KR101789577B1 - 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치 - Google Patents

고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 회전기 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압 대용량 회전기의 3상 고정자 권선에서 발생하는 3 개의 부분 방전 신호를 동시에 검출하며, 고압부 권선에서 발생하는 부분 방전은 물론이고, 저압부 권선에서 발생하는 부분 방전도 비접촉 활선 방식으로 100kHz 내지 250 MHz 광대역 주파수에서 검출하고, 외부 잡음을 효과적으로 제거하며, 검출된 부분 방전의 파형을 분석하여 부분 방전의 발생 위치를 판별할 수 있는 고전압 회전기 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치에 관한 것이다.

Description

고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치{On-line Patial Discharge Location Monitoring Device of Rotating high voltage three-phase stator winding}
본 발명은 고전압 회전기 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압 대용량 회전기의 3상 고정자 권선에서 발생하는 3 개의 부분 방전 신호를 동시에 검출하며, 고압부 권선에서 발생하는 부분 방전은 물론이고, 저압부 권선에서 발생하는 부분 방전도 비접촉 활선 방식으로 100kHz 내지 250 MHz 광대역 주파수에서 검출하고, 외부 잡음을 효과적으로 제거하며, 검출된 부분 방전의 파형을 분석하여 부분 방전의 발생 위치를 판별할 수 있는 고전압 회전기 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 부분방전은 3.3KV 이상의 대형 고전압 회전기를 비롯한 고전압 전력기기의 절연상태를 판단하기 위한 변수로서 널리 사용되어 왔다.
특히, 해외에서는 산업용 고압 전동기와 대용량 발전기의 운전중에 고정자 권선의 절연 열화 상태를 진단하기 위하여 활선용 부분 방전 센서와 측정기를 설치하여 사용해 오고 있다.
부분방전 신호를 측정하기 위한 센서에는 외부의 잡음을 제거하기 위하여 케이블 형태의 커패시터와, 고주파 변류기와, 고전압 커패시터 그리고, 고주파 안테나 등이 있고, 회전기의 정격 전압과 구조 설치형태 등에 따라 선택적으로 설치하고 있다.
그리고, 이러한 센서에서 검출되는 부분방전 신호를 측정하기 위하여 컴퓨터를 이용해서 모니터링이 가능한 고가의 전용 부분 방전 측정기로 부분방전 신호의 크기, 위상, 그리고 개수를 2차원 및 3차원 그래픽으로 표현하고 있다.
일반적으로, 고정자 권선의 활선 절연진단시에는 상기에서 언급한 센서 및 측정기를 이용하여 회전기의 운전 시에 고정자 권선에서 발생되는 부분방전 신호의 크기와 형태를 시간 경과에 따라 상대적으로 비교, 분석하여 고정자 권선의 절연상태를 판단하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 측정방법 및 측정기기는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 전동기 및 발전기의 활선 진단용 부분 방전 측정기기를 사용할 경우에 부분 방전의 발생 위치에 대한 정보없이 부분 방전 측정값으로 고정자 권선의 절연 상태를 판정하는 것은 신뢰성이 떨어지는 문제점을 가지고 있었다.
둘째, 대용량 발전기의 경우에는 발전기 자체의 가격과 비교하여 부분방전 측정기의 상대적 가격이 비싸지 않으나, 비교적 가격이 싼 고전압 전동기의 경우에는 활선진단을 위해 고가의 부분방전 측정기를 적용하는 것은 경제성이 없다.
세째, 부분방전 크기의 절대값보다는 상대적인 변화추이를 중요시하는 활선 절연 열화 진단 기법은 주기적으로 빈번하게 측정을 실시해야 하지만, 이러한 측정 및 분석을 전문적인 지식이 없는 현장의 미숙련 근무자가 수행하기에는 한계가 있고, 숙달된 전문가가 빈번하게 전국 각지에 소재하고 있는 현장을 방문해야 하는 불편함이 발생되고 있다.
