KR-102960307-B1 - Method for Detecting Resistive Leakage Current of Metal Oxide Surge Arrester based on Leakage Current Wave Analysis and Apparatus thereof

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Abstract

누설전류 파형 분석 기반 금속산화물 피뢰기의 저항성 누설전류 검출 방법 및 그 장치가 개시된다. 이 방법은 측정 대상의 피뢰기에 대해 전체 누설전류를 측정하는 단계 및 측정된 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에 계수를 산출하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 저항성 누설전류의 기울기를 산정하고, 산정된 기울기의 최소값(DIrm)을 찾는 단계, 기울기의 최소값에 미리 설정된 보상함수에 의해 산출되는 보상값을 적용하여 최적 각도를 찾는 단계, 그리고 최적 각도에서의 전체 누설전류의 제2 푸리에 계수를 산출하고, 제2 푸리에 계수를 사용하여 저항성 누설전류의 고조파 성분과 최대값을 산출하는 단계를 더 포함한다.

Inventors

오미경
유지호
전상동

Assignees

한국전력공사

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20221028

Claims (13)

금속산화물 피뢰기의 저항성 누설전류 검출 방법으로서, 측정 대상의 피뢰기에 대해 전체 누설전류를 측정하는 단계, 측정된 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에(Fourier) 계수를 산출하는 단계, 저항성 누설전류의 기울기를 산정하고, 산정된 기울기의 최소값을 찾는 단계, 상기 기울기의 최소값에 미리 설정된 보상함수에 의해 산출되는 보상값을 적용하여 상기 피뢰기에 인가되는 전원 전압이 0이 되는 최적 각도를 찾는 단계, 그리고 상기 최적 각도에서의 전체 누설전류의 제2 푸리에 계수를 산출하고, 상기 제2 푸리에 계수를 사용하여 상기 저항성 누설전류의 고조파 성분과 최대값을 산출하는 단계 를 포함하는 저항성 누설전류 검출 방법.
제1항에 있어서, 상기 측정된 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에 계수를 산출하는 단계에서, 상기 제1 푸리에 계수는 상기 전체 누설전류가 0인 점에서 산출되는, 저항성 누설전류 검출 방법.
제1항에 있어서, 상기 저항성 누설전류의 기울기를 산정하고, 산정된 기울기의 최소값을 찾는 단계에서, 상기 저항성 누설전류의 기울기는 상기 저항성 누설전류의 시작점의 기울기 곡선을 통해 산정되고, 상기 산정된 기울기의 최소값은 상기 기울기 곡선에서의 최소값인, 저항성 누설전류 검출 방법.
제3항에 있어서, 상기 기울기의 최소값에 미리 설정된 보상함수에 의해 산출되는 보상값을 더하여 최적 각도를 찾는 단계는, 상기 미리 설정된 보상함수에 상기 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에 계수를 적용하여 상기 보상값을 산출하는 단계, 상기 보상값과 상기 기울기의 최소값을 사용하여 상기 전원 전압이 0이 되는 각도의 기울기를 산출하는 단계, 그리고 상기 기울기 곡선에서 상기 전원 전압이 0이 되는 각도의 기울기에 해당하는 각도를 찾는 단계 를 포함하는, 저항성 누설전류 검출 방법.
