논문 2014-51-10-32
수/배전반의 부분방전 검출 모듈 설계와 상관관계
( Design of Partial Discharge detection Sensor Module and Correlation for Power Incoming/Distributer )
조 도 현**
( Do-hyeoun Cho
ⓒ)
요 약
본 논문은 수/배전반에 대한 오류 및 전기 화재를 일으키는 부분 방전을 측정하기 위한 두 가지 형태의 센서 모듈 설계하 고 이들의 성능을 평가한다. 설계한 센서 모듈을 이용하여 상전류의 관계와 부분 방전 및 과열을 분석한다. 수/배전반의 고장 이나 전기화재를 방지하기 위하여 정보를 분석 및 이용을 이용하여 안정성 지수를 활용하는 방법을 제안한다.
Abstract
In this paper, we design two types of the sensor module to measure the partial discharge causing failures and electric fires for power incoming/distributer. And evaluate the performance thereof. Analyze the correlation of the phase current and the partial discharge and overheating. Proposes to apply the stability index by utilizing the analyzed information and use in order to prevent the failure or electrical fire of the power incoming/distributer.
Keywords : Power Incoming/Distributer, partial discharge, electrical fire, stability index, PD sensor module
Ⅰ. 서 론
전력용 수/배전반은 반도체, 화학신소재, 철강 생산 등 대전력을 소모하며 생산공정을 수반하는 시설 뿐 만 아니라 아파트나 지하철, 상하수도 처리장과 같이 우리 주변에서 특고압의 전력을 저압으로 변환하여 해 당 설비에게 공급하는 수/배전 계통에 설치되어 사용 된다[1～2].
수/배전반 내부의 활선부는 변압기, BUSBAR, 차단 기 등의 전력기기로 구성되어 있어서 여러 가지 원인에 의해 열화 현상이 발생된다. 또한 활선 상태에서는 비 정상적인 부분 방전과 급격한 온도 상승을 초래하기도
* 정회원, 인하공업전문대학 디지털전자과 (Dept. of Digital Electronics, Inha Tech. Col.)
ⓒ Corresponding Author(E-mail: [email protected])
※ 이 논문은 2014학년도 인하공업전문대학 교내연구 비지원에 의하여 연구되었음.
접수일자: 2014년08월25일, 수정일자: 2014년09월14일 게재확정: 2014년10월06일
한다. 특히 큰 전력 소모를 갖는 건물과 산업용 공장 등 에 사용하는 수/배전반 및 고압전기 시설물은 전기의 사용량이 급격히 증가하면 접속부분 등이 열화되거나 접속불량이 발생하여 화재 및 정전사고가 발생하게 된 다[3～5].
이러한 수/배전반의 안정성에 대한 관심이 높아지고 있어서, 2010년부터 센서를 활용하여 열화를 진단하거 나 상태를 모니터링 시스템의 개발이 활발해지고 있으 며 전력설비 열화진단을 위한 각종 알고리즘 및 S/W 등을 적용하고 있다[6～7].
수/배전반의 고장이나 열화는 예고 없이 정전이나 큰 전기사고 등을 발생시켜 큰 경제적, 사회적 손실을 가 져온다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 수/배전반 활 선부의 열화로 인한 사고발생 전에 활선부의 열화정도 를 진단하여 사전에 유지보수하기 위한 개발이 진행 중 에 있다.
본 논문에서는 수/배전반 활선부의 고장이나 화재를 일으키는 중요한 특이 징후인 부분방전(PD, partial
discharge)을 검출하기 위한 2가지 형태의 센서 모듈을 개발하고 성능을 평가하고, 전류와 부분방전 및 과열현 상의 상관성을 평가하여 안전성지수를 산출하는 방법을 통하여 수/배전반의 이상으로 인한 고장이나 전기화재 를 예방하고자 한다.
Ⅱ. 본 론
수/배전반에서의 과전류, 전류 단락이나 지락, 누전, 접속불량으로 인한 과열, 내부 열의 축적, 절연손상이나 탄화, 스파크(SPARK) 방전에 의한 발화 등에 의하여 전기사고나 화재의 대부분이 발생된다. 이들을 예방하 기 위하여 수/배전반의 열화 정도를 진단하면 사전에 관리 및 유지보수를 할 수 있게 되어 전기화재의 확대 로 인한 인명사고 및 재산피해를 미리 예방할 수 있다[4,
6].
이를 위하여 현재 접촉부 등에서 이상 온도 변화를 측정하기 위하여 적외선 온도 센서를 RTU의 아날로그 입력으로 수신하여 온도값을 측정하는 센서 모듈을 사 용하여 측정하고, RTU와 연계하여 SCADA시스템에서 HMI 프로그램 등을 사용하여 모니터링하는 방식을 일 반적으로 적용하고 있다[2, 3].
