KR101471015B1 - 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법 - Google Patents

수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법 Download PDF

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Abstract

수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법이 개시된다. 상기 방법은, 수냉각 발전기 고정자 권선의 기 정해진 복수의 측정 위치에서 측정된 정전용량 데이터를 입력받는 단계; 상기 측정된 정전용량 데이터에 대한 보정을 수행하는 단계; 보정된 정전용량 데이터를 기초로 방향성 마하라노비스 거리(Directional Mahalanobis Distance; DMD)를 계산하는 단계; 및 상기 방향성 마하라노비스 거리를 기초로 도출한 건전성 지수(Health Index; H.I)를 기 설정된 기준값과 비교하여 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 여부를 판단하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법 {WATER ABSORPTION DIAGNOSIS METHOD FOR WATER-COOLED POWER GENERATOR STATOR WINDING INSULATING MATERIAL}
본 출원은 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법에 관한 것으로서, 특히 절연물의 정전용량을 기반으로 하여 각 측정 위치별 측정 데이터에 대한 통계적 분석과 마하라노비스 거리(Mahalanobis distance) 개념을 이용하여 추출한 건전성 지수를 기초로 절연물의 흡습 여부를 판단할 수 있는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법에 관한 것이다.
수냉각 발전기 고정자 권선의 흡습은 절연물의 절연내력 저하로 발전기 불시정지사고를 발생시켜 경제적으로 막대한 피해를 발생시킬 수 있다.
종래에는 이러한 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습을 판단하기 위해서, 절연물의 각 측정 포인트별 정전용량을 측정하고 이에 따라 흡습 여부를 판단한 후 유지 보수를 수행하였다.
그러나, 이와 같은 종래의 방식은 각각의 권선을 독립적으로 판단하는 것은 가능하나, 측정 데이터에 대한 통계적 처리를 하기에는 충분하지 못하다는 단점이 있다.
따라서, 당해 기술분야에서는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 각 측정 위치별로 측정한 정전용량 데이터에 대한 통계적 처리를 통해 보다 효율적으로 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 여부를 판단 및 관리하기 위한 방안이 요구되고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법을 제공한다. 상기 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법은, 수냉각 발전기 고정자 권선의 기 정해진 복수의 측정 위치에서 측정된 정전용량 데이터를 입력받는 단계; 상기 측정된 정전용량 데이터에 대한 보정을 수행하는 단계; 보정된 정전용량 데이터를 기초로 방향성 마하라노비스 거리(Directional Mahalanobis Distance; DMD)를 계산하는 단계; 및 상기 방향성 마하라노비스 거리를 기초로 도출한 건전성 지수(Health Index; H.I)를 기 설정된 기준값과 비교하여 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 여부를 판단하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 기 정해진 복수의 측정 위치는, 여자기측 상부권선의 상부(CET-TOP), 외측부(CET-OUT) 및 내측부(CET-IN); 여자기측 하부권선의 외측부(CEB-OUT) 및 내측부(CEB-IN); 터빈측 상부권선의 상부(TET-TOP), 외측부(TET-OUT) 및 내측부(TET-IN); 및 터빈측 하부권선의 외측부(TEB-OUT) 및 내측부(TEB-IN)를 포함할 수 있다.