제1항에 있어서, 상기 미리 설정된 보상함수는 상기 저항성 누설전류의 기울기를 이용하여 상기 피뢰기에 인가되는 전원 전압이 0인 점을 찾는 데 사용되는 상기 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에 계수와 상기 보상값 사이의 관계를 나타내는 함수인, 저항성 누설전류 검출 방법.
제5항에 있어서, 상기 미리 설정된 보상함수는 적어도 복수의 피뢰기에 대해 산출된 상기 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에 계수와 상기 보상값에 대해 최소자승법 또는 인공지능을 이용하여 도출된 함수인, 저항성 누설전류 검출 방법.
금속산화물 피뢰기의 저항성 누설전류 검출 장치로서, 측정 대상의 피뢰기에 대해 전체 누설전류를 측정하는 누설전류 검출부, 상기 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에 계수를 산출하는 신호 처리부, 저항성 누설전류의 기울기를 산정하고, 산정된 기울기의 최소값을 찾는 기울기 산정부, 상기 기울기의 최소값에 미리 설정된 보상함수에 의해 산출되는 보상값을 적용하여 상기 피뢰기에 인가되는 전원 전압이 0이 되는 최적 각도를 찾는 최적 각도 산정부, 그리고 상기 최적 각도에서의 전체 누설전류의 제2 푸리에 계수를 산출하고, 상기 제2 푸리에 계수를 사용하여 상기 저항성 누설전류의 고조파 성분과 최대값을 산출하여 상기 저항성 누설전류 검출 결과로서 출력하는 결과 출력부 를 포함하는 저항성 누설전류 검출 장치.
제7항에 있어서, 상기 누설전류 검출부는 상기 측정 대상의 피뢰기에 대해 1주기 동안 전체 누설전류를 측정하는, 저항성 누설전류 검출 장치.
제7항에 있어서, 상기 신호 처리부는 상기 전체 누설전류가 0인 점에서 상기 제1 푸리에 계수를 산출하는, 저항성 누설전류 검출 장치.
제7항에 있어서, 상기 기울기 산정부는 상기 저항성 누설전류의 시작점의 기울기 곡선을 이용하여 상기 저항성 누설전류의 기울기를 산정하고, 상기 기울기 곡선에서의 최소값을 찾아서 상기 산정된 기울기의 최소값으로 산정하는, 저항성 누설전류 검출 장치.
제10항에 있어서, 상기 최적 각도 산정부는, 상기 미리 설정된 보상함수에 상기 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에 계수를 적용하여 상기 보상값을 산출하고, 상기 보상값과 상기 기울기의 최소값을 사용하여 상기 전원 전압이 0이 되는 각도의 기울기를 산출한 후, 상기 기울기 곡선에서 상기 전원 전압이 0이 되는 각도의 기울기에 해당하는 각도를 찾는, 저항성 누설전류 검출 장치.
제7항에 있어서, 상기 미리 설정된 보상함수는 상기 저항성 누설전류의 기울기를 이용하여 상기 피뢰기에 인가되는 전원 전압이 0인 점을 찾는 데 사용되는 상기 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에 계수와 상기 보상값 사이의 관계를 나타내는 함수인, 저항성 누설전류 검출 장치.
제12항에 있어서, 상기 미리 설정된 보상함수는 적어도 복수의 피뢰기에 대해 산출된 상기 전체 누설전류에 대한 제1 푸리에 계수와 상기 보상값에 대해 최소자승법 또는 인공지능을 이용하여 도출된 함수인, 저항성 누설전류 검출 장치.