본 논문은 수/배전반 활선부의 이상이나 고장에 의한 전기화재를 예방하기 위하여 전력용 수/배전반에 적합 한 부분방전(PD) 검출 모듈을 개발하고, 전류로 인한 전기화재의 최종원인인 검출된 부분방전 양과, 과열현 상 대하여 퍼지추론 알고리즘을 이용하여 상관관계를 분석하고, 안정성지수를 산출한다.
이러한 분석은 전기화재의 확대로 인한 인명사고 및 재산피해를 미리 예방하기 위하여 이 안정성지수에 따 른 활선부의 열화 정도를 진단하여 관리 및 유지보수에 활용할 수 있고, 부분방전과 과열현상에 대하여 전류와 의 상관성을 이용하여 수배전반에서 발생할 수 있는 전 기화재를 예방하기 위한 안정성 지수 산출할 수 있다[8].
1. 부분방전 센서의 개발
전기화재의 일반적 주요 원인은 단락 및 과전류에 의 한 발화, 지락에 의한 발화, 접속불량의 과열에 의한 발 화, 열의 축적 및 절연손상에 의한 발화와 스파크 (spark) 또는 부분 방전(partial discharge, PD)에 의한 발화로 구분할 수 있다.
부분 방전은 일반적으로 절연물 표면에서 높은 전계 가 형성되어 부분적으로 발생하는 표면 방전 현상으로 전압 스트레스에 의한 절연물의 열화가 발생되는 현상 이다. 특히 전력용 수/배전반은 내부의 전기적 특이징 후들에 의하여 과전류, 과전압, 과부하 등이 발생하여 전력선 케이블의 절연파괴를 촉진 시키며, 전력선 케이 블과 단자의 결합 부분의 과열 및 부분방전이 점진적으 로 일어난다.
이러한 수/배전반 및 전력기기의 부분 방전(코로나, 부분방전)을 검출하기 위하여 수/배전반 내부에 설치 가능한 최적화된 PD센서를 개발 및 제작한다. 스파크 형태의 부분 방전의 정확한 계측을 위하여, 자외선 (Ultraviolet ray)에 의한 검출과 전자파의 주파수에 의 한 검출 방법하는 2가지 방식의 PD센서 모듈을 개발하 고자 한다. 이 2가지 방식의 센서모듈은 독자적으로 적 용할 수도 있고, 동시에 적용하여 계측오류를 최소할 수 도 있다.
1) 자외선 파장을 이용한 광학적 부분방전 센서 모듈 과전류, 과전압, 과부하, 누설전류 등은 전력선 케이 블의 절연파괴를 촉진 시키고, 전력선 케이블과 단자의 결합 부분에서 스파크 성 부분방전이 점진적으로 발생 된다[4]. 이러한 스파크성 부분방전은 185∼250nm의 자 외선 파장이 발생하게 된다. 이러한 파장 대역의 빛을 광학적 방식으로 감지하는 진공관 타입의 부분방전 센 서를 이용하여 부분방전 발생 횟수를 측정한다. 또한 자외선 선택 투과 필터를 통하여 부분방전 이외의 외부 노이즈 빛에 반응하지 않도록 제작 하였고, 이 파장을 검출하여 부분방전 발생 횟수를 측정하도록 하였다.
진공관형 UV센서(R2868)를 이용하여 그림 1과 같이 회로를 구성하였다.
그림 1. 자외선 계측 회로 Fig. 1. UV measurement circuit.
또한, 부분방전에 대한 주기와 발생횟수를 계측하며, 수배전반 내부의 전등, 전자접촉기 동작 시 발생되는 부분방전 등에 인식 오류를 피할 수 있도록 설계하였 다. 부분방전 발생 시 표시장치에 표시하고, 경보용 접 점을 출력하며, Modbus RTU 프로토콜을 이용하여 ICMDU로 데이터를 전송하도록 하였다.
2) 전자기파를 이용한 부분방전 센서 모듈
부분방전을 검출하기 위한 두 번째 방식은 열화와 접 촉 불량으로 인한 부분방전에 의하여 생성된 전류왜곡 에 대한 전자파를 검출하는 방식으로 RF Power detector 기능을 이용한 실시간으로 파형 분포에 대한 파워 분석 진단하며, 특정 주파수와 pps(power per seconds)에 대한 분석을 통해 부분방전을 파악한다. 이 러한 전자기적 측정은 전류외곡으로 인한 10MHz의 전 자파를 검출하여 시간별 부분방전 발생 크기와 분포 변 화 등의 계측에 사용한다. 그림 2는 제작한 전자기파 검출을 이용한 부분방전 검출기이다.
