antenna Connector Type N-Type N-Type 취부위치 점검창 내부 스페이서 위 2.1 On-line ipdm 시스템의 구성 및 특징 0.5~1.5 GHz대역의 부분방전 신호를 검출하는 UHF 센서는 다이폴 안테나 타입으 로 내장형과 외장형이 있다. 내장형 센서는 0.3pC의 최소 검출 감도를 가지며, 점검창 내부에 취부되고, 외장형 센 서는 2pC 이하의 최소 검출 감도를 가지며 스페이서 위에 설치된다. Local Unit은 주파 수 분석장치 및 신호처리 장 치를 구비하고 있으며 센서로 부터의 주파수 및 위상 신호 를 분석을 담당한다. 이러한 아날로그 신호는 디지털 신호 로 변환되어 광신호로 전송된 다. Main Unit은 Local Unit으 로부터 전송 받은 신호를 분 석하여 PD 발생유무, 원인진단 및 위치표정을 실시 하며, HMI로 분석된 데이터를 제공한다. 효성의 ipdm 시스템은 Web기반의 부분방전 진단시스템을 포함하고 있으며, 따라서 시간과 장소에 관계없이 Web을 통해 각 변전소의 상태 정보를 확인 할 수 있다. 운영자는 실시간 모니터링을 통하여 각 PD패 턴에 따른 진단 트렌드의 지속적인 관리 및 분석이 가능하며, 나아가 리포트 형태로 출력하여 볼 수 있 도록 사용자 편의를 고려한 기능도 갖추고 있다. 2009년 제58권 제2호 41

44 기 획 시 리 즈 2.2 휴대용 ipdm 시스템 구성 및 특징 Portable ipdm System은 휴대용 정밀계기를 이용하 여 운전중인 변전소의 기 기상태를 정밀 진단하는 시스템으로서 현장에서 휴 대 및 사용이 편리하도록 초경량, 초소형으로 설계, 제작되어 있다. 고정도의 Spectrum Analyzer를 내장 하고 있어 정밀한 측정이 가능하며, 신경망 회로를 이용한 진단시스템을 구비 하여 정확한 부분방전 원 인진단이 가능한 시스템이 다. 별도의 유지보수가 필 요 없는 간단한 구조로 구 성되어 있으며 공간이 협 소하고 사용환경이 가혹한 변전소 현장에서도 효율적 으로 GIS의 부분방전을 측 정하고 정밀 진단할 수 있 다. 주요기능으로는 GIS에 서 발생하는 부분 방전을 측정하여 발생 위치를 측 정 센서와의 거리로 표시 하고 부분방전의 발생원인 (Noise, 휴대폰 Noise, Free Particle, Spacer Crack 및 Void, Floating, Protrusion 등)을 진단하며 각각의 원 인에 대한 위험도를 5단계 로 판정하여 사용자가 부 분방전 이상에 대하여 조 치할 수 있도록 도와 준다. Portable ipdm의 사양과 구성은 다음과 같다. 그림 3-2 설치 운영중인 ㄜ효성의 On-line ipdm System (a) Main 화면 (b) 각 센서별 주파수/위상분석 화면 (c) On-Line ipdm 진단 및 위치표정 화면 (d) On-Line ipdm 이력 화면 그림 3-3 On-Line ipdm시스템 주요 HMI 화면 항목 사양 진단 주파수 범위 500 ~ 1500 MHz 입력 채널 수 3 or 9 채널 (MUX Type) Noise mask Max. 256 영역 Pre Amp. 20 db PD 진단 PD: 7가지, Noise: 2가지 무게 20 kg 이하 외형크기 460 x 330 x 250 mm 그림 3-4 (주)효성의 휴대용 ipdm 시스템 42 전기의 세계

45 GIS용 전자기파 부분방전 진단시스템 개발 및 적용 동향 (a) 각 센서별 주파수/위상분석 화면 (b) Portable ipdm 진단 화면 그림 3-5 휴대용 ipdm시스템 주요 HMI 화면 3. 국내외 현장 적용 사례 국내의 경우 2005년에 ㄜ효성의 울산공장을 시작으 로 당진화력 1차 변전소, 2006년 당진화력 2차 및 고창 시험센터 154 kv 변전소에 부분방전 예방진단 시스템 이 설치되었으며, 2007년에는 신고리 원자력 발전소를 비롯하여 SK 및 포스코등 대단위 민수 분야로 확대 설 치되어 운영 중에 있고 해외 실적으로는 중국을 비롯한 말레이시아(Nuni) 변전소에 적용 실적을 보유하고 있 다. 초고압 전력기기 이외에도 배전급 ipdm 시스템을 개발하여 2008년에 삼성전자를 비롯한 SK정유 및 한전 대구/광양 변전소에 설치 운영되고 있다. 