따라서, 부분방전 및 절연 진단 시험과 분석에 대한 전문적인 지식이 부족한 미숙련자라도 현장에서 회전기 운전시의 부분 방전의 측정값으로 고정자 권선의 절연 상태에 대한 신뢰성 있는 판정이 가능한 부분 방전 측정기기의 개발이 절실히 요구되고 있다.
한편, 상기한 문제점을 개선하고자 회전기 고정자 권선의 고압부와 비접촉 방식으로 부분 방전 신호를 검출하는 활선 부분 방전 센서인 SSC(Stator Slot Coupler)를 개발하여 시판하게 되었다.
그러나, 상기 SSC 센서는 100MHz 이상의 마이크로파를 검출하는 안테나 방식의 센서로서 외부 잡음 제거 효과는 크지만, 부분 방전 신호의 감쇄가 심하고 신호가 미약한 단점을 가지고 있다.
따라서, 고압부 고정자 권선에서 발생한 부분 방전은 검출이 가능하지만 저압부 고정자 권선에서 발생한 부분 방전은 검출이 불가능한 단점이 있으며, 3상에서 발생한 부분 방전 신호를 검출하는 경우에 1 상에서 발생한 부분 방전 신호를 우선 검출하고 나머지 2개의 상에서 발생한 부분 방전 신호를 시간적인 간격을 가지고 순차적으로 검출하기 때문에 3 상에서 발생한 부분 방전 신호를 동시에 검출하는 것은 불가능한 시스템이 적용되고 있다.
한편, SSC 센서와 부분 방전 신호의 검출 방식이 비슷한 고압부 비접촉 활선 방식의 센서로는 부분 방전 신호의 감쇄가 적은 100kHz 내지 30 MHz 주파수 대역에서 부분 방전 신호를 검출하는 RPC(Reactive Plate Coupler) 센서가 있다.
그러나, 상기 RPC 센서는 고압부와 저압부 고정자 권선에서 발생된 부분 방전 신호의 검출이 모두 가능하지만 리액턴스 방식으로 부분 방전을 측정하기 때문에 30 MHz 이상 고주파 성분의 측정 감도가 낮고 효과적으로 외부 잡음을 제거하기 어려운 단점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명에서는 부분 방전 신호를 고정자 권선의 고압부와 비접촉 활선 방식으로 100kHz 내지 250 MHz 광대역 주파수에서 검출하고, 외부 잡음을 효과적으로 제거하며, 부분 방전의 발생 위치를 판별할 수 있는 기술을 제안하게 된 것이다.
(선행문헌) 대한민국공개특허번호 2001-0084956호(2001.09.07)
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은 고압 대용량 회전기의 3상 고정자 권선에서 발생하는 3 개의 부분 방전 신호를 동시에 검출하는데 있다.
본 발명의 제 2 목적은 저압부 권선에서 발생하는 부분 방전과 고압부 권선에서 발생하는 부분 방전을 비접촉 활선 방식으로 100kHz 내지 250 MHz 광대역 주파수에서 검출하는데 있다.
본 발명의 제 3 목적은 외부 잡음을 효과적으로 제거하는데 있다.
본 발명의 제 4 목적은 검출된 부분 방전의 파형을 분석하여 부분 방전의 발생 위치를 판별할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치는,
고정자 권선과 웨지 사이에 고정자 권선의 고압부와 비접촉 방식으로 설치되되, 3상 고전압 회전기의 1상당 1개씩 설치 구성되는 3개의 용량성 슬롯 커플러(100)와;
상기 3개의 용량성 슬롯 커플러와 신호선으로 연결되어 검출된 부분 방전의 아날로그 신호를 저주파 대역에서 필터링하고, 디지털 신호로 변환하여 저장하기 위한 부분방전측정부(200)와;
상기 3개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 파형 신호에 포함된 전두부 파형과 중간부 파형 및 후미부 파형의 크기와 상대적 시간 간격을 상호 비교하여 부분 방전의 위치를 판별하기 위한 부분방전위치판별부(300);를 포함한다.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치를 통해, 고압 대용량 회전기의 3상 고정자 권선에서 발생하는 3 개의 부분 방전 신호를 동시에 검출하는 효과를 발휘한다.
