부분방전위파 파형 분석: 방전원 식별

부분방전위파 파형 분석: 방전원 식별

추상

부분 방전 펄스는 특정한 형태를 띠며, 이 형태는 결함의 위치를 ​​알려줍니다. 코로나 방전은 빠르고 날카로운 형태를 보이고, 공극 방전은 느리고 꼬리 부분이 감쇠되는 형태를 보이며, 표면 추적 방전은 수백 나노초에 걸쳐 지속됩니다. 지문 매칭은 포착된 펄스를 레이블이 지정된 데이터베이스와 비교하는 과정입니다. 이 글에서는 펄스 형태 및 스펙트럼 물리학, 매칭을 실패하게 만드는 다섯 가지 필드 오류, 그리고 데이터베이스의 유효성을 유지하는 데 필요한 체인 안정성 단계를 설명합니다.

1. 소개

부분 방전은 특징 없는 단순한 클릭음이 아닙니다. 나노초 단위의 전류 펄스는 특정한 형태를 띠며, 그 형태는 방전원의 물리적 특성, 즉 결함의 기하학적 구조, 공극 내부의 가스 압력, 추적 경로의 표면 전도도, 그리고 부유 입자의 임피던스에 따라 달라집니다.

뾰족한 바늘에서의 코로나 방전은 빠른 펄스를 생성합니다. 기체로 채워진 공간 내부의 방전은 감쇠된 꼬리를 가진 느린 현상을 나타냅니다. 표면 방전은 더 길고 저주파수 기록으로 이어집니다. 이러한 차이점들이 방전원의 특징을 나타내는 지문 역할을 하며, 파형 분석을 통해 포착된 단일 펄스로부터 방전 메커니즘을 식별할 수 있습니다.

그 가치는 직접적입니다. 케이블 접합부의 공극 대신 플로팅 볼트에서 코로나 방전을 보고하는 시스템은 유지보수 결정을 다음 정전 시점이 아닌 전원 차단 후 점검 시점으로 앞당깁니다. 하지만 문제는 포착된 파형이 원본 파형이 아니라는 점입니다. 파형은 커플링 커패시터, 케이블, 증폭기, 디지털 변환기를 거치면서 각 단계에서 변형됩니다.

이 글에서는 펄스 파형의 물리적 원리, 지문을 손상시키는 왜곡, 일치 여부를 깨뜨리는 다섯 가지 현장 오류, 그리고 변전소에서 이 방법을 반복 가능하게 만드는 설계 단계를 설명합니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 물리적 맥박 모양

부분 방전(PD) 펄스는 이중 지수 전류 모델에 적합합니다.

i(t) = I_0 · (e^(−t/τ_f) − e^(−t/τ_r))

여기서 i(t)는 방전 전류(A), I_0는 최대 전류(A), τ_r은 상승 시간 상수(ns), τ_f는 하강 시간 상수(ns)입니다. 코로나 펄스는 τ_r이 약 2ns이고 τ_f는 5ns에서 20ns 사이입니다. 고체 절연체에서의 공극 방전은 τ_r이 5ns에서 20ns 사이이며 감쇠 진동 꼬리를 나타냅니다. 표면 방전은 τ_f가 수백 나노초까지 확장됩니다.

겉보기 전하는 해당 전류의 적분입니다.

q = ∫ i(t) dt = I_0 · (τ_f − τ_r)

여기서 q는 pC 단위의 겉보기 전하량입니다. 정규화된 형태(τ_r/τ_f 비율에 스펙트럼 중심을 더한 값)는 클래스 정보를 담고 있습니다. 이 두 매개변수가 지문 분석으로 소스를 식별할 수 있는지 여부를 결정하며, 절대 진폭은 그렇지 않습니다.

2.2 스펙트럼 특징

이중 지수 함수 형태의 펄스는 고주파 영역에서 감쇠합니다. 스펙트럼 중심은 두 시간 상수를 따릅니다.

f_c ≈ 1 / (2π · √(τ_r · τ_f))

여기서 f_c는 스펙트럼 중심 주파수(MHz), τ_r은 상승 시간 상수(ns), τ_f는 하강 시간 상수(ns)입니다. τ_r = 2ns, τ_f = 10ns인 코로나 펄스는 112MHz의 주파수를 나타냅니다. τ_r = 20ns, τ_f = 200ns인 표면 방전은 25MHz의 주파수를 나타냅니다.

