10kV GIS 캐비닛의 서지 방전기 실시간 모니터링: 철도 전력 시스템 안전성 향상

1 연구 배경

금속-산화물 방전관은 캐비닛에 밀봉되어 시스템 전압을 지속적으로 견디며, 노후화로 인한 고장 또는 폭발로 인해 전기 화재가 발생할 위험이 있습니다. 따라서 정기적인 점검 및 유지보수가 필요합니다. 전통적인 3~5년 주기의 검사(전력 차단, 방전관 제거 후 테스트; 교체 시 재설치)는 안전 위험을 초래하고 공간/환경 기준을 파악하는 데 어려움이 있습니다.

2 10kV GIS 캐비닛 방전관 모니터링 원리

고속 철도의 안전을 보장하고 10kV GIS 캐비닛 방전관 상태를 실시간으로 모니터링하여 수명을 판단하고 적시에 교체하기 위해 모니터링 시스템 개발이 필수적입니다.

정상적인 GIS 캐비닛 작동 중에는 방전관이 높은 임피던스를 나타내지만, 접지 장애 발생 시 에너지를 방출한 후 빠르게 높은 임피던스로 복원하여 접지 전류를 차단합니다. 일반적으로 누설 전류(수십 mA, 저항성 성분 약 10mA)는 매우 작습니다. 노후화나 습기 손상으로 저항성 누설 전류가 증가하지만, 작은 문제는 명확한 증가를 나타내지 않아 위험을 조기에 감지하는 데 어려움이 있어 철도 안전을 위협합니다. 따라서 저항성 전류 분석과 방법(보상, 전체 누설 전류, 3차 고조파)이 필요합니다.

안전성을 높이기 위해 누설 전류 모니터링 종합 장치(원리는 그림 1 참조)를 설계했습니다. 이 장치는 여러 개의 방전관을 온라인으로 모니터링하여 누설 전류와 같은 매개변수를 추적합니다. 전원이 켜지면 초기화되고, 센서를 순환하면서 오류를 즉시 처리하고 5G를 통해 서버로 데이터를 업로드하여 원격 모니터링이 가능합니다.

3 10kV 변전소의 GIS 캐비닛 방전관 모니터링 시스템 구현

모니터링 원리를 바탕으로 시스템을 설계 및 구현하였습니다. 각 온라인 방전관 모니터링 하위 시스템은 내부 변전소 시스템으로 데이터를 전송합니다. 방전관 동작 횟수, 누설 전류, 동작 타임스탬프(초 단위), 동작 중 최대 방전 전류 등의 매개변수를 수집할 수 있습니다.

방전관은 통과형 영플럭스 누설 전류 센서를 사용하여 전체 전류 신호를 획득합니다. 이러한 신호는 빠른 푸리에 변환(FFT) 알고리즘을 통해 처리되며, 이는 계산 복잡성을 줄이고 푸리에 변환 및 역변환을 빠르게 계산할 수 있게 해줍니다. FFT는 전력 시스템에서 필수적인 수학 도구입니다. FFT는 전류 신호를 분해하여 고조파 구성 요소를 식별하고 주파수 기반 고조파를 분석합니다.

10kV 변전소의 GIS는 3차 고조파 오염이 심각하여 시스템 손실을 증가시키고 부하를 높이며 방전관 모니터링을 방해하여 철도 전력 시스템의 안전성과 안정성을 위협합니다. 따라서 시스템은 3차 고조파 방법을 채택하여 FFT를 통해 분해된 "3차 고조파" 데이터(50Hz 기본 주파수의 세 배)를 분석합니다. 통합 모니터링 장치는 RS485 인터페이스를 통해 방전관 센서에 연결되어 최대 32개의 스위치 기어 방전관에서 데이터를 수집할 수 있습니다.

3.1 데이터 전송 및 스마트 분석

통합 모니터링 장치는 5G 통신 모듈을 사용하여 검출 데이터를 클라우드 플랫폼으로 빠르게 전송합니다. 플랫폼은 방전관 작동 상태를 분석하고 이상 징후에 대해 알람을 트리거하며 주기적으로 데이터를 업로드합니다. 자동화된 데이터 분석은 예를 들어 적시에 방전관 교체나 수명 예측과 같은 권장 사항을 생성합니다. 수집 시스템은 예약된 데이터 업로드와 이상 상황에서의 활성 업로드(그림 2 참조)를 지원합니다.

3.2 시스템 운영 및 관리

구현 후, 장치는 총 전류, 3차 고조파, 동작 데이터를 처리하여 총 전류, 저항성 전류, 동작 정보를 계산하고 5G를 통해 클라우드로 전송합니다. 클라우드 플랫폼은 방전관 수명 곡선과 동작 알람을 표시하여 실시간 수명 및 동작 모니터링이 가능합니다. 변전소 백엔드 소프트웨어는 모든 검출 데이터를 저장하고 일일 업로드 빈도와 시간을 설정할 수 있습니다. 누설 전류가 기준치의 10%를 초과하면 시스템이 알람을 트리거합니다.

주요 기술 매개변수는 표 1과 같이 설정됩니다. 모니터링 시스템은 설치 및 운영되며, 장비 유지보수 일정에 맞춰 디버깅이 이루어집니다. 이를 통해 방전관 수명 관리, 실시간 모니터링, 유지보수 효율성 향상을 달성하여 전력 시스템 관리 기준을 높였습니다.

4 결론

10kV 변전소의 GIS 캐비닛 방전관의 작동 상태를 실시간으로 모니터링하는 시스템은 5G 무선 전송을 통해 수집된 데이터를 백엔드 모니터링 시스템으로 전송합니다. 동시에 백엔드 모니터링 시스템에서는 방전관 수명 변화 곡선과 방전관 동작 알람을 생성하여 방전관 수명 상태와 동작 상태를 실시간으로 파악할 수 있습니다.

이 시스템의 설계 및 구현은 10kV 변전소의 GIS 캐비닛 방전관의 작동 모니터링 정확도를 향상시키고 유지보수 비용을 줄이며 대형 사고를 예방합니다. 또한 고속 철도의 운행을 위한 전력 안전성을 향상시킵니다.