즉, 고압 대용량 회전기의 3상 고정자 권선에 설치된, 본 발명 활선 부분 방전 측정장치의 구성수단인 3 개의 용량성 슬롯 커플러에서 광대역 주파수 성분을 가진 부분 방전 신호를 동시에 검출하는 효과가 있다.
또한, 저압부 권선에서 발생하는 부분 방전과 고압부 권선에서 발생하는 부분 방전을 비접촉 활선 방식으로 100kHz 내지 250 MHz 광대역 주파수에서 검출하는 효과를 발휘한다.
즉, 본 발명 활선 부분 방전 측정장치의 구성수단인 용량성 슬롯 커플러는 100kHz 내지 250 MHz에 이르는 광대역 주파수에서 부분 방전 신호의 검출이 가능하기 때문에 예를 들어, 외부의 잡음이 적은 수력 발전기에서는 100kHz 내지 10 MHz 사이의 주파수 영역에서 부분 방전 신호의 검출이 가능하며, 외부의 잡음이 많은 터빈 발전기에서는 10 MHz 내지 250 MHz 사이의 주파수 영역에서 외부 잡음이 제거된 부분 방전 신호의 검출이 가능한 효과가 있다.
또한, 외부 잡음을 효과적으로 제거하는 효과를 발휘한다.
즉, 3 개의 용량성 슬롯 커플러에서 광대역 주파수 성분을 가진 부분 방전 신호를 동시에 검출함으로써, 부분 방전의 크기를 비교하고, 상대적 발생 시간과 주파수 영역을 상호 비교 분석하여 효과적인 외부 잡음 제거가 가능한 효과가 있다.
또한, 검출된 부분 방전의 파형을 분석하여 부분 방전의 발생 위치를 판별할 수 있는 효과를 발휘한다.
즉, 부분 방전의 크기를 비교하고, 상대적 발생 시간과 주파수 영역을 상호 비교 분석하여 효과적인 외부 잡음 제거가 가능하며, 동시에 부분 방전의 발생 위치를 판별할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 효과를 발휘하게 되므로 원자력 발전기, 화력 발전기, 가스터빈 발전기 등에 설치 구성하여 발전기 고정자 권선의 절연 상태를 판별하여 발전기 운전의 신뢰성 확보와 유지 보수의 기준성을 제공하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치의 용량성 슬롯 커플러 사시도이며, 도 3은 실제 사진이며, 도 4는 용량성 슬롯 커플러가 설치되는 위치도이며, 도 5는 고정자 권선과 용량성 슬롯 커플러 간의 직렬 결합 등가 회로도이며, 도 6은 용량성 슬롯 커플러가 웨지에 설치된 사진이며, 도 7은 주파수 파형 예시도이며, 도 8은 시간 지연 예시도이며, 도 9는 부분 방전의 전단부에 해당되는 용량성 성분(capacitive component)의 파형 사진이며, 도 10은 부분 방전의 중간부에 나타나는 진행파 성분(travelling component)의 파형 사진이며, 도 11은 부분 방전의 후미부에 나타나는 진동 성분(oscillating component)의 파형 사진이며, 도 12는 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치의 파형 측정 예시도이며, 도 13은 부분방전측정부 블록도이며, 도 14는 부분방전위치판별부 블록도이다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만, 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다.
또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단은 하기와 같다.
