변압기 오일 내 용존 가스 실시간 모니터링을 위한 고감도 수소센서 및 측정시스템 개발

Abstract

본 논문은 변압기 절연유 내 용존 수소 검출이 가능한 수소센서를 연구한 내용을 담고 있다. 변압기 내부에서는 절연 물질의 노화로 인해 여러 결함들이 일어난다. 그 중 코로나 방전과 같은 부분방전에 의해 수소가 발생하는데 이는 변압기의 성능을 저하시킨다. 따라서 변압기 절연유 내 용존 수소 검출은 필수적이고, 그에 따라 본 논문에서는 변압기 절연유 내부에서의 사용을 목적으로 수소센서를 개발하였다. 개발한 수소센서는 팔라듐 박막 기반의 휘트스톤 브릿지 수소센서이며, 팔라듐 박막의 초기저항 및 팔라듐 박막의 구조, 그리고 휘트스톤 브릿지 구조의 기준저항을 변수로 하여 연구를 진행하였다. 수소센서 실험은 공기 중 측정을 우선적으로 진행하여 특성을 확인한 후 절연유 중에서 측정을 진행하였다. 공기 중에서는 질량 유량 제어기(MFC, mass flow controller)를 이용하여 챔버 내부를 원하는 수소농도로 조성하여 측정하였다. 절연유 중 측정은 수소가 용존되어 있는 절연유 시료를 절연유 측정 챔버에 주입하여 진행하였다. 측정 챔버 및 구성은 자체적으로 제작한 시스템을 사용하였다. 측정결과 팔라듐 박막의 저항이 낮은 센서와 기준저항이 백금인 센서에서 상대적으로 우수한 성능을 나타내었다. 결과적으로 0.0578mV/V/ppm의 감도, 0.9812의 선형성 그리고 90분 이내의 반응시간을 갖는 수소센서를 얻을 수 있었다. 수소센서에는 절연유 온도 측정을 위한 온도 센서도 집적하였다.