GIS 부분 방전: 머신러닝을 이용한 UHF 분류

GIS 부분 방전: 머신러닝을 이용한 UHF 분류

추상

부분 방전은 300MHz에서 3GHz에 이르는 에너지를 가진 1ns 길이의 전류 펄스를 방출합니다. 진폭만으로는 방전을 코로나 방전이나 표면 추적 방전과 구분할 수 없으므로, 펄스 파형, 스펙트럼, 위상 위치를 종합적으로 분석해야 합니다. 이 글에서는 검출 원리, UHF 분류기의 정확도를 떨어뜨리는 다섯 가지 현장 오류, 그리고 실제 변전소 환경에서 정확도를 유지하기 위한 프런트엔드 및 학습 단계를 설명합니다.

1. 소개

고전압 절연체의 부분 방전은 약 1나노초의 상승 시간을 갖는 전류 펄스를 발생시킵니다. 이 펄스의 에너지는 300MHz에서 3GHz에 이르는 UHF 대역으로 퍼집니다. 금속 외함은 이러한 신호를 손실 없이 통과시키며, 기존 측정에서 오류를 일으키는 50Hz 및 60Hz 간섭은 이 대역에 도달하지 않습니다.

센서는 방전을 감지합니다. 하지만 문제는 그 방전의 원인이 무엇인지 파악하는 것입니다. 케이블 연결부의 공극, 부싱의 트래킹, 볼트의 코로나 방전, 부유 입자 등은 각각 고장률과 수리 비용이 다릅니다. 단일 진폭 측정값으로는 이러한 원인들을 구분할 수 없습니다. 진폭이 같더라도 두 결함이 서로 다른 고장일 수 있으며, 같은 결함이라도 거리에 따라 진폭이 다르게 나타날 수 있습니다.

분류는 이러한 문제를 해결합니다. 특징은 펄스 파형, 스펙트럼, 전력 주기 상의 위상 위치에서 추출되며, 머신러닝 모델은 클래스 간의 경계를 학습합니다. 이 모델의 정확도는 커플링 커패시터에서 시작하는 모델 앞의 아날로그 회로의 안정성에 따라 달라집니다.

이 글에서는 UHF 탐지 물리학, 분류기를 무력화시키는 다섯 가지 현장 오류, 그리고 실제 변전소에서 정확도를 유지하기 위한 프런트엔드 및 학습 단계를 설명합니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 PD 펄스 및 그 UHF 스펙트럼

부분방전(PD) 현상은 1ns의 상승 시간과 1ns에서 5ns 사이의 지속 시간을 갖는 전류 펄스를 주입합니다. 가장 높은 유효 주파수는 상승 시간 이후에 나타납니다.

f_max ≈ 0.35 / t_r

여기서 f_max는 최대 유효 주파수(MHz)이고 t_r은 10%에서 90%까지의 상승 시간(ns)입니다. 1ns 펄스는 350MHz에 도달하며 1.5GHz까지 유효 에너지를 유지합니다.

겉보기 전하량 q는 검출된 전류의 적분값입니다.

q = ∫ i(t) dt

여기서 q는 겉보기 전하량(pC)이고 i(t)는 방전 전류(A)입니다. 1m 거리에서 5pC의 방전은 UHF 커플러에서 1mV에서 10mV 사이의 전압을 발생시킵니다. 이 전압 레벨은 우수한 수신기의 잡음 레벨인 -70dB보다 20dB 높습니다.

2.2 프런트엔드 통과대역

커플러와 정합 네트워크는 대역 통과 회로를 형성합니다. 낮은 차단 주파수는 커플링 커패시턴스와 50Ω 입력 임피던스에서 비롯됩니다.

f_c = 1 / (2π · R · C)

여기서 f_c는 MHz 단위의 저대역 차단 주파수, R은 Ω 단위의 입력 임피던스, C는 pF 단위의 커플링 커패시턴스입니다. 10 pF일 때 차단 주파수는 318 MHz입니다. 100 pF일 때는 32 MHz로 떨어져 저대역 노이즈가 더 많이 통과합니다. 커패시턴스가 10% 변동하면 차단 주파수가 30 MHz 이동하고 분류기가 읽는 모든 특징값이 변경됩니다.

2.3 클래스 정보를 담고 있는 특징

시간 영역 특징에는 상승 시간, 하강 시간, 폭 및 최대 진폭이 포함됩니다. 스펙트럼 특징에는 중심 주파수와 300MHz~500MHz 대역과 1GHz~3GHz 대역 사이의 에너지 비율이 포함됩니다. 공극 방전은 공동에 의해 감쇠되므로 날카로운 코로나 펄스보다 고대역 에너지가 적습니다.