100MHz~1GHz의 고대역과 1MHz~50MHz의 저대역 사이의 에너지 비율은 두 클래스를 10배 이상 구분합니다. 이 비율은 진폭이 변하더라도 유지됩니다. 여기에 전력 주기상의 위상 위치를 추가하면 지문 공간은 주요 클래스를 넓은 간격으로 구분합니다.

2.3 지문을 다시 쓰는 체인

방전부와 디지털 변환기 사이의 모든 단계는 선형 시스템입니다. 각 단계는 자체 임펄스 응답을 실제 펄스와 컨볼루션합니다.

i_meas(t) = i_true(t) ∗ h_chain(t)

여기서 i_meas는 측정된 전류(A), i_true는 소스 전류(A), h_chain은 체인 임펄스 응답입니다. 커플링 네트워크는 차단 주파수 f_c = 1/(2πRC)로 저주파 대역을 차단하므로 겉보기 하강 시간이 단축됩니다. 케이블은 고주파 대역을 차단하므로 겉보기 상승 시간이 길어집니다.

결합 커패시터 내부의 직렬 공진으로 인해 펄스 위에 감쇠 진동이 추가됩니다.

f_SR = 1 / (2π · √(L_ESL · C))

여기서 f_SR은 자체 공진 주파수(MHz), L_ESL은 등가 직렬 인덕턴스(nH), C는 결합 커패시턴스(pF)입니다. 22nH 인덕턴스와 100pF 커패시턴스를 갖는 부품은 339MHz에서 공진하며, 특성을 나타내는 대역 내에 발진을 중첩시킵니다. 회로의 평탄도가 아니라 안정성이 자계 반복성을 결정합니다.

2.4 매칭 및 임계값

이 방법은 캡처된 맥박의 특징 벡터를 레이블이 지정된 데이터베이스와 비교합니다. 비교 지표로는 정규화된 상관관계 또는 마할라노비스 거리를 사용합니다. 유사도가 임계값을 넘으면 가장 잘 일치하는 레이블이 해당 맥박에 부여됩니다. 임계값 미만이면 해당 기록은 식별되지 않은 상태로 유지됩니다.

임계값은 잘못된 레이블링과 누락된 레이블링을 서로 교환하는 기준이 되며, 현장 검증된 데이터에서 도출되어야 합니다. 특징 분산이 분리 기준을 결정하며, 체인 드리프트와 전파 경로가 이 분산에 큰 영향을 미칩니다. 특징 반복성이 ±2%인 체인은 주요 클래스를 분리합니다. 반면, 산포도가 ±15%인 드리프트 체인은 결과가 동전 던지기와 일치할 때까지 경계를 좁혀 나갑니다.

그림 1 — 특징 대역 내 339MHz에서 22nH 링의 결합 ESL 및 15% 산란에서의 체인 드리프트는 코로나와 표면 사이의 경계를 좁힙니다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 체인 드리프트로 인해 데이터베이스가 무효화됨

변압기 모니터링 시스템은 시운전 시 데이터베이스를 구축했습니다. 18개월 후, 시스템은 알려진 공극 방전을 알 수 없는 방전으로, 코로나 방전을 표면 방전으로 잘못 분류하기 시작했습니다. 방전 유형은 변하지 않았습니다. 접촉 저항이 상승하는 커넥터 때문에 체인 응답이 달라졌고, 손실이 증가하는 커플링 커패시터 때문에 자체적인 편차가 발생했습니다. 그 결과, 특징 벡터들이 해당 클래스 범위를 벗어나게 되었고, 아무도 재검증하지 않은 데이터베이스는 유효성을 잃었습니다.

문제점 2: 커플링 공진으로 인해 잘못된 특징이 추가됩니다.

결합 ESL이 22 nH인 GIS 진단 세트는 포착된 모든 펄스에서 반복 가능한 250 MHz 진동을 보여주었습니다. 이 알고리즘은 스펙트럼 특징을 사용했기 때문에 펄스 주파수가 해당 아티팩트에 더해지는지 또는 빼지는지에 따라 방전을 구분하기 시작했습니다. 그 결과, 한 위치에서 발생한 두 개의 동일한 공극 방전이 서로 다른 레이블로 분류되었습니다. 정확도는 거의 무작위 수준으로 떨어졌습니다.

세 번째 문제점: 거리가 멀어지면 맥박이 늘어나고 계층이 뒤섞인다

하나의 코로나 발생원에서 두 개의 기록이 나왔습니다. 하나는 센서에서 1m 떨어진 지점이고, 다른 하나는 케이블을 통해 30m 떨어진 지점입니다. 이 두 특징 벡터는 코로나와 표면 클래스 간의 거리보다 더 멀리 떨어져 있었습니다. 케이블의 고주파 손실로 인해 겉보기 상승 시간이 길어지고 스펙트럼 중심이 낮아졌으므로, 멀리 있는 코로나가 표면으로 분류되었습니다. 거리를 고려하지 않은 데이터베이스는 발생원의 물리적 특성과 전파를 구분할 수 없습니다.

