KR20080001916A

KR20080001916A - 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의흡습 시험 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20080001916A
Application number: KR1020060060385A
Authority: KR
Inventors: 배용채; 김희수; 이현; 김연환; 이두영
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-01-04
Also published as: US7403019B2; JP4384205B2; US7602194B2; US20080001610A1; CN101173974B; JP2008014941A; CN101173974A; US20080309352A1; KR100815877B1

Abstract

본 발명은 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 크로스 커패시턴스를 이용하여 구성된 센서와; 상기 센서를 통해 측정된 발전기 고정자 권선 절연물에 대한 흡습 시험을 수행하는 흡습 시험부;를 포함하여 구성함으로서, 크로스 커패시턴스를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물의 냉각수 흡습 여부를 두께별로 진단하여 불량 권선에 대한 사전 정비를 수행함으로써 발전소 불시정지 예방과 정비 비용 절감 및 발전기 수명을 증진시킬 수 있게 되는 것이다.

발전기 고정자 권선, 절연물, 크로스 커패시턴스, 흡습, 센서

Description

크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치 및 그 방법{Water absorption test equipment and method for generator stator bar insulation by cross capacitance}

도 1은 일반적인 발전기 고정자 권선의 개념도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치의 블록구성도이다.

도 3은 도 2에서 센서에 사용되는 크로스 커패시터 전극을 보인 개념도이다.

도 4는 도 2에서 크로스 커패시턴스에 의한 센서의 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 플래너 형태의 전극 구조를 보인 개념도이다.

도 6은 플렉시블 전극 구조를 보인 개념도이다.

도 7은 의사 크로스 커패시터 전극에 대한 시뮬레이션 결과를 보인 개념도이다.

도 8은 도 2의 센서를 설계하기 위한 전자력에 대한 시뮬레이션 결과를 보인 개념도이다.

도 9는 도 2의 센서에 대한 각종 크로스 커패시터의 구성예를 보인 단면도이다.

도 10은 도 9에서 water layer의 위치 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 보인 그래프이다.

도 11은 도 2의 흡습 시험 장치의 실제 구성예를 보인 도면이다.

도 12는 도 2의 실제 구성예를 보인 도면이다.

도 13은 도 2에서 센서의 측면도이다.

도 14는 도 2의 장치를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물에 대한 흡습 시험을 수행하는 장면을 보인 도면이다.

도 15는 도 2의 장치를 이용하여 측정한 정전용량 분포도의 예를 보인 그래프이다.

도 16은 도 12에서 센서를 구동시키기 위한 회로 부분을 센서와 분리하여 설계한 경우의 측정결과를 정리한 표이다.

도 17은 도 12에서 센서를 구동시키기 위한 회로 부분을 센서와 함께 설계한 경우의 측정결과를 정리한 표이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 센서 11 : 버튼

12 : 센서 소자 13 : 쿠션

14 : 커넥터 15 : PTFE 플레이트

16 : PCB 20 : 흡습 시험부

21 : 릴레이부 22 : 전송 브리지

23 : 오실레이터 24 : 위상 천이부

25 : 제 1 증폭부 26 : 제 2 증폭부

27 : 제 1 검출부 28 : 제 2 검출부

29 : AC/DC 컨버터 30 : CPU

31 : 인터페이스부 32 : 디스플레이부

40 ; 메인 시스템

본 발명은 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험에 관한 것으로, 특히 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물의 냉각수 흡습 여부를 두께별로 진단하여 불량 권선에 대한 사전 정비를 수행함으로써 발전소 불시정지 예방과 정비 비용 절감 및 발전기 수명을 증진시키기에 적당하도록 한 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치에 관한 것이다.

일반적으로 대용량 발전기는 수냉식을 사용하여 발전 중에 발생되는 열을 냉각 처리한다. 특히 발전기 고정자의 권선의 냉각을 위해서는 냉각 효율이 높은 순수를 사용한다.

그러나, 발전기 고정자의 권선 절연물에 흡습이 이루어지게 되면, 운전중 절연 파괴가 발생되어 운전정지 등의 파급 사고를 유발시킴으로써 운전 신뢰성을 저하시키게 되며, 권선을 교체하여 정비하기 위한 비용과 기간이 늘어나게 됨으로써 발전 생산성을 저하시키게 되는 문제가 발생된다.

종래의 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 상태에 대한 시험 방법으로는 Tanδ 시험 및 두 평판 사이의 일반적인 정전용량을 측정하여 진단하는 방법을 들 수 있다.

여기서 tanδ는 유전정접이라고 하는데, 유전정접(tanδ)은 유전체의 완전진상전류와 측정전류와의 위상차(δ)의 tan 함수이다. 이상적인 유전체는 모두 커패시턴스 성분만을 가지게 되므로 δ는 90도가 될 것이고, 따라서 tanδ는 무한히 큰 값이 나올 것이다. 그런데, 유전체가 열화되면 저항성분이 나타나게 되고, 이에 따라 δ는 90도 보다 작은 값이 된다. 유전정접 시험은 절연물에 교류전압을 인가하면 손실이 생기는 점을 이용한다. 이 손실은 누설전류에 의한 손실, 유전분극에 의한 손실, 부분방전에 의한 손실로 분류한다. 이러한 손실 때문에 전체 전류는 충전전류 성분 보다 늦게 되며 이 지연각을 유전손실각, 그 정접을 유전정접이라고 한다. 인가전압을 알고 절연물의 정전용량을 알고 손실각을 알면 손실을 알 수 있다

그러나 Tanδ 측정 방법의 경우 권선의 상(phase)에 대한 절연 상태는 평가할 수 있으나, 각각의 권선에 대한 흡습 여부는 평가하지 않는 한계가 있었다.

