The acetylene gas generated within transformers is a hazardous gas that can imply the risk of explosion even at low concentrations. This research aims to develop a metal oxide semiconductor-based acetylene gas sensor optimized for condition monitoring of power transformers. Existing acetylene gas sensors are developed considering the ambient air environment (21% oxygen) and are unsuitable for transformer applications, highlighting the need for sensors optimized for transformer environments.
To overcome the limitations of previous research, this dissertation employs two main approaches. In Chapter 2, the sensor's performance was validated by establishing a material composition that achieves selectivity for coexisting gases at high concentrations (hundreds of ppm) within power transformers while detecting low concentrations of acetylene gas (1-10 ppm) in the transformer environment (2% oxygen). The sensor's operating temperature and stability were also considered. In Chapter 3, two different sensing platforms were utilized to compare and evaluate the gas sensing characteristics of acetylene, observing variations based on platform differences. The sensing platforms were integrated into a probe-type sensing module, designed and fabricated for easy insertion into transformers, and the sensing performance was evaluated by detecting dissolved acetylene gas in actual transformer oil using a transformer simulator. This research provides insights into the detection of dissolved acetylene gas in transformer oil using the developed sensor and establishes a foundation for the practical application of high-performance acetylene gas sensors in condition monitoring of power transformers.
변압기 내 발생하는 아세틸렌 가스는 낮은 농도만으로도 폭발 가능성을 암시할 수 있는 위험한 가스이다. 이 연구는 전력용 변압기 상태 진단에 최적화된 금속산화물 반도체식 아세틸렌 가스 센서를 연구 개발하는 것을 목표로 한다. 기존 아세틸렌 가스 센서는 공기 중 환경(21% 산소)을 고려하여 개발되어 변압기 내 적용은 적합하지 않으므로 변압기 환경에 최적화된 센서의 개발이 필요하다.
본 학위 논문에서는 이전 연구의 한계를 극복하기 위해 두 가지 주요 접근 방식을 사용하였다. 2장에서는 센서 성능을 검증하기 위해 전력용 변압기 내에서 고농도(수백 ppm)로 공존하는 타가스들에 대한 선택성을 확보하면서 낮은 농도의 아세틸렌 가스(1~10 ppm)를 변압기 내 환경(2% 산소)에서 감지할 수 있는 센서 소재의 조성을 도출하였다. 이때, 센서의 작동 온도 및 안정성을 함께 고려하였다. 3장에서는 두 가지 다른 센싱 플랫폼을 사용하여 아세틸렌의 가스 감지 특성을 비교 및 평가하여, 플랫폼 차이에 따른 변화를 관찰하였다. 센싱 플랫폼은 프로브형 센싱 모듈에 통합되어 변압기에 실제로 삽입하기 용이한 구조로 설계 및 제작하였고, 변압기 모사장치를 이용하여 실제 변압기 오일에 용존되어 있는 아세틸렌 가스의 감지 특성을 평가하였다. 본 연구는 센서를 적용하여 변압기 오일 내에 용존되어 있는 아세틸렌 가스 감지에 대한 통찰력을 제시하며, 전력용 변압기 진단에 적용 가능한 고성능 아세틸렌 가스 센서의 실적용을 위한 기반을 제공한다.