즉, 본 발명의 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치는,
고정자 권선과 웨지 사이에 고정자 권선의 고압부와 비접촉 방식으로 설치되되, 3상 고전압 회전기의 1상당 1개씩 설치 구성되는 3개의 용량성 슬롯 커플러(100)와;
상기 3개의 용량성 슬롯 커플러와 신호선으로 연결되어 검출된 부분 방전의 아날로그 신호를 저주파 대역에서 필터링하고, 디지털 신호로 변환하여 저장하기 위한 부분방전측정부(200)와;
상기 3개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 파형 신호에 포함된 전두부 파형과 중간부 파형 및 후미부 파형의 크기와 상대적 시간 간격을 상호 비교하여 부분 방전의 위치를 판별하기 위한 부분방전위치판별부(300);를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치의 전체 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 활선 부분 방전 측정장치는 3개의 용량성 슬롯 커플러(100), 부분방전측정부(200), 부분방전위치판별부(300)를 포함하여 구성되게 된다.
상기 용량성 슬롯 커플러(100)는 도 6에 도시한 바와 같이, 고정자 권선과 웨지 사이에 삽입할 수 있도록 판 형상으로 제조되게 되며, 고정자 권선의 고압부와 비접촉 방식으로 설치되게 된다.
도 6의 경우에는 3상 고전압 회전기에 설치 구성되기 때문에 총 3개의 용량성 슬롯 커플러(도면 부호 9, 10, 11)를 구성하게 된 것이다.
또한, 도 4를 참조하여 설명하자면, 고정자 권선 도체 주변으로 주 절연층이 도포되어 있으며, 주 절연층 둘레로 반 도전층을 형성되어 있게 된다.
이때, 주 절연층에서 발생하는 내부 방전과 반 도전층 표면에서 발생하는 표면방전 및 슬롯 방전이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 용량성 슬롯 커플러를 고정자 권선의 상부에 설치하게 되는데, 이렇게 설치하게 되면 도 5에 도시한 바와 같이, 고정자 권선 표면의 반 도전층과 전기적 접촉을 이루게 되어 고정자 권선이 가지는 특성 커패시턴스와 용량성 슬롯 커플러의 커패시턴스가 직렬 결합하여 250 MHz 광대역 주파수 성부까지 검출할 수 있게 된다.
도 4 내지 도 5에 도시한 PDLC(Partial Discharge Locating Coupler) 센서는 본 발명의 용량성 슬롯 커플러를 의미한다.
또한, 3상 고전압 회전기에 설치 구성되기 때문에 3상 고전압 회전기의 1상당 1개씩 설치 구성되게 되므로 3개의 용량성 슬롯 커플러(100)가 필요하다.
그리고, 상기 용량성 슬롯 커플러(100)가 부분 방전 신호를 검출하기 위해서는 도 2 내지 도 3에 도시한 바와 같은 구성수단을 가지게 된다.
구체적으로 설명하자면, 상기 용량성 슬롯 커플러(100)는,
판 형상의 에폭시판(110)과,
상기 에폭시판의 내부에 수평하게 형성되는 판 형상의 제1구리판(120)과,
상기 제1구리판과 평행하게 일정거리 이격되도록 형성되는 판 형상의 제2구리판(130)을 포함하게 된다.
상기 제1구리판(120)은 웨지와 평행하게 설치하여 고주파 케이블(140, 예를 들어, RG 316S 내열성 고주파 케이블)의 쉴드 접지선(141)으로 연결되며, 제2구리판(130)은 고정자 권선의 반도전층과 평행하게 설치하여 고주파 케이블(140)의 신호선(142)으로 연결되게 된다.
이때, 상기 신호선은 부분방전측정부로 연결되게 되어 검출된 부분 방전 신호를 부분방전측정부로 제공하게 되는 것이다.
또한, 상기 제1구리판(120)과 제2구리판(130)은 100kHz 내지 250 MHz 광대역 주파수에서 부분 방전 신호를 검출하기 위하여 80 pF 내지 1,000 pF 범위에 이르는 커패시턴스 성분을 갖도록 구성하게 되며, 두께는 2mm 이하의 얇은 판 형상을 가지고 있는 것이 바람직하다.