위상 특징은 전력 주기상의 위치를 ​​이용합니다. 코로나 방전은 전압 피크 근처에 집중되고, 표면 방전은 영점 교차점을 중심으로 발생하며, 공극 방전은 두 반주기 모두에서 반복됩니다. 이러한 특징들은 펄스당 하나의 벡터를 형성하며, 서포트 벡터 머신, 랜덤 포레스트 또는 소규모 신경망이 레이블이 지정된 데이터로부터 클래스 경계를 ​​학습합니다.

2.4 왜 부실한 프런트엔드가 모델의 발목을 잡는가

모든 분류기는 훈련 데이터 세트의 특징 분포를 가정합니다. 하지만 커플링 커패시터의 드리프트, 증폭기의 성능 저하, 또는 접촉 저항이 증가하는 커넥터는 이러한 분포를 변화시켜 모델이 잘못 분류하게 만듭니다. 또한 500pC 펄스에서 포화되는 프런트 엔드는 모델이 익숙하지 않은 펄스 모양을 읽을 때 피크 특징을 잘라냅니다.

커플링 커패시터는 체인 차단 주파수와 프런트 엔드의 노이즈 플로어를 결정합니다. 이 커패시터의 안정성, 손실률, 그리고 자체 방전 수준은 분류 정확도의 상한선을 결정하며, 아무리 많은 훈련 데이터도 아날로그 체인에서 제거된 정보를 복구할 수는 없습니다.

그림 1 — 2%의 결측치와 318MHz에서 250MHz로의 10% 커플링 드리프트로 인한 클래스 불균형은 모든 특징을 훈련 마진 범위 밖으로 이동시킵니다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 외부 과도 현상이 학습 데이터 세트에 유입됨

사이리스터 정류, 차단기 작동 및 무선 트래픽은 부분 방전 펄스처럼 보이는 UHF 과도 현상을 발생시킵니다. 한 케이블 모니터링 시스템에서는 3개월 동안 발생한 경보의 70%가 외부 스위칭에서 비롯되었습니다. 이러한 기록으로 학습된 모델은 물리적 의미가 없는 네 번째 클래스를 학습하게 되고, 경보 목록의 가치가 떨어집니다.

두 번째 문제점: 거리가 수업 방식을 뒤바꾼다

케이블은 저주파수보다 고주파수를 더 빠르게 감쇠시킵니다. 1m 거리에서 포착된 공극 펄스는 고대역 에너지를 유지하므로 공극으로 분류됩니다. 그러나 동일한 펄스가 20m 거리에서 도달하면 늘어나고 중심이 낮아져 표면 방전으로 분류됩니다. 거리에 구애받지 않는 모델의 정확도는 결함 자체에는 변화가 없더라도 소스가 멀어질수록 20%에서 30%까지 떨어집니다.

문제점 3: 커플링 드리프트로 인해 통과 대역이 이동합니다.

온도 계수가 느슨한 범용 고전압 커패시터는 추운 아침과 더운 오후 사이에 차단 주파수를 수십 MHz만큼 변화시킵니다. 동일한 방전이 발생하면 서로 다른 특징 벡터가 생성되고, 정확도는 날씨 변화를 따라갑니다. 연구진은 모델을 재학습시키지만, 실제 원인은 커플링 부품에 있습니다.

문제점 4: 클래스 불균형이 위험한 결함을 숨기고 있다

실제 항공기 운항 환경에서 코로나 방전은 펄스의 80%에서 흔하게 발생하고, 공극(void)은 2%에서 드물게 발생합니다. 원시 클래스 빈도 데이터로 학습된 모델은 코로나 방전 감지에는 우수하지만 공극 감지에는 부적합합니다. 보고서에 따르면 전체 정확도는 96%이지만, 고장 위험이 가장 높은 결함 유형을 대부분의 기회에서 감지하지 못하는 것으로 나타났습니다.

문제점 5: 두 개의 소스가 단일 레이블 모델을 무력화시킵니다.

개폐 패널에는 방전 지점이 하나만 있는 경우는 드뭅니다. 부유 입자 추적과 표면 추적이 동시에 진행될 때, 센서는 겹치는 펄스를 수신하고 특징 벡터는 두 클래스 사이에 위치하게 됩니다. 단일 레이블 모델은 레이블을 번갈아 지정하거나 펄스를 거부합니다. 위상별 클러스터링은 두 소스를 각각 독립적으로 레이블링할 수 있는 그룹으로 분리합니다.

