가스절연개폐장치에서 부분방전 분석에 의한 결함 판별 알고리즘

Abstract

가스절연개폐장치(Gas insulated switchgear, GIS)는 절연 성능과 아크 소호 능력이 우수한 SF6 가스를 충진하여 높은 안정성을 갖는 송변전 설비의 주요 장치이다. 그러나 단위 설비 당 전송전력이 수 십∼수 백 MVA의 대용량이므로 사고 발생 시, 파급 영향이 크기 때문에 지난 50여 년간 절연진단기술에 대한 연구 개발이 활발히 진행되어 왔다.

본 논문에서는 가스절연개폐장치에서 발생되는 절연파괴의 원인을 진단하기 위한 목적으로, SF6 가스절연구조에서 결함별 부분방전의 특성과 판별 알고리즘에 대해 연구하였다. 가스절연개폐장치에서 발생하는 절연파괴의 주요 원인을 도체 돌출(POC), 외함 돌출(POE), 스페이서 돌출(POS), 자유 입자(FP), 크랙(Crack), 부유 금속(Floating) 및 보이드(Void)의 7가지로 분류하고, 모의 결함을 제작하였다.

실험계는 출력전압 최대 50㎸, 출력전류 30㎃의 절연형 몰드 변압기, 오실로스코프, DAQ 및 분압기 등으로 구성하였다. 순수 SF6 가스 상태에서 실험을 수행하기 위해 모의 결함계 내부를 5×10-3torr까지 진공시킨 후, SF6 가스를 0.5㎫로 충진하였다.

UHF센서의 측정 대역은 100㎒∼700㎒, 1㎓∼1.4㎓ 및 검출 감도는-70dBm이며, IEC 60270법과 UHF센서로 부분방전을 동시에 측정하여 위상 및 크기 등 전기적 특성을 분석하였다. 또한 절연진단에 있어 부분방전의 크기는 전하량(pC)이 사용되므로 센서의 출력 dBm과 pC의 상관관계 를 도출하였다.

부분방전의 특성은 0°∼360°의 위상별 부분방전의 크기에 따라 발생 비율(구간/전체)을 나타내는 PRPD-12Window로 분석하였다. POC는 0°∼180° 구간의 -80dBm∼-60dBm에서 부분방전의 발생 비율이 가장 높았다.

Void는 0°∼90°/-59dBm∼-40dBm과 181°∼270°/-59dBm∼-40dBm에서 클러스터가 밀집되었다. 이와 같이 모의 결함 7종에 대하여 고유의 부분방전 클러스터가 형성되는 이유는 결함의 구조와 관련이 있는 것으로, 결함 입자의 위치 및 형태 등에 따라 전계 집중이 다르기 때문이다.

PRPD-12Window, 왜도, 첨도 및 상관 계수의 파라미터로 입력층의 17개 항목을 구성하고, 은닉층 20개의 뉴런 및 출력층 7종의 역전파 알고리즘을 이용하여 인공지능 기반의 결함 판별 알고리즘을 개발하였으며, 30회씩 파라미터를 입력하여 신경회로망을 학습시켰다. 그 결과, 판별 정확도는 결함별 92%∼99%로 기존 PRPD, TF 및 PSA 등 보다 5% 이상 향상시킬 수 있었다.

제안한 결함 판별 알고리즘은 가스절연개폐장치에서 발생하는 결함의 종류를 정확히 제시하고 있어, 전력계통에서 운영 편리성과 전력공급의 안정도를 향상시킬 수 있는 차별화된 진단기술이라고 판단된다.