SF6 바닥 탱크 회로 차단기의 부분 방전 검출 기술 및 분석 방법에 대한 연구

바닥 설치형 탱크 회로 차단기는 변전소와 전력 시스템에서 중요한 제어 및 보호 장치입니다. 주로 선로의 정상 부하 전류를 중단하고 닫으며 운용하며 시스템 고장 시 단락 전류를 차단하는 데 사용됩니다. 절연 부싱, 부싱형 전류 변환기, 소멸실, 작동 기구, 접지 케이싱 등과 같은 구성 요소로 이루어져 있으며 바닥 설치형 탱크 회로 차단기의 소멸실은 접지된 금속 케이싱 내에 수납되어 있습니다.

SF₆는 탱크형 회로 차단기의 절연 및 아크 소멸 매체 역할을 합니다. 균일한 전기장에서 그 절연 강도는 공기의 약 3배이고 아크 소멸 능력은 공기의 약 100배입니다. 이로 인해 SF₆ 회로 차단기는 구조가 컴팩트하고 차지 면적이 작습니다. 또한 바닥 설치형 탱크 회로 차단기는 설비의 중심이 낮아 안정적인 구조, 우수한 내진성능, 내장형 전류 변환기, 강한 오염 저항력, 편리한 유지보수 등의 장점을 제공합니다.

그러나 탱크형 회로 차단기의 제조, 조립, 운송, 운전 과정에서 가공 불량, 충돌, 충격, 스위칭 작업 등의 요인으로 절연 결함이 발생할 수 있습니다. 대표적인 절연 결함에는 도체 또는 케이싱 상의 돌출된 금속 물체, 부유 전극, 자유 금속 입자 등이 포함됩니다. 절연 결함 부분에서 집중된 전기장 강도가 시험 전압이나 정격 전압 하에서의 파괴 전기장 강도에 도달하면 국부 방전(PD)이 발생합니다. 국부 방전은 회로 차단기의 절연 열화의 주요 원인이며 절연 실패의 전조입니다. 따라서 국부 방전 신호의 온라인 모니터링은 고장 발생 전에 절연 결함을 감지하여 바닥 설치형 탱크 회로 차단기와 전력 시스템의 안전하고 안정적인 운전을 보장하는 중요한 수단입니다.

방전 과정에서 생성되는 물리적 신호를 기반으로 회로 차단기의 주요 국부 방전 검출 방법은 펄스 전류법, 초음파법(AE), 일시적 대지 전압법(TEV), 초고주파법(UHF) [2-3] 등이 있습니다. 본 논문은 실험 및 현장 경험을 결합하여 SF₆ 바닥 설치형 탱크 회로 차단기의 다양한 국부 방전 검출 및 분석 기술을 검토하고 각 방법의 특성을 요약합니다.

펄스 전류법

국부 방전이 발생하면 전하의 움직임으로 인해 펄스 전류가 생성되며, 이를 시험 회로에 연결된 커플링 장치나 전류 센서로 검출할 수 있습니다. 펄스 전류법은 IEC 60270 및 관련 표준에서 국부 방전의 정량적 측정을 위한 유일한 방법으로 지정되어 있습니다. 다른 방법들은 주로 국부 방전의 검출이나 위치 파악에 사용됩니다. 펄스 전류법은 민감도가 높지만 현장의 전자기 간섭에 매우 취약하므로, 검출된 신호에서 미세한 방전 신호를 추출해야 합니다. 국부 방전의 크기를 나타내는 물리량은 표면 전하 q로, 다음 공식을 통해 얻을 수 있습니다.

공식에서 i(t )는 국부 방전의 펄스 전류, Um(t)는 펄스 전압, Rm은 검출 임피던스 값, q는 표면 전하로, 단위는 pC(피코쿨롬)입니다.

전류 센서를 기반으로 한 펄스 전류법은 온라인 국부 방전 검출에 적합합니다. 고주파 전류 센서는 일반적으로 16 kHz에서 30 MHz 사이의 주파수 범위에서 작동하며 클램프형 구조로 설계되어 바닥 설치형 탱크 회로 차단기의 접지 단에 쉽게 설치할 수 있습니다.

초음파법

국부 방전은 강한 분자 충돌을 일으켜 초음파를 생성하며, 이는 회로 차단기 내에서 전파됩니다. 회로 차단기 케이싱에 설치된 초음파 센서는 국부 방전 신호를 감지할 수 있습니다. 초음파 센서 내부의 압전 요소는 국부 방전으로 생성된 초음파 신호를 전압 신호로 변환하여 검출 회로로 전송합니다. 초음파법의 검출 회로는 주로 디커플러(전원 신호와 초음파 신호를 분리하기 위해 사용), 신호 증폭기, 필터로 구성됩니다.

바닥 설치형 탱크 회로 차단기 내의 국부 방전에서 발생하는 초음파의 시간 영역 및 주파수 영역 신호는 도 2에 표시되어 있으며, 주파수 범위는 주로 50 kHz부터 250 kHz 사이에 분포합니다. 초음파법은 비용이 낮고 설치가 쉽고 전자기 간섭에 강하며 국부 방전 위치 파악에 적합한 장점이 있습니다. 그러나 회로 차단기의 내부 절연 구조가 복잡하고 초음파가 SF₆ 가스 내에서 느리게 전파되고 크게 감쇠되기 때문에 최적의 검출 위치를 식별해야 합니다.

