2.2.1 방전 실험장치 구성

본 연구를 위하여 부분방전을 만들어내는 실험장치와 부분방전을 인식하고 물리적 신호를 분석하는 실험장치가 필요하다. 먼저 부분방전을 만들어내기 위하여 국내에서 사용하고 있는 AC고전압과 같은 전압과 위상이 필요하다. 이를 위하여 그림 1과 같은 실험장치를 만들어 사용하였다. 실험의 정확성을 위하여 기존에 사용하는 방전장치인 DC 고전압 방전이나 Tesla Coil과 같이 주파수 변형을 일으키는 장비는 사용하지 않았으며 우리가 사용하고자 하는 상용주파수(60 Hz)를 하는 실험 장비를 제작하여 실험을 진행하였다.

그림 1 고전압 방전 실험장치의 외관

Fig. 1 High Voltage Discharge Experimental Apparatus

부분방전은 절연체가 자신의 절연성을 잃어 전류를 흘리는 현상으로 절연이 파괴되는 조건에 전압뿐 만 아니라 주파수의 영향이 크기 때문에 본 장비를 통하여 상용전압인 220 V를 사용하여 전압만을 상승시켜 주파수 변동 없이 방전하는 것이 특징이다.

또한, 그림 2에서 보는 바와 같이 본 실험 장치에 슬라이닥스를 이용하여 전압을 조정하고, 조정 전압을 알 수 있도록 디스플레이를 통해 표시했으며, 대전류가 흐르지 않도록 고전압용 저항을 사용하였다. 또한 누설변압기를 이용하여 누설 리액턴스를 크게 증가시켜 부하 임피던스의 변동에도 일정한 2차 전류가 흐르도록 하여 내구성 및 안전성을 도모하였다.

그림 2 AC방전기의 구성도

Fig. 2 Configuration diagram of AC discharger

2.2.2 초음파 센서를 통한 신호 수집 장치 구성

초음파 신호 수집 장치 구성 중 가장 중요한 초음파 센서의 스펙은 표 1과 같다. 일반적으로 초음파는 20kHz 이상을 의미하지만 본 실험에 사용한 센서는 40 kHz 이상 신호를 감지하는 센서를 사용하여 생활 잡음으로 인한 Noise의 영향을 최소화하였다.

본 연구에서는 일반적으로 부분방전에 널리 사용하고 있는 UHF(ultra-high frequency) 극초단파 센서가 아닌 초음파 센서를 사용한 이유는 UHF 신호를 검출하는 것이 신호 민감도는 유리하지만 사고지점을 파악할 수 있는 지향성에서는 초음파 신호를 활용하는 것이 유리하기 때문이다. 즉, 개방된 공간에서 사고지점을 찾는 부분에 있어서는 초음파 센서를 이용한 방법이 유리하다고 볼 수 있기 때문이다.

그림 3에서와 같이 초음파 센서는 지향성 및 신호 증폭을 위하여 플라스틱 재질의 혼(horn)을 이용하였고 Lan 통신을 이용하여 PD Analysis프로그램과 연동하여 분석하였다.

그림 3 초음파 신호 수집 장치 구성도

Fig. 3 Configuration diagram of ultrasonic signal acquisition device

2.2.3 실험실 내부의 노이즈 측정

실험실 내부의 노이즈를 측정하기 위하여 AC방전기를 켜지 않은 상태에서 노이즈를 측정하였으며 기본 노이즈의 PRPS, PRPD 패턴은 그림 4와 같다 노이즈는 PRPD 분포에서 보는 바와 같이 상용주파수 60 Hz와 무관하게 일정한 패턴을 보이고 있으므로 실험실의 노이즈가 실험에 큰 영향이 없음을 알 수 있다.

그림 4 실험실 내부 노이즈에 대한 PRPD, PRPS측정

Fig. 4 PRPD, PRPS measurement for laboratory noise

2.2.4 기중 절연파괴 PD 시험

본 연구에서 사용한 AC지속 방전장치의 전압을 18 kV로 일정하게 유지하고 방전 탭의 극간 간격을 5mm로 고정시켜 실험하였으며 전체적인 실험방법은 IEC 60270을 참고하였다.

방전 탭과 초음파 센서간의 측정거리는 2.5m를 유지하여 실험 하였다.

그림 5 기중 전연파괴 코로나 방전 측정

Fig. 5 Insulation breakdown corona discharge measurement in air

기중 절연파괴에서 나타나는 코로나는 부분방전에 있어서는 대표적이고 가장 검출하기 쉬운 패턴을 가지고 있으며 PRPD분석에 있어 표본이 되는 지표로 활용 할 수 있다.

그림 6 기중 절연파괴 코로나 PRPS, PRPD

Fig. 6 Insulation breakdown corona in air PRPS, PRPD

그림 6은 그림 5와 같이 기중 절연파괴 상태에서 PRPS, PRPD를 나타내며 PRPD화면은 10초간 적산하였으며 1초당 60번 총600회 적산하였으며 샘플링은 초당 7680회 샘플링 하였다.