즉, 에폭시판의 내부에 판형의 병렬 도체(제1구리판과 제2구리판)를 구성하여 커패시턴스 성분을 갖고 고정자 권선의 특성 커패시턴스와 전기적 결합이 되도록 하는 것이다.
상기와 같이, 100kHz 내지 250 MHz 광대역 주파수에서 부분 방전 신호를 검출할 수 있게 되어 고압부 고정자 권선 및 저압부 고정자 권선에서 발생된 부분 방전 신호를 모두 검출할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
상기 판 형상의 에폭시판은 예를 들어, 두께는 2mm 이하로, 길이는 50cm 이하로, 폭은 회전기의 슬롯 폭에 따라 1cm ~ 5cm로 조절하여 제작하게 된다.
이때, 상기 에폭시판의 내부에 상기 제1구리판과 제2구리판을 삽입하게 되므로 이를 위하여 제1구리판과 제2구리판은 예를 들어, 두께는 0.1mm 이하로, 각각 일정거리 이격되게 삽입되되, 제1구리판과 제2구리판의 간격은 1mm 이하로 평행하게 삽입하여 제작하게 된다.
그리고, 제1구리판과 제2구리판의 면적을 조절하여 커패시턴스값을 80 pF 내지 1,000 pF 범위로 조정할 수 있으며, 상기 조정 범위는 부분 방전 측정 대상이 되는 회전기의 용량에 맞게 제작하게 된다.
상기 회전기의 용량에 맞게 커패시턴스값의 범위를 조절하는 기술은 당업자들에게 알려진 기술이므로 상세한 설명은 생략하겠다.
한편, 회전기의 3 상에 설치된 3 개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 3 개의 부분 방전 신호(도면 부호 12, 13, 14)는 도 7에 도시한 바와 같이, 기준 신호보다 각각 높은 주파수의 전두부(도면 부호 15)와 낮은 주파수의 후미부(도면 부호 16)가 결합된 복합 파형으로 구성된다.
이때, 상기 부분방전측정부(200)는 3개의 용량성 슬롯 커플러와 신호선으로 연결되어 3개의 용량성 슬롯 커플러에 의해 검출된 부분 방전의 아날로그 신호 즉, 3개의 복합 부분 방전 파형을 저주파 대역에서 필터링하고, 디지털 신호로 변환하여 저장하게 되는 것이다.
상기 부분방전측정부가 상기한 기능을 수행하기 위한 구성수단은 도 13에 도시한 바와 같이, 저주파대역필터링모듈(210), A/D변환모듈(220), 데이터저장모듈(230)을 포함하여 구성되게 된다.
상기 저주파대역필터링모듈(210)은 3개의 용량성 슬롯 커플러로부터 검출된 각각의 부분 방전의 아날로그 신호를 저주파 대역에서 필터링하게 된다.
그리고, 상기 A/D변환모듈(220)은 상기 저주파대역필터링모듈에 의해 필터링된 3개의 부분 방전 파형을 획득하여 디지털 신호로 변환하게 되며, 데이터저장모듈에 변환된 디지털 신호를 저장시키게 된다.
상기 A/D변환모듈은 아날로그 출력인 3 개의 복합적인 부분 방전 파형을 동시에 디지털 데이터로 저장하기 위하여 저주파대역필터링모듈을 거치게 되는데, 처리 속도가 신속하게 이루어지기 위하여 바람직하게는 3 채널 1Gbps 이상의 속도로 아날로그-디지털 변환이 가능한 모듈을 사용하여야 한다.
이때, 상기 데이터저장모듈(230)은 디지털 신호로 변환된 데이터를 저장하게 되는 것이다.
한편, 상기 부분방전위치판별부(300)는 3개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 파형 신호에 포함된 전두부 파형과 후미부 파형의 크기와 상대적 시간 간격을 상호 비교하여 부분 방전의 위치를 판별하게 된다.
