KR100728762B1 - 고압회전기기의 부분방전 및 층간단락 온라인 모니터링 시스템 - Google Patents

고압회전기기의 부분방전 및 층간단락 온라인 모니터링 시스템 Download PDF

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KR100728762B1
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정석윤
마복렬
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주식회사 대덕시스템
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Abstract

본 발명은 고압회전기기에 사용된 회전자의 층간단락 여부와 고정자의 부분방전 발생 여부를 고압회전기기가 운전되고 있는 상태에서 연속적으로 모니터링할 수 있는 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템에 관한 것으로, 발전기 고정자에 설치되어 회전자 권선의 층간단락 여부를 감지하는 층간단락 감지센서; 발전기의 고정자 또는 발전기 및 고압전동기의 출력 단자측의 각 상에 설치되어 고정자 권선의 부분방전 여부를 감지하는 부분방전 감지센서; 상기 층간단락 감지센서 및 부분방전 감지센서로부터 검출된 감지신호를 동축케이블을 통해 취득하여 감시 및 분석에 필요한 데이터로 변환하는 제 1 및 제 2 데이터 수집장치; 상기 데이터 수집장치로부터의 부분방전 및 층간단락 발생 신호를 통신회선을 통해 취합하여 표시 및 외부로 전송하는 서버를 포함한다.

Description

고압회전기기의 부분방전 및 층간단락 온라인 모니터링 시스템{SYSTEM FOR MONITORING PARTIAL DISCHARGE AND INTER LAYER SHORT OF HIGH VOLTAGE CIRCULATOR BY ON LINE}
도 1은 본 발명에 따른 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 적용되는 접촉식 및 비접촉식 센서의 설치예를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 적용되는 제 1 DAQ를 구체적으로 나타내는 블록도.
도 4는 본 발명에 적용되는 제 2 DAQ를 구체적으로 나타내는 블록도.
도 5는 본 발명에 따라 서버 및 사용자 컴퓨터에 표시되는 부분방전 및 층간단락 발생을 나타내는 화면의 일예를 나타내는 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110 : 회전자 120 : 고정자
121 : 층간단락 감지센서 122 : 부분방전 감지센서
150 : 동축케이블 200 : 데이터 수집장치
250 : 통신회선 300 : 서버
310 : 사용자 컴퓨터
본 발명은 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전기 및 전동기 등을 포함하는 고압회전기기에 사용된 회전자의 층간단락 여부와 고정자의 부분방전 발생 여부를 고압회전기기가 운전되고 있는 상태에서 연속적으로 모니터링할 수 있는 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전기에너지를 이용하여 역학적 에너지(기계적 움직임)를 만드는 전동기(Motor)와, 역학적 에너지를 이용하여 전기에너지를 만드는 발전기 등을 포함하는 고압회전기기는 고정자(Stator) 코어 내에 회전 가능하게 장착된 회전자(Rotor)를 구비한다.
최근에는 전력수요의 증가와 더불어 고압회전기기가 대용량화 및 초고압화되고 있으며, 대용량화된 고압회전기기가 장시간 운전됨에 따라 회전자의 층간단락 및 고정자의 부분방전이 심화될 경우에는, 고압회전기기의 정지의 원인이 될 뿐만 아니라 많은 복구비용과 장기간의 정비기간이 소요되기 때문에, 고압회전기기의 회전자에 의한 층간단락과 고정자에 의한 부분방전 발생 사고를 사전에 예방하기 위한 필요성이 증가하고 있다.
즉, 고압회전기기의 장시간 운전에 따른 열화로 인해 발생하는 돌발적인 운전정지는 막대한 지장을 초래하므로, 이와 같은 돌발적인 운전정지 등의 사태를 방지하기 위하여 고압회전기기의 실시간 예방진단이 필요하다.
