KR102518001B1 - Sfra 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소의 운전 중에 고정자 권선 층간 절연물의 열화를 진단할 수 있는 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템은, 전동기의 고정자 권선 슬롯에 설치되는 복수 개의 커패시터형 센서; 상기 전동기의 고정자 권선에 연결되어 특정 대역의 주파수를 주입하는 복수 개의 주파수 주입CT; 상기 주파수 주입CT에 각각 연결되어 SFRA 신호를 전송하는 복수 개의 SFRA 주파수 발생기; 및 상기 복수 개의 커패시터형 센서를 통해 측정되는 신호를 분석하여 고정자 권선 절연물의 열화 상태를 진단하고, 상기 주파수 주입CT를 통해 부분방전을 측정하는 신호측정기를 포함하고, 열화 상태 진단시, 상기 전동기의 전원이 차단된 후, 고정자 권선을 통해 SFRA 신호의 전류가 흐르도록 3상 단자가 단락된 상태에서 진행되는 것을 특징으로 한다.

Description

SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템{Insulation Deterioration and Partial Discharge Measurement system of Stator Winding using SFRA Measurement Method}

본 발명은 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압 전동기의 고정자 권선에 커패시터형으로 설치되는 센서와 SFRA 주파수 주입CT를 통해 고정자 권선 절연물의 열화 진단과 부분 방전을 측정하는 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템에 관한 것이다.

일반적으로 발전소의 전동기는 장기간 열화, 절연파괴, 절연 재료의 불량, 부분 방전에 의한 층간 졀연 파괴 등에 의해 층간 단락이 발생하게 되고, 이를 통해 발전소의 가동중단에 따른 발전의 연속성을 담보하기가 어려워지며, 전동기의 손상으로 인한 안전사고가 발생할 수 있는 문제가 있다.

따라서 정기적으로 전동기의 기계적 결함과 열화 등으로 인한 절연물 등의 손상을 진단하게 되는데, 이와 같은 목적의 종래 기술로는 등록특허공보 제1035497호의 발전기의 건전성 온라인 통합 감시 방법(이하 '특허문헌'이라 한다)이 개시되어 있다.

상기 특허문헌에 개시된 온라인 통합 감시 방법은, 발전기의 축전압/축전류를 감시하는 제1 감지센서를 2중 구조의 브러시 형태로 발전기의 회전축에 설치하며, 상기 발전기의 고정자 권선의 부분방전 여부를 감시하는 제2 감지센서는 접촉식인 경우 발전기의 출력단자/비접촉식인 경우는 고정자의 슬롯에 각각 설치하고, 상기 발전기의 회전자 권선의 층간단락 여부를 감시하는 제3 감지센서 및 상기 발전기의 고정자 단말권선의 진동 여부를 감시하는 제4 감지센서는 발전기의 고정자 슬롯에 각각 설치하여 이상 유무를 검출하는 제1 단계와; 상기 제1 감지센서 내지 제4 감지센서와 모니터링에 필요한 각종 이벤트 데이터로 변환 제어하는 PC기반의 제1 DAQ 유니트 내지 제4 DAQ 유니트를 1 : 1로 각각 연결, 접속시키는 제2 단계와; 상기 제2 단계에서, 상기 PC기반의 제1 DAQ 유니트 내지 제4 DAQ 유니트는 1~10sec 주기로 상기 제1 감지센서 내지 제4 감지센서로부터 검출되는 데이터 신호의 존재 여부를 확인하는 제3 단계와; 상기 제3 단계에서, 데이터 신호가 존재하면 디지털신호로 변환, 처리하여 상기 PC기반의 DAQ 유니트별로 메모리에 저장된 알고리즘과 비교, 분석하고 판단하여 모니터링에 필요한 각종 이벤트 데이터로 변환하는 제4 단계와; 상기 제4 단계에서, 상기 제1 단계의 하나 이상의 감지센서에서 이상 유무가 발생할 경우, 상기 제4 단계에서 생성된 다수개의 이벤트 데이터의 상이한 신호들을 중앙제어실로 전송하기 위해 통신변환기를 통해 표준 프로토콜 신호로 변환 제어하는 제5 단계와; 상기 제5 단계에서, 중앙제어실로 전송된 모니터링에 필요한 각종 이벤트 데이터들은 사전에 설정된 사용자 입력용 응용프로그램 및 서버운용 프로그램을 통해 고장발생 원인을 추정, 분석하는 제6 단계와; 상기 분석된 데이터를 서버 및 감시 모니터를 통해 입체적으로 통합 표시하며, 상기 분석된 데이터 값에 따라 시그널/경보기를 통해 단계적으로 표시 경고하고 현장지시계로 전송하는 제7 단계와; 상기 제6 단계 후, 상기 PC기반의 제1 DAQ 유니트 내지 제4 DAQ 유니트 및 서버에 의해 방전회로부의 스위치를 자동으로 스위칭시켜 축전류 및 단락전류를 순간 방전 또는 바이패스 시키며 설정된 시간동안 계속 감시시키도록 하는 제8 단계 및; 상기 제7 단계 후, 중앙제어실의 입력부를 통해 감시자가 방전회로부의 스위치를 조작하여 축전류 및 단락전류를 수동으로 방전 또는 바이패스시켜 고장원인을 제거하는 제9 단계를 포함하며, 또한, 상기 제4 단계의 사용자 설정 파라미터 및 제7 단계의 시그널/경보기의 기준값은, 상기 PC기반의 제1 DAQ 유니트 내지 제4 DAQ 유니트의 SSI버스와 소프트웨어를 통해 메모리와 동기화되어 상기 기준값을 캘리브레이션할 수 있으며, 상기 제1 감지센서 내지 제4 감지센서로부터 검출된 신호를 감시 및 분석에 필요한 각종 이벤트 데이터로 변환 제어할 수 있도록 하기 위해 상기 사용자 설정 파라미터와 시그널/경보기의 기준값을 사전에 상기 메모리에 설정하여 저장시키는 것으로 이루어진다.

