전력용 반도체를 이용한 S-ATS

개요 몰드변압기는 유입식 변압기가 지니는 주요 단점인 사고시 화재 및 폭발의 위험성에서 벗어나고자 주로 내열성 에폭시 레진을 몰딩하여 제작하는 기법으로 개발되어 소방설비가 고려되어지는 옥내형 수배전설비에 사용이 증가되고 있다. 그러나 유입식 변압기에서는 절연유 분석방법을 이용한 진단기법이 개발되어 주요 변압기에 적용되어 열화진전에 대한 상태감시가 가능하지만, 몰드변압기의 경우는 현재까지 현장진단기법이 개발되지 못하여, 설비의 확대 보급에 제약을 받고 있는 실정이다. 몰드변압기는 유입식 변압기가 지니는 부분적인 절연 회복성이 없으므로, 절연물 몰딩제조공정에서 필히 수반되는 void 또는 이물질 부위 등에서 장기간 사용 후 열화가 진행되면 절연파괴 사고로 진전되게 된다. 현재 몰드변압기 진단만을 위한 진단장비는 전 세계적으로 존재하지 않는다. 몰드변압기를 많이 적용하고 있는 일본에서는 1990년대 말부터 연구개발을 통하여 진단기법의 적용에 많은 노력을 기울이고 있다. 미국 및 유럽에서는 몰드변압기와 유사한 건식변압기의 적용이 증가하고 있으며, 이에 따라 1990년대 후반부터 고장원인 분석, On-Line 진단기법 및 진단장치 개발에 관한 연구 및 논문을 많이 발표하고 있다. 국내에서는 대용량 유입식 변압기를 대상으로 하는 예방진단시스템을 1990년대 후반부터 일부 적용 중에 있으나, 몰드변압기를 대상으로 하는 이상검출기술에 대하여는 연구된 바가 없는 실정이다. 현장에서는 정기적인 점검에 따라 열화상카메라나 혹은 누설전류를 측정하여 몰드변압기의 이상여부를 On-Site에서 측정하고 있다. 그러나 이런 진단방식은 몰드변압기의 열화 되어가는 상태를 정확히 파악할 수 없을뿐더러 On-Site 방식으로 인한 비효율적 접근법을 적용하고 있다. 따라서 몰드변압기의 절연상태를 부분방전검출로 진단하기 위한 ‘세라믹 커플링센서를 이용한 몰드변압기 온라인 부분방전 진단장비’를 개발하게 되었다. ‘세라믹 커플링센서를 이용한 몰드변압기 온라인 부분방전 진단장비’는 3가지 요소로 구분되어져 있다. 첫째는 몰드변압기의 부분방전을 측정하기 위한 ‘세라믹 커플링센서’, 둘째는 측정된 부분방전의 신호를 온라인으로 전송하고 처리하기 위한 ‘온라인 진단디바이스’, 마지막으로 진단장비에서 올라온 신호를 분석하고 진단하기 위한 ‘몰드변압기 진단알고리즘’이다. 몰드변압기 진단알고리즘에는 신호의 분석을 위한 부분방전검출 알고리즘, 노이즈를 제거하기 위한 노이즈제거 알고리즘이 포함된다. 구성 및 특징 ‘세라믹 커플링센서를 이용한 몰드변압기 온라인 부분방전 진단장비’의 구성은 크게 3가지로 되어 있다. 1. 세라믹 커플링 센서 세라믹 커플링센서는 기존의 에폭시 커플링센서를 대신하여 개발한 것으로 몰드변압기 안에서 발생하는 부분방전의 신호를 검출할 수 있다. 이 기술에 이용된 세라믹 컴파운드는 온도보상용 계열 및 고유전율 계열을 토대로 하여 여러 가지 첨가제를 포함한 설계생산을 고려하여 제작하였으며, 이때 이용된 고유전율용 콘덴서는 일반적으로 유전율이 300~20,000 정도인 티탄산바륨(BaTiO3)을 주원료로 하여 제작하였다. 이 기술에서 개발한 센서는 22.9kV급 센서와, 6.6kV급센서 2가지 종류이다. 센서의 물리적인 특성은 다음과 같다. 센서의 장기 신뢰성을 평가하기 위하여 13kV의 전압을 1500 시간 인가하였으나 절연파괴 및 섬락현상이 발생하지 않았다. 접촉식 센서에서 절연기능은 2종류의 절연재료가 병렬 복합으로 사용되어지는 구조이므로, 수명지수를 선정함에 있어서 적은 값을 기준으로 하고 여기에 시험상 안전율 20%를 감안하여 선정된 수명지수 n은 4.8이다. 이를 전기적 열화지수를 표현하는데 이용되는 과전수명 식을 이용하여 운전전압에서의 수명평가를 실시한 결과, 다음과 같이 계산되어져 62년으로 나타났다. 2. 