4. 설계 단계

전략 1: 사슬 전달 함수를 안정적으로 유지

결합 정전 용량을 -25°C ~ +85°C 범위에서 ±2% 이내로 명시하십시오. Class I 유전체(예: N4700 ±30 ppm/°C를 유지하므로 차단 주파수 f_c = 1/(2πRC)는 고정되고 특성은 주변 온도에 따라 움직이지 않습니다.

전략 2: 연결 부위의 부분 방전을 검사합니다.

모든 커플링 유닛의 정격 전압에서 부분 방전(PD)이 5 pC 이하이어야 합니다. 20 pC 이상의 방전이 발생하는 부품은 시스템이 모니터링하는 동일 대역에 잘못된 펄스를 발생시켜, 이러한 기록이 학습 데이터 세트에 노이즈로 포함됩니다. 제품 납품 시 부분 방전 시험 보고서를 요청하십시오.

전략 3: 분류 전에 게이트 및 노이즈 제거

수신기를 전력 주파수 위상에 맞춰 게이트하십시오. 보이드 펄스는 사이클의 임의 지점에 도달하고, 코로나는 전압 피크 근처에서 집중되며, 스위칭 과도 현상은 차단기 명령 후에 발생합니다. 1ns 펄스 모양에 맞춰 조정된 웨이블릿 잡음 제거는 광대역 간섭을 제거하고 펄스 특징을 유지합니다. 거부된 펄스 로그를 작성하고 매달 검토하십시오. 거부율이 증가하는 것은 차단기 작동을 나타냅니다.

전략 4: 모델에 거리 인식 기능을 추가하십시오.

두 개 이상의 센서에서 신호가 도달하는 시간을 이용하여 음원의 거리를 추정하고, 그 값을 모델의 특징으로 입력합니다. 10m RG58 케이블을 사용하여 350MHz 주파수에서 20m 거리를 전송할 경우 1dB에서 3dB의 신호 손실이 발생하며, 주파수가 높아질수록 손실도 증가합니다. 센서 바로 옆뿐만 아니라 1m, 10m, 30m 거리에서도 데이터를 추출하여 정확도를 검증합니다.

전략 5: 위험도를 기준으로 수업의 균형을 맞춘다

각 클래스의 재현율이 위험 목표치를 충족할 때까지 공극 및 부유 입자 클래스를 과표집하십시오. 모니터링 대시보드에 클래스별 정밀도와 재현율을 보고하고, 현장 확인 결과를 바탕으로 경보 임계값을 설정하십시오. 단일 정확도 수치는 클래스 블라인드를 숨길 수 있습니다.

전략 6: 보정 경로 및 두 번째 검사 추가

센서에 알려진 5 pC 교정 펄스를 하루에 한 번 주입하고 해당 기록을 기준으로 특징을 정규화합니다. 이 방법은 전체 체인의 느린 드리프트를 제거합니다. 각 클러스터 레이블에 신뢰도 값을 표시하고, 변경 작업을 수행하기 전에 사람의 확인을 요구합니다. 전하 정류기를 장착합니다. 고속회복 다이오드 그리고 버스 전류를 감지합니다. HVRGHP 샘플링 저항기따라서 획득 트리거는 1 GS/s에서 깨끗하게 유지됩니다.

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. UHF 프런트 엔드용 HVC N4700 커패시터

이 회로는 커플러에서 디지털 변환기로 연결되며, 커플링 커패시터는 디지털 변환기의 입력단에 위치합니다. 회로의 안정성은 커패시터의 온도 계수와 부품 자체의 방전 수준이라는 두 가지 요소에 의해 결정됩니다. HVC는 동관에 위치한 6,000m² 규모의 자체 공장에서 1kV에서 150kV에 이르는 다양한 전압 범위의 N4700 부품을 생산합니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• ±30 ppm/°C의 TCC는 −25 °C ~ +85 °C 범위에서 차단값 f_c = 1/(2πRC)를 유지하므로 1월의 특징 벡터는 7월의 특징 벡터와 일치합니다.
• 정격 전압의 1.5배에서 부분 방전(PD)이 5pC 미만입니다. 차폐 부품은 시스템이 감시하는 대역에 허위 펄스를 추가하지 않으므로 기록 세트가 깨끗하게 유지됩니다.
• 100kHz에서 ESR은 10mΩ 미만입니다. 이 부품은 300MHz에서 1GHz까지 측정 가능한 손실을 추가하지 않으며, 10kHz 펄스 속도에서 자체 발열이 없습니다.
• ESL이 20 nH 미만입니다. HVCT8G 및 HVCT9G 물체가 자체 공진을 대역 위로 밀어내므로 통과 대역 내에 노치가 발생하지 않고 중심 특징이 유효하게 유지됩니다.
• 펄스 수명은 10⁶회 이상이며 정전 용량 감소가 없으므로 체인 교정은 설치 수명 동안 유지됩니다.
• 조정된 부품. HVR-BSP 후막 저항기 또한 분압기, 바이어스 네트워크 및 정류기 단계의 커플링 커패시터와 함께 빠른 복구가 가능한 고전압 다이오드를 선택할 수 있습니다.