또한 두 평판 사이의 일반적인 정전용량을 측정하여 진단하는 방법의 경우, 권선 절연물의 흡습 정도는 판별할 수 있으나, 시험 장치에 흡습 진단 시 반드시 발생되는 권선 두께의 변화에 대한 오차가 수반되며, 측정시 발생되는 부유 정전용량(stray capacitance)을 제거할 수 없는 구조로 인하여 오차를 피할 수 없는 한계가 있었다.

또한 각 권선에 대한 tanδ의 측정 정보가 없으며, 발전기 고정자 권선 절연물의 두께별 흡습 상태를 측정할 수 없는 한계도 있었다.

따라서 본 발명에서는 상기한 종래 기술의 단점을 해결하고자, 크로스 커패시턴스(cross capacitance) 이론을 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험에 적용하여 시험 장치를 개발한 것이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 크로스 커패시턴스를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물의 냉각수 흡습 여부를 두께별로 진단하여 불량 권선에 대한 사전 정비를 수행함으로써 발전소 불시정지 예방과 정비 비용 절감 및 발전기 수명을 증진시킬 수 있는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치는,

크로스 커패시턴스를 이용하여 구성되고, 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 정도를 측정하는 센서와; 상기 센서에서 측정된 흡습 정도를 테스트하여, 발전기 고정자의 각 권선에 대한 절연물의 두께별 정전 용량과 유전정접을 측정하는 흡습 시험부;를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 방법은,

크로스 커패시턴스의 원리를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물의 상태를 감지하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 감지된 상태를 이용하여 상기 발전기 고정자 권선 절연물에 대한 흡습 시험을 수행하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

이하, 상기와 같은 본 발명, 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치 및 그 방법의 기술적 사상에 따른 일 실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명에 의한 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 크로스 커패시턴스를 이용하여 구성된 센서(10)와; 상기 센서(10)를 통해 측정된 발전기 고정자 권선 절연물에 대한 흡습 시험을 수행하는 흡습 시험부(20);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 센서(10)는, 발전기 고정자 권선 절연물의 두께별 정전 용량과 유전정접을 측정하기 위하여 단일(single) 전극, 이중(double) 전극, 4중(quadruple) 전극 중에서 하나 이상의 전극 형태를 포함하여 구성되고, 상기 전극을 플래너 형태(planar type)로 하여 하이(high), 그라운드(ground), 로우(low), 그라운드(ground)를 반복적으로 배치한 것을 특징으로 한다.

상기 센서(10)는, 각각의 상기 전극 사이에 가드(guard) 전극을 삽입한 것을 특징으로 한다.

상기 센서(10)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 발전기 고정자 권선 절연물의 두께별 정전 용량과 유전정접을 측정하기 위하여 단일 전극, 이중 전극, 4중 전극으로 구성되고, 상기 전극을 플래너 형태로 배치하고, 상기 발전기 고정자 권선 절연물을 두께별로 측정할 때, 처음에 상기 센서(10)는 단일 전극이 되어 단일 전극에 의한 두께(d1)에 해당하는 정전용량을 측정하고, 다음으로 상기 센서(10)는 이중 전극이 되어 이중 전극에 의한 두께(d2)에 해당하는 정전용량을 측정하며, 마지막으로 상기 센서(10)는 4중 전극이 되어 4중 전극에 대한 두께(d3)에 해당하는 정전용량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 센서(10)는, 크로스 커패시터를 다음의 수학식에서와 같이 설정하고,

pF/mm

여기서

와

는 서로 상대하고 있는 전극간의 정전용량이고,

은 원통의 축 방향 길이이며,

는 진공 유전율인 것을 특징으로 한다.

상기 흡습 시험부(20)는, 상기 센서(10)와 CPU(30) 사이의 신호를 중계하는 릴레이부(21)와; 상기 릴레이부(21)를 통해 상기 센서(10)의 신호를 입력받아 분기시키는 전송 브리지(22)와; 상기 전송 브리지(22)와 연결되어 국부 발진 주파수를 공급하는 오실레이터(23)와; 상기 오실레이터(23)로부터 공급받은 주파수를 기준으 로 상기 전송 브리지(22)로부터 전송받은 상기 센서(10)의 신호를 90도 위상 천이 시키는 위상 천이부(24)와; 상기 전송 브리지(22)로부터 상기 센서(10)에서 감지된 신호를 입력받아 증폭시키는 제 1 및 제 2 증폭부(25)(26)와; 상기 제 1 증폭부(25)에서 증폭된 상기 센서(10)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 제 1 검출부(27)와; 상기 제 2 증폭부(26)에서 증폭된 상기 센서(10)의 아날로그 신호를 상기 위상 천이부(24)의 90도 위상 천이에 맞게 디지털 신호로 변환시키는 제 2 검출부(28)와; 상기 오실레이터(23)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 AC/DC 컨버터(29)와; 상기 제 1 및 제 2 검출부(27)(28)에서 디지털 신호로 변환된 상기 센서(10)의 신호를 입력받고, 상기 AC/DC 컨버터(29)로부터 기준 신호를 입력받아 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험을 수행하는 CPU(30)와; 상기 CPU(30)와 연결되고, 메인 시스템(40)과 상기 흡습 시험부(20)가 연결되도록 하는 인터페이스부(31);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 CPU(30)는, 상기 릴레이부(21)를 통해 상기 센서(10)의 단일(single) 전극, 이중(double) 전극, 4중(quadruple) 전극을 자동으로 절체하여 선택하는 것을 특징으로 한다.