문제점 4: 두 개의 소스가 혼합 파형을 생성합니다.

한 패널에서 두 개의 소스가 활성화되면 검출기는 겹치는 펄스를 수신하고 합성 기록의 특징은 두 클래스 사이에 위치하게 됩니다. 이때 단일 레이블 시스템은 펄스마다 레이블을 번갈아 지정하거나 모든 기록을 거부합니다. 현장 사용자는 캡처 자체는 정확하더라도 이러한 불안정성을 장비 오류로 인식합니다.

문제점 5: 실험실 데이터베이스가 전송되지 않습니다.

짧은 실험실 네트워크를 기반으로 구축된 공급업체 데이터베이스가 변전소 장치에 적용되었습니다. 케이블 길이, 커플링 값, 증폭기 이득이 모두 달랐습니다. 특징 분포는 등급 오차 범위보다 몇 배나 변동했고, 시스템은 대부분의 펄스를 잘못 분류했습니다. 이 데이터베이스는 해당 네트워크에는 적합했지만 다른 네트워크로 이전할 수 없었습니다.

4. 설계 단계

전략 1: 체인 전달 함수를 설계 불변 조건으로 고정

정전 용량이 ±30 ppm/°C 이내로 안정하고 손실이 0.1% 미만이며 ESL이 낮은 커플링 커패시터를 선택하십시오. 그러면 차단 주파수 f_c = 1/(2πRC) 및 자기 공진 주파수 f_SR = 1/(2π√(L_ESL·C))가 온도, 수명 및 전압 변화에 관계없이 유지됩니다. 길이가 일치하는 고정 케이블과 교정된 증폭기를 사용하고, 모든 시운전 및 유지보수 시에 전체 시스템 응답을 재검증하십시오.

전략 2: 소스와 경로 간의 모호성을 제거합니다.

두 개 이상의 센서에서 측정된 도착 시간 차이를 이용하여 음원 거리를 추정합니다. 해당 경로의 알려진 손실 값을 기준으로 스펙트럼 특징을 정규화합니다. 센서가 하나인 경우, 도착 패턴과 반사 기록을 이용하여 거리를 추정하고, 거리를 알 수 없는 펄스는 표시합니다. 거리 구간별로 데이터베이스를 구축하거나, 모든 펄스 지문을 음원 참조 형태로 변환합니다.

전략 3: 형태 기반의 사슬 독립적 특징을 활용합니다.

τ_r/τ_f, 스펙트럼 중심, 고주파 대 저주파 대역 에너지 비율과 같은 비율 및 정규화된 형태를 선호합니다. 이러한 특징은 균일한 이득 변화에도 유지됩니다. 특징 추출 전에 측정된 체인 임펄스 응답을 사용하여 디컨볼루션을 적용하면 소스 펄스 형태가 복원됩니다. 객체 단자에 교정 펄스를 주입하고 온도 변화에 따른 특징 유지 여부를 확인하여 견고성을 검증합니다.

전략 4: 다중 소스 분해 지원

각 펄스에 개별적으로 레이블을 지정하는 대신, 위상 분해 패턴별로 시간에 따른 특징들을 클러스터링합니다. 이렇게 하면 겹치는 소스들이 각각 고유한 레이블을 가진 별개의 클러스터로 분리됩니다. 각 레이블에는 신뢰도 값을 함께 보고하고, 하나의 레이블을 강제로 지정하는 대신 식별되지 않은 결과도 허용합니다. 식별되지 않은 펄스들을 기록해 두는데, 그 수가 증가하면 새로운 소스가 발견되었거나 연쇄 드리프트가 발생했을 가능성이 있기 때문입니다.

전략 5: 현장 조사 결과와 데이터베이스를 대조하여 재검증합니다.

기록된 지문을 부싱 분해 또는 케이블 접합부 교체와 같은 후속 검사 결과와 대조하고, 확인된 사례를 사용하여 클래스 경계를 ​​세분화합니다. 케이블 교체 또는 커넥터 수리 등 하드웨어 변경 후에는 교정 검사를 다시 실행하고 영향을 받는 항목을 재구성합니다. 클래스별 정확도를 지속적으로 보고하여 데이터베이스 유효성 손실을 며칠 내에 확인할 수 있도록 합니다.