온라인 진단 디바이스 온라인 진단 디바이스는 몰드변압기 내부의 절연물에 부분방전이 발생하여 절연을 손상시키는 것을 온라인으로 측정하는 장비로 아날로그 부분방전 신호를 처리하는 Analog Board, 디지털 데이터를 처리하기 위한 Control Board 그리고 전원을 관리하기 위한 Power Board로 구성되어진다. Analog Board는 Analog Board의 전체 구성인 6개의 Channel 입력단, 1개의 Zero-Cross Reference 입력단, 상단의 Power 입력단, 하단의 DSP Board와의 인터페이스와 AD Converter 및 Analog 부분방전 신호를 처리하기 위한 Analog 회로들로 구성하였다. Control Board는 2개의 EPLD, 최대 1M까지 저장이 가능한 Memory부분, Display를 위한 LCD Interface부분 통신부분(RS-232C 및 RS-485지원)으로 구성하였고 Power Board는 Noise 유입을 최소화하기 위해 전원을 분리(Analog 전원 2개, Digital 전원 1개)하여 구성하였다. 3. 진단 알고리즘 부분방전 진단 알고리즘은 다음 두 가지로 구별되어진다. 부분방전 여부를 측정분석하기 위한 부분방전 검출 알고리즘, 그리고 부분방전의 진단을 방해하는 노이즈를 제거하기 위한 노이즈제거 알고리즘이다. 이외에도 부분방전상태파악 알고리즘, 부분방전 트렌드 분석 알고리즘 등이 있다. 1) 부분방전 검출 알고리즘 부분방전진단을 위하여 측정된 ‘위상-부분방전크기-펄스수’와 같은 부분방전 정보량을 패턴화 하였다. 이때 부분방전의 패턴인식을 위하여 방전분포에서 얻어진 부분방전 크기나 펄스수와 같은 정보를 정량화하기 위하여 부분방전의 분포형태를 여러 가지 통계적 연산자를 이용하였다. 2) 노이즈제거 알고리즘 부분방전 진단에 방해가 되는 특성치를 제거하기 위한 알고리즘을 구성하고자 한다. 노이즈제거 알고리즘은 센서를 통하여 유입되는 알고리즘을 위상에 따른 1차 잡음제거기법과 시간에 따른 2차 잡음제거기법이 있다. 효과 국내외에서 산업이 복잡해지고 전력수요가 급증하고 있는 요즘 정전에 의한 피해는 점점 더 커져가고 있다. 따라서 정전에 의한 사고를 미연에 방지하고 고장시 효과적으로 조치하기에 편리한 몰드변압기 진단시스템의 수요는 점점 늘어날 것으로 사료되어진다. 본 제품이 사용되어질 것으로 예상되는 분야는 몰드변압기를 배전반으로 사용하는 지하철, 빌딩, 대용량 수용가이다. 기술적, 경제적인 효과로는 다음과 같다. - 몰드 변압기의 운전신뢰성 확보 및 불시 정전 방지로 인한 시민의 경제적, 심리적 불안 해소 - 몰드변압기 진단기술 및 판정기준 확립으로 안정적 전기공급 - 몰드변압기 신뢰도 및 품질수준 향상으로 몰드변압기 유지보수기술의 자립화 및 전력설비의 고품질화 및 전력계통의 신뢰도 향상에 기여 - 몰드 변압기 사고방지로 공공시설(지하철, 철도, 전력공급 등)의 안정성 확보 - 상태진단 기술접목으로 고부가가치 몰드변압기 생산 및 고부가가치 시장확보 - 정전 및 파급사고 감소효과로 경제적 피해의 최소화, 최근 반도체 소자 등의 사용 증가로 정전에 따른 간접적 피해가 급증하고 있다. 화학공장 및 반도체 공장 또는 도심의 인텔리전트 빌딩의 정전사고시 최대 수백억원의 간접적 피해가 예상된다. 따라서 이런 경제적 사고의 최소화가 가능하다. - 몰드변압기의 계획적이고 경제적인 교체로 설비활용의 극대화 및 비용절감 또한 사고의 미연방지로 재산적, 경제적 손실 감소 - 현재 세계적인 추세를 고찰해 보면 몰드변압기에 상태감시 기능을 부여한 온라인 부분방전 진단시스템을 부착하면, 고장율 감소 및 적정유지보수 등의 효과가 기대되므로, 시장 확대효과가 높을 것으로 확신되고 있다.