한편, 종래의 고압회전기기의 진단에는 절연저항 시험, 성극지수 시험, 교류전류 시험 및 부분방전 시험 등이 이용되는데, 이와 같이 고압회전기기의 회전자의 층간단락 및 고정자의 부분방전 발생 여부를 진단하기 위해서는 반드시 고압회전기기를 정지시켜야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 발전기 및 전동기 등을 포함하는 고압회전기기에 사용된 회전자의 층간단락 신호와 고정자의 부분방전 신호를, 고압회전기기가 운전되고 있는 상태에서 실시간으로 모니터링하여 고압회전기기의 고장 가능성을 사전에 감시할 수 있는 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템은, 발전기 고정자(120)에 설치되어 회전자(110) 권선의 층간단락 여부를 감지하는 층간단락 감지센서(121); 발전기의 고정자(120) 또는 발전기 및 고압전동기의 출력 단자측의 각 상에 설치되어 고정자(120) 권선의 부분방전 여부를 감지하는 부분방전 감지센서(122); 상기 층간단락 감지센서(121) 및 부분방전 감지센서(122)로부터 검출된 감지신호를 동축케이블(150)을 통해 취득하여 감시 및 분석에 필요한 데이터로 변환하는 제 1 및 제 2 데이터 수집장치(210, 220); 상기 제 1 및 제 2 데이터 수집장치(210, 220)로부터의 부분방전 및 층간단락 발생 신호를 통신회선(250)을 통해 취합하여 표시 및 외부로 전송하는 서버(300)를 포함하되, 상기 제 2 데이터 수집장치(220)는, 상기 층간단락 감지센서(121)로부터의 미약한 출력신호를 왜곡없이 정확하게 분석할 수 있도록 상기 출력신호의 형태 및 특성을 변환시키는 신호조절기(221)와, 상기 신호조절기(221)로부터 변환된 층간단락 신호의 크기를 증폭하여 신호의 크기 감쇄를 보정하는 프리 앰프(222)와, 상기 프리 앰프(222)로부터 보정된 층간단락 신호를 디지털 데이터로 변환하는 A/D 컨버터(223)와, 상기 제 2 데이터 수집장치(220)의 내부 기능을 전체적으로 제어하는 제 2 CPU(224)와, 상기 장치들(221 ~ 224)을 통해 분석된 층간단락 신호를 TCP/IP, RS-232 및 RS-422 통신방식 중 어느 한 방식을 이용하여 외부로 전송하는 통신부(225)를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템의 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 적용되는 접촉식 및 비접촉식 센서의 설치예를 나타내는 도면이다.
또한, 도 3은 본 발명에 적용되는 제 1 DAQ를 구체적으로 나타내는 블록도이고, 도 4는 본 발명에 적용되는 제 2 DAQ를 구체적으로 나타내는 블록도이다.
또, 도 5는 본 발명에 따라 서버 및 사용자 컴퓨터에 표시되는 부분방전 및 층간단락 발생을 나타내는 화면의 일예를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템은 회전자(110), 고정자(120), 층간단락 감지센서(121), 부분방전 감지센서(122), 동축케이블(150), 데이터 수집장치(200), 통신회선(250), 서버(300) 및 사용자 컴퓨터(310)를 포함한다.
구체적으로, 층간단락 감지센서(121)는 발전기의 고정자(120)에 설치되어 회전자(110) 권선의 층간단락 여부를 감지할 수 있는 신호를 검출한다.
부분방전 감지센서(122)는 발전기의 고정자(120) 또는 발전기 및 고압전동기의 출력 단자측에 설치되어 고정자(120) 권선의 부분방전 여부를 감지할 수 있는 신호를 검출한다.
즉, 상기 부분방전 감지센서(122)는 EMC(Epoxy Mica Coupler) 센서로서, 발전기 및 전동기 등을 포함하는 고압회전기기의 고압 AC 전원 입력단의 각 상(3상 전원)당 1개 또는 2개씩 직접 연결되어, 고압 전원연결선으로부터 흘러나오는 고압회전기기의 부분방전 신호만을 추출한다.
이때, 상기 부분방전 감지센서(122)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 발전기 및 고압전동기의 출력 단자측에 연결되어 발전기 및 고압전동기 고정자의 어느 곳에서 부분방전이 발생하든 쉽게 부분방전 신호를 감지할 수 있는 접촉식(EMC)과, 고정자(120)에 직접 연결되어 사용상 안전한 비접촉식(SSC) 방전센서를 사용한다.
