2.4.1 임펄스성 잡음펄스 제거 비교 시험

임펄스성 잡음펄스 제거 비교시험에서 사용한 측정용 장비는 장비 자체에 LTE 신호대역 필터 기능이 있는 포터블 장비(YH-IMOS, 유호전기공업(주), 한국)를 이용하여 고전압 시험 설비가 갖춰진 공간에서 부분방전 모의 셀을 동작시키고 잡음펄스를 인위적으로 가동하여 잡음펄스 제거 능력을 분석하였으며 시험 구성도를 그림 9에 보여주고 있다. 잡음펄스 발생원은 각각 플라즈마 방전 장치에 의한 임펄스성 잡음펄스와 테슬라코일로 발생시킨 기중 코로나 잡음펄스로 하였다.

YH-IMOS의 SRPD 방식의 소프트웨어적인 잡음 제거 기능은 비교시험에 오류를 유발할 수 있어 적용하지 않았다.

그림 10은 임펄스성 잡음 펄스가 존재할 때 TQ-펄스 모듈을 적용한 채널과 미적용 채널의 임펄스성 잡음 펄스 제거모습을 PRPS(Phase Resolved Pulse Sequence))패턴과 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge)패턴으로 나타낸 결과이며 PRPS는 3차원 그래프상의 Z축에 부분방전의 크기, X축에 위상, Y축에 시간 정보를 3차원 표현한 것이며, PRPD는 PRPS에서 시간 정보를 누적하여 Z축과 X축의 정보를 2차원적으로 누적표현한 패턴이다.

그림 10으로부터 TQ-펄스 모듈이 적용된 경우는 플라즈마 방전 잡음펄스가 보이지 않고 부분방전 신호펄스만 나타남을 알 수 있으며, TQ-펄스 모듈을 미적용한 경우는 부분방전 펄스와 플라즈마 방전 잡음펄스가 혼재되어 있는 모습을 보여주고 있어서 부분방전 펄스와 플라즈마 방전 잡음 펄스 간에 변별력이 없음을 알 수 있다.

그림 11은 기중코로나 방전 잡음펄스와 부분방전 펄스와의 변별력을 알아보는 시험의 분석결과를 보여주고 있다. 그림 10의 결과와 유사하게 TQ-펄스 모듈이 적용된 경우는 기중코로나 방전 잡음펄스가 보이지 않고 부분방전 펄스만 보이고 있으며, TQ-펄스 모듈을 미적용한 경우는 부분방전 펄스와 기중코로나 방전 잡음펄스가 혼재되어 있는 모습으로서 부분방전펄스와 기중코로나 방전 잡음펄스 간에 변별력이 없음을 알 수 있다.

따라서, 임펄스성 잡음펄스 제거 비교시험 결과 TQ-펄스 모듈을 적용하면 플라즈마 방전 잡음펄스나 기중코로나 잡음펄스와 상관없이 부분방전 펄스에 대한 변별력이 뛰어남을 알 수 있다

2.4.2 부분방전 발생 현장 비교 시험

부분방전 발생 현장 비교 시험에서 사용한 측정용 장비는 2.4.1에서 사용한 장비와 같다. YH-IMOS를 이용하여 부분방전이 실제로 발생하는 현장에서 잡음원으로 4대의 휴대전화와 2대의 무전기가 켜진 상태로 배경 잡음 레벨 이하에서 부분 방전 펄스 검출 능력과 잡음 펄스 제거 능력을 채널간 비교 시험으로 진행하였고 YH-IMOS의 SRPD 방식의 소프트웨어적 잡음 제거 기능은 비교시험에 오류를 유발할 수 있어서 적용하지 않았다.

YH-IMOS 채널 1번과 센서 사이에 TQ-펄스 모듈을 설치하고, 채널 2번에는 센서를 직결하여 TQ-펄스 모듈 적용방식과 TQ-펄스 모듈 미적용 방식과의 잡음펄스 제거 성능 및 부분방전 표현 성능을 비교하여 그 분석 결과를 그림 12에 나타내었다.