Description

누설전류 파형 분석 기반 금속산화물 피뢰기의 저항성 누설전류 검출 방법 및 그 장치 {Method for Detecting Resistive Leakage Current of Metal Oxide Surge Arrester based on Leakage Current Wave Analysis and Apparatus thereof} 본 발명은 누설전류 파형 분석 기반 금속산화물 피뢰기의 저항성 누설전류 검출 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 현재 한국은 물론 세계 각국에서 전력계통에 접속된 전기기기, 예를 들면 변압기, 차단기 등을 낙뢰 등 이상 전압으로부터 보호하기 위하여 피뢰기를 설치하고 있다. 정상적인 피뢰기에는 평상시 누설전류가 매우 작게 흐르는데 피뢰기가 낙뢰, 과전압 운전 등으로 경년열화를 일으키면 누설전류가 크게 증가한다. 이와 같이, 누설전류가 어느 정도 이상이 되면 누설전류로 인한 발열로 피뢰기가 그 기능을 못하게 된다. 따라서, 피뢰기의 누설전류를 감시하여 기준치 이상이 되면 피뢰기를 교체하여야 한다. 한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 피뢰기(10)는 콘덴서(11)와 저항(12)으로 등가화된다. 따라서, 피뢰기(10)에 교류 전압이 인가되면 콘덴서(11)를 통하여 용량성 누설전류(Ic)가 흐르고, 저항(12)을 통하여 저항성 누설전류(Ir)가 흐른다. 그런데, 피뢰기(10)가 여러번 낙뢰를 맞으면 정전용량 값은 변하지 않아서 용량성 누설전류(Ic)는 변하지 않는데 저항값은 점차 감소하여 저항성 누설전류(Ir)가 증가한다. 따라서, 피뢰기(10)의 열화 상태를 정확히 판단하려면, 피뢰기(10)에 흐르는 저항성 누설전류(Ir)를 측정하여 그 값에 따라 열화 상태를 진단하는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 이러한 저항성 누설전류(Ir)를 측정하는 방법이 어렵기 때문에 현재의 피뢰기 감시 장치들은 대부분 피뢰기(10)에 흐르는 전체 누설전류(용량성 누설전류(Ic)와 저항성 누설전류(Ir)의 합)(It)의 제3 고조파 전류를 측정하여 피뢰기(10)의 열화를 판단한다. 따라서, 열화 판정의 정확도가 매우 낮다는 문제점이 있다. 본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다. 도 1은 피뢰기의 등가 회로를 도시한다. 도 2는 피뢰기의 저항성 누설전류의 증가에 따른 전체 누설전류의 파형 변화를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전체 누설전류와 저항성 누설전류 사이의 상관관계를 찾는 방법의 흐름도를 도시한다. 도 4는 저항성 누설전류가 시작되는 각도를 변화시키면서 저항성 누설전류의 시작점에서의 기울기와 저항성 누설전류의 최대값을 곡선으로 나타낸 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물 피뢰기의 저항성 누설전류 검출 방법의 개략적인 흐름도이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물 피뢰기의 저항성 누설전류 검출 장치의 개략도이다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속산화물 피뢰기의 저항성 누설전류 검출 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 본 발명 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낼 수 있다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 "전기적 또는 기계적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 누설전류 파형 분석 기반 금속산화물 피뢰기의 저항성 누설전류 검출 방법에 대해 설명한다. 먼저, 피뢰기(10)의 전체 누설전류(It)는 콘덴서(11)에 흐르는 용량성 누설전류(Ic)와 저항(12)에 흐르는 저항성 누설전류(Ir)의 합이 된다. 즉 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. [수학식 1] It = Ic + Ir 도 1에 도시된 바와 같이, 전원 전압을 라 하고 콘덴서(11)의 정전용량을 C라 하면 용량성 누설전류(Ic)는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 용량성 누설전류(Ic)는 전원 전압(u)의 미분이다. [수학식 2] 한편, 저항(12)에 흐르는 저항성 누설전류(Ir)는 전원 전압의 순시치가 작을 때는 매우 적게 흐르고, 전원 전압의 순시치가 어느 레벨 이상이 되면 전류(Ir)가 기하급수적으로 증가한다. 