데이터 수집장치(200, Data Aquisition; DAQ)는 제 1 DAQ(210) 및 제 2 DAQ(220)로 구성되며, 동축케이블(150)을 통해 부분방전 감지센서(122) 및 층간단락 감지센서(121)로부터 검출된 신호를 취득하여, 감시 및 분석에 필요한 데이터로 변환한다.
구체적으로, 제 1 DAQ(210)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 부분방전 감지센서(122)로부터 검출된 신호를 취득하는 데이터 수집장치로서, 멀티플렉서 & 신호조절기(211), 프리 앰프(212), 필터(213), 펄스형태 분석기(214), 비교부(215), 60Hz 동기화부(216), 제 1 CPU(217), D/A 컨버터(218) 및 출력장치(219)를 포함한다.
즉, 멀티플렉서 & 신호조절기(211)에서, 상기 멀티플렉서(Multiplexer)는 고압회전기기의 전원 입력단의 각 상(3상 전원)에 설치된 부분방전 감지센서(122) 각각의 출력신호를 제 1 DAQ(210)에서 한 상씩 선택하여 분석할 수 있게 하는 채널 셀렉터로서 기능하며, 신호조절기는 부분방전 감지센서(122)로부터의 미약한 출력신호를 제 1 DAQ(210) 내부에서 신호의 왜곡없이 정확하게 분석할 수 있도록, 상기 출력신호의 형태 및 특성을 변환시킨다.
프리 앰프(212)는 상기 멀티플렉서 & 신호조절기(211)로부터 변환된 부분방전 신호의 크기를 증폭하여 신호의 크기 감쇄를 보정한다.
필터(213)는 상기 프리 앰프(212)를 통해 증폭된 신호 중에서, 필터에서 기설정한 주파수, 즉 1MHz ~ 500MHz 범위에서 분석에 필요한 주파수 특성을 갖는 신호만을 추출한다.
펄스형태 분석기(214)는 상기 필터(213)를 통해 추출된 부분방전 신호와 노이즈 신호를 구분하여 부분방전 신호만을 추출한다.
이때, 비교부(215)는 제 1 DAQ(210) 내의 기준정보와 부분방전 신호를 비교하여 부분방전 신호만을 출력한다.
한편, 60Hz 동기화부(216)은 60Hz의 교류전원을 입력받아 트리거 소자를 이용하여 60Hz 신호를 생성하며, 부분방전 감지센서(122)로부터의 부분방전 신호를 동기화하여 출력한다.
제 1 CPU(217)는 상기 비교부(215) 및 60Hz 동기화부(216)로부터의 신호뿐만 아니라, 제 1 DAQ(210)의 내부 기능을 전체적으로 제어한다.
이때, D/A 컨버터(218)는 펄스형태 분석기(214)로부터의 부분방전 신호를 제 1 DAQ(210) 내의 기준정보와 비교시키기 위해 제 1 CPU(217)로부터의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시킨다.
출력장치(219)는 상기 장치(211 ~ 218)를 통해 분석된 부분방전 발생 신호를 외부로 전송하는 장치로서, LCD 표시부(219a), LED 표시부(219b), 릴레이 접점(219c) 및 통신부(219d)를 포함한다.
구체적으로, LCD 표시부(219a) 및 LED 표시부(219b)는 제 1 DAQ(210) 자체의 부분방전 여부를 LCD 모니터 및 LED를 이용하여 표시하는 장치이고, 릴레이 접점(219c)은 접점(Relay)을 이용하여 부분방전 여부를 표시하는 장치이며, 통신부(219d)은 TCP/IP, RS-232 및 RS-422 통신방식을 통해 제 1 DAQ(210)의 부분방전 신호를 외부로 전송한다.
한편, 제 2 DAQ(220)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 층간단락 감지센서(121)로부터 검출된 신호를 취득하는 데이터 수집장치로서, 신호조절기(221), 프리 앰프(222), A/D 컨버터(223), 제 2 CPU(224) 및 통신부(225)를 포함한다.
신호조절기(221)는 층간단락 감지센서(121)로부터의 미약한 출력신호를 제 2 DAQ(220) 내부에서 신호의 왜곡없이 정확하게 분석할 수 있도록, 상기 출력신호의 형태 및 특성을 변환시킨다.
프리 앰프(222)는 상기 신호조절기(221)로부터 변환된 층간단락 신호의 크기를 증폭하여 신호의 크기 감쇄를 보정한다.