그러나 상기 특허문헌은 회전자 권선 단락만 측정하고, 고정자 권선 절연 파괴가 발생하여 부분 방전이 발생하는 것만 검출하는 것으로, 고정자 권선 층간 절연물의 열화 정도는 측정하지 못하고, 따라서 절연물의 층간 단락이 발생하는 것을 미연에 방지하지 못하는 문제가 있다.

따라서 전동기의 고정자 권선 절연물의 열화 진단과 부분방전을 측정할 수 있는 고정자 권선 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템의 개발이 요구된다.

KR 10-1035497 B1 (2011. 05. 12.) KR 10-1946743 B1 (2019. 01. 31.) KR 10-1840980 B1 (2018. 03. 15.) KR 10-1789577 B1 (2017. 10. 18.) KR 10-1510210 B1 (2015. 04. 02.)

본 발명은 상기와 같은 종래의 전동기의 진단 시스템이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발전소의 운전 중에 고정자 권선 절연물의 열화 진단과 부분방전을 측정할 수 있는 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템을 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템은, 전동기의 고정자 권선 슬롯에 설치되는 복수 개의 커패시터형 센서; 상기 전동기의 고정자 권선에 연결되어 특정 대역의 주파수를 주입하는 복수 개의 주파수 주입CT; 상기 주파수 주입CT에 각각 연결되어 SFRA 신호를 전송하는 복수 개의 SFRA 주파수 발생기; 및 상기 복수 개의 커패시터형 센서를 통해 측정되는 신호를 분석하여 고정자 권선 절연물의 열화 상태를 진단하고, 상기 주파수 주입CT를 통해 부분방전을 측정하는 신호측정기를 포함하고, 열화 상태 측정시, 상기 전동기의 전원이 차단된 후, 고정자 권선을 통해 SFRA 신호의 전류가 흐르도록 3상 단자가 단락된 상태에서 측정이 진행되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명은 열화 진단시, 상기 복수 개의 커패시터형 센서에서 측정되는 SFRA 신호의 변화량을 측정하여 열화 여부를 진단하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 부분방전 측정시, 상기 주파수 주입CT에서 측정되는 CF 35㎒까지의 부분방전 신호를 측정하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

이에 더해 본 발명은 상기 복수 개의 커패시터형 센서가 700㎑ ~ 2㎒의 SFRA 주파수가 검출되도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

