KR20090027086A - 고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전기의 고정자에 흐르는 전류의 주파수 스펙트럼을 이용하여 발전기의 고정자 결함 여부를 진단하는 장치에 관한 것으로서, 발전기 고정자 권선의 전류를 측정하는 전류센서; 상기 전류센서에서 출력되는 신호의 외부 잡음을 저역통과 필터를 통해 제거한 후, 영교차 검파하여 A/D 변환기의 트리거 신호로 변환하는 시그널 컨디셔너; 상기 시그널 컨디셔너에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기; 상기 디지털 신호로 변환된 전류 신호를 버터워스로 디지털 필터링하고, 해닝 윈도우를 창 함수로 적용하여 주파수 보정하고, 고속 푸리에 변환하는 신호처리부; 및 주파수 스펙트럼 분포를 이용하여 발전기 고정자 결함 여부를 판단하는 진단부;를 포함하여 이루어진다.

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Description

고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치{Device for diagnosing defects of generators using stator-current}

본 발명은 발전기 결함 진단 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전기의 고정자에 흐르는 전류의 주파수 스펙트럼을 이용하여 발전기의 고정자 결함 여부를 진단하는 장치에 관한 것이다.

최근 비상용 디젤 발전기의 예방진단에 관한 중요성이 증대되면서, 종래의 오프라인에서의 진단 방법의 단점을 개발 보완하기 위한 온라인 진단 방법이 활발하게 연구되고 있다. 빌딩 및 대수용가, 선박, 플랜트 등에서 널리 사용되고 있는 디젤 발전기에 고장이 발생할 경우, 해당 기기와 관련된 모든 시스템의 가동이 중지되어 심각한 피해를 초래할 수 있다. 비상용 디젤 발전기의 이상 검출은 일반적으로 기기 주요 부분의 온도 및 진동을 상시 측정하고, 그 값을 해당 기기의 온도 또는 진동 기준 값과 비교하여 정상상태, 수리가 요구되거나 작동 가능한 상태 및 비상 멈춤이 필요한 상태 등으로 구분하는 방법을 적용하고 있다. 그러나 이러한 방법은 점진적 이상 발생에 대한 예방적 차원의 정보를 제공해주지 못할 뿐만 아니라 이상 발생 원인을 파악하기 위해서는 별도의 계측장비가 요구되는 등 번거롭고 분석시에 전문가에 의존해야 하는 등의 단점을 내포하고 있다.

한편 디젤 발전기의 고장의 원인으로는 고정자 결함이 전체고장의 85% 이상을 차지하고 있으며, 나머지는 회전자와 유지보수 미비와 운전과실 등에 따른 고장이 차지하고 있다. 디젤 발전기 고정자는 크게 철심과 코일, 그리고 브라켓 등 기타부분으로 나눌 수 있다. 철심의 고장 원인으로는 철심의 이완 및 손상, 기계적 충격에 의한 철심 단락, 부식, 그리고 철심의 과열 등이 있으며, 코일의 고장원인은 과열에 의한 코일의 손상, 오손, 코일 단락 및 스페이서 헐거움, 부분방전 및 아크 발생에 의한 코일 손상, 슬롯 내 코일의 이완 및 탈락 등이 있다.

본 발명은 디젤 발전기의 고정자 고장의 대부분을 차지하는 상기와 같은 고정자의 철심 및 코일의 손상 여부에 대한 결함 진단을 위한 것으로서, 발전기 고정자 권선에 클램프 CT센서를 부착하여 디지털 신호처리에 의한 주파수 스펙트럼 영역에서의 특정 값을 구한 후, 이의 절대크기와 특징값을 파악 분석하는 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치는,

발전기 고정자 권선의 전류를 측정하는 전류센서; 상기 전류센서에서 출력되는 신호의 외부 잡음을 저역통과 필터를 통해 제거한 후, 영교차 검파하여 A/D 변환기의 트리거 신호로 변환하는 시그널 컨디셔너; 상기 시그널 컨디셔너에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기; 상기 디지털 신호로 변환된 전류 신호를 버터워스로 디지털 필터링하고, 해닝 윈도우를 창 함수로 적용하여 주파수 보정하고, 고속 푸리에 변환하는 신호처리부; 및 주파수 스펙트럼 분포를 이용하여 발전기 고정자 결함 여부를 판단하는 진단부;를 포함하여 이루어진다.