상기 보정을 수행하는 단계는, 상기 측정된 정전용량 데이터가 측정된 정전용량의 평균값 이상인지 여부를 확인하는 단계; 상기 측정된 정전용량 데이터가 상기 정전용량의 평균값을 기준으로 3 사분면에 위치하는 경우 상기 정전용량의 평균값으로 이동시키는 단계; 및 상기 측정된 정전용량 데이터가 상기 정전용량의 평균값을 기준으로 2 또는 4 사분면에 위치하는 경우 X축 또는 Y축으로 투영시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보정을 수행하는 단계 이후에, 상기 측정 위치를 기준으로 상기 보정된 정전용량 데이터를 통합하여 분류하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 건전성 지수는 상기 방향성 마하라노비스 거리의 제곱(H.I=DMD2)으로 도출되고, 상기 흡습 여부를 판단하는 단계는, 상기 건전성 지수가 25 이상인 경우 흡습 판정; 상기 건전성 지수가 20 이상 25 미만인 경우 흡습 위험; 상기 건전성 지수가 15 이상 20 미만인 경우 흡습 경고; 상기 건전성 지수가 10 이상 15 미만인 경우 흡습 주의; 및 상기 건전성 지수가 10 미만인 경우 건전으로 흡습 여부를 판단할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
절연물의 정전용량을 기반으로 하여 각 측정 위치별 측정 데이터에 대한 통계적 분석과 마하라노비스 거리(Mahalanobis distance) 개념을 이용하여 추출한 건전성 지수를 기초로 절연물의 흡습 여부를 판단할 수 있는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법의 흐름도,
도 2는 본 발명이 적용되는 수냉각 발전기 고정자 권선의 일 예를 도시하는 도면,
도 3은 상관계수에 따른 데이터 분포를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 위치별 측정 데이터에 대한 통계적 상관성을 고려하여 측정 위치 기반으로 한 데이터 통합을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 정전용량 데이터와 보정된 데이터의 분포를 도시하는 도면, 그리고
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 획득한 방향성 마하라노비스 거리를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법의 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 우선, 수냉각 발전기 고정자 권선의 각 측정 위치별로 측정된 정전용량 데이터를 입력받는다(S110). 여기서, 정전용량을 측정하는 위치는 수냉각 발전기 고정자 권선의 구조를 고려하여 미리 정해질 수 있으며, 수냉각 발전기 고정자 권선의 형태, 즉 권선의 개수에 따라 측정 위치의 개수가 달라질 수 있다.
이후, 입력받은 정전용량 데이터에 대한 보정을 수행한다(S120). 이는 방향성 마하라노비스 거리(Directional Mahalanobis Distance; DMD)를 계산하기 전에, 입력받은 정전용량 데이터에서 흡습과 관련이 없는 값들을 제거하여 이에 의해 건전성 지수가 결정되는 것을 막기 위한 것이다. 구체적으로, 정전용량 데이터의 보정을 위해, 입력받은 정전용량 데이터가 평균 이상인지 여부를 확인하고(S121), 평균 이하인 경우 평균으로 이동시키거나, 평균축으로 투영시킨다(S122).
이후, 보정된 정전용량 데이터를 기초로 방향성 마하라노비스 거리(DMD)를 계산한다(S130).
이후, 계산된 방향성 마하라노비스 거리를 기초로 도출한 건전성 지수(Health Index)를 기 설정된 기준값과 비교하여 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 여부를 판단한다(S140).
이후, 도 2 내지 도 7을 참조하여, 상술한 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명이 적용되는 수냉각 발전기 고정자 권선의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 수냉각 발전기 고정자 권선은 여자기측(Collector End; CE)(210) 및 터빈측(Turbine End; TE)(220) 권선을 포함하며, 여자기측(210) 및 터빈측(220) 권선은 서로 대칭이다. 또한, 여자기측(210)과 터빈측(220) 권선의 동일한 위치에서 절연물의 정전용량을 측정할 수 있다.
예를 들어, 여자기측 및 터빈측의 상부권선(TOP BAR)(211, 221)에서는 각각 상부(TOP), 외측부(OUT) 그리고 내측부(IN) 부분을 측정할 수 있고, 하부권선(BOTTOM BAR)(212, 222)에서는 각각 외측부(OUT)과 내측부(IN) 부분에 대해 정전용량을 측정할 수 있다. 이 경우, 측정된 정전용량 데이터는 표 1과 같이 분류될 수 있다.