그리고 본 발명은 전동기에 전력을 공급하는 3상 전력 케이블의 주파수 측정이 진행되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전동기의 고정자 권선 하부에 상당 2개씩의 커패시터형 센서가 설치되고, SFRA 신호 발생기와 주파수 주입CT를 통해 각 상별로 700㎑ ~ 2㎒ 대역대의 SFRA 주파수가 주입되며, 커패시터형 센서를 통해 검출되는 신호의 크기를 측정하는 것으로 발전기의 고정자 절연물의 열화 상태를 측정할 수 있고, 이와 동시에 주파수 주입CT에서 CF 35㎒의 부분방전을 측정할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템의 예를 보인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 커패시터형 센서의 예를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 커패시터형 센서가 고정자 권선 하부에 설치되는 예를 보인 도면.
도 4는 고정자 권선에 인가되는 전압의 증가에 따라 커패시터형 센서를 통해 검출되는 주파수 특성이 변화하는 예를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 따른 진단장치를 통해 각 상별로 부분방전 신호가 측정되는 예를 보인 도면.
도 6은 도 5에 따른 U상(A상)의 부분방전 신호가 측정되는 예를 보인 도면.
도 7은 도 5에 따른 V상(B상)의 부분방전 신호가 측정되는 예를 보인 도면.
도 8은 도 5에 따른 W상(C상)의 부분방전 신호가 측정되는 예를 보인 도면.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부도면에 따라 상세하게 설명한다.

본 발명은 발전소의 운전 정지중에 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템을 제공하고자 하는 것으로, 이러한 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 커패시터형 센서(10), 주파수 주입CT(20), SFRA 주파수 발생기(30) 및 신호측정기(40)를 포함한다.

여기서 SFRA(Sweep Frequency Response Analysis) 기법은 변압기, 발전기 등의 권선형 기기의 주파수 응답을 측정하여 기기 내부의 구조적 특성을 분석하는 공지되어 널리 사용되고 있는 진단법으로, 본 발명은 이러한 SFRA 진단법을 이용하여 고정자 권선 절연물의 열화 상태 및 부분방전을 측정하게 된다.

커패시터형 센서(10)는 고정자 권선 하부에 설치되어 고정자 권선에 주입되는 SFRA 주파수를 감지하는 구성이다.

이러한 커패시터형 센서(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 소정 폭과 길이를 가지는 판 형상의 센서로 이루어지고, 이러한 커패시터형 센서(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 고정자(1A) 권선 하부에 설치된다.

상기와 같은 커패시터형 센서(10)는 소정 폭과 길이를 가지는 판 형상의 절연체(도면부호 없음)와, 상기 절연체의 내부에 수용되는 판 형상의 제1 금속판(도면부호 없음)과, 상기 절연체의 내부에 수용되면서 상기 제1 금속판과 소정 간격 이격되어 설치되는 제2 금속판(도면부호 없음)을 포함한다.

그리고 제1 금속판은 고주파 케이블의 접지선(도시하지 않음)과 연결되고, 제2 금속판은 고주파 케이블의 신호선(도시하지 않음)과 연결된다.

이때 제1, 2 금속판은 700㎑ ~ 2㎒의 주파수가 검출되도록 하고, 제1, 2 금속판의 면적을 조절하여 500 ~ 1000㎊범위의 커패시턴스 값을 가지도록 구성된다. 여기서 본 발명은 1.2 ~ 1.5㎒ 주파수 대역의 SFRA 주파수를 사용하게 된다.

또한, 제1, 2 금속판은 1~3㎜의 두께를 가지는 구리판으로 구성되고, 절연체는 에폭시 재질로 이루어질 수 있다.

이러한 커패시터형 센서(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 전동기(1)의 1상당 2개의 센서가 설치되고, 이를 통해 3상 전동기(1)에 총 6개의 커패시터형 센서(10)가 설치되는데, 이를 통해 각 상당 설치되는 2개의 커패시터형 센서(10) 중 어느 하나의 센서가 고장 나더라도 해당 고정자 권선 열화 여부가 다른 커패시터형 센서(10)를 통해 지속적으로 진단될 수 있다.

또한, 2개의 커패시터형 센서(10)를 통해 검출되는 주파수를 서로 비교하는 것으로 해당 커패시터형 센서(10)의 고장 및 오동작이 검출될 수 있다.

한편, 위에서는 절연체의 내부에 제1, 2 금속판이 소정 간격 이격되어 설치되는 것으로만 설명되었으나, 이와 달리 필요에 따라 절연체의 내부에 1개의 금속판이 설치되는 것으로 변경될 수 있다.