초고주파(UHF)법

국부 방전으로 생성된 전류 펄스의 상승 시간과 지속 시간은 나노초 단위로, 이는 300 MHz에서 3 GHz 사이의 초고주파대의 동등한 주파수를 가지는 전자파를 자극합니다. 현재 대부분의 UHF 센서의 검출 주파수 범위는 300 MHz에서 1.5 GHz입니다. 신호가 약하고 고주파이기 때문에 UHF법은 입력 신호를 필터 회로, 증폭 회로, 통합 회로를 통해 조건화한 후 데이터 수집 카드로 전송하여 후속 분석을 수행합니다.

또한 UHF법을 사용할 때는 소프트웨어와 하드웨어 측면에서 통신 신호와 조명 전원 신호와 같은 노이즈를 제거해야 합니다. UHF법은 민감도가 높고 간섭 저항력이 강하며 국부 방전 위치 파악에 적합합니다. 부유 전위에서 발생하는 UHF 신호의 위상 해상도 국부 방전(PRPD) 패턴은 도 3에 표시되어 있으며, 이는 방전 진폭, 위상, 발생 횟수에 대한 정보를 포함하고 있습니다.

일시적 대지 전압(TEV)법

국부 방전으로 생성된 전자파가 바닥 설치형 탱크 회로 차단기의 금속 케이싱까지 전파되면 케이싱 표면에 유도 전류가 발생하여 접지체의 파동 임피던스에 일시적 대지 전압이 발생합니다. TEV 센서의 작동 원리는 전압 분배기와 동등하다고 할 수 있습니다. 센서 전극과 절연층 사이의 등가 커패시터를 통해 발생하는 전압을 검출하여 국부 방전의 발생 여부를 판단합니다. SF₆ 회로 차단기 내의 국부 방전의 일시적 대지 전압 신호는 도 4에 표시되어 있으며, 주파수 범위는 주로 1 MHz부터 100 MHz 사이입니다. TEV법은 사용이 쉽고 추가적인 검출 회로가 필요하지 않은 특징이 있습니다.

국부 방전 분석 방법

국부 방전 분석 방법은 방전의 위험 수준을 평가하고 신호를 노이즈 제거하며 방전 특성을 추출하여 고장 유형을 분류하는 데 사용됩니다. 이러한 방법에는 펄스 파형법, 위상 해상도 국부 방전(PRPD) 패턴법, 3상 진폭 관계 패턴법, 시간-주파수 패턴법, 시간 기반 통계적 특성법 등이 포함됩니다.

펄스 파형법은 상승 시간, 하강 시간, 펄스 폭, 첨도, 왜도 등의 매개변수를 기반으로 단일 방전 파형을 분석합니다. PRPD 패턴법은 교류 전력 주파수 전압 하에서 국부 방전 신호를 누적하여 방전의 위상, 진폭, 발생 횟수 분포 특성을 얻습니다. 따라서 이 방법은 \(\varphi -q -n\) 패턴법이라고도 합니다. 3상 진폭 관계 패턴법은 3상 교류 전압 하에서 국부 방전을 분석하는 데 사용됩니다.

이 방법은 서로 다른 위상 전압 하에서 일관된 방전 신호의 방전 진폭을 수집하여 방전 분포 특성을 얻습니다. 시간-주파수 패턴법은 방전 펄스를 수집하고 그 등가 시간과 등가 주파수를 계산하여 등가 시간-등가 주파수 영역에서 방전 분포 패턴을 작성합니다. 시간 기반 통계적 특성법은 고압 직류 하에서 국부 방전을 분석하는 데 적합합니다. 이 방법은 방전량의 크기와 방전 펄스 사이의 시간 차이를 기반으로 방전 분포 특성을 통계적으로 분석합니다.

SF₆ 바닥 설치형 탱크 회로 차단기 내의 국부 방전 위치 파악을 위해 절대 시간 차이법이나 상대 시간 차이법을 사용할 수 있습니다. 절대 시간 차이법은 방전 전류 펄스 신호나 초고주파(UHF) 신호를 방전 시작 시간으로 사용합니다. 초음파 신호와 방전 시작 신호 사이의 시간 차이를 계산하여 방전 원천을 위치시킵니다. 상대 시간 차이법은 회로 차단기 탱크의 여러 위치에 설치된 여러 초음파 센서만을 사용합니다. 각 초음파 신호와 참조 초음파 신호 사이의 시간 차이를 계산하여 절연 결함의 위치를 결정합니다.

결론

온라인 국부 방전 모니터링은 고장 발생 전에 SF₆ 바닥 설치형 탱크 회로 차단기의 절연 성능을 효과적으로 평가할 수 있으며, 안전하고 안정적인 운전을 보장하는 중요한 수단 중 하나입니다. 본 논문은 실험 및 현장 경험을 결합하여 바닥 설치형 탱크 회로 차단기의 국부 방전 검출 및 분석 방법을 검토하였습니다.

현장 적용 시 여러 검출 수단과 분석 방법을 사용하여 온라인 모니터링의 정확성과 신뢰성을 향상시켜야 합니다. 또한 무선 무동력 센싱, 저전력 무선 통신 네트워크, 엣지 컴퓨팅, 빅데이터 등과 같은 핵심 기술을 구현하여 바닥 설치형 탱크 회로 차단기의 국부 방전 검출의 미래 발전 방향을 제시합니다.