[기고] UHF 부분 방전 온라인 모니터링 시스템을 위한 프런트 엔드 설계 방법

[테크월드뉴스=이재민 기자] 이 글에서는 극초단파(UHF) 부분 방전 온라인 모니터링 시스템용으로 아나로그디바이스(ADI)의 신호 체인을 활용한 RF 프런트 엔드 설계 방법에 대해 설명한다. 이 프런트 엔드는 우수한 감도와 높은 동적 범위로 중국 산업 표준 Q/GDW11059.8-2013 ‘전기 설비의 통전 테스트 장치에 대한 기술 규격 8부: 극초단파 부분 방전 검출기의 기술 규격’에 제시된 국가 전력망 공사의 기술 요건을 매우 여유 있게 충족한다.

IEC 60270 표준에 따르면 부분 방전(partial discharge, PD)이란 두 전도성 전극 사이의 간극을 완전히 메우지 않는 절연물의 국부적인 영역에서 발생하는 전기 방전을 말한다. 일반적으로 PD는 전력망 내 전기 시설의 전기 절연 열화를 나타내는 최적의 조기 경보 지표로 간주된다.

PD가 일어나면 넓은 주파수 범위를 가진 신호를 발생하는데, 이에 따라 서로 다른 주파수 범위를 대상으로 하는 4가지 PD 검출 기법이 존재한다. 초음파 검출 기법은 20~200㎑ 범위에 초점을 맞추고, 고주파 전류 트랜스포머(HFCT) 검출 기법은 3~30㎒, 과도 접지 전압(TEV) 검출 기법은 3~100㎒, 극초단파(UHF) 검출 기법은 300~1500㎒ 주파수 범위에 각각 초점을 맞춘다. UHF 기법은 검출 감도가 우수하기 때문에 가스 절연 개폐장치(GIS), 트랜스포머 및 링 본체(RMU)의 PD 온라인 모니터링 시스템에 널리 사용된다.

PD 신호 분석

Q/GDW11282-2014 표준 ‘가스 절연 금속 밀폐형 개폐장치의 부분 방전 UHF 커플러에 대한 현장 검사 규격’ 섹션 7.1에 따르면, 표준 PD 신호 발생기는 펄스 상승 시간이 300㎰ 이하이며 펄스 폭이 10~500㎱ 사이인 PD 펄스 신호를 생성할 수 있다. 그런 다음 이 정보는 파이썬에서 PD 시뮬레이션 신호를 생성하는 데 사용된다. 상승 시간은 300㎰이고 하강 시간은 10㎱이다. 펄스 신호 피크 진폭은 100㎷고, 피크-피크 잡음은 10㎷다. 샘플링 속도는 10GSPS이고 샘플링 시간은 10㎲다. 펄스는 샘플링 시간의 중간에 놓이고, 상승 파형과 하강 파형은 모두 선형성을 띈다.

시뮬레이션된 PD 신호의 시간 영역 파형은 [그림 1]에 나와 있으며, 주파수 영역 파형은 [그림 2]에 나와 있다. [그림 2]에 따르면, 가장 에너지가 많은 PD 신호는 1㎓ 미만의 주파수 범위 내에 있다. 펄스 상승 시간이 300㎰ 미만인 경우 에너지가 많을수록 더 높은 주파수에 위치한다.

[표 1]의 하위 대역 구분에 기초해 우리는 [그림 2]에 보이는 PD 신호 스펙트럼의 해당 주파수 성분만 유지한 다음, 역 고속 푸리에 변환(IFFT)을 수행해 해당 필터링 후 시간 영역 파형이 어떻게 나타나는지 알아볼 것이다. 시간 영역 파형 포스트 필터링은 [그림 3]에서 볼 수 있다. [그림 3]에 따르면 필터링 후에는 PD 펄스 피크 값이 감소한다. 필터링 후에는 PD 펄스 상승 시간이 증가하고, 하강 시간은 감소한다. 필터링 후의 모든 파형 중에서 전체 대역이 가장 큰 피크 값을 가지며, 그 다음으로 대역 제거 대역 및 저역 통과 대역 값이 뒤따른다. 고역 통과 대역은 가장 작은 피크 값을 갖지만, PD 펄스를 여전히 캡처할 수 있다.

▲ [표 1] 일반적인 UHF PD 하위 대역 구분 체계

오늘날의 복잡한 전자기 환경에서는 작동 주파수 범위가 300~1500㎒인 UHF PD 사이에 많은 무선 간섭 신호들이 존재한다. 이런 간섭을 제거하기 위해 사용자는 일반적으로 300㎒~1.5㎓ 내에서 하위 대역을 선택해 PD 펄스를 캡처한다. 보통 약 900㎒의 GSM용 무선 통신 신호가 가장 큰 간섭 신호일 것이다. 이런 문제에 대한 한 가지 해결책은 800~1000㎒의 신호를 제거하는 대역 제거 필터(BRF)를 구현하는 것이다. 일반적인 하위 대역 구분 체계는 [표 1]에 나와 있다. 물론 하위 대역 구분은 유연하므로 실제 전자기 환경에 따라 조정할 수 있다.