전략 6: 체인을 평평하게 유지하는 수동 부품을 선택합니다.

1급 유전체를 사용하십시오. N4700 커플링 소자의 경우, 그 정전 용량이 작동 범위 전체에 걸쳐 일정하기 때문입니다. HVR-BSP 후막 저항기 -55°C에서 +125°C까지 유지되는 비율을 위한 분배기 체인에서 버스를 감지합니다. HVRGHP 샘플링 저항기입력 단계를 보호하십시오. 고속회복 다이오드 과도 전류에 대한 정격 용량을 갖습니다.

구성 요소 매개변수	전형적인 가치	시험 조건
정격 전압(HVCT8G 시리즈)	10 kV DC	60초 동안 1.5배속으로 고전압 가열
정전 용량	4700 pF ±20% (472M)	1MHz, 1V rms
1MHz에서의 ESR	50mΩ 미만	-
루프 인덕턴스(E40 코드)	8nH 이하	단자 간격 40mm
절연 저항	500V DC에서 10GΩ 이상	25°C, 상대습도 60%
온도 범위	−40°C ~ +125°C	IEC 60068-2 시리즈
펄스 dv/dt 기능	50kV/µs 이상	정격 전압에서

5. 재현 가능한 지문 인식을 위한 HVC N4700 커패시터

지문 대조에는 7월과 1월에 동일한 응답을 제공하는 회로가 필요하며, 그 응답은 커플링 커패시터에서 시작됩니다. HVC는 동관에 위치한 6,000m² 규모의 자체 공장에서 1kV에서 150kV에 이르는 다양한 전압 범위의 N4700 Class I 부품을 생산하여 이러한 역할을 수행합니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• TCC가 ±30 ppm/°C 범위 내에 있으면 결합 값과 체인 차단 f_c = 1/(2πRC)가 유지되므로 한 시즌의 기록이 다음 시즌의 기록과 일치합니다.
• ESL이 20 nH 미만인 경우 HVCT8G 도어 손잡이 디스크 형태의 물체는 자체 공진을 PD 대역 위로 밀어냅니다. 이는 스펙트럼 특성을 왜곡하는 추가적인 진동을 제거합니다.
• 정격 전압에서 부분 방전(PD)이 5 pC 미만이므로 데이터베이스의 모든 펄스는 절연에서 발생하며 커플링 부분에서 발생하지 않습니다.
• 100kHz에서 손실률이 0.1% 미만이고 ESR이 10mΩ 미만이므로 높은 펄스율에서 장기간 모니터링을 해도 체인 응답이 안정적으로 유지됩니다.
• 펄스 수명은 10⁶회 이상이며 용량 감소가 없으므로 체인 응답은 시간이 지나도 변하지 않습니다.
• 습도, SF₆ 및 유증기가 존재하는 변전소 및 공장 환경에 대해 96시간 염수 분무 시험을 통과한 3중 코팅 에폭시 캡슐화.

배송 및 지원

표준 부품은 4~8주, 스크리닝 처리된 커플링 세트는 6~10주 내에 배송됩니다. 반면 최고급 브랜드 제품은 20~30주가 소요됩니다. 각 장치는 정격 전압에서의 부분 방전(PD) 기록과 1MHz에서의 정전 용량 기록을 보유하고 있습니다.

결합 값, 대역폭, 케이블 길이 및 현장 온도 범위를 보내주십시오. HVC는 부품 번호, 자체 공진 주파수 및 기타 정보가 포함된 매칭 시트를 반환합니다. 상호 참조 무라타 및 비샤이 부품에 대해 5영업일 이내에 처리해 드립니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: 지문 데이터베이스가 1년 후 더 이상 일치하는 결과를 보여주지 않는 이유는 무엇입니까?

체인이 이동했기 때문입니다. 접촉 저항이 증가하는 커넥터와 손실이 증가하는 커플링 커패시터는 전달 함수를 변화시키고, 모든 특징 벡터는 해당 클래스 마진을 벗어납니다. 방전은 변하지 않습니다. 각 측정 시 체인 응답을 기록하여 불일치를 체인 드리프트로 진단하고, 하드웨어 변경 후 영향을 받는 데이터베이스 항목을 다시 구축하십시오.

Q2: 어떤 특징들이 배출원을 가장 잘 식별합니까?