상기 흡습 시험부(20)는, 상기 CPU(30)와 연결되어, 상기 CPU(30)에서 측정된 결과를 디스플레이하는 디스플레이부(32);를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 디스플레이부(32)는, 주 메뉴로서 (1) Measurement, (2) Data display, (3) Data transmission, (4) Calibration 의 네 가지 중에서 하나 이상을 선택하여 디스플레이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 의한 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 방법은, 크로스 커패시턴스의 원리를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물의 상태를 감지하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 감지된 상태를 이용하여 상기 발전기 고정자 권선 절연물에 대한 흡습 시험을 수행하는 제 2 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 단계는, 발전기 고정자 권선 절연물의 두께별 정전 용량과 유전정접을 측정하기 위하여 단일 전극, 이중 전극, 4중 전극으로 구성되고, 상기 전극을 플래너 형태로 배치하고, 상기 발전기 고정자 권선 절연물을 두께별로 측정할 때, 처음에 상기 센서(10)는 단일 전극이 되어 단일 전극에 의한 두께(d1)에 해당하는 정전용량을 측정하고, 다음으로 상기 센서(10)는 이중 전극이 되어 이중 전극에 의한 두께(d2)에 해당하는 정전용량을 측정하며, 마지막으로 상기 센서(10)는 4중 전극이 되어 4중 전극에 대한 두께(d3)에 해당하는 정전용량을 측정하여 발전기 고정자 권선 절연물의 상태를 감지하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어 들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

먼저 본 발명은 크로스 커패시턴스를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물의 냉각수 흡습 여부를 두께별로 진단하여 불량 권선에 대한 사전 정비를 수행함으로써 발전소 불시정지 예방과 정비 비용 절감 및 발전기 수명을 증진시키고자 한 것이다.

1. 개요

일반적으로 발전기 고정자 권선은 통전을 위한 동도체 부분과 주변의 절연용 마이카 피복으로 구성되어 있다. 이 동도체에서 발생되는 열을 냉각시키기 위하여 동도체내의 기공을 통해 물을 통과시키는 수냉각 방식을 사용하고 있다. 수냉각 권선 제작시 사용하는 브레이징 용접부위에서 발생되는 틈새부식, 진동에 의한 절연물 박리 현상 등의 요인에 의해 동도체내의 기공을 통과하고 있는 물이 마이카 피복으로 침투되며 이는 심각한 발전기 사고의 원인이 된다. 지금까지 사용되고 있는 누수탐지 방법으로서 절연 진단 시험, 압력시험, 진공시험 등이 있으나 진단결과가 양호하다고 하여도 권선의 흡습으로 인한 절연파괴가 발생하는 문제점이 있다.

도 1은 일반적인 발전기 고정자 권선의 개념도이다.

권선 마이카 피복 표면과 권선 동도체를 양극으로 하여 대향하는 극 사이의 절연물에 대한 정전용량을 측정하는 흡습 시험 장치가 개발된 바 있다. 그러나 상기의 통상적인 정전용량 측정 방법을 발전기 고정자 권선 흡습 상태의 진단에 적용 하는 데 몇 가지 기술적인 문제가 있다.

여기서 대향하는 극 사이의 절연물에 대한 정전용량(Cap)은

이고, 이때 k는 상수이며,

은 유전율이고, A는 센서의 면적으로서 일정하며, d는 두께이다. 그래서 종래기술에서는 각 측정 권선의 d 가 일정하지 않으면 커패시턴스가 틀려지게 된다. 이러한 종래기술에 비해, 본 발명에서는 동도체와 센서(10) 사이의 두께에 관계없이 단일 전극, 이중 전극, 4중 전극에 따라 두께(d1, d2, d3)가 결정되기 때문에 두께의 변화에 따른 오차가 없게 된다.

즉, 절연물 내에 함유된 냉각수로 인하여 변하는 비유전율의 차이에 의해 정전용량 값을 측정하기 위해서 절연물의 두께가 일정하다는 가정이 전제되어야 하나, 실제 권선 절연물의 두께가 일정하지 않으므로 오차의 요인이 된다.

또한 센서와 동도체 사이의 평행판 전극 구조를 사용하기 위해서는 동도체에 접지를 하여야 하며, 이때 고정자 권선의 동도체와 측정기 사이에 연결되는 도선의 길이가 매우 길기 때문에 정전용량 측정 원리상 도선 자체에서 발생되는 과다한 손실성분(dissipation factor)의 영향을 피할 수 없다.

그리고 센서 및 측정기가 측정조건에서 발생되는 부유 정전용량(stray capacitance)을 제거할 수 없는 구조를 지니고 있다.

