Calibration and maintenance of partial discharge measuring system in compliance to IEC 60270

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IEC 60270에 따른 부분방전 측정 시스템의 교정 및 유지관리 방법

김지환^*, 노창일^*, 김근용^*, 박남옥^* 한국전기연구원

Calibration and maintenance of partial discharge measuring system in compliance to IEC 60270

Ji-Hwan Kim^*, Chang-Il Roh^*, Geun-Yong Kim^*, Nam-Ok Park^* Korea Electrotechnology Research Institute^*

Abstract - IEC 60270 에서는 부분방전 시험회로와 측정 시스템에 관 하여 기술하고 있을 뿐 아니라 측정 시스템의 교정 및 교정기 (Calibrator) 와 측정 시스템의 유지 관리 방법에 대해서 규정하고 있다.

유지관리 방법으로는 type tests, routine tests, performance tests, performance checks 가 있으며, 본 논문에서는 사용자가 주기적으로 시 행하는 performance tests, performance check 에 관하여 기술한다.

1. 서 론

부분방전은 절연체내부나 표면에서 전계의 집중에 의해서 발생하는 국부적인 절연파괴 현상으로 1920년대부터 지금까지 다양한 연구가 진 행되고 있다. 또한 부분방전은 전자의 방출에 의한 현상이므로 이에 따 른 전자파의 방사, 분자나 원자의 발광, 발열 등 여러 가지 현상이 나타 나므로 측정방법에 있어서도 전자기적인 신호를 측정하는 방법 뿐 아니 라 열적, 화학적, 음향적, 광학적인 측정 등 다양한 방법이 있다. 고전압 기기에서의 부분방전 시험은 1940년대 초 NEMA 107 을 기반으로 한 Radio Influence Voltage (RIV) 시험 (단위 μV) 이 처음 산업적으로 소개 되었다. 그러나 RIV 레벨은 부분방전과 관련이 없는 음향 잡음에 의해 영향을 받는 단점이 있다. 따라서 IEC Technical Committee No. 42 에 서는 pC 단위의 겉보기 전하 (Apparent charge)과 연관된 부분방전 측정 표준 규격을 발행하기로 결정하였고 1968년과 1981년에 각각 IEC Publication 270 의 first edition 과 second edition 이 발행되었다. IEC 60270 [High-voltage test techniques - Partial discharge measurements, third edition] 은 2000년에 발행되었으며, 측정 시스템의 조건뿐 아니라 교정과 유지 관리에 관한 내용을 다루고 있다. 본 논문에 서는 IEC 60270 에 따르는 측정 시스템의 교정, 교정기와 측정 시스템 의 유지 관리 방법을 소개한다.

2. 본 론

2.1 용어의 정의

본 논문에 사용된 용어에 대해서 IEC 60270 에서는 다음과 같이 정의 하고 있다.

- Apparent charge q (겉보기 전하량) : 겉보기 전하량은 시험회로에서 피시품의 양단자에 펄스를 주입하였을 때 측정 시스템에서 부분방전 전류펄스와 같은 양으로 측정되는 전하량으로 pC 으로 나타낸다.

- Pulse repetition rate n (펄스 반복율) : 일정시간 동안의 부분방전 펄스의 총 개수와 그 일정시간과의 비율

- Pulse repetition frequency (펄스 반복 주파수) : 등간격의 펄스에서 초당 펄스 수

- Transfer impedance Z(f) (전달 임피던스) : 주파수 f 의 함수로써 입 력이 사인파형일 때 입력전류에 대한 출력전압의 비율

- Lower and upper limit frequency f1 and f2(하한 및 상한 주파수) : 전달 임피던스 Z(f) 가 통과대역 첨두 값에서 6 dB 만큼 감소할 때의 주파수

- Integration error (적분오차) : 부분방전 전류 펄스 스펙트럼의 상한 주 파수가 광대역 측정 시스템의 차단 주파수 또는 협대역 측정 시스템 의 중간 대역 주파수 보다 작을 경우 발생하는 겉보기 전하량 측정 오차

- Scale factor k (계수 k) : 측정값과 입력량을 같게 하기 위해 곱하는 계수

2.1 시험회로에서의 측정 시스템 교정

교정의 목적은 측정 시스템이 특정한 부분방전 크기를 정확하게 측정 하는가를 검증하기 위한 것이다. 시험회로에서 측정 시스템의 교정은 겉 보기 전하 측정을 위한 scale factor k 를 결정하기 위함이며, 기지의 전

하량 qo의 전류펄스를 그림 1과 같이 피시품의 양단에 주입함으로써 수 행된다. 주입하는 전하량의 크기는 규정된 부분 방전량의 정확한 측정을 위해서 적정한 범위의 값 (50 % ∼ 100 %)을 가져야 한다. 교정기의 capacitor 가 저전압용 이라면 교정의 유효성을 위해 교정기의 capacitance Co는 0.1Ca(피시품의 capacitance) 이하 이어야 하며 시험회 로에 전압을 인가하기 전에 제거하여야 한다. 그러나 Co가 고전압용이 고 시험회로에 남아 있다면 Co는 0.1Ca이하 이어야 하는 조건은 필요하 지 않다. 피시품이 수 m 의 높이를 가진다면 Co는 stray capacitance 의 영향을 줄이기 위해서 피시품의 고압단자에 가능한 가깝게 위치하여야 한다. 또한 피시품의 capacitance 는 회로 특성에 영향을 주기 때문에 교 정은 각 새로운 피시품 마다 수행되어야 한다.