형상 비율. τ_r/τ_f 쌍, 스펙트럼 중심 f_c ≈ 1/(2π√(τ_r·τ_f)), 그리고 고주파 대 저주파 에너지 비율은 모두 균일한 이득 변화에도 불구하고 유지됩니다. τ_r = 2 ns, τ_f = 10 ns의 코로나 펄스는 112 MHz의 중심 주파수를 가지며, τ_f = 200 ns의 표면 방전은 25 MHz의 중심 주파수를 가집니다. 절대 진폭으로는 아무것도 구분할 수 없습니다.

Q3: 커플링 커패시터가 왜 거짓 특징을 만들어내는가?

ESL이 자체 정전 용량과 공진하기 때문입니다: f_SR = 1/(2π√(L_ESL·C)). 100pF에서 22nH의 용량을 가진 부품은 339MHz에서 공진하여 대역 내에 감쇠 진동을 추가하고, 이 진동이 특징적인 신호를 전달합니다. 스펙트럼 입력을 사용하는 모델은 펄스가 이러한 잡음에 어떻게 부딪히는지에 따라 펄스를 분류하는데, 이는 물리적인 의미는 없습니다.

Q4: 두 퇴원 등급이 얼마나 가까워져야 매칭에 실패합니까?

마진은 특징 분산을 따르며, 이는 체인 드리프트와 전파에 의해 좌우됩니다. 특징 반복성이 ±2%인 체인은 주요 클래스들을 충분한 여유 공간을 두고 분리합니다. 반면, 산포도가 ±15%인 드리프트 체인은 마진을 좁혀 마치 동전 던지기처럼 결과가 나오게 만듭니다. 데이터베이스를 신뢰하기 전에 교정 펄스를 사용하여 반복성을 측정하십시오.

Q5: 하나의 데이터베이스로 여러 변전소를 관리할 수 있습니까?

모든 체인이 일치하는 경우에만 가능합니다. 짧은 실험실 체인을 기반으로 구축된 데이터베이스를 케이블 길이, 커플링 값 및 게인이 다른 장치로 옮기면 특징 분포가 클래스 마진보다 몇 배 더 많이 이동하기 때문에 대부분의 펄스가 잘못 분류됩니다. 각 체인을 보정하거나 체인 응답을 제거하는 소스 참조 특징 세트를 사용하십시오.

Q6: 한 부지에 두 개의 배출원이 있는 경우 어떻게 처리해야 합니까?

시간에 따른 특징들을 위상 분해 패턴별로 클러스터링하고, 각 클러스터에 개별적으로 레이블을 지정합니다. 단일 레이블 모델은 두 소스가 겹칠 경우 레이블을 번갈아 사용하거나 모든 레코드를 거부합니다. 각 레이블에 대한 신뢰도 값을 보고하고, 식별되지 않은 펄스 목록을 유지합니다. 펄스 수가 증가하면 새로운 소스 또는 체인 드리프트가 발생할 수 있기 때문입니다.

7. 참조

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Safety requirements for electrical equipment for measurement, control, and laboratory use — Part 1: General requirements제네바: IEC, 2016.
2. IEC 62271-1:2017, 고전압 개폐기 및 제어기 — 제1부: 교류 개폐기 및 제어기 공통 사양제네바: IEC, 2017.
3. IEC 60384-8:2015, 전자 장비용 고정 커패시터 — 제8부: 세라믹 유전체 고정 커패시터, 1등급제네바: IEC, 2015.
4. IEC 60270:2015, 고전압 시험 기술 — 부분 방전 측정제네바: IEC, 2015.
5. Erickson, RW 및 Maksimović, D., 전력 전자공학의 기초, 3판. Cham: Springer, 2020.
6. 모한, N., 운델란드, TM, 및 로빈스, WP, 전력 전자공학: 컨버터, 응용 분야 및 설계, 3판. 호보켄, 뉴저지: 와일리, 2003.
7. A. Boudiaf, S. Bouazabia, N. Harid 및 ML Amrani, 고전압 케이블 절연체 내부 기체 공동에서의 부분 방전 임계값에 대한 해석적 계산, 전기공학, 제104권, 제2호, 555-565쪽, 2021년. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9
8. 고전압 BME 다층 세라믹 커패시터의 적용 시 고려 사항, KEMET Electronics (CARTS International 2012 Proceedings), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf .
9. 응축기 세라믹 활용도 3kV (C0G/NP0 vs X7R/Y5S 안정성 논의), Retrotechnique 포럼, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. 미국 8,570,711, 다층 세라믹 전자 부품 (1–5 kV MLCC용 아크 방전 억제), 삼성전자, 2013년 특허 등록, https://www.freepatentsonline.com/8570711.html .
11. HVC 애플리케이션 엔지니어링 팀, 고전압 세라믹 커패시터 기술 자료, https://www.hv-caps.com