주파수 주입CT(20)는 활선 상태의 전동기(1) 권선에 연결되어 커패시터형 센서(10)를 통해 검출 가능한 1.2 ~ 1.5㎒ 범위의 주파수를 권선 내에 주입하는 구성으로, 이러한 주파수 주입CT(20)는 권선의 턴 수를 조절하여 CF 35㎒ 내외의 주파수 측정도 가능하도록 구성된다.

SFRA 주파수 발생기(30)는 주파수 주입CT(20)를 통해 전동기(1) 권선에 SFRA 신호를 주입하기 위해 SFRA 신호를 발생시키는 구성이다.

신호측정기(40)는 복수 개의 커패시터형 센서(10)와 연결되면서 커패시터형 센서(10)와 주파수 주입CT(20)의 신호를 분석하여 고정자 권선 절연물의 열화 상태(정도)를 진단하고 부분방전을 측정하는 구성이다.

여기서 본 출원인은 고정자 권선에 인가되는 전압의 변화에 따른 커패시턴스의 변화량과 주파수 특성의 변화의 상관관계를 확인하기 위한 다음과 같은 실험을 진행하였다.

이하의 실험은 감도 향상을 위해 전동기(1)의 전원을 차단한 후, 고정자 권선을 통해 전류가 흐르도록 3상 단자를 단락시킨 상태에서 복수 개의 SFRA 주파수 발생기(30)를 통해 주파수 주입CT(20)에 SFRA 주파수가 주입되고, 복수 개의 커패시터형 센서(10)를 통해 SFRA 주파수 전류를 감지하였다.

실험 결과, 도 4에 도시된 바와 같이 인가 전압을 0㎸, 1㎸, 3.8㎸로 증가시키면, 커패시턴스 값이 1.55㎋, 1.56㎋, 1.57㎋로 각각 증가되는 것이 확인되었고, 이때 주파수 주입CT(20)를 통해 750㎑ ~ 1.5㎒의 SFRA 주파수 신호를 고정자 권선에 주입하면 커패시터형 센서(10)에서 측정되는 1.2 ~ 1.5㎒ 주파수 대역에서 SFRA 응답 신호 특성이 변화됨을 확인하였다.

즉, 인가 전압 상승에 의해 층간 절연 커패시턴스 값이 증가되면, 커패시터형 센서(10)를 통해 검출되는 주파수 특성이 함께 변화된다는 것을 확인할 수 있고, 그 결과 주파수 특성의 변화량을 감지하는 것으로 층간 절연 커패시턴스 값의 증가량을 추정할 수 있음을 확인하였다.

따라서 신호측정기(40)는 운전 초기에 커패시터형 센서(10)를 통해 각 상당 주파수 특성을 검출하여 기준 주파수 특성으로 저장하고, 이를 기초로 실시간으로 검출되는 주파수 특성의 변화량을 구하며, 이때 실시간으로 검출되는 주파수 특성의 변화량이 미리 설정한 임계치에 도달한 것으로 판단되면 커패시턴스 값의 증가에 따른 고정자 층간 절연물의 열화가 진행(또는 절연 파괴가 발생하는 임계치)된 것으로 추정되게 된다. 이때 임계치는 한 권선의 커패시턴스 값의 증가가 3~10%로 증가되었을 때를 주파수 특성의 변화량으로 설정될 수 있다.

또한, 본 출원인은 커패시터형 센서(10)에서 측정된 SFRA 주파수의 변화와 주파수 주입CT(20)에서 부분방전 신호의 검출여부를 측정하기 위해 다음과 같은 실험을 진행하였다.

별도의 부분방전 모니터링 시스템을 통해 V상(B상)에 부분방전 신호가 검출되는 것으로 판정된 고전압 모터(전동기)를 준비하고, 도 1에 도시된 바와 같이 전동기(1)의 각 상당 2개씩 총 6개의 커패시터형 센서(10)를 설치한 다음, 주파수 주입CT(20), SFRA 주파수 발생기(30) 및 신호측정기(40)를 각각 설치하였다.

그런 다음, 전동기(1)에 전력을 공급하는 3상 케이블의 부분방전을 측정하였으며, 그 결과 V상(B상)의 부분방전 신호가 125mV로 측정되었다.