상기 진단부는, 고정자 철심 진동 결함, 고정자 권선의 단상 결함, 고정자의 기계적 결함, 고정자 코일의 선간 단락, 발전기에 인가되는 전압 불평형 중 어느 하나 이상을 판단하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치는, 발전기 내부에 센서를 취부할 필요없이 발전기 출력단자에 CT를 클램프하여 데이터를 취득한 후, 전류 신호의 주파수 스펙트럼 분포와 크기, 변화추이 분석 및 경보 신호 발생 등의 기능을 구현함으로써 현장에서 온라인으로 쉽게 발전기의 고정자 권선 및 철심의 고장 여부를 진단할 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 구성도, 도 2는 그 블럭도, 도 3은 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 작동 절차를 나타내는 흐름도이다.

발전기 고정자 권선에 설치된 클램프 CT센서(10)에 의해 검출된 전류신호를 각 상별로 순차적으로 연속 측정한다.

고정자 결함 신호는 수십kHz사이의 주파수 대역에서 분포하고 있으므로 가능한 넓은 주파수 대역에서 신호를 취득하고 분석하는 것이 필요하다. 시그널 컨디셔너(Signal Conditioner, 20)는 디젤 발전기 운전 중에 발생하기 쉬운 수백kHz 주파수대역 이하의 외부잡음을 함께 저역통과 필터를 통해 제거한다. 저역통과 필터는 기준신호를 필터링한 후에 영교차 검파(Zero Crossing Detection)하여 A/D 변환기의 트리거 신호로 변환시킨다.

A/D 변환기(30)는 14bit의 최대 10MHz까지 샘플링이 가능한 것으로서 내부에 메모리 기능을 포함하고 있으며, 클램프 CT센서를 통해서 입력되는 전류신호를 디지털로 변환한다.

신호처리부(40)는 6-Pole의 버터워스 필터링(Butterworth filtering)을 프로그램하여 하드웨어적인 필터의 단점을 보완함으로써 외부 노이즈에 강한 전류신호를 얻게 한다. 이렇게 필터링한 신호를 정규화(Normalizing) 과정을 거쳐 다시 창(Window) 함수로 보정한다. 고정자의 스펙트럼 신호는 랜덤하고 높은 주파수로 인해 이를 직접 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하기 어려우므로 다운 샘플링을 수행하기 위해 고정자 전류 주파수 신호를 창 함수로 보정하여 정확하고 주파수 측정과 레벨을 얻는 기법을 사용한다. 창 함수로써 해닝 윈도우(Hanning Window)를 적용하여 정확한 주파수 신호를 얻도록 프로그래밍한다.

이하 창 함수(window function)의 선택에 관하여 설명한다.

전류피크의 주파수는 해상도에 따른 오차가 있으므로 주파수 보정을 하여 정확한 주파수를 구할 필요가 있다. 따라서 정확한 주파수와 레벨을 찾기 위해서는 창 함수에 따른 보간을 해야 한다. 창 함수의 수학적인 공식은 수학식 1과 같이 5개의 계수로 이루어져 계수를 변경함으로써 다양한 창 함수를 만들 수 있다.

각 함수의 계수는 표 1과 같다.

Hanning과 Hamming은 매우 유사한 특성을 갖고 있는데, 사이드로브 감쇠율이 Hamming은 20[dB/dec]로서 60[dB/dec]인 Hanning에 비해 떨어지므로 본 시스템은 스펙트럼신호분석 시 Hanning을 사용하여 정확한 주파수 성분을 취득하도록 한다.

각 창 함수에 따른 주파수 영역의 특성은 표 2와 같다.

여기서 △f는 라인과 라인간의 주파수 폭 또는 해상도를 나타낸다.

Hanning 창 함수에 의해 얻어지는 주파수 영역의 필터특성을 나타내면 잡음대역폭이 1.5△f이고 리플이 1.42[dB]이므로 도 4와 같다. 따라서 정확한 주파수와 레벨을 찾기 위해서는 도 5와 같이 창 함수에 따른 보간을 해야 한다.