A/D 컨버터(223)는 상기 프리 앰프(222)로부터 보정된 층간단락 신호를 디지털 데이터로 변환한다.
제 2 CPU(224)는 제 2 DAQ(210)의 내부 기능을 전체적으로 제어한다.
통신부(225)는 상기 장치(221 ~ 224)를 통해 분석된 층간단락 신호를 외부로 전송하는 장치로서, TCP/IP, RS-232 및 RS-422 통신방식을 통해 제 2 DAQ(220)의 층간단락 신호를 외부로 전송한다.
따라서, 상기 통신회선(250)은 제 1 DAQ(210)의 통신부(219d) 및 제 2 DAQ(220)의 통신부(225)를 포함하는 개념이다.
서버(300)는 통신회선(250)을 통해 제 1 DAQ(210) 및 제 2 DAQ(220)로 구성된 데이터 수집장치(200)로부터의 부분방전 및 층간단락 발생 신호를 취합하여 각 사무실의 사용자 컴퓨터(310)에 전송한다.
따라서, 사용자 컴퓨터(310)는 층간단락 감지센서(121) 및 부분방전 감지센서(122)로부터 감지된 층간단락 및 부분방전 신호를 데이터 수집장치(200) 및 서버(300)로부터 전달받아, 고압회전기기의 회전자 및 고정자의 층간단락 및 부분방전 여부를 실시간으로 파악할 수 있게 된다.
즉, 서버(300) 및 사용자 컴퓨터(310)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 데이터 수집장치(200)로부터 부분방전 및 층간단락 발생 신호를 전달받아서, 발생된 부분방전의 발생크기(Qm) 및 발생량(NQN), 발생 추이와, 층간단락의 상태, 층간단락 취득 파형 및 단락율을 실시간으로 감지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템에 따르면, 발전기 및 전동기 등을 포함하는 고압회전기기에 사용된 회전자의 층간단락 신호와 고정자의 부분방전 신호를, 고압회전기기가 운전되고 있는 상태에서 실시간으로 모니터링함으로써 고압회전기기의 고장 가능성을 사전에 감시할 수 있 다.
또한, 본 발명에 따르면, 고압회전기기의 절연저하 여부를 발생 초기에 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 고압회전기기의 운전 중 연속적인 상태 감시가 가능하므로 고압회전기기의 불시 고장 및 정지를 예방할 수 있음과 동시에 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

Claims (5)

  1. 고압회전기기의 부분방전 및 층간단락 발생 여부를 온라인으로 모니터링하는 시스템으로서,
    발전기 고정자(120)에 설치되어 회전자(110) 권선의 층간단락 여부를 감지하는 층간단락 감지센서(121);
    발전기의 고정자(120) 또는 발전기 및 고압전동기의 출력 단자측의 각 상에 설치되어 고정자(120) 권선의 부분방전 여부를 감지하는 부분방전 감지센서(122);
    상기 층간단락 감지센서(121) 및 부분방전 감지센서(122)로부터 검출된 감지신호를 동축케이블(150)을 통해 취득하여 감시 및 분석에 필요한 데이터로 변환하는 제 1 및 제 2 데이터 수집장치(210, 220);
    상기 제 1 및 제 2 데이터 수집장치(210, 220)로부터의 부분방전 및 층간단락 발생 신호를 통신회선(250)을 통해 취합하여 표시 및 외부로 전송하는 서버(300)를 포함하되,
    상기 제 2 데이터 수집장치(220)는,
    상기 층간단락 감지센서(121)로부터의 미약한 출력신호를 왜곡없이 정확하게 분석할 수 있도록 상기 출력신호의 형태 및 특성을 변환시키는 신호조절기(221)와,
    상기 신호조절기(221)로부터 변환된 층간단락 신호의 크기를 증폭하여 신호의 크기 감쇄를 보정하는 프리 앰프(222)와,
    상기 프리 앰프(222)로부터 보정된 층간단락 신호를 디지털 데이터로 변환하는 A/D 컨버터(223)와,
    상기 제 2 데이터 수집장치(220)의 내부 기능을 전체적으로 제어하는 제 2 CPU(224)와,
    상기 장치들(221 ~ 224)을 통해 분석된 층간단락 신호를 TCP/IP, RS-232 및 RS-422 통신방식 중 어느 한 방식을 이용하여 외부로 전송하는 통신부(225)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 부분방전 감지센서(122)는 부분방전 신호를 감지할 수 있게 발전기 및 고압전동기의 출력 단자측에 연결되는 접촉식 센서 또는 고정자(120)에 직접 연결되는 비접촉식 센서를 사용하는 것을 특징으로 하는 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템.