배송 및 지원

표준 부품은 4~8주, 선별된 커플링 세트는 6~10주 내에 배송됩니다. 이는 최고급 브랜드 제품의 경우 20~30주가 소요되는 것과 비교됩니다. 각 제품에는 부분방전(PD) 테스트 기록과 1MHz에서의 정전 용량 기록이 포함되어 있습니다.

주파수 대역, 커플링 값, 센서 종류 및 현장 온도 범위를 전송하십시오. HVC는 부품 번호, 정격 전압에서의 부분 방전(PD) 데이터, 100kHz에서의 등가 직렬 저항(ESR) 및 기타 정보가 포함된 매칭 시트를 반환합니다. 상호 참조 무라타 및 비샤이 부품에 대해 5영업일 이내에 처리해 드립니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: UHF 분류기가 몇 달 후 정확도가 떨어지는 이유는 무엇입니까?

아날로그 프런트 엔드가 이동했기 때문입니다. 온도 계수가 느슨한 커플링 커패시터는 차단 주파수 f_c = 1/(2πRC)를 수십 MHz만큼 이동시키고, 접촉 저항이 증가하는 커넥터는 손실을 추가합니다. 그러면 모든 기능이 학습 클래스의 마진 범위를 벗어나게 됩니다. 각 측정 시 체인 응답을 기록하고 시운전 기록과 비교하십시오.

Q2: 300MHz에서 3GHz 대역 전체가 필요한가요?

항상 그런 것은 아니며, 그에 따른 보상은 잡음입니다. 300MHz에서 1.5GHz 사이의 주파수 범위는 1ns 펄스의 에너지를 포함하며 대부분의 이동 무선 통신을 차단합니다. 하지만 좁은 주파수 범위는 중심 특징의 해상도를 떨어뜨리고 공극과 표면 방전 사이의 구분을 약화시킵니다. 주파수 범위는 데이터시트가 아닌 현장 간섭 조사 결과를 바탕으로 선택해야 합니다.

Q3: 외부 과도 현상이 학습 데이터 세트에 유입되는 것을 어떻게 막을 수 있나요?

수신기를 전력 주파수 위상으로 게이팅하고, 1ns 펄스 파형에 맞는 웨이블릿으로 노이즈를 제거한 후, 두 센서의 도착 시간을 합산합니다. 스위칭 과도 현상은 공극 방전과는 다른 타이밍 패턴으로 나타납니다. 거부된 펄스 로그를 유지하십시오. 거부율이 증가하면 해당 현장에서 차단기 작동이 발생하고 있음을 나타냅니다.

Q4: 어떤 커플링 커패시턴스를 지정해야 합니까?

필요한 낮은 차단 주파수(f_c = 1/(2πRC), 50Ω)에서 설정하십시오. 100pF 소자는 32MHz의 주파수 응답을 제공하고 저대역 잡음을 더 많이 통과시키는 반면, 10pF 소자는 318MHz의 주파수 응답을 제공하지만 저주파수 대역의 잔여 부분이 손실됩니다. 대부분의 UHF 프런트 엔드는 10pF에서 100pF 사이의 용량을 사용하며, 온도 변화에 따른 값 유지를 위해 Class I 유전체를 사용합니다.

Q5: 모델이 96%의 정확도를 보고하면서도 공백을 놓치는 이유는 무엇입니까?

정확도는 공통 클래스에 의해 좌우되기 때문입니다. 예를 들어, 펄스의 80%가 코로나이고 2%가 보이드인 경우, 매번 코로나라고 응답하는 모델은 80%의 정확도를 보이고 보이드는 전혀 감지하지 못합니다. 보이드와 부유 입자 클래스에 대한 재현율을 보고하고, 각 재현율이 위험 목표치를 충족할 때까지 해당 클래스를 과표본화합니다.

Q6: 현장에서 두 개의 방전원을 분리할 수 있습니까?

네, 시간 경과에 따른 클러스터링을 하고 개별 펄스를 개별적으로 분류하는 것을 중단하면 가능합니다. 부유 입자에서 얻은 위상 분해 패턴과 표면 추적에서 얻은 패턴은 특징 공간의 서로 다른 영역을 차지하므로 클러스터가 분리됩니다. 각 클러스터에 신뢰도 값을 표시하고, 파괴적인 조치를 취하기 전에 검사 결과를 요구하십시오.

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