도 6은 FFT를 수행하여 주파수 스펙트럼을 얻는 단계를 나타내는 흐름도이다. 고정자 전류신호를 100[㎑]로 샘플링하여 10K개 수집한 후 Hanning 창 함수를 이용하여 FFT 연산을 수행한 후, 여러 개의 FFT 연산을 평균하여 평균 스펙트럼을 메모리에 저장한다. 100[㎑]로 샘플링한 시간신호 샘플을 1/100 샘플링하여 1000[㎐]로 10K개 데이터를 저장한 뒤 같은 방법으로 FFT 연산을 반복 수행한 후, 0~1000[㎐] 범위의 스펙트럼도 평균화하여 평균 스펙트럼을 저장하여 진단시에 데이터로 활용한다.

진단부(50)는 주파수 스펙트럼 분포를 이용하여 발전기 고정자의 결함 여부를 판정하기 위해 스펙트럼 분포함수와, 하모닉, 에너지 밀도 등을 파라미터로 하여 분석 및 진단한다. 진단 결과는 디스플레이 장치에 표시된다.

본 발명에서는 고정자 철심 진동 결함, 고정자 권선의 단상 결함, 고정자의 기계적 결함, 고정자 코일의 선간 단락, 발전기에 인가되는 전압 불평형 여부를 주파수 스펙트럼으로 판단하여 고정자 결함 여부를 진단한다.

도 7은 고정자 철심 진동의 결함 진단 방법 흐름도이다. 발전기 고정자 철심 구조물에 작용하는 철심 표면 진동 주파수는 진동력 함수의 하모닉 성분을 예측하기 위한 수단을 제공해주므로 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

고정자 철심에 작용하는 하모닉 성분의 힘들은 철심 표면에 전달되는 주파수와 같은 진동을 일으킨다. 따라서 철심 표면의 진동신호는 정적과 동적편심의 주파수 성분을 포함하게 된다. 고정자 프레임 진동에서 주요한 슬롯 하모닉 중 하나는 동적편심의 함수로서 변화한다. 따라서 고정자 전류분석에 의해 고정자 철심 진동주파수 성분을 찾을 수 있으므로 고정자 철심 진동에 대한 결함 여부를 진단할 수 있다.

도 8은 고정자 권선의 단상 결함 진단 방법 흐름도이다. 단상화는 3상 발전기가 여러 가지 원인으로 2상으로만 운전되는 것을 의미하는 것으로서, 시동할 때 디젤 발전기가 간신히 규정속도에 도달하게 되며, 불평형 자기력에 의해 기동시 소음이 매우 크게 나타난다. 발전기가 시동할 때 진동 스펙트럼은 보통 1*와 2*(회전주파수)와 1*와 2*(전원주파수), 그리고 1/2*(하모닉)과 공진주파수에서 큰 진폭을 보이므로 이를 이용하여 발전기 고정자에 대한 결상 여부를 판별할 수 있다. 단상화의 원인은 발전기 고정자 코일의 단선 또는 출력단자 회로의 차단기나 연결선이 개방된 경우이다. 고정자 코일의 단선은 코일의 저항이나 전류측정으로 쉽게 확인할 수 있다.

도 9는 고정자의 기계적 불량 검출 방법 흐름도이다. 디젤 발전기에서 헐거운 고정자 코일에 의한 대부분의 문제는 회전수에 고정자 슬롯 수를 곱한 주파수와 발전기 전원주파수의 하모닉 성분과의 합으로서 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

고정자 코일 권선의 높은 저항이나 조인트 불량 등은 위 식과 같이 고정자 슬롯 주파수와 발전기 발전 주파수에 대한 하모닉 성분의 주파수 스펙트럼이 발생하여 전류 CT센서의 스펙트럼 신호의 측정에 의해 검출할 수 있다.

