친환경 절연가스 구조에서 UHF 센서를 적용한 부분방전 진단

Abstract

1960년 이후 가스절연개폐장치(Gas Insulated Switchgear, GIS)는 높은 절연 강도와 우수한 아크 소호 능력을 가진 육불화황(SF6) 가스를 사용하여 안정적인 전력을 공급하고 전력 시스템을 보호하기 위해 널리 설치되어 왔다. 그러나, SF6는 이산화탄소(CO2) 대비 23,500배 높은 지구온난화지수를 가지고 있어 기후변화 문제의 일환으로 규제되어 왔다. 본 논문은 UHF 센서를 적용한 친환경 절연 가스 구조에서 부분 방전 진단에 대해 기술하였다. 본 논문에서 사용된 친환경 절연가스 g3는 NovecTM 4710과 CO2 및 O2를 혼합한 가스로 4%의 NovecTM 4710가 혼합되어 있으며, Dry air는 N2, O2, Ar 및 기타성분으로 혼합된 건조 공기로 78%의 N2와 21%의 O2로 혼합되었다. 실제 가스절연개폐장치에서 발생 가능한 결함 원인을 모의하기 위해 자유입자(Free particle, FP), 도체돌출(Protrusion on conductor, POC), 외함돌출(Protrusion on enclosure, POE) 및 보이드(Void) 전극계를 제작하였다. 각 절연 가스는 가스의 오염을 방지하기 위해 0.1~0.5MPa의 압력으로 채우고, 반복적으로 방출하였다. PD 신호는 100MHz에서 2GHz의 주파수 범위를 가지는 UHF 센서를 사용하여 측정되었으며, 1MHz 미만의 주파수 범위를 가지는 커플링 커패시터와 PD 측정 장치를 사용한 기존 방법과 비교하였다. 친환경 가스 절연 구조에서 PD 진단을 목적으로 PD의 특성인 부분 방전 개시 전압(PDIV), 부분 방전 소멸 전압(PDEV), 시간 및 주파수 영역에서의 단일 펄스, 방전 크기, 위상 각도 및 펄스 개수와 같은 PRPD 패턴을 분석하였다. 또한, 기존 방법으로 측정된 pC 단위의 표면 전하와 UHF 방법으로 측정된 mV 단위의 출력 전압 간의 상관 관계를 조사하였으며, PD 결함은 역전파 알고리즘(BPA)을 사용하여 검출하였다. 본 논문에서 제안한 결과는 UHF 방법을 사용한 친환경 가스 절연 구조 또한, 기존의 결함진단 방법에서는 발생위치의 식별이 어렵거나 일부 정보를 누락되는 경우가 있었으나, 본 연구에서는 UHF 센서를 이용한 결함진단 방법으로 이러한 한계를 극복할 수 있었다. 이를 통해 보다 정확하고 효과적인 PD 진단이 가능해졌으며, 지속적인 연구와 개발을 통해 환경친화적인 가스 절연 장치의 사용을 증대시키는 데 기여할 수 있을 것으로 예상된다.|Gas-insulated switchgears(GISs) have been widely installed in the substations to provide stable power and protect electrical power systems since 1960 due to sulfur hexafluoride(SF6) gas used in a GIS which has high dielectric strength and excellent arc extinguishing performance. However, SF6 has high global warming potential(GWP) which is 23,500 times higher than that of carbon dioxide(CO2). In this reason, it has been specified as one of the six greenhouse gases in the Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC) and restricted to reduce the global warming situation in the world. This thesis dealt with partial discharge diagnosis in a structure of eco-friendly insulation gases using ultra-high frequency(UHF) sensor. The eco-friendly insulation gases used in this thesis were dry air with 78% N2 and 21% O2, and g3 with 4% NovecTM 4710, CO2, and O2 compared to SF6. To simulate PD defects occurring in a GIS, electrode systems such as a free particle(FP), a protrusion on conductor(POC), a protrusion on enclosure(POE), and void were fabricated. Each insulation gas was filled from 0.1 to 0.5MPa in the electrode systems and emitted repeatedly to prevent any pollution of gas. The PD signals were measured with a UHF sensor with frequency ranges of 100MHz to 2GHz compared to the conventional method using a coupling capacitor and PD measuring devices with frequency ranges of less than 1MHz. For the purpose of PD diagnosis for eco-friendly gas insulated structures, PD characteristics were analyzed such as a partial discharge inception voltage(PDIV), a partial discharge extinction voltage(PDEV), a single pulse in time and frequency domains, and phase-resolved partial discharge(PRPD) patterns such as a discharge magnitude, a phase angle and a pulse count. In addition, the correlation between the apparent charge in pC measured by the conventional method and the output voltage in mV measured by the UHF method was investigated and PD defects were identified by back propagation algorithm(BPA). The results proposed in this thesis would be expected to improve the PD diagnosis technique in the eco-friendly gas insulated structure using UHF method in the future.