2.1 시험 구성

변압기 부분방전 신호의 전기적 특성 분석을 위해 전류 측정 표준인 IEC-60270과 전자기파 부분방전 측정 표준인 IEC-62478을 참조하여 그림 1과 같이 실험을 설계하였다^[8-9]. 구성은 다음과 같다. 최대 50kV 전압 인가가 가능한 내전압 시험기, 커플링 커패시터 및 PD Detector, 스펙트럼 분석기, PD 발생여부 감시를 위한 제어용 컴퓨터, 아크릴 재질의 절연유 챔버 및 복합 결함 셀, 변압기 부분방전 신호 취득용 UHF 센서로 구성된다.

그림. 1. 변압기 부분방전 시험 전체 구성

Fig. 1. Test configuration for power transformer partial discharge

그림. 2. 다중 모의결함 셀 구조

Fig. 2. Test jig for artificial defects of transformers

변압기 결함 모의를 위한 부분방전 셀은 그림 2과 같이 구성되어 있다. 절연지에서 발생하는 공극 방전, 절연지 혹은 프레스보드와 오일 계면 사이에서 발생하는 계면 방전, 돌출전극에 의한 방전, 금속입자에 의한 방전, 부유전극에 의한 방전 및 권선간 방전으로 6종의 부분방전 신호 모의가 가능하게 설계하였으며 필요에 따라 복합적인 부분방전 신호 모의도 가능하게 설계하였다. 실제 옥내 변전소 내부 변압기 설치 환경을 상정하여 차폐실이 아닌 실험실 내부의 개방된 공간에 시험 챔버를 설치하였으며, 변압기 감시창과 동일한 재질의 아크릴 챔버 외부를 금속성 차폐 테이프로 덮어 내부에서 발생하는 부분방전 신호가 외부 공간으로 전파되지 않게 하였다.

그림. 3. GTEM-Cell을 활용한 센서 감도 측정

Fig. 3. Sensitivity measurement utilizing GTEM cells

그림. 4. 본 연구에서 활용된 UHF 센서의 반사손실 특성

Fig. 4. Reflection loss of UHF sensor in this study

부분방전 신호 취득용 센서로는 노이즈 센서로도 활용되는 광대역 UHF 센서를 사용하였다. 광대역 센서를 적용함에 따라 다양한 주파수 대역에서의 신호 취득이 가능해진다. 본 연구에서 활용된 센서의 반사 손실 특성은 그림 3의 전자파 무반사 챔버인 G-TEM Cell과 네트워크 아날라이저를 활용하여 하여 측정하였으며, 측정 결과는 그림 4와 같다. 680MHz와 1,340MHz의 주파수 대역에서 두 개의 공진점을 가지며, 520 MHz ~ 1,800 MHz 의 주파수 대역에서는 최소 –5dB 이하의 반사손실 특성을 가져, 국내 변압기 규격에서 명시하고 있는 300MHz~1,800MHz 대역에서의 변압기 부분방전 신호 취득을 원활하게 수행할 수 있음을 확인하였다.

그림. 5. 변압기 부분방전 시험 전경

Fig. 5.Complete view of transformer PD test

센서 취부는 변압기 감시창에 센서를 적용하는 것과 유사한 방식으로 아크릴 챔버에 밀착시켜 고정시킨 후, 차폐 테이프를 활용하여 내부에서 발생하는 신호가 센서를 제외한 외부 공간으로 전파되지 않게 구성하였다. 시험 전경은 그림 5와 같다.

2.2 시험 절차

설계된 변압기 부분방전 신호 취득 및 분석을 위한 시험 절차는 다음과 같다. AC 내전압 시험기를 활용하여 결함에 전압을 인가하여 부분방전 신호가 최초로 발생하며 지속되는 지점의 전압을 방전 개시전압으로 정의하였다. 이후 각 결함별 방전 개시전압에서의 주파수 스펙트럼을 측정하였으며, 5분간 데이터 취득을 수행하여 결과를 안정화시켰다. 방전신호 주파수 측정 대역은 200MHz ~ 2,200MHz 대역으로 설정하여 기존 측정 주파수 대역 대비 광대역으로 측정하였다.

스펙트럼 측정 후, 각 결함별로 방전 개시전압의 10%값으로 지속적으로 전압을 상승시켜 절연파괴 발생 직전까지 전압 별 스펙트럼을 기록하여 변압기 내부 결함의 전기적 열화에 따른 방전 스펙트럼의 분석을 수행하였다. 추가적으로, PD detector를 활용하여 결함 별로 PRPD 패턴 데이터를 취득하여 주파수 특성 이외의 변압기 결함의 전기적 열화에 따른 방전 특성의 변화를 분석하였다.

3.1 절연지 사이 공극 결함 부분방전 특성

그림 7은 방전 개시전압부터 절연파괴 직전까지의 절연지 공극 사이 결함에서의 부분방전 신호의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 인가전압이 방전 개시전압에 도달할 경우, 200MHz~350MHz, 750MHz~920MHz 대역에서 초기 노이즈와 구분되는 –70dBm 이상의 방전 신호가 검출되었다. 인가전압을 상승함에 따라 방전 신호가 검출되는 대역은 넓어졌으며, 방전 개시전압의 1.5배에서 1,000MHz~1,300MHz 대역에서 –70dBm을 초과하는 추가적인 방전 신호가 검출되었으며, 절연 방전 개시전압의 2배 이상의 경우에도 상기 세 대역에서의 방전 신호의 세기가 가장 크게 분포하였다.