도 10은 고정자 코일의 선간 단락 검출 방법 흐름도이다. 발전기가 작동 상태에 있을 때 전기적 절연과 관련된 결함을 완벽히 검출할 수 있는 방법이나 현재 상용화된 계측기는 없다. 전류 분석과 부 시퀀스(negative sequence) 임피던스와 같은 기술이 온라인 발전기 고정자 모니터링의 방법으로 알려져 있으나 아직 실증된 장치는 없는 실정이다. 그러나 발전기의 전류 측정으로 특정 주파수를 계측해보면 발전기 고정자의 불평형의 변화를 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다. 고정자 코일에 선간 단락이 있는 경우 전류측정에 의한 슬롯통과 주파수의 하모닉을 살펴보면 전동기의 전기적 특성을 검출할 수 있다. 클램프 전류센서를 사용하여 신호 분석기에 입력하고, 입력된 신호는 FFT로 처리되어 스펙트럼으로부터 슬롯통과 주파수를 쉽게 분석할 수 있다. 스펙트럼 상에 나타나는 주파수는 고정자 슬롯과 회전주파수의 곱으로 구해지는 슬롯통과 주파수의 전원 하모닉으로 나타낼 수 있다.

도 11은 전압 불평형 검출 방법 흐름도이다. 3상 디젤 발전기에 인가되는 각 상의 유도전압이 동일하지 않을 때, 발전기 고정자 권선에 불평형 전류가 흐르게 된다. 약간의 전압 불평형이라도 전류는 더 큰 불평형의 결과로 나타난다. 전압 불평형을 갖고 작동하는 발전기의 온도 상승은 같은 부하 조건으로 평형된 정상 전압으로 작동하는 발전기보다 더 크게 된다. 디젤 발전기에서는 전압 불평형이 2% 이상으로 작동되는 것을 피해야 한다. 발전기에 불평형 전압의 영향은 평형을 이룬 전압에서 발생하는 회전에 반대 방향을 갖는 "부 시퀀스전압(negative sequence voltage)"의 개입과 같은 결과를 나타낸다. 도 11에서 보는 바와 같이 부 시퀀스전압은 회전자의 회전에 대항하는 공극의 자속을 발생하며, 높은 전류를 발생하는 경향이 있다. 작은 부 시퀀스전압이라도 평형된 전압 조건하에서 나타나는 전류를 훨씬 초과하여 고정자 권선에 전류를 발생시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 블럭도.

도 3은 본 발명에 따른 발전기 고정자 결함 진단 시스템의 작동 절차를 나타내는 흐름도.

도 4는 Hanning 윈도우 특성 곡선을 나타내는 그래프.

도 5는 Hanning 윈도우 보간을 나타내는 그래프.

도 6은 FFT를 수행하여 주파수 스펙트럼을 얻는 단계를 나타내는 흐름도.

도 7은 고정자 철심 진동의 결함 진단 방법 흐름도.

도 8은 고정자 권선의 단상 결함 진단 방법 흐름도.

도 9는 고정자의 기계적 불량 검출 방법 흐름도.

도 10은 고정자 코일의 선간 단락 검출 방법 흐름도.

도 11은 전압 불평형 검출 방법 흐름도.

Claims (2)

1. 발전기 고정자 권선의 전류를 측정하는 전류센서;

   상기 전류센서에서 출력되는 신호의 외부 잡음을 저역통과 필터를 통해 제거한 후, 영교차 검파하여 A/D 변환기의 트리거 신호로 변환하는 시그널 컨디셔너;

   상기 시그널 컨디셔너에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기;

   상기 디지털 신호로 변환된 전류 신호를 버터워스로 디지털 필터링하고, 해닝 윈도우를 창 함수로 적용하여 주파수 보정하고, 고속 푸리에 변환하는 신호처리부; 및

   주파수 스펙트럼 분포를 이용하여 발전기 고정자 결함 여부를 판단하는 진단부;를 포함하여 이루지는 것을 특징으로 하는, 고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 진단부는, 고정자 철심 진동 결함, 고정자 권선의 단상 결함, 고정자의 기계적 결함, 고정자 코일의 선간 단락, 발전기에 인가되는 전압 불평형 중 어느 하나 이상을 판단하는 것을 특징으로 하는, 고정자 전류를 이용한 발전기 결함 진단 장치.

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