이와 같이 기존의 흡습 시험 장치 및 센서의 사용에 있어 필연적으로 발생되는 오차를 보완하기 위하여 본 발명에서와 같이 크로스 커패시턴스(cross-capacitance) 측정 원리를 적용한 정전용량형 센서 시스템 즉, Gen-SWAD II(Generator Stator Water Absorption Detector II)를 개발하였다.

이러한 본 발명에 대한 설명을 위해 크로스 커패시턴스 이론에 대한 설명을 하면 다음과 같다.

2. 이론 정립

크로스 커패시터(Cross capacitor)의 원리는 호주 NML의 톰슨(Thompson)과 램파드(Lampard)에 의해서 발견된 법칙(theorem)을 기본으로 한 것으로서, 이러한 새로운 정전기 이론이 발표되면서부터 정확도가 높은 전기용량의 절대측정이 가능하게 되었으며, 현재까지 크로스 커패시터(cross capacitor)는 전기용량 및 전기저항 단위의 원기급 표준기로 이용되고 있다.

도 4에서와 같은 수직 단면을 갖는 원통을 4개의 좁은 절연 갭(gap)으로 나눌 때 커패시터

의 전극을 접지 시켰을 때 단위 길이 당 전기용량

과, 커패시터

의 전극을 접지 시켰을 때 단위 길이 당 전기용량

와의 관계를 CGS(Centimeter-gram-second system) 단위계의 esu(Electro Static Unit, 정전단위) 단위로 나타내면, 그 원통의 단면적 모양에 관계없이 전극간의 공간이 진공일 때 다음의 수학식 1이 성립한다.

이렇게 성립된 수학식 1을 톰슨-램파드 정리(Thompson-Lampard theorem)라고 한다. 이것을 SI(The International System of Units, 국제단위계) 단위계로서 나타내면 다음의 수학식 2와 같다.

1957년 램파드(Lampard)는 이러한 새로운 정전기 이론을 이론적으로 상세히 보고하였다. 수학식 1에서 만약

, 즉 전극 구조가 완전 대칭인 경우에는 다음의 수학식 3이 된다.

그러나 일반적으로

이므로

이고, 평균값이

라고 하면 다음의 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

그리고 수학식 4를 수학식 2에 적용하면 다음의 수학식 5가 된다.

그런데

이기 때문에 수학식 5를 다시 정리하면 다음의 수학식 6이 된다.

이러한 수학식 6에서 만약

이라면 제 2 항은

보다 작은 오차가 되므로 무시 가능하다. 따라서 다음의 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.

진공 유전율

는 다음의 수학식 8의 관계가 성립된다.

여기서

는 진공의 투과율을 의미하며

이고,

는 진공중의 광속도로

으로 각각 정의된 불확도 영(zero)의 기본상수들이다. 이로부터 전기용량은 전극의 길이 측정에 의해서만 결정됨을 알 수 있다.

그래서 도 3에서와 같이 원통의 단면이 4개의 좁은 절연 갭(gap)으로 분리되 었을 때, 서로 상대하고 있는 전극간의 정전용량

및

는 다음의 수학식 9 및 수학식 10과 같은 관계를 지닌다.

pF/mm

여기서

은 원통의 축 방향 길이가 된다. 수학식 10에서와 같이, 크로스 커패시턴스는 전극의 차원(dimension)과는 무관하고, 대향하고 있는 전극 사이의 길이에만 종속된다. 이러한 특성을 발전기 고정자 권선의 냉각수 흡습 상태를 진단하기 위한 센서(10)에 적용한 것이다.

즉, 크로스 커패시턴스 원리를 이용하면 발전기 고정자 권선 표면과 센서 사이에 존재하는 소량의 유전체에 대한 영향이 작아 무시될 수 있다는 장점이 있다.

크로스 커패시턴스를 적용한 센서의 전극 구조로서 High, Ground, Low, Ground 전극을 반복적으로 배치하면 의사 크로스 커패시턴스(quasi cross capacitance) 전극으로서의 역할을 하게 된다.

이를 플래너 형태(planar type)로 제작하면 전극구조도 간단하고 측정대상물의 표면구조에 밀착시키는 방법도 쉽게 되며 차폐방법도 용이하게 된다.

도 5는 플래너(Planer) 형태의 전극 구조를 보인 개념도이다.

플래너 형태의 전극은 기본적으로 도 5에서와 같이 하이(High) 전극과 로우(Low) 전극이 동일한 평면상에 놓여진다. 따라서 전기력선이 도 5에서와 같이 형성되어, 종래기술에서와 같이 상하 대향전극이 배치됨으로서 측정대상물의 두께가 오차의 직접적인 요인으로 작용되는 종래의 문제점을 제거할 수 있게 된다.

도 6은 플렉시블 전극 구조를 보인 개념도이다.

그래서 플래너 형태의 전극을 플렉시블 물질(flexible material)의 표면에 형성하면 도 6에서와 같은 대상물도 측정이 가능하게 된다. 즉 어떤 소재의 유전특성을 측정하기 위해서는 그 소재를 평행판으로 가공하여 양면에 전극을 형성하는 과정을 필히 거쳐야 한다. 그러나 이러한 센서(10)를 사용할 경우 기존 제품의 표면에 센서(10)를 밀착함으로서 직접 유전상수를 측정할 수 있게 된다.

그리고 본 발명에서는 재현성과 안정성을 위하여 측정 장치는 트랜스포머 비율 암 브리지(transformer ratio arm bridge)를 적용하고, 측정 주파수는 1KHz로 하며, 측정 장치의 결선을 투 터미널 페어(two-terminal-pair) 방식을 적용한다.