그림 12로부터 TQ-펄스 모듈을 적용하면 PRPS와 PRPD 화면에는 배경 잡음 레벨 이하에서도 최저 측정 레벨에서부터 부분방전 펄스만을 깨끗하게 표현하고 잡음펄스에 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있지만, TQ-펄스 모듈 미적용시, 심할 경우 PRPS와 PRPD 화면 상으로는 배경 잡음 레벨이 부분 방전 펄스의 크기보다 큰 영향으로 부분방전 신호를 판독할 수 없다는 점을 알 수 있다.

결과적으로 YH-IMOS와 같은 포터블 장비에 TQ-펄스 모듈을 적용하면 부분방전 신호가 미약하거나 배경 잡음 펄스의 크기가 부분방전 펄스의 크기보다 크더라도 부분방전 신호의 변별력과 부분방전 표현력이 우수하여 현장적용시 종전에 배경 잡음 레벨이 부분방전 펄스의 크기보다 큰 환경에서 부분방전 펄스 검출이 불가능했던 문제를 해결할 수 있음을 보여주고 있다.

2.4.3 IEC60270 표준 비교시험

IEC60270 표준 장비로 가장 많이 사용되고 있는 장비 중 하나인 오스트리아 Omicron사의 MPD 600 부분방전 측정 시스템을 이용한 비교시험 구성도를 그림 13에 나타내었다.

부분 방전 측정 시스템은 시험용 고전압 변압기, MPD 600 측정 단말 장치, UHF 620 초고주파 대역 변환기, MCU502 측정 단말 제어 장치, 커플링 커패시터 및 CPL542 IEC60270 4.3.2 커플링 장치⁽³⁾로 구성되어 있다. 그림 13의 구성은 Omicron사가 제안하는 IEC60270 부분방전 시험 방식으로서 커플링 커패시터 방식이다.⁽⁷⁾

시험은 3가지 방법에 의하여 진행되었다. 커플링 커패시터를 이용한 IEC60270 11.5 표준 부분 방전 시험⁽³⁾, UHF 620을 이용한 UHF 부분 방전 시험 그리고 TQ-펄스 모듈을 이용한 UHF 부분 방전 시험이다. 3 종류의 시험 결과를 비교하여 TQ-펄스 모듈의 결과가 IEC60270 표준 시험 결과와 차이가 있는지 여부를 검증하고 TQ-펄스 모듈의 잡음 펄스 제거 성능, 동적 영역 그리고 배경잡음 레벨을 검증하였다.

UHF 620 초고주파 대역 변환기의 입력 주파수 범위는 100Hz~ 2GHz이어서 중심 주파수 대역이 0Hz~32MHz인 MPD600 측정 단말 장치의 측정 주파수 범위를 넓혀 주는 역할을 한다.

비교시험의 조건을 같게 하기 위하여 측정 계기는 모두 Omicron 장비를 사용하였다. TQ-펄스 모듈을 적용한 채널의 경우, UHF 대역의 부분방전 측정을 위한 혼 안테나와 케이블의 부분방전 측정을 위한 센서로서 고주파 변류기인 HFCT를 TQ-펄스 모듈을 거쳐 MPD600에 연결하였고, TQ-펄스 모듈을 적용하지 않은 채널의 경우 혼 안테나는 Omicron UHF620을 거쳐 MPD600에, HFCT는 MPD600에 직결하였으며 시험품으로서 측정 샘플은 테프론 표면에서의 부분방전 모의셀을 이용하였다. TQ-펄스 모듈의 내부 부분방전 베이스밴드 주파수는 Omicron 장비의 중심주파수 대역 규격에 맞게 12MHz로 설정하였으며 주변에는 환경적인 잡음(조명, 공사장비)과 고전압 시험장비 자체에서 발생되는 것으로 추정되는 잡음이 혼재되어 있는 상황이다.