그리고, 상기 복합 파형 특성(부분 방전 파형 신호에 포함된 전두부 파형, 중간부 파형 그리고 후미부 파형을 복합 파형이라 한다.)을 가진 부분 방전은 외부 잡음 신호와 구별할 수 있게 된다.
예를 들어, 도 7의 부분 방전 신호의 전두부와 후미부 신호의 크기가 가장 큰 신호 파형(도면 부호 13)은 부분 방전이 발생한 상에서 실제 측정된 값이며, 나머지 두 개의 신호 파형(도면 부호 12, 14)은 권선의 단말에 존재하는 누설 커패시턴스 성분을 통해 전파된 신호인 것이다.
한편, 도 8에 도시한 바와 같이, 회전기의 3상 고정자 권선에서 부분 방전 신호를 검출할 경우에 부분 방전의 발생 위치에 따라 기준 신호보다 높은 주파수의 전두부를 갖는 신호 파형(도면 부호 15, 16)과 높은 주파수의 전두부가 다른 상으로 전달되지 않고 후미부의 부분 방전 신호 파형(도면 부호 17)만이 검출되는 경우도 발생할 수 있다.
이때, 부분 방전 신호의 기준 신호보다 낮은 주파수를 갖는 후미부만을 갖는 부분 방전 신호 파형(도 8의 도면 부호 17)은 기준 신호보다 높은 주파수의 전두부를 갖는 신호 파형(도 7의 도면 부호 15, 16)과 시간 지연(도 8의 도면 부호 21)이 발생하게 된다.
참고적으로 도 8의 도면 부호 17, 18, 19는 각각의 상에서 출력되는 주파수 파형이다.
따라서, 상기 부분방전위치판별부(300)는 이러한 현상을 이용하여 회전기 고정자 권선의 구조가 갖는 고유의 부분 방전 전파 속도와 시간 지연을 연산하여 부분 방전이 발생한 위치와 용량성 커플러와의 거리를 연산할 수 있게 된다.
그리고, 기준 신호보다 높은 주파수의 전두부를 갖는 두 개의 전두부 파형 간에도 시간 지연이 발생하게 된다.
따라서, 두 개의 전두부 파형 간의 시간 지연(도 8의 도면 부호 20)과 부분 방전 전파 속도를 연산하여 부분 방전이 발생한 위치와 용량성 커플러와의 거리를 연산할 수 있게 된다.
또한, 상기 부분방전위치판별부(300)는 각각의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 신호에서 전두부 파형과 후미부 파형의 크기를 비교하며, 상대적 시간 간격을 상호 비교하여 다른 상들에서 발생된 부분 방전 신호와 외부 잡음을 제거하고, 부분 방전이 발생한 위치를 판별할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 부분방전위치판별부(300)는 상기 3개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 파형 신호에 포함된 용량성 성분(30, capacitive component), 진행파 성분(31, travelling component), 진동 성분(32, oscillating component)의 세 가지 성분의 크기를 분석하여 부분 방전이 발생한 위치로부터의 이격 거리를 계산하고, 부분 방전의 위치를 판별하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 회전기 고정자 권선에서 발생되는 부분 방전의 고유 파형은 1 GHz 이상의 주파수 성분을 가지고 있으며, 부분 방전 파형은 고정자 권선의 도체를 따라 전파되면서 용량성 성분(capacitive component), 진행파 성분(travelling component), 진동 성분(oscillating component)의 세 가지 성분으로 분리된다.
이때, 부분 방전의 전파 과정에서 고정자 권선의 특성 임피던스로 인하여 부분 방전 신호의 높은 주파수 성분인 용량성 성분(capacitive component)의 크기 감쇄가 심하여 부분 방전 발생 지점과 멀리 떨어진 지점에서는 진행파 성분(travelling component)과 진동 성분(oscillating component) 만 측정된다.