또한 크로스 커패시터 원리를 적용할 때 병렬 플레이트 커패시터(parallel-plate capacitor)의 경우와는 달리 다음과 같은 특징과 장점이 있다. 즉 전극 구조물의 제작 공차, 전극별 크기, 대칭도, 평행도 등에 무관하고, 전극 표면의 균일도, 평면도, 표면의 오염 부식 등에 둔감하고, 오직 전극 축방향의 길이(L)에만 종속된다.

도 7은 의사 크로스 커패시터 전극에 대한 시뮬레이션 결과를 보인 개념도이 다.

크로스 커패시터는 대향하고 있는 전극 사이의 크로스 커패시턴스를 측정할 때 다른 쌍의 전극은 반드시 접지되어야 한다. 이러한 요구조건을 센서에 적용하기 위하여 도 7에서와 같이 high voltage - ground - low voltage - ground의 전극배치를 펼쳐 놓으면, quasi-cross capacitor의 전극형상을 이루게 된다. 그러나 수학식 10에서와 같이 단일 크로스 커패시턴스의 출력은 0.001953 pF/mm가 되어 전자회로에서의 신호처리를 위해서는 너무 작은 값이기 때문에 출력 정전용량을 증가시키기 위해 도 8에서와 같이 H-G-L-G(high voltage - ground - low voltage - ground)의 순서를 반복적으로 수행한 전극으로 설계하였다.

도 8에서의 곡선은 필드 시뮬레이션(field simulation)에 의해 산출된 값을 이용하여 그려진 등전위면을 의미한다.

3. 센서 설계

도 9는 도 2의 센서에 대한 각종 크로스 커패시터의 구성예를 보인 단면도이다. 이러한 도 9에서 도 9a는 크로스 커패시터로 구성된 센서(10) 전체에 대한 단면도이다.

그래서 도 9a에서와 같이 전극을 각각 H-L 전극으로 사용할 경우를 "single" 전극이라고 이름을 정하고, HH-LL 전극으로 사용한 경우를 "double" 전극으로, HHHH-LLLL 전극인 경우를 "quadruple" 전극이라고 이름을 정하였다. 이것은 권선 내부동선으로 발생된 수분이 두께 4.5 mm인 마이카 절연체 내부로 침투하여 상단영역, 중간영역, 하단영역 중에서 어느 위치에 존재하는지를 예측할 수 있는 센서로서 개발하기 위한 것이다. 특히 각 전극소자 사이에 0.1 mm 폭의 가드(guard) 전극을 삽입하여 의사 크로스 커패시턴스(quasi-cross capacitance)를 형성하였고, 동시에 이웃 전극 사이에서 발생되는 부유 정전용량(stray capacitance)을 제거하는 효과를 얻도록 하였다.

또한 도 9b는 센서의 전극이 절연물의 정전용량을 측정할 때 전체 전극에 의한 각각의 두께(d1, d2, d3)를 보인 것이고, 도 9c는 단일 전극에 의한 두께(d1)를 보인 것이며, 도 9d는 이중 전극에 의한 두께(d2)를 보인 것이고, 도 9e는 4중 전극에 의한 두께(d3)를 보인 것이다.

그래서 발전기 고정자 권선 절연물을 두께별로 측정할 때, 처음에 센서(10)는 단일 전극이 되어 도 9c에서와 같이 단일 전극에 의한 두께(d1)에 해당하는 정전용량을 측정한다. 그 다음으로 센서(10)는 이중 전극이 되어 도 9d에서와 같이 이중 전극에 의한 두께(d2)에 해당하는 정전용량을 측정한다. 마지막으로 센서(10)는 4중 전극이 되어 도 9e에서와 같이 4중 전극에 대한 두께(d3)에 해당하는 정전용량을 측정하게 된다.

도 10은 도 9에서 water layer의 위치 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 보인 그래프이다. 이러한 도 10은 필드 시뮬레이션 결과를 정리한 것이다.

도 10에서 알 수 있는 바와 같이, single electrode에서는 water layer가 하단으로부터 약 3.5 mm까지 상승했을 때 정전용량이 증가되기 시작하고, double electrode에서는 약 2.5 mm까지 상승했을 때 정전용량이 변화되기 시작하고, quadruple electrode의 경우는 약 1 ~ 1.5 mm에서 감지되는 것을 보여주고 있다.

도 11은 도 2의 흡습 시험 장치의 실제 구성예를 보인 도면으로서, 두 가지 형태의 크로스 커패시터, 즉 센서 구동 회로를 센서와 함께 설계한 형태와 센서 구동 회로와 센서를 분리한 형태의 구성예를 보였다.

센서(10)의 설계는 필드 시뮬레이션(Field simulation) 조건으로서 편의상 마이카의 유전상수는 4, 수막의 유전상수는 90으로 수행하였다. 그러나 실제적으로 수분이 마이카 내부에 흡습되면 마이카의 유전상수는 4에서 약 12 이상으로 증가된다.

센서(10)의 최적 치수 조건을 필드 시뮬레이션(field simulation)을 통하여 확인한 후 FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 제작공정을 이용하여 도 11과 같이 각종 센서(10)를 제작하였다.