혼 안테나를 센서로 이용하여 시험한 결과를 그림 14에 나타내었다. 그림 14(a)는 커플링 커패시터를 이용한 IEC60270 11.5에 언급된 표준 부분 방전 시험 결과이고, 그림 14(b)는 혼 안테나와 UHF 620을 이용한 UHF 부분 방전 시험 결과이며, 그림 14(c)는 혼 안테나와 TQ-펄스 모듈을 이용한 UHF 부분 방전 시험 결과이다.

그림 14(a), (b)와 같이 TQ-펄스 모듈이 적용되지 않은 채널의 경우, 배경 잡음 레벨은 40pC이며 부분방전의 최대 크기는 400pC이다. 배경 잡음 레벨과 부분방전의 최대 크기 차이는 그래프상 큰 눈금 한 칸이다. 양의 반주기에 잡음 펄스가 표시되었고 음의 반주기에는 부분방전 펄스와 잡음펄스가 혼재되어 표시되어 있다.

TQ-펄스 모듈이 적용된 그림 14(c)의 경우 배경 잡음 레벨은 150fC이며 부분방전의 최대 크기10pC이다. 배경 잡음 레벨과 부분방전의 최대 크기 차이는 그래프상 큰 눈금 두 칸이라서 그림 14(a), (b)의 TQ-펄스 장치가 적용되지 않은 채널에 배해서 두 배의 동적영역을 가지고 있음을 알 수 있다. 양의 반주기에는 그림 14(a), (b)와 달리 잡음 펄스가 제거되어 있고, 음의 반주기에는 전형적인 상어 등지느러미 형태의 부분방전 패턴을 보이고 있어서 TQ-펄스 모듈이 적용될 경우 동적영역이 두 배이면서도 잡음 펄스를 제거하면서도 손실없이 부분방전 펄스를 표현하고 있음을 알 수 있다.

일반적인 표면 방전의 특징은 그림 15에 나타낸 것과 같이 PRPD 패턴에서 교류 한 사이클 중 양의 반주기와 음의 반주기의 측정값은 서로 다른 값을 가지며 음의 반주기에서 더 높게 나타난다⁽⁸⁾.

그림 14(d)는 (c)의 결과를 확대한 그림이며, TQ-펄스 장치로 측정한 결과가 전형적인 표면방전의 패턴의 형태로 나타남을 알 수 있다.

HFCT를 센서로 시험한 결과는 그림 16에 보여주고 있다. 그림 16의 결과는 각각 커플링 커패시터를 이용한 IEC60270 11.5에 언급된 표준 부분 방전 시험 결과, HFCT와 MPD600을 이용한 시험 결과, HFCT와 TQ-펄스 모듈을 이용한 시험 결과이다. 배경잡음 레벨에 관하여, TQ-펄스 모듈이 미적용된 그림 16(a), (b)를 보면, 배경 잡음 레벨은 20pC이며 부분방전의 최대 크기는 150pC이다. 배경 잡음 레벨과 부분방전의 최대 크기 차이는 그래프상 큰 눈금 약 한 칸이다. TQ-펄스 모듈이 적용된 그림 16(c)를 보면, 배경 잡음 레벨은 100fC 이며 부분방전의 최대 크기는 6pC이다. 배경 잡음 레벨과 부분방전의 최대 크기 차이는 그래프상 큰 눈금 약 한 칸 반이다.

이들 결과로부터 양의 반주기에서는 차이가 별로 없는 반면, 음의 반주기의 경우 TQ-펄스 모듈이 미적용된 경우, 잡음과 부분방전이 혼재되어 있지만, TQ-펄스 모듈이 적용될 경우에는 부분방전 펄스가 잘 표현되어 있어서 결과적으로 TQ-펄스 모듈을 적용한다면 IEC60270 표준에 따르면서 신뢰도 높은 시스템을 구축할 수 있다고 판단된다.