위치 권선 위치 상세 위치 데이터 분류
CE 상부권선 TOP CET-TOP
OUT CET-OUT
IN CET-IN
하부권선 OUT CEB-OUT
IN CEB-IN
TE 상부권선 TOP TET-TOP
OUT TET-OUT
IN TET-IN
하부권선 OUT TEB-OUT
IN TEB-IN
수냉각 발전기 고정자 권선의 각 측정 위치별로 측정된 정전용량은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014011265992-pat00001
여기서, C는 정전용량, Q는 전하량, 그리고 V는 극판 사이에 걸리는 전압을 의미한다. 또한, ε는 비유전율, A는 극판의 면적, 그리고 t는 극판 사이의 거리를 의미한다. 비유전율은 공기의 유전율과 해당 물질의 유전율의 비(比)를 나타내는 값으로, 물질의 특성에 따라 달라진다.
일반적으로 절연물의 재료로 사용되는 마이카의 비유전율은 5.6~6.0 사이인데 반해, 물은 약 81의 높은 비유전율을 가진다. 이로부터 절연물에 흡습이 진행되는 경우 정상적인 상태와 비교했을 때 높은 정전용량을 가지게 됨을 알 수 있다. 따라서, 정전용량을 이용하여 절연물의 흡습 여부를 예측할 수 있게 된다.
각 측정 위치별로 측정된 정전용량 데이터에 대한 통계적 분석 결과, 정전용량은 권선별로 서로 독립적임을 알 수 있다. 다시 말해, 일정한 간격으로 배치되어 있는 복수의 권선은 하나의 권선에서 발생한 흡습이 다른 권선에 영향을 미치지 않음을 의미한다. 또한, 권선이 상하부로 나뉘는 경우에도 간격이 생기므로 상하부 권선 사이에 서로 독립적인 값을 가지게 된다.
반대로, 권선에서 정전용량의 측정 위치가 근접한 경우 흡습의 경향이 함께 나타나는데, 상관계수(Correlation coefficient)를 통해 이를 정량적으로 확인할 수 있다. 상관계수는 수학식 2에 따라 계산할 수 있다.
Figure 112014011265992-pat00002
여기서, X 및 Y는 변수,
Figure 112014011265992-pat00003
는 상관계수,
Figure 112014011265992-pat00004
는 X와 Y 사이의 공분산,
Figure 112014011265992-pat00005
및
Figure 112014011265992-pat00006
는 각각 X 및 Y의 평균,
Figure 112014011265992-pat00007
및
Figure 112014011265992-pat00008
는 각각 X 및 Y의 표준 편차, 그리고
Figure 112014011265992-pat00009
는 기댓값을 의미한다.
상관계수는 +1과 -1 사이의 값으로 표현되는데, +1에 가까울수록 두 변수의 관계가 함께 증가하는 경향을 나타내고, -1은 그 반대로서, 도 3은 상관계수에 따른 데이터 분포를 도시하는 도면이다. 또한, 상관계수를 이용하여 여러 변수 사이의 관계를 한눈에 파악할 수 있도록 하는 것이 상관계수 행렬(Correlation Matrix)이다.
표 2는 상술한 표 1과 같이 분류된 정전용량 데이터에 대한 보정 후의 데이터를 이용하여 획득한 상관계수 행렬이다.