<그림 1> 시험회로에서의 교정

2.2 교정기

전류 펄스를 발생시키는 교정기는 step voltage pulse generator 와 capacitor 로 구성되어 있다. 실제적으로 이상적인 step voltage pulse 를 발생시키는 것은 불가능하기 때문에 동일한 크기의 전하량이 주입되었 다 하더라도 다른 측정 시스템이나 시험회로에서는 적분오차로 인하여 다른 응답이 발생할 수 있다. Voltage pulse 의 rise time tr은 60 ns 이 하 이어야 한다.

<그림 2> rise time tr의 측정

2.3 교정기와 측정 시스템의 유지관리

일반적으로 측정시스템 또는 교정기 제조사에서는 사양서와 주기적인 점검을 위한 지침서를 제공할 것이지만, IEC 60270 에서는 다음과 같은 절차를 따르도록 하고 있다.

2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17

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Type of test Performance tests Performance check

Measurement of qo ○ ○

Measurement of tr ○ Measurement of N ○

Type of test Performance tests Performance check Determination of Z(f) ○

Determination of Z(f)

at single frequency ○

Linearity ○

2.3.1 관리주기

사용자는 측정 시스템과 교정기의 검증을 위하여 주기적으로 performance tests 와 performance check 를 수행하여야 한다.

Performance tests는 적어도 매 5년 주기로 실시하고, 또한 큰 수리 후 에도 실시하여야 한다. Performance check 는 적어도 매 1년 주기로 실 시하여야 한다.

2.3.2 교정기의 유지관리

교정기를 유지관리하기 위해서는 다음의 사항을 검증하여야 한다.

- Measurement of qo: 교정기의 모든 nominal setting 값에 대하여 실제 전하량 qo를 측정하여야 한다. qo의 불확도는 ±5 % 또는 1 pC 이내 이어야 한다.

- Measurement of tr: Voltage pulse의 rise time tr의 불확도는 ±10 % 이내 이어야 한다.

- Measurement of N : Pulse repetition frequency N 의 불확도는 ±1 % 이내 이어야 한다. 이는 pulse repetition rate n 의 값을 측정하는 시 스템의 교정을 위한 교정기에만 적용된다.

<표 1> 교정기에 대한 시험

교정기를 검증하는 방법은 다음과 같은 절차를 따른다.

- Reference method : 소급성이 유지되는 표준 교정기에 의해서 생성된 전하량과 교정기의 전하량을 동일한 측정 시스템을 사용하여 비교한 고 시험결과는 10회 이상의 평균값으로 결정한다.

- Alternative method : <그림 2> 와 같이 교정기에 50Ω ∼ 200Ω의 측정저항 Rm을 연결하여 50 MHz 이상의 대역폭을 갖는 교정된 디 지털 오실로 스코프를 이용하여 전압 um을 측정한다. 교정기의 전하 량 q 는 아래의 식과 같다.

    _

 ^{}

i(t) : 교정기에 의해 발생된 전류 um(t) : 오실로스코프에 의해 측정된 전압

따라서 측정 전하량 q 의 정확도는 측정저항 Rm과 적분 절차의 정확 도와 관련있다. um(t) 의 적분은 일반적으로 오실로스코프에 내장된 알 고리즘에 의해 행해진다. 이러한 적분 절차의 정확도는 알려지지 않을 수 있기 때문에 오실로스코프는 아래의 식과 같이 표준 커패시턴스 Cref와 표준 스텝 전압원 Uref에 의해 계산된 전하량에 의해 교정하는 방법이 제안된다.

_ _{ }×_

<그림 2> 교정기의 검증 회로

2.3.3 측정 시스템의 유지관리

측정 시스템을 유지관리에는 다음의 사항을 포함하여야 한다.

- Determination of Z(f) : Transfer impedance Z(f) 를 확인하여야 하며 Z(f) 는 lower frequency limit f1과 upper frequency limit f2 사이를 벗어나는 범위에서, 통과 대역의 첨두값으로 부터 20 dB 감소하여야 한다. 주파수 변동이 가능한 sine 파형으로써 확인한다.

- Determination of Z(f) at single frequency : 통과대역의 한 주파수에서

transfer impedance Z(f) 를 확인하여야 하며 선행한 performance tests 에서의 값과의 차이가 10 % 이하이어야 한다.

- Linearity : 교정기의 신호 크기(전하량)를 변화하여 측정 시스템에 인 가함으로써 측정 시스템의 선형성을 확인하여야 한다. scale factor k 의 선형성은 규정된 부분 방전량의 50 % ∼ 200 % 에서 검증되어야 하며, 편차는 ±5 % 이내 이어야 한다.

<표 2> 측정 시스템에 대한 시험

3. 결 론

부분방전 시험은 대부분의 전력기기의 type test 및 routine test 항목 에 포함되어 있는 중요한 절연시험 이다. 정확한 시험을 위해서는 시험 에 앞서 교정을 하는 것이 필수적이며 교정기 및 측정 시스템의 정기적 인 유지 관리가 필요하다. 교정기 및 측정 시스템의 정기적인 유지 관리 방법은 performance tests 와 performance check 로 구분할 수 있으며 전자는 5년주기, 후자는 1년주기로 해당사항을 점검하여야 한다.

[참 고 문 헌]

[1] IEC 60270 “High-voltage test techniques - Partial discharge measurements”, 2000-12

[2] Eberhard Lemake et al., “Guide for electrical partial discharge measurements in compliance to IEC 60270”, Electra No. 241, 2008