외부에서 접근이 어려운 수/배전반 내부의 전력기기 이상에 의한 부분방전의 크기, 양, 펄스간격 등을 전자 기적으로 측정하여 실시간 감시 및 진단한다.
그림 2. 전자기파 검출을 이용한 부분방전 검출기 Fig. 2. Electromagnetic wave for PD frequency
measurement methode.
2. 부분방전 검출 센서의 시험 평가
1) 광학 PD센서 모듈의 부분방전 측정 평가
측정 파장 대역이 200nm∼350nm인 자외선 센서 R2868를 사용 제작하여 고압 부분방전 발생기 및 저압 부분방전 발생기의 부문방전을 측정 파장대역에서 측정
하였다.
그림 3과 같이 탄소봉을 사용한 부분방전 발생기를 이용하여 제작한 고압/저압 부분방전 발생기로 스파크 를 발생시키고 분광 스펙트럼 분석기를 이용하여 발생 된 스파크의 스팩트럼이 자외선의 200nm∼350nm 파장 대역을 검출하고, 제작한 광학 PD센서 모듈로 부분방 전 발생 횟수를 측정하였다.
시험 측정은 UV/VIS AvaSpec-3648_Fiber Optic spectrometer를 사용하여 측정하였다. 그림2의 부분방 전 시험기를 통하여 발생된 빛을 자외선 센서 R2868으 로 측정한 결과 200nm∼350nm에서 부분방전으로 발생 한 파장이 그림 4와 같이 측정됨을 확인할 수 있다.
그림 3. 부분방전 시험기 Fig. 3. PD test equipment.
그림 4. 부분방전 파장 검출 Fig. 4. PD wave measurement.
2) 2가지 PD센서 모듈의 부분방전 측정 평가 600VA 정도의 저압에서 혼촉 또는 접촉 상태에서 발생되는 부분방전을 모의 시험기로부터 발생시키고, 제작한 PD센서를 100cm에 직각으로 위치시키고 10회 를 시험하여 부분방전을 손실 없이 검출하는지를 측정 하였다. 또한, 부분방전 모의 시험기의 부분방전 발생 여부는 오실로스코프로 측정하여 비교 평가하였다.
시험 사양은 아크 발생기 전원은 AC 220V, 아크 시 험기 전류는 2A로 하였으며, 아크센서와 아크 시험기 측정 거리는 100cm, 아크센서와 아크 시험기 측정 각도 를 각각 90°, 좌측 60°, 우측 60°에서 실시하였고, 오실 로스코프로 아크 발생 측정하였다.
판정 기준은 부분방전을 발생시킨 시점에 오실로스 코프에 정현파가 부분방전 발생으로 인하여 전류왜곡이 일어나는 전자파 파형이 표시되고, 이때 PD검출 센서 의 표시부에 발생된 횟수의 유무로 양호와 불량을 판정 할 수 있다. 정상적인 정현파의 전류나 전압파형이 부 분방전으로 인하여 파형이 왜곡되어 나타난다. 오실로 스코프에 전류/전압의 정현파가 왜곡이 일어나면 내부 에 부분방전이 발생한 것으로 파악할 수 있다. 그림 5 는 부분방전에 따라 발생한 전자기파로 인하여 전류 정 현파 왜곡을 나타낸 것이다.
그림 5. 부분방전에 따른 파형변화 Fig. 5. measured wave form for PD.
3. 전류와 부분방전과의 관계
일반적으로 누설이나 지락 현상으로 인하여 비정상 적으로 전류가 증가하게 되면, 과열현상이 일어나며 부 분방전이 발생하게 된다[8]. 그림 4는 C상의 전류를 지
락전류가 발생한 것으로 가정하여 10A에서 20A와 40A 로 증가 시켰을 때에 수배전반에서 부분방전이 일어난 것을 부분방전 측정 모듈로 계측한 결과로 갑작스럽게 전류가 증가하여 지속되면 부분방전이 발생하기 시작하 여 전기화재에 이르게 됨을 볼 수 있다.