상관계수 행렬 CET CEB TET TEB
CET-TOP CET-OUT CET-IN CEB-OUT CEB-IN TET-TOP TET-OUT TET-IN TEB-OUT TEB-IN
CET CET-TOP 1
CET-OUT 0.4761 1
CET-IN 0.4194 0.5503 1
CEB CEB-OUT 0.0849 0.1572 0.1354 1
CEB-IN -0.039 0.1686 0.0765 0.3445 1
TET TET-TOP 0.3341 0.1553 0.1868 0.0343 -0.051 1
TET-OUT 0.1972 0.2506 0.2729 0.0879 0.0171 0.4377 1
TET-IN 0.2295 0.1423 0.3296 0.0082 0.0457 0.4269 0.49 1
TEB TEB-OUT 0.0438 -0.128 -0.097 0.0186 -0.114 0.0887 -0.010 -0.003 1
TEB-IN 0.0354 -0.039 -0.004 0.0457 0.087 -0.048 0.1084 0.0215 0.3385 1
상관계수 행렬은 대각선을 기준으로 대칭이므로, 하삼각 행렬의 형태로 표현된다. 표 2에서 음영 처리된 부분은 물리적으로 근접한 측정 데이터 사이의 상관계수를 나타내는 것으로, 이들은 항상 양의 값을 가지며 음영 처리되지 않은 부분의 값들에 비해 상대적으로 큰 값을 가진다. 다시 말해, 물리적으로 근접한 측정 데이터들은 값이 동시에 높은 값을 가지거나 동시에 낮은 값을 가질 확률이 높음을 의미한다. 이와 같은 특성을 이용하여 도 4에 도시되는 바와 같이 데이터를 통합할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 위치별 측정 데이터에 대한 통계적 상관성을 고려하여 측정 위치 기반으로 한 데이터 통합을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상술한 바와 같은 각 측정 위치별로 측정된 정전용량 데이터에 대한 통계적 분석 결과를 기초로 하여, 권선 위치별로, 즉 상부 및 하부 권선별로 데이터를 통합하여 분류할 수 있고, 분류된 데이터를 기초로 건전성 지수를 추출할 수 있게 된다. 예를 들어, 도 4에서는 측정 데이터가 CET 그룹, CEB 그룹, TET 그룹 및 TEB 그룹으로 분류된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 정전용량 데이터와 보정된 데이터의 분포를 도시하는 도면으로, 도 5의 (a)는 측정된 정정용량 데이터의 분포를 나타내고, (b)는 보정된 정전용량 데이터의 분포를 나타낸다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 측정된 정전용량 데이터 중에서 정전용량의 평균을 기준으로 3 사분면에 위치하는 평균 이하의 정전용량값은 평균 위치(13.8, 14.1)로 이동시키고, 2 또는 4 사분면에 위치하는 정전용량값은 각각 X축 또는 Y축으로 투영시킨다. 여기서, 정전용량의 평균은 임의의 시점에 측정한 수냉각 발전기 고정자 권선의 정전용량의 평균을 의미한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 획득한 방향성 마하라노비스 거리를 설명하기 위한 도면이다.
마하라노비스 거리(Mahalanobis distance; MD)는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014011265992-pat00010
여기서,
Figure 112014011265992-pat00011
는 원점으로부터 i번째 데이터의 마하라노비스 거리,
Figure 112014011265992-pat00012
는 N 차원의 i번째 테스트 데이터 벡터,
Figure 112014011265992-pat00013
는 기준 데이터의 평균, 그리고?
Figure 112014011265992-pat00014
는 공분산 행렬을 의미한다.
일반적으로, 마하라노비스 거리는 무리로부터 떨어져 있는 데이터를 찾기 위해 사용되며, 그 값은 스칼라의 형태를 갖는다.
그러나, 본 발명의 적용 대상인 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습과 같이 건전성 저하 방향이 한 방향으로 발생하는 경우, 방향성을 지닌 마하라노비스 거리, 즉 방향성 마하라노비스 거리(DMD) 개념을 도입하고, 이를 이용하여 권선의 건전성, 즉 흡습 여부를 판단한다.
방향성 마하라노비스 거리를 계산하기 위해, 보정된 정전용량 데이터를 기초로 상술한 마하라노비스 거리를 구하는 방법과 동일하게 변형 좌표계로 변환시켜 준 후 원점으로부터의 거리를 구한다. 이를 통해, 각 정전용량 데이터까지의 거리인 방향성 마하라노비스 거리를 계산할 수 있으며, 이를 권선의 건전성을 나타내는 값으로 활용할 수 있다.