  3. 고압회전기기의 부분방전 및 층간단락 발생 여부를 온라인으로 모니터링하는 시스템으로서,
    발전기 고정자(120)에 설치되어 회전자(110) 권선의 층간단락 여부를 감지하는 층간단락 감지센서(121);
    발전기의 고정자(120) 또는 발전기 및 고압전동기의 출력 단자측의 각 상에 설치되어 고정자(120) 권선의 부분방전 여부를 감지하는 부분방전 감지센서(122);
    상기 층간단락 감지센서(121) 및 부분방전 감지센서(122)로부터 검출된 감지신호를 동축케이블(150)을 통해 취득하여 감시 및 분석에 필요한 데이터로 변환하는 제 1 및 제 2 데이터 수집장치(210, 220);
    상기 제 1 및 제 2 데이터 수집장치(210, 220)로부터의 부분방전 및 층간단락 발생 신호를 통신회선(250)을 통해 취합하여 표시 및 외부로 전송하는 서버(300)를 포함하되,
    상기 제 1 데이터 수집장치(210)는,
    상기 각 상에 설치된 부분방전 감지센서(122) 각각의 출력신호를 한 상씩 선택하여 분석할 수 있게 함과 동시에, 상기 부분방전 감지센서(122)로부터의 미약한 출력신호를 신호의 왜곡없이 정확하게 분석할 수 있도록 상기 출력신호의 형태 및 특성을 변환시키는 멀티플렉서 & 신호조절기(211)와,
    상기 멀티플렉서 & 신호조절기(211)로부터 변환된 부분방전 신호의 크기를 증폭하여 신호의 크기 감쇄를 보정하는 프리 앰프(212)와,
    상기 프리 앰프(212)를 통해 증폭된 신호 중에서, 기설정한 주파수 이하의 신호를 통과하지 못하도록 하여 분석에 필요한 주파수 특성을 갖는 신호만을 추출하는 필터(213)와,
    상기 필터(213)를 통해 추출된 부분방전 신호와 노이즈 신호를 구분하여 부분방전 신호만을 추출하는 펄스형태 분석기(214)와,
    상기 제 1 데이터 수집장치(210) 내의 기준정보와 상기 펄스형태 분석기(214)로부터의 부분방전 신호를 비교하여 부분방전 신호만을 출력하는 비교부(215)와,
    상기 부분방전 감지센서(122)로부터의 부분방전 신호를 60Hz 신호로 동기화하여 출력하는 60Hz 동기화부(216)와,
    상기 비교부(215) 및 60Hz 동기화부(216)로부터의 신호와, 제 1 데이터 수집장치(210)의 내부 기능을 전체적으로 제어하는 제 1 CPU(217)와,
    상기 펄스형태 분석기(214)로부터의 부분방전 신호를 제 1 데이터 수집장치(210) 내의 기준정보와 비교시키기 위해 상기 제 1 CPU(217)로부터의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 D/A 컨버터(218)와,
    상기 장치들(211 ~ 218)을 통해 분석된 부분방전 발생 신호를 표시 및 외부로 전송하는 출력장치(219)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 출력장치(219)는,
    상기 부분방전 감지센서(122)로부터 감지된 부분방전 발생 신호를 상기 제 1 데이터 수집장치(210)에 자체 설치된 LCD 모니터 및 LED를 이용하여 표시하는 LCD 표시부(219a) 및 LED 표시부(219b)와, 릴레이 접점을 이용하여 표시하는 릴레이 접점(219c)과, TCP/IP, RS-232 및 RS-422 통신방식 중 어느 한 방식을 이용하여 부분방전 신호를 외부로 전송하는 통신부(219d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압회전기기의 온라인 모니터링 시스템.
  5. 삭제
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