센서(10)의 표면이 단단한 재질로 제작되면 발전기 권선의 표면은 표면 거칠기가 심하기 때문에 센서가 권선의 표면에 접촉할 때 필히 공기 갭이 존재하게 되어 측정오차가 크게 발생된다. 이러한 영향을 최소화하기 위하여 플렉시블 센서(flexible sensor)로서 제작한 것이다. 전극소자로 구성된 센서에서 릴레이(relay)를 이용하여 자동적으로 single, double, quadruple 전극으로 선택될 수 있도록 하였다.

또한 센서의 후면에 완전한 차폐전극을 삽입하여 후면으로 발생되는 전기장을 차단함으로서 센서 전면에서 마이카 특성만을 측정할 수 있도록 제작하였다.

4. 센서를 구동시키기 위한 회로 부분을 센서와 함께 설계한 경우

4-1. 측정 회로 설계 및 제작

그래서 Ratio transformer bridge를 구성하기 위해 도 2에서와 같이 설계하여 제작하였다. 제작된 측정시스템은 센서를 구동시키기 위한 회로 부분을 센서와 함께 하나의 금속 인클로저(enclosure) 내에 설치하여 스트레이 커패시턴스(stray capacitance) 및 전자기 잡음 영향을 최소화하였고, 측정된 결과를 메뉴에 따라 설정, 수정, 입력할 수 있는 디스플레이(display) 회로를 별도로 제작된 케이스 내에 설치하는 방법을 채택하였다.

따라서 발전기 고정자의 각각의 권선 표면에 센서를 접착시키면 자동적으로 single, double, quadruple 전극으로 선택되어 측정된 결과가 표시되고, 측정기의 버튼(button)을 누르면 기억되도록 제작하였다. 동시에 메인 시스템(40)인 PC에 연결하여 데이터(data)를 컴퓨터에서 처리, 분석할 수 있도록 제작하였다.

그래서 센서(Sensor)(10)에서는 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 정도를 두께별로 측정하게 된다.

그리고 흡습 시험부(20)에서는 센서(10)에서 측정된 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 정도를 처리할 수 있게 된다.

이러한 흡습 시험부(20)에서 릴레이부(Relay circuit)(21)는 센서(10)와 CPU(30) 사이의 신호를 중계하게 되는데, CPU(30)에서 선택신호를 받아 센서(10)의 single, double, quadruple 전극을 자동으로 선택할 수 있게 해준다.

또한 전송 브리지(Transformer Bridge)(22)는 센서(10)의 신호를 중계하는 릴레이부(21)로부터 센서(10)에서 측정된 신호를 입력받아 분기시킨다.

또한 오실레이터(Oscillator, OSC)(23)는 전송 브리지(22)와 연결되어 국부 발진 주파수를 공급한다.

또한 위상 천이부(Phase shifter)(24)는 오실레이터(23)로부터 공급받은 주파수를 기준으로 전송 브리지(22)로부터 전송받은 센서(10)의 신호를 90도 위상 천이 시킨다.

또한 제 1 및 제 2 증폭부(Amplifier, AMP)(25)(26)는 전송 브리지(22)로부터 센서(10)에서 감지된 신호를 입력받아 증폭시킨다.

또한 제 1 검출부(Detector AD/DC)(27)는 제 1 증폭부(25)에서 증폭된 센서(10)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 CPU(30)로 공급한다.

또한 제 2 검출부(Detector AC/DC)(28)는 제 2 증폭부(26)에서 증폭된 센서(10)의 아날로그 신호를 위상 천이부(24)의 90도 위상 천이에 맞게 디지털 신호로 변환시켜 CPU(30)로 공급한다.

또한 AC/DC 컨버터(29)는 오실레이터(23)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 디지털 기준 신호를 CPU(30)로 공급한다.

그러면 CPU(30)는 제 1 및 제 2 검출부(27)(28)에서 디지털 신호로 변환된 센서(10)의 신호를 입력받고, AC/DC 컨버터(29)로부터 기준 신호를 입력받아 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험을 수행하게 된다.

또한 인터페이스부(31)는 RS-232 방식 등을 사용하여 메인 시스템(40)과 흡습 시험부(20)를 연결시킨다.

그러면 메인 시스템(40)에서는 흡습 시험부(20)를 통해 센서(10)에서 감지된 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 정도를 파악하고, 관리할 수 있게 된다.

4-2. 디스플레이 장치의 기능

도 12는 도 2의 실제 구성예를 보인 도면이다.

이러한 도 12는 측정 시스템의 디스플레이 화면에 대한 주 메뉴로서 Measurement, Data display, Data transmission, Calibration 의 네 가지로 구성되어 있으며, 각각의 세부 내용은 다음과 같다.

(1) Measurement

측정하고자 하는 발전소와 발전기, 그리고 측정 환경에 대한 정보를 입력하고 측정을 시작하게 하는 기능이다. 즉, 시스템 내부에 전국 발전소의 목록이 입력되어 있어 대상 발전소, 발전기 번호, 측정일시, 권선 온도, 그리고 권선 개수와 측정 위치를 지정할 수 있다. 측정위치는 CET-TOP, CET-OUT, CET-IN, CEB-OUT, CEB-IN, TET-TOP, TET-OUT, TET-IN, TEB-OUT, TEB-IN 등에서 선택할 수 있다.

(2) Data display

측정된 data를 정리하여 표시하는 기능으로서, 예를 들면 다음과 같다.