상술한 바에 따라 계산된 방향성 마하라노비스 거리를 기초로 권선의 건전성 지수(Health Index; H.I)(H.I=DMD2)를 도출할 수 있으며, 이를 기 설정된 기준값과 비교하여 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 여부의 판단을 위해 표 3과 같이 기준값을 설정할 수 있다.
H.I(DMD2) 진단 조치
25 ≤ H.I 흡습 판정 (Faulty) 즉각 교체
20 ≤ H.I < 25 흡습 위험 (Dangerous) 가능한 한 조기 교체
적어도 1년 이내에 교체 권고
15 ≤ H.I < 20 흡습 경고 (Warning) 의심 권선 예의 주시
10 ≤ H.I < 15 흡습 주의 (Caution) 의심 권선 예의 주시
H.I < 10 건전 (Healthy)
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습에 대한 건전성 지수를 통해 권선 보수가 가능한 최소 단위인 측정그룹 별(예를 들어, CET 그룹, CEB 그룹, TET 그룹, TEB 그룹)로 관리함으로써, 관련 작업의 효율성을 증대시켜 줄 수 있다.
더 나아가, 상술한 건전성 지수를 기반으로 한 건전성 예측 및 유지보수 결정 시스템으로 응용될 수 있고, 이로써, 보다 효과적으로 권선을 관리함으로써, 수냉각 발전기의 운전 중에 발생하는 불시정지사고를 방지할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

Claims (6)

  1. 수냉각 발전기 고정자 권선의 기 정해진 복수의 측정 위치에서 측정된 정전용량 데이터를 입력받는 단계;
    상기 측정된 정전용량 데이터에 대한 보정을 수행하는 단계;
    보정된 정전용량 데이터를 기초로 방향성 마하라노비스 거리(Directional Mahalanobis Distance; DMD)를 계산하는 단계; 및
    상기 방향성 마하라노비스 거리를 기초로 도출한 건전성 지수(Health Index; H.I)를 기 설정된 기준값과 비교하여 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 여부를 판단하는 단계를 포함하는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기 정해진 복수의 측정 위치는,
    여자기측 상부권선의 상부(CET-TOP), 외측부(CET-OUT) 및 내측부(CET-IN);
    여자기측 하부권선의 외측부(CEB-OUT) 및 내측부(CEB-IN);
    터빈측 상부권선의 상부(TET-TOP), 외측부(TET-OUT) 및 내측부(TET-IN); 및
    터빈측 하부권선의 외측부(TEB-OUT) 및 내측부(TEB-IN)를 포함하는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 보정을 수행하는 단계는,
    상기 측정된 정전용량 데이터가 측정된 정전용량의 평균값 이상인지 여부를 확인하는 단계;
    상기 측정된 정전용량 데이터가 상기 정전용량의 평균값을 기준으로 3 사분면에 위치하는 경우 상기 정전용량의 평균값으로 이동시키는 단계; 및
    상기 측정된 정전용량 데이터가 상기 정전용량의 평균값을 기준으로 2 또는 4 사분면에 위치하는 경우 X축 또는 Y축으로 투영시키는 단계를 포함하는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 보정을 수행하는 단계 이후에,
    상기 측정 위치를 기준으로 상기 보정된 정전용량 데이터를 통합하여 분류하는 단계를 더 포함하는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 건전성 지수는 상기 방향성 마하라노비스 거리의 제곱(H.I=DMD2)으로 도출되는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 흡습 여부를 판단하는 단계는,
    상기 건전성 지수가 25 이상인 경우 흡습 판정;
    상기 건전성 지수가 20 이상 25 미만인 경우 흡습 위험;
    상기 건전성 지수가 15 이상 20 미만인 경우 흡습 경고;
    상기 건전성 지수가 10 이상 15 미만인 경우 흡습 주의; 및
    상기 건전성 지수가 10 미만인 경우 건전으로 흡습 여부를 판단하는 수냉각 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 판단 방법.
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