상전류가 10A 정도이고 측정온도가 25℃ 내외이면 정상상태로 부분방전이 발생하지 않는다. 상전류가 누 설이나 지락에 의하여 10~20A로 증가하면 내부온도도 증가하기 시작하고 부분방전이 발생하기 시작한다. 또 한 상전류가 약 30A정도로 증가하면 부분방전의 획수 가 급격히 증가하기 시작하고, 전기화재 등의 위험성이 높아진다. 다음 그림 6은 Matlab Fuzzy Toolbox를 사 용하여 전류와 온도에 따른 부분방전 구한 surface view이다. 상전류의 과도한 증가가 부분방전을 발생시 키는 것을 볼 수 있다. 상전류가 25A, 측정 온도가 4 0℃ 이면 부분방전 횟수는 22.4회로 나타나며, 상전류가 40A, 측정 온도가 50℃ 이면 부분방전 횟수는 31.4회로
그림 6. 상전류에 대한 부분방전
Fig. 6. the partial dischargen for the phase current.
그림 7. 전류와 온도에 따른 부분방전 관계
Fig. 7. the correlation of the phase current and the partial discharge.
저 자 소 개 조 도 현(정회원)
1990년 광운대학교 전자공학과 석사 졸업.
1998년 광운대학교 제어계측 공학과 박사 졸업.
1991년 LG전자 중앙연구소 근무 1998년 삼성종합기술원 근무 현재 인하공업전문대학 디지털전자과 교수
<주관심분야 : 제어계측공학, 로봇제어, 회로 및 시스템 설계>
전지화재 위험성이 높은 상태이다.
4. 전기화재 예방을 위한 안정성 지수 산출 안정성 지수 산출을 위하여 최근 한 달간 전류의 변 화와 부분방전 발생 누적횟수 및 부분방전발생 누적횟 수와 현재 온도를 수/배전반 함체 안에 그림8과 같이 부분방전 검출부, 부분방전 검출부와 온도 검출부를 통 해 얻어진 데이터로 감시 시스템을 구성하고 퍼지추론 기법 등을 이용하여 안정성 지수를 산출하면 활선부의 열화 정도를 모니터링하고 진단할 수 있고, 안정성 평 가의 신뢰성을 높일 수 있다[8].
그림 8. 센서가 장착된 수배전반
Fig. 8. the power incoming/distributer with sensor.
Ⅲ. 결론 및 향후 연구방향
본 논문에서는 전력용 수/배전반에 적합한 부분방전 (PD) 검출 모듈을 설계 제작하여 적합성을 평가하였고, 전류로 인한 전기화재의 최종원인인 검출된 부분방전 양과, 과열현상 대하여 퍼지추론 알고리즘을 이용하여 상관관계를 분석하고, 안정성지수로 산출하였다.
이것을 통하여 빌딩 및 대수용가의 수/배전반, 분전 반 및 제어반의 전선, 도체 등에서 발생하는 전기화재 의 원인 중에 중요한 부류를 차지하는 과열과 부분방전 에 대한 계측을 통하여 온도 위주의 기존의 시스템과 차별화된 전기화재 예방시스템으로 정착될 것으로 기대 된다.
또한 안정성지수에 따른 활선부의 열화 정도를 진단 하여 관리 및 유지보수를 할 수 있게 되면 수/배전반을
비롯한 옥내 배전에서 화재감시를 통하여 전기화재로 인한 인명 및 재산피해의 최소화에 기여할 것으로 기대 된다. 전기 화재로 인한 화재원인 중 과열 및 아크, 트 랙킹으로 인한 화재의 발생률이 90%이상 차지하는 현 실에서 전기화재의 징후를 사전에 차단함으로써 전기화 재의 확대로 인한 인명사고 및 재산피해를 미리 예방할 수 있게 된다.
REFERENCES
[1] D. H. Cho, B. I, Lee, “Electrical Power Information Storage and Electrical Fire Prevention System”, IEEK Fall Conference 2012, pp 884-886.
[2] J. T. Jang, “A Study on the Countermeasure and Analysis Cause of Electrical Fire”, Journal of safety and crisis management, Vol. 7, No. 2, 2011.
[3] 광주광역시소방학교, 화재조사 실무(하), pp.3-340, 2008.
[4] 소방방재청, 2007-2009년 화재통계연감, 2010.
[5] 전기안전공사, 전기재해통계분석, pp. 7-160, 2010.
[6] S. O, You, S. C. Kim, “Development of Electrical Fire Alarm System Using Predicting Precursory Signals of Electrical Fires”, Fire Technology Research, pp.152-161, 2009.
[7] J. H. Lee, D. H. Kim. S. C. Kim, “Improvement and Analysis for an Electrical Fire Cause Classification”, J. of Korean Institute of Fire Sci.
& Eng. Vol. 23, No. 1, 2009.
[8] D. H. Cho, “Electrical Fire Warning Fuzzy System for Measured Power Informations”, Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea Vol. 50, NO. 9, September 2013.