또한 효성 ipdm 시스템은 국내/외 고객으로부터 기술력을 인정받 아 시범운영이 활발하기 진행 중이다. 아울러 ㄜ효성의 울산공장 및 용연공장의 GIS 상태를 ipdm 시스템을 통 하여 원격에서 상시 감시할 수 있는 서비스 시스템 (RMDC:Remote Monitoring Diagnosis Center)을 구축하 였으며, 향후 설비 운영 및 관리 서비스 사업의 추진을 위하여 시스템의 신뢰성 확보를 위한 연구를 진행 중에 있다. 참고문헌 1. GIS 부분방전 검출기술연구 최종보고서, 한국전력 공사 전력연구원, GIS 고장 예방을 위한 UHF 부분방전 상시 감시시 스템 개발 최종보고서, 산업자원부, PD-GUARD_UHF.html hq/en/products_solutions/ 1665_kn html 7. NEP-MOCIE , 가스절연 개폐장치 부분방 전 감시 시스템(PRPS 알고리즘을 적용한 실시간 GIS 부분방전 신호처리장치), (주)피에스디테크, IR52장영실상, GIS 예방진단 시스템(HiPDS-G) (부 분방전 및 구동부 건전성 온라인 감시에 의한 예방 진단 장치), 현대중공업ㄜ, , 년 제58권 제2호 43

46 기 획 시 리 즈 전자파 부분방전 측정장치 KSC3700 규격 해설과 IEC규격동향 김광화/ 한국전기연구원 책임연구원 1. 서 론 국내의 부분방전 측정기술은 1981년 한국전기연구원 의 고전압시험실에 부분방전 측정장치(Robinson ERA type 700)가 도입되면서 기술개발이 시작되었다고 사료 된다. 처음에는 이 기술이 국내 중전기기 제품개발에 적 용되어 중전기기 제품의 품질향상에 크게 기여하였으 며 또한 국내에 부분방전의 기술을 알리고 연구를 유도 하는 계기가 되었다. 이 때 부분방전시험에 적용된 규격 은 IEC270(현재 IEC60270)이었으며, 이 규격에서는 부 분방전의 용어정의와 부분방전 측정장치의 규정, 부분 방전 시험회로 및 부분방전량 교정방법 등이 기술되어 있다. 부분방전 측정 및 분석기술은 전력기기의 결함을 알 수 있는 진단기술로 활용이 가능함으로 운전 중인 전력 기기의 고장의 예방이 가능하지만, 주변 환경의 제약과 잡음으로 부분방전 측정이 어렵기 때문에 IEC60270에 서 시험표준으로 하고 있는 커플링 커패시터형의 부분 방전측정기술의 적용에 많은 제약이 있다. 그래서 전력 기기의 운전 중 부분방전 측정에서 잡음의 영향을 적게 받을 수 있고 환경적인 제약이 적은 전자파 방식이 해외 에서 1980년대부터 연구와 개발이 되기 시작하였으며, 그 중에서도 UHF 방식으로 GIS에서 운전 중에 부분방 전을 측정할 수 있는 기술이 영국의 DMS Co.에서 처음 개발되어 실용화 수준에 이르렀다. 이 제품은 1998년 한국전력의 8개 변전소에 도입되어 운영되기 시작되면서 국내의 관련 연구자, 개발자 및 사 용자들이 관심을 갖게 되었으며, 국내기술로 개발되기 시작하였다. 이 기술이 개발되면서 사용자와 개발자의 양측에 공통적으로 발생된 문제가 개발된 제품을 어떻 게 성능을 평가할 것인가에 대한 것으로 표준적인 방법 의 제정을 사회적으로 요구하였다. 따라서 한국전기연구원에서는 산업자원부 표준화 기 술개발사업의 일환으로 On-line 부분방전 측정기술의 시험평가방법( ~ ) 과제를 수행하여 운 전 중 부분방전의 대표적인 측정장치인 전자파 부분방 전 측정장치의 규격(KSC3700) 과 음향방출 부분방전 측정장치의 규격(KSC3701) 을 제정하였다. 국제적으로는 IEC TC 42 WG 위원회에서 부분방전 측정관련 규격을 관장하고 있으며 IEC60270을 제정하 고 수정하여 국제적으로 사용되고 있다. 현재는 IEC62478을 제정 중에 있는 것으로 파악되고 있다. 본 고에서는 전자파 부분방전 측정장치 규격인 KSC3700을 중심으로 설명하고 IEC 관련 규격인 IEC60270과 IEC62478에 대해서도 동향을 간단히 설명하고자 한다. 2. 전자파 부분방전 측정장치 KSC3700 규격 해설 2007년도에 제정된 KSC3700 규격은 본문과 해설서로 44 전기의 세계