따라서, 고압 고정자 권선과 전기적으로 연결된 부분 방전 센서를 이용하여 측정할 경우에는 100 kHz ~ 1 MHz, 1 MHz ~ 30 MHz 주파수 대역에서 부분 방전 신호의 진행파 성분(travelling component)과 진동 성분(oscillating component)을 측정하고 있으며, 고압 권선과 전기적 비접촉 안테나 방식을 이용한 부분 방전 센서는 100 MHz 이상의 초고주파 영역에서 부분 방전 신호가 감쇄되기 전인 용량성 성분(capacitive component)을 가진 공간파 신호를 측정하고 있었다.
그리고, 종래의 경우에는 회전기 고정자 권선의 절연 상태를 판정하는 방식으로 부분 방전 신호의 크기와 전원 전압의 위상 분포에 따른 패턴을 인식하는 알고리즘을 사용하고 있었다.
따라서, 부분 방전 센서가 가지는 측정 주파수의 제약으로 인하여 부분 방전 신호가 발생된 위치에 대한 정보 취득이 불가능하고 부분 방전 신호의 크기 감쇄 정도와 전파 지연 시간을 고려하지 못하기 때문에 회전기 고정자 권선의 절연 상태 진단에 많은 오류를 발생시키고 있다.
그러나, 본 발명의 부분방전위치판별부를 통해, 비접촉식 방식으로 고정자 권선과 용량성 슬롯 커플러가 가지는 특성 캐패시턴스를 상호 결합하여 100 kHz ~250 MHz 주파수 대역에서 용량성 성분(capacitive component), 진행파 성분(travelling component), 진동 성분(oscillating component)의 세가지 성분을 모두 측정하고 측정된 파형의 성분을 분석하여 부분 방전의 발생 위치를 파악할 수 있다.
부분방전위치판별부(300)는 상기 3개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 파형 신호에 포함된 용량성 성분(capacitive component), 진행파 성분(travelling component), 진동 성분(oscillating component)의 세 가지 성분의 크기를 분석하여 부분 방전이 발생한 위치로부터의 이격 거리를 계산하여 부분 방전의 위치를 판별하는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여, 도 14에 도시한 바와 같이, 상기 부분방전위치판별부(300)는,
3개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 파형 신호를 획득하기 위한 부분방전파형신호획득모듈(310)과,
용량성 성분(capacitive component), 진행파 성분(travelling component), 진동 성분(oscillating component)의 세 가지 성분이 포함되어 있는지를 분석하기 위한 성분분석모듈(320)과,
상기 성분분석모듈로부터 분석 결과를 획득하여 세 가지 성분이 포함될 경우 설정된 거리 미만으로 판단하며, 세 가지 성분이 포함되지 않을 경우에는 설정된 거리 이상으로 판단하기 위한 부분방전거리분석모듈(330)과,
상기 부분방전거리분석모듈에 의해 설정된 거리 이상으로 판단될 경우에 부분 방전 신호의 감쇄 정도에 따라 부분 방전 위치를 산출하기 위한 부분방전위치산출모듈(340)을 포함하게 된다.
구체적으로 설명하자면, 부분방전파형신호획득모듈(310)을 통해 3개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 파형 신호를 획득하게 되며, 상기 성분분석모듈(320)에 의해 용량성 성분(capacitive component), 진행파 성분(travelling component), 진동 성분(oscillating component)의 세 가지 성분이 포함되어 있는지를 분석하게 된다.
이때, 도 7 또는 도 9에 도시한 바와 같이, 세 가지 성분이 모두 포함되어 있다면 부분 방전의 발생 위치는 설정된 거리 미만 예를 들어, 30cm 이내에서 발생한 것으로 부분방전거리분석모듈(330)에 의해 분석하게 되지만, 도 10에 도시한 바와 같은, 부분 방전 신호에 포함된 성분 중에서 용량성 성분(capacitive component)이 없고 진행파 성분(travelling component)과 도 11에 도시한 바와 같은, 진동 성분(oscillating component)을 포함하고 있다면, 설정된 거리인 30cm 이상으로 판단하게 된다.