삭제

이 상태에서 복수 개의 SFRA 주파수 발생기(30)를 통해 3개의 주파수 주입CT(20)로 1.2 ~ 1.5㎒의 스위프 주파수(sweep frequency)가 주입되고, 이렇게 주파수 주입CT(20)로 주입된 주파수 전류를 신호측정기(40)를 통해 측정하였다.

그 결과 U상(A상)의 부분방전 신호는 도 6에 도시된 바와 같이 1.2 ~ 1.29㎒주파수 대역에서 2.2mVp로 측정되었고, V상(B상)의 부분방전 신호는 도 7에 도시된 바와 같이 3.7mVp로 측정되었으며, W상(C상)의 부분방전 신호는 도 8에 도시된 바와 같이 1.7mVp로 외부 잡음 정도의 신호만이 측정되었다.

즉, 각 상에서 측정되는 1.2~1.29㎒ 주파수 대역의 측정신호 크기와 부분방전의 크기가 비례하는 것을 알 수 있고, 추가적으로 별도의 부분방전 센서를 설치하지 않고도 주파수 주입CT(20)를 이용하여 부분방전의 측정이 가능함을 알 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 전동기의 고정자 권선 하부에 상당 2개씩의 커패시터형 센서가 설치되고, SFRA 신호 발생기와 주파수 주입CT를 통해 각 상별로 1.2 ~ 2㎒ 대역대의 SFRA 주파수가 주입되며, 커패시터형 센서를 통해 검출되는 신호의 크기를 측정하는 것으로 발전기의 고정자 절연물의 열화 상태를 측정할 수 있고, 이와 동시에 주파수 주입CT에서 부분방전을 측정할 수 있게 된다.

위에서는 설명의 편의를 위해 바람직한 실시예를 도시한 도면과 도면에 나타난 구성에 도면부호와 명칭을 부여하여 설명하였으나, 이는 본 발명에 따른 하나의 실시예로서 도면상에 나타난 형상과 부여된 명칭에 국한되어 그 권리범위가 해석되어서는 안 될 것이며, 발명의 설명으로부터 예측 가능한 다양한 형상으로의 변경과 동일한 작용을 하는 구성으로의 단순 치환은 통상의 기술자가 용이하게 실시하기 위해 변경 가능한 범위 내에 있음은 지극히 자명하다고 볼 것이다.

1: 전동기 1A: 고정자
10: 커패시터형 센서 20: 주파수 주입CT
30: SFRA 주파수 발생기 40: 신호측정기

Claims (5)

1. 전동기(1)의 고정자 권선 하부에 설치되어 고정자 권선에 주입되는 SFRA 주파수를 감지하는 복수 개의 커패시터형 센서(10);
   상기 전동기(1)의 고정자 권선에 연결되어 특정 대역의 주파수를 주입하는 복수 개의 주파수 주입CT(20);
   상기 주파수 주입CT(20)에 각각 연결되어 SFRA 신호를 전송하는 복수 개의 SFRA 주파수 발생기(30); 및
   상기 복수 개의 커패시터형 센서(10)를 통해 측정되는 신호를 분석하여 고정자 권선 절연물의 열화 상태를 진단하고, 상기 주파수 주입CT(20)를 통해 부분방전을 측정하는 신호측정기(40);
   를 포함하고,
   열화 상태 진단시,
   상기 전동기(1)의 전원이 차단된 후, 고정자 권선을 통해 SFRA 신호의 전류가 흐르도록 3상 단자가 단락된 상태에서 상기 복수 개의 SFRA 주파수 발생기(30)를 통해 상기 주파수 주입CT(20)에 SFRA 주파수가 주입되고, 상기 복수 개의 커패시터형 센서(10)에서 측정되는 SFRA 주파수의 변화량을 측정하여 열화 여부를 진단하며,
   부분방전 측정시,
   상기 주파수 주입CT(20)에서 측정되는 CF 35㎒까지의 부분방전 신호를 측정하되, 전동기(1)에 전력을 공급하는 3상 전력 케이블의 주파수 측정이 진행되는 것을 특징으로 하는 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수 개의 커패시터형 센서(10)는,
   700㎑ ~ 2㎒의 SFRA 주파수가 검출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 SFRA 측정기법을 이용한 고정자 권선의 절연 열화 진단 및 부분방전 측정시스템.
   
5. 삭제

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