- Measured Data Num = 7

- Gen_1 Measu : 72

- CET-TOP Temp : 28℃

- Date : 2004. 12. 27. 14:00

(3) Data transmission

측정하여 저장된 데이터를 PC로 이동할 것인지의 여부를 선택한다.

(4) Calibration

제작된 측정회로는 ratio transformer bridge 회로방법을 이용하여 기준 커패시터(reference capacitor)로서 이용하고 있는 커패시터 소자(capacitor element)와 측정대상 커패시터(capacitor)로서 센서(10)를 통해 측정되는 커패시턴스(capacitance)와의 비교에 의해 정전용량과 tanδ를 결정해 표시하게 된다.

따라서 장기간 시간이 지남에 따라 센서 시스템을 교정함으로서 항상 정확한 측정결과를 얻게 된다.

4-3. 인클로저(Enclosure) 설계 및 제작

도 13은 도 2에서 센서의 측면도로서, 인클로저 설계의 예를 보인 것이다.

센서 소자를 회로기판에 설치하여 하나의 인클로저 내에 설치하여 사용하기에 편리하도록 하고, 플렉시블 센서(flexible sensor)를 권선 표면에 밀착시키기 위하여 인클로저 내부에 쿠션(Cushion)을 넣고 센서를 벤딩(bending)하여 PCB(16) 소켓에 삽입 고정하였으며, 센서 뒷면의 차폐판과 센서 소자들 사이의 모든 가드(guard) 전극들을 동시에 회로의 접지에 연결하였다.

여기서 도 13에서 참조번호 11은 버튼(Button)이고, 12는 센서 소자(Sensor element)이며, 13은 쿠션(Cushion)이고, 14는 커넥터(Connector)이며, 15는 PTFE(polytetrafluoroethylene) 플레이트(plate)이고, 16은 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)이다.

5. 센서를 구동시키기 위한 회로 부분을 센서와 분리하여 설계한 경우

발전기 고정자 권선의 측정 위치에 따라 센서의 크기 및 형태의 변경이 필요한 경우가 있다. 센서 구동 회로 부분을 센서와 분리한 형태의 센서를 도 11과 같이 개선 제작하였다.

발전소 현장에서 확인된 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 방향으로 개선연구가 추진되었다.

(1) 플렉시블 센서의 길이를 현재 70 mm에서 40 mm로 축소하여 다시 설계 제작하여 두께 3 mm의 실리콘 고무판을 부착하여 거친 표면을 지닌 권선에 직접 접촉할 수 있도록 하였다.

(2) 센서 길이가 축소되면 브리지 회로에서의 internal standard capacitor의 값이 달라지기 때문에 이를 다시 제작 및 설치하였다.

(3) 기존 센서 뒷면에 설치되었던 브리지 회로 및 전치 증폭(pre-amplifier) 회로 등 모든 회로를 기존의 인클로저로 이동 설치하였다.

(4) 센서소자들과 회로 사이의 전기배선은 동축 케이블(coaxial cable)로 연결하여 외부 노이즈(noise)를 최소화하였다.

6. 검증

6-1. 현장 검증

6-2. 측정 결과

발전소 현장에서 제작된 센서를 이용하여 삼천포 발전소 현장에서의 측정 결과를 정리한 결과 도 15와 같았다.

센서를 이용하여 발전기 고정자 권선이 벤딩(bending)되어 있는 내부 측면 및 외부 측면을 측정할 수 있으며, 도 15에서와 같이 권선의 절연물에 대한 정전용량을 두께별로 측정할 수 있다.

6-3. 표준 기관에서의 검증

제작된 센서 및 시스템의 검증을 위해 국가 표준 기관에 의뢰하여 시험 장치에 대한 인증을 받았다. 인증 시험을 위해 온도나 습도에 둔감한 세라믹 시편을 제작하였다.

도 16은 도 12에서 센서를 구동시키기 위한 회로 부분을 센서와 분리하여 설계한 경우의 측정결과를 정리한 표이며, 도 17은 도 12에서 센서를 구동시키기 위한 회로 부분을 센서와 함께 설계한 경우의 측정결과를 정리한 표이다.

그래서 시험은 세 종류의 세라믹 시편을 이용하여 제작된 시스템과 표준기급 정전용량 측정기(AH2500)로 측정된 값을 도 16 및 도 17에서 보는 바와 같이 오프셋(offset) 값에 보정 값(corrected value)(C1)을 정하고, 이를 발전기 권선 흡습 측정 장치에 연결했을 때의 지시값(C2)과의 차이를 구하였다.

인증 시험 결과 도 16 및 도 17에서와 같이, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

이처럼 본 발명은 크로스 커패시턴스를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물의 냉각수 흡습 여부를 두께별로 진단하여 불량 권선에 대한 사전 정비를 수행함으로써 발전소 불시정지 예방과 정비 비용 절감 및 발전기 수명을 증진시키게 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치 및 그 방법은 크로스 커패시턴스를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물의 냉각수 흡습 여부를 두께별로 진단하여 불량 권선에 대한 사전 정비를 수행함으로써 발전소 불시정지 예방과 정비 비용 절감 및 발전기 수명을 증진시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

또한 본 발명은 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치 및 그 방법을 발전소 시험에 적용하고 각 고정자 권선의 냉각수 흡습 여부를 진단하여 흡습 권선에 대한 대책을 수립함으로써, 발전기 운전 중 절연파괴로 인한 사고 예방 및 발전소 운전 신뢰성을 증진시킬 수 있게 된다.