ADI 신호 체인을 사용하는 UHF PD 검출 RF 프런트 엔드

ADI의 신호 체인을 사용하면 4개 채널이 있는 UHF PD 검출 RF 프런트 엔드 보드를 개발할 수 있다. 이런 보드의 예시와 블록 다이어그램은 [그림 4]에 나와 있으며, 보드 전면은 [그림 5]에서 확인할 수 있다.

이 프런트 엔드를 개발하는 첫 번째 단계에 ADL5611 RF 이득 블록이 관련된다. ADL5611은 2.1㏈의 낮은 잡음 지수(NF)와 21㏈m의 높은 P1㏈를 갖고 있어 높은 동적 범위를 제공한다. ADL5611은 22㏈의 이득을 가지며, 300~1500㎒의 UHF PD 동작 주파수에서 0.4㏈ 미만의 이득 리플로 이득 평탄도는 매우 평탄하다. 이 모든 특성들로 인해 ADL5611은 UHF PD 검출 애플리케이션에 매우 적합하다.

두 번째 개발 단계는 약 300~1500㎒의 대역 통과 필터(BPF)를 기반으로 하는 인덕터와 커패시터를 포함하며, 이 단계는 대역 외 간섭 제거 기능을 제공한다.

세 번째 단계는 2개의 SP4T(single-pole, four throw) RF HMC7992 스위치를 사용해 주파수 대역 선택 회로를 구현한다. 첫 번째 RF 경로는 DC-800MHz 저역 통과 경로고, 두 번째 RF 경로는 1㎓ 고역 통과 경로, 세 번째 경로는 800㎒~1㎓ 대역 제거 경로, 네 번째 경로는 직접 통과 경로다. 다양한 RF 경로 선택에 따라 다른 RF 주파수 대역을 선택해 간섭 없이 또는 간섭을 최소화해 주파수 대역 내에서 PD 펄스를 캡처할 수 있다. HMC7992는 0.6㏈의 낮은 삽입 손실, 45㏈의 높은 절연 및 33㏈m의 높은 P0.1㏈를 갖는다.

네 번째 단계는 300~1500㎒ BPF로, 이는 두 번째 단계에서 사용되는 BPF와 동일하며 대역 외 간섭 제거를 추가로 제공한다.

마지막 단계는 UHF PD 신호를 수십 ㎒의 저주파 신호로 변환하는 RF 로그 검출기 ADL5513을 포함한다. 이를 통해 샘플링 속도가 40MSPS 또는 65MSPS인 ADC를 사용해 아날로그 PD 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. PD 검출 애플리케이션의 경우 RF 검출기에서 주로 요구되는 특성은 응답 시간과 동적 범위다. ADL5513은 20㎱의 낮은 응답 시간과 80㏈의 높은 동적 범위를 가지고 있어 PD 검출 애플리케이션에 매우 적합하다. RF 로그 검출기 AD8318 또한 PD 검출 애플리케이션에 적합하다. AD8318은 ADL5513에 비해 응답 시간은 더 빠르지만, 동적 범위는 조금 낮다.

테스트 결과

이 보드의 주요 성능을 테스트한 후, 테스트 화면들을 캡처해 [그림 6]에서 [그림 8]까지 실었다. [그림 6]은 직접 통과 경로에서 첫 번째 단계부터 마지막 단계의 ADL5513 입력까지 S-파라미터를 보여준다. 300~1500㎒에 이르는 전체 대역에서 이득은 약 14㏈이고 이득 평탄도는 2㏈ 이상이며, 입력 반사 손실은 –8㏈보다 우수하다는 것을 알 수 있다.

[그림 7]은 중간 주파수 900㎒ 연속파 신호의 입력 전력과 측정된 출력 전압을 보여준다. 두 개의 채널은 입력 전력으로 측정한다. 시험 결과에 따르면, 전체 신호 체인은 –75~–5㏈m의 입력 전력 범위에서 선형 응답을 갖는다. 채널 간 성능 또한 일관적이다.

[그림 8]에서는 입력이 900㎒ 연속파 신호로 펄스될 때 측정된 출력 파형을 확인할 수 있다. 신호 전력은 –75㏈m이고 펄스 폭은 5㎲, 펄스 주기는 10㎲다. 이 파형에 따르면, 신호 전력이 –75㏈m 정도로 낮을 때도 출력 신호는 여전히 상당한 신호 대 잡음비를 갖는다.

지금까지 ADI의 신호 체인을 사용해 UHF PD 검출 보드를 구현하는 방법에 대해 살펴봤다. 이 완벽한 레퍼런스 디자인은 복잡한 전자기 환경에서 간섭을 제거할 수 있도록 다양한 주파수 대역을 선택하는 유연성을 제공한다. 또한 중국의 Q/GDW11059.8-2013 표준을 만족한다.

글 : 반 양(Van Yang), 멩 왕(Meng Wang), 랜스 우(Lance Wu), 아론 허(Aaron He) RF 제품 AE

자료제공 : 아나로그디바이스(www.analog.com)