이후, 상기 부분방전위치산출모듈(340)에 의해 부분방전거리분석모듈에 의해 설정된 거리 이상으로 판단될 경우에 동작하여 부분 방전 신호의 감쇄 정도에 따라 부분 방전 위치를 산출하게 되는 것이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100 : 용량성 슬롯 커플러
200 : 부분방전측정부
300 : 부분방전위치판별부

Claims (7)

  1. 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치에 있어서,
    고정자 권선과 웨지 사이에 고정자 권선의 고압부와 비접촉 방식으로 설치되되, 3상 고전압 회전기의 1상당 1개씩 설치 구성되는 3개의 용량성 슬롯 커플러(100)와;
    상기 3개의 용량성 슬롯 커플러와 신호선으로 연결되어 검출된 부분 방전의 아날로그 신호를 저주파 대역에서 필터링하고, 디지털 신호로 변환하여 저장하기 위한 부분방전측정부(200)와;
    상기 3개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 파형 신호에 포함된 전두부 파형과 중간부 파형 및 후미부 파형의 크기와 상대적 시간 간격을 상호 비교하여 부분 방전의 위치를 판별하기 위한 부분방전위치판별부(300);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 용량성 슬롯 커플러(100)는,
    판 형상의 에폭시판(110)과,
    상기 에폭시판의 내부에 수평하게 형성되는 판 형상의 제1구리판(120)과,
    상기 제1구리판과 평행하게 일정거리 이격되도록 형성되는 판 형상의 제2구리판(130)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치.


  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1구리판(120)은,
    웨지와 평행하게 설치하여 고주파 케이블(140)의 쉴드 접지선(141)으로 연결되며, 제2구리판(130)은 고정자 권선의 반도전층과 평행하게 설치하여 고주파 케이블의 신호선(142)으로 연결되어 신호선을 통해 부분방전측정부로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 부분방전측정부(200)는,
    3개의 용량성 슬롯 커플러로부터 검출된 부분 방전의 아날로그 신호를 저주파 대역에서 필터링하기 위한 저주파대역필터링모듈(210)과,
    3개의 용량성 슬롯 커플러로부터 3개의 부분 방전 파형을 획득하여 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D변환모듈(220)과,
    상기 디지털 신호로 변환된 데이터를 저장하기 위한 데이터저장모듈(230)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 부분방전위치판별부(300)는,
    회전기 고정자 권선의 구조가 갖는 고유의 부분 방전 전파 속도와 시간 지연을 연산하여 부분 방전이 발생한 위치와 용량성 커플러와의 거리를 연산하거나, 각각 주파수의 전두부 파형 간의 시간 지연과 부분 방전 전파 속도를 연산하여 부분 방전이 발생한 위치와 용량성 커플러와의 거리를 연산하는 것을 특징으로 하는 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 부분방전위치판별부(300)는,
    각각의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 신호에서 전두부 파형과 후미부 파형의 크기를 비교하며, 상대적 시간 간격을 상호 비교하여 다른 상들에서 발생된 부분 방전 신호와 외부 잡음을 제거하고, 부분 방전이 발생한 위치를 판별할 수 있는 것을 특징으로 하는 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 부분방전위치판별부(300)는,
    3개의 용량성 슬롯 커플러에서 검출된 부분 방전 파형 신호에 포함된 용량성 성분(capacitive component), 진행파 성분(travelling component), 진동 성분(oscillating component)의 세 가지 성분의 크기를 분석하여 부분 방전이 발생한 위치로부터의 이격 거리를 계산하고, 부분 방전의 위치를 판별하는 것을 특징으로 하는 고전압 회전기 3상 고정자 권선의 활선 부분 방전 위치 측정장치.
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