47 전자파 부분방전 측정장치 KSC3700 규격 해설과 IEC규격동향 구성되어 있으며, 본문에서 본 규격의 적용범위를 이 규격은 운전 중인 전력기기의 진단을 위하여 전자파 부 분방전 측정장치의 특성을 평가하는 방법을 작성한 한 국산업규격이다. 라고 서문에 규정되어 있다. 이하에서 는 본 규격을 작성할 때 근거가 된 규격과 자료를 바탕 으로 해설하였다. 가. 규격의 구성요소 본 규격(안)은 서문, 적용범위, 인용규격, 용어의 정 의, 측정방법 및 측정장치, 시험장비, 부분방전 측정장 치의 평가, 부분방전 측정장치의 시험, 교정용 펄스신호 발생기의 시험과 특성유지, 부분방전 데이터 기록과 저 장으로 구성하는 것으로 하였으며, 여기서 중요 항목인 측정방법 및 측정장치, 시험장비, 부분방전 측정장치의 평가, 부분방전 측정장치의 시험, 부분방전 데이터 기 록과 저장에 대해서 구체적인 내용으로 구성하는 것으 로 하였다. - 측정방법 및 측정장치에서는 전자파 센서의 임피던 스, 반사계수, 유효높이, 부분방전량에 대한 감도에 대한 측정방법과 측정장치 그리고 앰프의 증폭율 및 주파수 측정방법에 대해서 기술하는 것으로 하였다. - 시험장비에서는 오실로스코프, 스펙트럼분석기, 광 대역 TEM/GTEM Cell, 교정용 펄스신호발생기에 대 해서 규정하는 것으로 하였다.. - 부분방전 측정장치의 평가는 센서의 주파수 대역평 가절차, 앰프의 주파수 대역 및 증폭율 특성평가절 차에 대해서 설명하는 것으로 하였다.. - 부분방전측정장치의 시험은 센서 및 앰프의 형식시 험, 검수시험에 대해서 규정하는 것으로 하였다. - 부분방전 데이터의 기록과 저장은 부분방전의 데이 터의 형태에 대해서 규정하는 것으로 하였다. 나. 센서의 특성평가 본 규격의 4.2항 과 4.3항 은 부분방전 측정에 사 용될 센서의 특성평가를 위해서 센서의 입력 임피던스 및 반사계수, 유효높이 및 부분방전량에 대한 출력특성 을 측정하는 것으로 하였다. 임피던스 측정법은 안테나 테스트 기준규격인 IEEE Std 를 기본으로 하고 전력기기에서의 설치조 건을 적용하였다. 센서의 출력단자에서 측정하며, 센서 의 설치조건에 영향을 받기 때문에 실제 동작환경이나 그 동작환경이 모의된 곳에 설치하고 측정하여야 한다. 최근에는 전체 네트워크의 산란계수를 측정하는 광대 역 주파수 스윕방식의 회로망분석기시스템을 이용한 다. 이 방식에서 측정되는 값은 일반적으로 입력전압에 대한 출력전압의 비의 값으로 표시되며 전송케이블 50 Ϊ을 기준으로 임피던스가 계산된다. 센서의 이득을 나타낼 수 있는 유효높이의 측정은 측 정하기 위한 표준전자기장 Er을 발생시키고 평가하는 방법에 대해서 IEEE 와, IEEE std c 의 내용의 일부를 적용하였다. 여기서 표준전자기장 발 생 및 평가법은 자유공간 표준 전자계법, 도파관법, 표 준프로브 혹은 전달 표준법 등 세 가지로 분류되며, 대 상주파수대역 및 설치환경에 따라 한 가지를 선택한다. 교정하고자 하는 센서가 교정되는 동안 전자계 발생기 와 전달기는 요구되는 출력을 발생해야 하고 시간에 따 라 변하지 않아야 한다. 또한 본 규격이 전력기기 취부 상태의 센서성능을 검증하는 것이므로, 센서를 설치할 때는 실제 전력기기에 부착하는 방식이 반영되어야 한 다. 그러므로 표준전자계 발생장치의 센서취부는 실 전 력기기의 센서 취부 구조물 (전력기기의 관측창, 커버 등)과 비슷한 형태이어야 한다. 본 규격의 4.4항 은 실 부분방전에서 센서의 감도를 측정하기 위해 일정한 방전량이 발생하는 결함셀을 만 들어 센서의 감도를 측정한다. 측정용 표준 결함셀은 인 가전압의 변화에 대하여 부분방전량이 크게 변하지 않 고 계속적으로 일정한 방전량을 발생할 수 있는 것으로 하며 측정대상이 되는 기기에 직접 설치할 수 있는 구조 이어야 한다. 그리고 이 셀은 실제 사용전압보다 낮은 전압에서 부분방전의 발생이 가능하고 셀 내부의 가스 압력 등과 같은 환경조건은 실제 사용조건과 거의 같게 유지시키도록 하였다. GIS의 경우, 자유이물을 갖는 결 함셀로 하며 가스압은 실제 정격압력의 ±15% 이내로 하고 부분방전량을 5pC의 크기를 발생할 수 있는 구형 의 금속 이물로 하였다. 구 이물의 경우 인가전압의 위 상에 관계없이 일정한 부분방전을 발생시키며, 구이물 의 크기 변화로 방전량의 조정이 가능한 것으로 알려져 있다. 2009년 제58권 제2호 45