KR20110069041A - 발전기 단부 권선들의 상태를 모니터링하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents
발전기 단부 권선들의 상태를 모니터링하기 위한 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링하기 위한 방법 및 시스템. 시스템은 광섬유 전도체의 미리 정해진 섹션 내에 형성된 트리어드 센서 어레이를 포함한다. 트리어드 센서 어레이는 발전기의 고정자 바에서 스트레인을 나타내는 제 1 신호를 발생시키기 위한 브래그 격자를 포함하는 제 1 센서, 상기 고정자 바에서 온도를 나타내는 제 2 신호를 발생시키기 위한 브래그 격자를 포함하는 제 2 센서, 및 상기 고정자 바에서 진동 크기를 나타내는 제 3 신호를 발생시키기 위한 브래그 격자를 포함하는 제 3 센서를 포함하는 상기 일 그룹의 센서들로 구성된다.
Description
본 발명은 일반적으로 전기 기계의 상태의 모니터링 및, 더 특히, 전기 기계의 상태를 모니터링하기 위해 광섬유 도관을 통해 다중 측정들을 획득하여 전기 기계들의 상태를 모니터링하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
전기 발전 분야에 사용되는 발전기는 기본 본체, 특히 정류자가 달린 철심 코어(a laminated stator core) 또는 회전자 본체의 슬롯들 내로 가압되는 다수의 컨덕터 또는 고정자 바들을 갖는 고정자 권선을 포함한다. 이러한 발전기는 매우 고가이고 장기적인 투자를 나타낸다. 그것의 실패는 전원 장비 자체를 위험하게 할 뿐만 아니라 수리와 관련된 다운 타임(down time)으로 인해 매우 심각한 서비스 감소를 야기할 수 있다. 이러한 상태를 피하기 위해, 결함의 조기 식별을 위한 진단 시스템을 사용하는 것이 증가하고 있다. 더욱이 진단 시스템은 더 높은 활용 레벨을 허용하여, 상기 전원 장비를 더 재정적으로 실행할 수 있게 만든다.
발전기 내에서 매우 높은 전압으로 인해, 발전기에 대한 진단 시스템은 일반적으로 전선들을 전기적으로 전도하는 것을 방지하는 센서 기술을 사용하고, 상기 전선들의 전기적 전도는 와이어들이 높은 전압에 있는 구조체에 전개된다면 접지에 아킹을 야기할 수 있다. 와이어들을 전도하는 신호들을 전달하는 것에 대안으로, 발전기들 내의 감지 신호들은 광섬유들에 의해서와 같이, 광학 전도체들에 의해 전달되었다. 예를 들어, 하나의 알려진 진단 시스템은 발전기의 단부 권선들 상에 진동 센서를 제공한다. 이러한 형태의 시스템에서, 진동 센서는 광섬유들을 통해 질량의 이동에 상응하여 광이 신호를 전송하는 질량-스프링 구성요소를 포함하는 가속도계를 포함할 수 있다. 이러한 타입의 시스템은 편향(deflections)으로 변환되어 크기(amplitudes) 및 위상에 대해 분석될 수 있는 가속도 출력 신호를 제공할 수 있다.
진동 센서로부터 신호들이 고정자 바의 물질에서 응력에 비례할지라도, 비례 요소는 정확하게 결정되기 어려울 수 있다. 예를 들어, 비례 요소는 권선 단부의 설계에 따라 가변될 수 있으며 또한 바로 다를 수 있어서, 예컨대 각 슬롯 내에 각 고정자 바의 조임성(tightness)에서 변형들을 포함하여 설치 상태들을 변경시키는 원인이 될 수 있다.
고정자 바들과 관련된 진동을 결정하는 추가적인 접근으로, 브래그 격자(Bragg grating)를 포함하는 광섬유 센서는 고정자 바 단부들에 인접한 리플 스프링들 상에 위치되어 센서로부터 수신된 신호들의 주파수에서 변화들을 검출할 수 있다. 검출된 변화들은 리플 스프링의 탄성의 변화 및/또는 고정자 바들의 이동을 야기할 수 있는 다른 상태들을 나타낼 수 있다. 이러한 모니터는 특허 출원 공개 공보 US 2008/0036336 A1에 개시되어 있다.