2.2.5 XLPE 절연물이 있는 상태에서의 PD패턴

현재 22.9 kV 계통에서 가장 많이 사용하고 있는 케이블은 CNCV 계열로 이 케이블의 주 절연재는 XLPE이며 케이블의 말단부 이외의 부분방전에서는 XLPE의 상태가 부분방전에 가장 큰 영향을 미친다. XLPE의 절연파괴는 물리적인 소손 이외에도 트리에 의한 소손과 화학적 변화에 의한 소손 등이 있을 수 있다.

본 실험에서는 그림 7과 같이 물리적 소손이 있는 CNCV 케이블에 전압을 가압하여 실험하였으며 방전전압은 기중과 동일하게 18 kV로 일정하게 유지시켜 실험 하였다.

그림 7 시험에 사용한 물리적 결함이 있는 CNCV케이블

Fig. 7 CNCV cable used for testing

그림 8 XLPE 물리적 파괴로 인한 방전 PRPS, PRPD

Fig. 8 Discharge due to XLPE physical destruction PRPS, PRPD

2.3.1 실험실 내부 노이즈 분석

그림 9는 PD Analysis 소프트웨어에서 실험실 내부노이즈 데이터를 CSV 파일로 변환하여 Excel 프로그램으로 가공하여 각 주파수별 노이즈의 패턴을 분석하였으며 세로축은 방전의 세기를 가로축은 시간 축으로 60 Hz 한주기의 360º위상을 128개로 나누어 약 2.8º당 평균 방전횟수는 576.34회 최댓값 600회 최솟값 555회 표준편차 8.4로 평균대비 약1.45% 편차로 일정하게 나타났다. PD Analysis 프로그램에서의 노이즈 강도 단위는 dBm으로 나타내지만, 상기 수치는 측정 횟수를 적용하여 노이즈에는 60 Hz에 대한 주기성이 없는 것으로 판단 할 수 있다.

그림 9 노이즈 PRPD의 Excel가공 데이터

Fig. 9 Excel Processing Data for Noise PRPD

2.3.2 기중 코로나 방전 시 중심 위상 측정

그림 5와 같이 방전극 사이에 공기만이 존재하는 자연방전에서 PD(부분방전)을 측정하고 PD Analysis 소프트웨어에서 얻어진 CSV 데이터를 바탕으로 Excel 프로그램으로 가공하여 기중방전 코로나의 중심위상을 산출했다. 본 연구에서 중심위상이란 일반적인 sin 파형에서 전압이 가장 높은 90º를 의미하며 방전 분포가 가장 활발하게 일어나는 군집의 중심위상을 말한다. 즉 교류파형에서 전압이 가장 높은 위상(90º)에서 방전이 가장 많이 일어난다고 가정하고 이 중심이 방전기의 유도성 리액턴스(Inductive Reactance)에 의한 위상 변화를 알 수 있다.

중심위상을 측정하기 위하여 Excel의 중심위상을 알기 위해서는 각 위상별 크기는 무시하고 방전횟수로 식 (3)과 같이 중심위상을 도출하였다.

$P_{mid}$ : 중심위상

$PD_{k}$ : k번째 위상의 방전횟수

그림 10는 엑셀로 변환한 실험 파일을 숫자에 비례한 조건부 서식으로 숫자의 크기에 비례하여 색조를 반영하였다.

육안으로 보았을 때 방전위상이 약간 앞서있는 것을 알 수 있었으며 이를 식 (3)으로 중심축을 계산했을 때 약 88.071로 산출할 수 있었다.

그림 10 코로나 방전의 Excel 가공 데이터

Fig. 10 Excel Processing Data for corona Discharge

2.3.3 XLPE 절연물 방전 시 중심 위상 측정

케이블의 표적인 XLPE 절연물이 있는 상태에서의 방전 실험에서는 그림 11에서와 같은 패턴으로 나타났으며 이는 분석프로그램을 사용하였을 경우와 유사한 모형임을 알 수 있었다. 그림 11의 엑셀 파일을 동일하게 식 (3)으로 중심축을 계산했을 때 약 92.055〬 로 산출되었으며 이는 육안으로 보았을 때도 전압이 가장 높은 첫 번째 위상인 90º에 대비 뒤처진 위상임을 알 수 있었다. 즉 절연체가 없는 기중 코로나와 절연체 있는 코로나의 위상 차이는 분명했으나 그 정도와 위상각은 반복 실험을 통해 변화함을 알 수 있었다. 위상각의 변화는 먼저 방전기에 유도성 리액턴스 성분이 있어 한전 위상과 정확하게 일치한다고 볼 수 없다. 본 실험에서는 부분방전을 상시 모니터링 하는 변전소에서 절연에 이상이 있을 경우 중심위상 변화가 나타날 수 있음을 알 수 있다.

그림 11 XLPE절연물 방전의 Excel가공 데이터

Fig. 11 Excel Processing Data for XLPE Insulation Discharge