또한 고정자 권선 절연파괴로 인한 권선 정비에 장기간이 소요되므로, 본 발명에 의한 권선 절연물 흡습 진단을 통한 예방 정비로 많은 비용을 절감시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명은 국내외적으로 최초의 기술로서, 국외 발전소 적용으로 인한 외화 획득에도 기여하리라 기대된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

Claims

크로스 커패시턴스를 이용하여 구성된 센서와;

상기 센서를 통해 측정된 발전기 고정자 권선 절연물에 대한 흡습 시험을 수행하는 흡습 시험부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 센서는,

발전기 고정자 권선 절연물의 두께별 정전 용량과 유전정접을 측정하기 위하여 단일 전극, 이중 전극, 4중 전극 중에서 하나 이상의 전극 형태를 포함하여 구성되고, 상기 전극을 플래너 형태로 하여 하이, 그라운드, 로우, 그라운드를 반복적으로 배치한 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 센서는,

각각의 상기 전극 사이에 가드 전극을 삽입한 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 센서는,

발전기 고정자 권선 절연물의 두께별 정전 용량과 유전정접을 측정하기 위하 여 단일 전극, 이중 전극, 4중 전극으로 구성되고, 상기 전극을 플래너 형태로 배치하고, 상기 발전기 고정자 권선 절연물을 두께별로 측정할 때, 처음에 상기 센서는 단일 전극이 되어 단일 전극에 의한 두께에 해당하는 정전용량을 측정하고, 다음으로 상기 센서는 이중 전극이 되어 이중 전극에 의한 두께에 해당하는 정전용량을 측정하며, 마지막으로 상기 센서는 4중 전극이 되어 4중 전극에 대한 두께에 해당하는 정전용량을 측정하는 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 센서는,

크로스 커패시터를 다음의 수학식에서와 같이 설정하고,

pF/mm

여기서
와
는 서로 상대하고 있는 전극간의 정전용량이고,
은 원통의 축 방향 길이이며,
는 진공 유전율인 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡습 시험부는,

상기 센서와 CPU 사이의 신호를 중계하는 릴레이부와;

상기 릴레이부를 통해 상기 센서의 신호를 입력받아 분기시키는 전송 브리지와;

상기 전송 브리지와 연결되어 국부 발진 주파수를 공급하는 오실레이터와;

상기 오실레이터로부터 공급받은 주파수를 기준으로 상기 전송 브리지로부터 전송받은 상기 센서의 신호를 90도 위상 천이 시키는 위상 천이부와;

상기 전송 브리지로부터 상기 센서에서 감지된 신호를 입력받아 증폭시키는 제 1 및 제 2 증폭부와;

상기 제 1 증폭부에서 증폭된 상기 센서의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 제 1 검출부와;

상기 제 2 증폭부에서 증폭된 상기 센서의 아날로그 신호를 상기 위상 천이부의 90도 위상 천이에 맞게 디지털 신호로 변환시키는 제 2 검출부와;

상기 오실레이터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 AC/DC 컨버터와;

상기 제 1 및 제 2 검출부에서 디지털 신호로 변환된 상기 센서의 신호를 입력받고, 상기 AC/DC 컨버터로부터 기준 신호를 입력받아 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험을 수행하는 CPU와;

상기 CPU와 연결되고, 메인 시스템과 상기 흡습 시험부가 연결되도록 하는 인터페이스부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 CPU는,

상기 릴레이부를 통해 상기 센서의 단일 전극, 이중 전극, 4중 전극 중에서 하나 이상의 전극을 자동으로 절체하여 선택하는 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 흡습 시험부는,

상기 CPU와 연결되어, 상기 CPU에서 측정된 결과를 디스플레이하는 디스플레이부;를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 디스플레이부는,

주 메뉴로서 (1) Measurement, (2) Data display, (3) Data transmission, (4) Calibration 의 네 가지 중에서 하나 이상을 선택하여 디스플레이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 장치.
크로스 커패시턴스의 원리를 이용하여 발전기 고정자 권선 절연물의 상태를 감지하는 제 1 단계와;

상기 제 1 단계에서 감지된 상태를 이용하여 상기 발전기 고정자 권선 절연 물에 대한 흡습 시험을 수행하는 제 2 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 방법.
청구항 10에 있어서, 상기 제 1 단계는,

발전기 고정자 권선 절연물의 두께별 정전 용량과 유전정접을 측정하기 위하여 단일 전극, 이중 전극, 4중 전극으로 구성되고, 상기 전극을 플래너 형태로 배치하고, 상기 발전기 고정자 권선 절연물을 두께별로 측정할 때, 처음에 상기 센서는 단일 전극이 되어 단일 전극에 의한 두께에 해당하는 정전용량을 측정하고, 다음으로 상기 센서는 이중 전극이 되어 이중 전극에 의한 두께에 해당하는 정전용량을 측정하며, 마지막으로 상기 센서는 4중 전극이 되어 4중 전극에 대한 두께에 해당하는 정전용량을 측정하여 발전기 고정자 권선 절연물의 상태를 감지하는 것을 특징으로 하는 크로스 커패시턴스를 이용한 발전기 고정자 권선 절연물의 흡습 시험 방법.