그림. 7. 본 연구에서 활용된 UHF 센서의 반사손실 특성

Fig. 7. Reflection loss of UHF sensor in this study

3.2 절연지-절연유 계면에서의 부분방전 특성

그림 8는 절연지와 절연유 계면에서의 부분방전 신호의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 방전 개시전압 도달 시, 200MHz~350MHz 대역과 420MHz~625MHz 대역에서 –70dBm 이상의 초기 부분방전 신호가 검출되었다. 인가전압이 방전개시전압의 1.3배에 도달할 경우, 1,000MHz 이하 대역에서의 부분방전 신호의 세기가 전반적으로 증가함을 확인하였으며 700MHz~1,000MHz 대역에서 추가적으로 부분방전 신호가 검출되었다. 이후 방전개시전압의 1.6배 이상의 전압이 인가될 경우 거의 모든 주파수 대역에서 방전신호가 검출되었으며 직후 절연파괴가 발생하였다.

그림. 8. 본 연구에서 활용된 UHF 센서의 반사손실 특성

Fig. 8. Reflection loss of UHF sensor in this study

3.3 절연유 내부 미소 금속입자에 의한 부분방전 특성

그림 9은 절연유 내부에 미소 금속입자가 존재할 경우의 부분방전 신호 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 방전 개시전압에서 전극 사이에 인가되는 전자기력에 의해 미소 입자는 움직이기 시작하였으며, 200MHz~400MHz 대역에서 초기 부분방전 신호가 검출되었다. 방전개시전압의 1.3배에 도달할 경우 700MHz~1,000MHz, 1.5GHz~1.75GHz대역에서 추가적인 부분 방전 신호가 검출되었으며, 전압을 1.6배까지 증가시킬 경우 거의 모든 대역에서 부분방전 신호가 검출되었다.

그림. 9. 본 연구에서 활용된 UHF 센서의 반사손실 특성

Fig. 9. Reflection loss of UHF sensor in this study

3.4 변압기 내부 돌출 전극에 의한 부분방전 특성

그림 10은 변압기 내부 돌출전극에 의한 부분방전 신호의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 타 결함에 의한 부분방전과 다르게, 방전개시전압과 절연파괴 전압이 비슷하여 기존과 같이 10% 정도의 전압 상승이 아닌, 1% 단위로 전압을 가변하여 부분방전 스펙트럼의 변화를 분석하였다. 또한 강한 세기의 부분방전 신호가 산발적으로 발생하였으며, 전 주파수 대역에 걸쳐 무작위적으로 발생하였기 때문에 부분방전 신호가 특징적으로 검출되는 주파수 선정이 불가능하였다.

그림. 10. 본 연구에서 활용된 UHF 센서의 반사손실 특성

Fig. 10. Reflection loss of UHF sensor in this study

3.5 절연유 내 부유 도체에 의한 부분방전 특성

그림 11는 절연유 내 부유 도체에 의한 부분방전 신호의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 부유전극에 의한 방전의 경우 부분방전 발생 직전까지 부유전극에 많은 전하가 저장되어 방전 개시전압에서 방전되는 특징이 있기 때문에, 측정된 부분방전 스펙트럼은 전 주파수 대역에서 –50dB 이상의 매우 강한 세기를 갖는 신호 특성을 나타내었다.

그림. 11. 본 연구에서 활용된 UHF 센서의 반사손실 특성

Fig. 11. Reflection loss of UHF sensor in this study

3.6 스펙트럼 분석 결과를 활용한 센서 설계방안 제시

실험 및 분석 결과를 활용하여 변압기 내부 모의 결함에서의 초기 부분방전 신호가 특징적으로 검출된 주파수 대역을 정리하였으며, 그 결과를 표 1과 그림 12에 정리하여 나타내었다. 결과로부터, 각 결함별로 초기 부분방전 신호가 특징적으로 검출되는 주파수 대역이 존재함을 확인하였다. 따라서 센서 설계 시, 각각의 결함을 공통적으로 검출할 수 있는 주파수 대역인 300MHz ~ 400MHz, 650Mhz ~ 900MHz, 1,500MHz 대역에 반사 손실을 극대화할 수 있는 Triple-band 구조로 공진점을 설치할 경우, 6종의 결함 신호 취득에 최적화된 센서 설계가 가능할 것이다. 그러나 상기한 센서 설계 방식은 변압기 외함, 내부 권선 및 탭체인저 설치 여부에 따라 주파수 스펙트럼의 변화가 존재할 수 있기 때문에 추가적인 연구를 수행하여 보정 계수의 도입을 통한 일반화가 필요할 것으로 사료된다.

그림. 12. 결함 별 초기 부분방전 신호 검출 주파수 대역

Fig. 12. The frequency bands of various defect where the PD signal was initially measured