따라서, 저항성 누설전류(Ir)는 다음의 [수학식 3]과 같이 모델링될 수 있으며, [수학식 3] 여기서, K와 α는 소자 재료의 특성에 따라 정해지는 상수로서, 특히 α는 보통 5 ~ 15의 상수이다. 이와 같이, 용량성 누설전류(Ic)와 저항성 누설전류(Ir)가 모델링된 상태에서, 종래와 같이, 피뢰기(10)의 전압(전원 전압)과 누설전류(전체 누설전류)를 동시에 측정하는 경우, 전원 전압 u(t)에는 고조파가 포함되어 있는데 누설전류를 분석할 때는 보통 1, 3, 5, 7, 9의 고조파까지 고려하고 있으므로, 전원 전압 u(t)는 다음의 [수학식 4]와 같이 표시될 수 있으며, [수학식 4] 여기서, Umn은 각 고조파 전압의 최대값이고, 이며, 는 전원 주파수이다. 전체 누설전류(It)를 점을 기준점으로 하여 푸리에(Fourier) 급수로 전개하면 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있으며, 여기서도 1, 3, 5, 7, 9의 고조파까지 고려한다. [수학식 5] 한편, [수학식 5]를 참조하면, 첫 번째 항은 코사인(cosine) 항이고, 두 번째 항은 사인(sine) 항임을 알 수 있다. 전술한 [수학식 2]를 참조하면, 용량성 누설전류(Ic)는 전원 전압(u)의 미분이어서 코사인항을 포함하여야 하므로, [수학식 5]에서 첫 번째 항은 용량성 누설전류(Ic)에 해당할 것이다. 즉 다음의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다. [수학식 6] 유사하게, 전술한 [수학식 3]을 참조하면, 저항성 누설전류(Ir)는 전원 전압(u)과 동상이어야 하므로, [수학식 5]에서 두 번째 항은 저항성 누설전류(Ir)에 해당할 것이다. 즉, 다음의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다. [수학식 7] 다음, 용량성 누설전류(Ic)와 저항성 누설전류(Ir)의 푸리에 계수 과 은 각각 다음의 [수학식 8]과 [수학식 9]와 같이 산정될 수 있다. [수학식 8] [수학식 9] 또한, 전체 누설전류(It)의 푸리에 계수를 이라고 하면 다음의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다. [수학식 10] 한편, 도 2는 전체 누설전류(It)의 사례인데 It(t) = 0에서부터 측정하여 표시한 것이다. 도 2를 참조하면, A 곡선은 저항성 누설전류(Ir)는 없고 용량성 누설전류 Ic(t) = 100*cos(wt)인 경우이다. 즉, 각도 90도에서 최대치 100을 나타내는 정확한 코사인(cosine) 곡선이다. 도 2에서, B 곡선은 용량성 누설전류 Ic(t) = 100*cos(wt)이고, 저항성 누설전류 Ir(t) = 15*sin(wt) - 5*sin(3wt)인 경우이다. B 곡선을 참조하면, 저항성 누설전류(Ir)가 발생하였기 때문에, B 곡선은 A 곡선보다 약간 좌측으로 이동하는 것을 알 수 있다. 도 2에서, C 곡선은 용량성 누설전류 Ic(t) = 100*cos(wt)이고, 저항성 누설전류 Ir(t) = 50*sin(wt) - 6*sin(3wt)인 경우이다. 여기서, 저항성 누설전류(Ir)가 B 곡선에 비해 더 증가하였기 때문에 C 곡선은 B 곡선보다 더 좌측으로 이동하는 것을 알 수 있다. 또한, C 곡선의 최대값(peak)이 B 곡선보다 우측으로 이동하는 것을 알 수 있다. 도 2에서, D 곡선은 용량성 누설전류 Ic(t) = 100*cos(wt)이고, 저항성 누설전류 Ir(t) = 66*sin(wt) - 7*sin(3wt) + 2*sin(5wt)인 경우이다. 여기서, 저항성 누설전류가 더 증가하였기 때문에 D 곡선은 C 곡선보다 더 좌측으로 이동하는 것을 알 수 있다. 그리고, D 곡선의 최대값(peak)은 C 곡선보다 더 우측으로 이동하는 것을 알 수 있다. 이상에서 알 수 있는 바와 같이, 피뢰기(10)에서 전체 누설전류(It)의 파형을 관찰 분석하면 저항성 누설전류(Ir)를 산정할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 전체 누설전류 It(θ)의 파형을 분석하여 전체 누설전류 It(θ)에 포함된 저항성 누설전류 Ir(θ)를 산정할 수 있는 방식을 이용한다. 즉, 여러 종류의 피뢰기(10)에 대하여, 용량성 누설전류 Ic(θ)와 저항성 누설전류 Ir(θ)를 변화시키면서 전체 누설전류 It(θ