특정 고정자 바에 인가된 응력의 직접 표시를 제공하기 위해 고정자 상에 직접 스트레인 측정을 구하는 것이 바람직하다. 덧붙여, 장기 상태 기반 유지 보수를 위해 고정자 코어에서 부품들의 피로를 추적 및/또는 예측하는데 사용될 수 있는 데이터를 제공하기 위해 고정자 바들의 진동의 크기를 나타내는 진동 측정 센서로부터의 정보와 결합하여 고정자 바들 상에 스트레인을 나타내는 스트레인 측정 센서로부터의 정보를 추가적으로 획득하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 전기 발전기의 작동 상태를 모니터링하는 방법이 제공된다. 본 방법은 발전기의 고정자 바 상에 트리어드 센서 어레이를 위치시키는 단계; 발전기의 고정자 바의 작동 상태를 나타내는 트리어드 신호를 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 트리어드 센서 어레이는 광섬유 전도체의 미리 결정된 섹션 내에 형성된 제 1, 제2 및 제 3 센서들을 포함하는 일 그룹의 센서들을 포함한다. 트리어드 신호를 발생시키는 단계는 상기 고정자 바에서 응력 레벨을 나타내는 제 1의, 베이스 측정 신호를 발생시키는 단계; 상기 고정자 바에서 취해진 측정을 기초로 상기 베이스 측정 신호에 대한 조절을 나타내는 제 2의, 조절 신호를 발생시키는 단계; 및 상기 고정자 바에서 응력 레벨을 나타내고 실질적으로 주기적으로 변하는 값의 제 3의, 동적 측정 신호를 발생시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제 1, 제 2 및 제 3 신호들을 발생시키기 위해 상기 트리어드 센서 어레이에 광 복사를 제공하도록 상기 광섬유 전도체에 광 복사를 공급하는 단계; 및 제 1 응력 레벨 결정에 영향을 주기 위해 그리고 상기 제 1 응력 레벨 결정과 함께 및 독립적으로 실질적으로 동시에 제 2 응력 레벨 결정에 영향을 주기 위해 상기 트리어드 센서 어레이로부터 상기 제 1, 제 2 및 제 3 신호들을 수신하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 시스템은 회전자를 중심으로 서로에 대해 원주 방향으로 이격되게 위치된 복수의 고정자 바들을 포함하는 고정자 코어를 포함하는 전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위해 제공된다. 상기 시스템은 광섬유 전도체 및 각각의 트리어드 센서 어레이가 고정자 바들 중 하나와 관련되는 광섬유 전도체에 형성된 복수의 트리어드 센서 어레이들을 포함한다. 각각의 상기 트리어드 센서 어레이는 발전기의 고정자 바에서 응력 레벨을 나타내는 베이스 측정 신호를 발생시키기 위한 제 1 브래그 격자를 포함하는 제 1 센서, 상기 고정자 바에서 취해진 측정을 기초로 상기 베이스 측정 신호에 대한 조절을 나타내는 조절 신호를 발생시키기 위한 제 2 브래그 격자를 포함하는 제 2 센서, 및 상기 고정자 바에서 응력 레벨을 나타내고 실질적으로 주기적으로 변하는 값의 동적 측정 신호를 발생시키기 위한 제 3 브래그 격자를 포함하는 제 3 센서를 포함한다. 상기 시스템은 베이스 측정 신호, 상기 조절 신호 및 상기 동적 측정 신호들을 발생시키기 위해 각각의 상기 트리어드 센서 어레이의 상기 제 1 , 제 2 및 제 3 센서들에 광 복사를 제공하도록 상기 광섬유 전도체에 연결된 광 복사의 소스를 더 포함한다. 덧붙여, 광 검출기가 각각의 상기 트리어드 센서 어레이의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서들로부터 상기 신호들을 수신하도록 상기 광섬유 전도체에 연결되고, 상기 베이스 측정 신호, 상기 조절 신호 및 상기 동적 측정 신호는 각각의 상기 트리어드 센서 어레이의 상기 제 1 , 제 2 및 제 3 센서들 각각에 고유하게 식별된다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 전기 발전기의 작동 상태를 모니터링하기 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은 광섬유 전도체의 미리 결정된 섹션 내에 형성된 트리어드 센서 어레이를 포함한다. 트리어드 센서 어레이는 일 그룹의 센서들을 포함하고, 상기 일 그룹의 센서들은 발전기의 고정자 바에서 스트레인을 나타내는 제 1 신호를 발생시키기 위한 브래그 격자를 포함하는 제 1 센서, 상기 고정자 바에서 온도를 나타내는 제 2 신호를 발생시키기 위한 브래그 격자를 포함하는 제 2 센서, 및 상기 고정자 바에서 진동 크기를 나타내는 제 3 신호를 발생시키기 위한 브래그 격자를 포함하는 제 3 센서를 포함한다. 이 시스템은 상기 제 1, 제 2 및 제 3 신호들을 발생시키기 위해 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서들에 광 복사를 제공하도록 상기 광섬유 전도체에 연결된 광 복사의 공급원을 더 포함한다. 광학 감지기는 제 1, 제 2 및 제 3 신호들을 수신하기 위해 상기 광섬유 전도체에 연결되고, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 신호들이 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서들 각각에 고유하게 식별된다.
본 명세서가 본 발명을 특히 지적하고 명백하게 주장하는 청구범위를 완결하면서, 본 발명이 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명으로부터 더 양호하게 이해되어 질 것이고, 유사한 도면 부호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트리어드 센서 어레이(triad sensor array)의 위치를 보여주는, 고정자 코어의 일부를 도시한 사시도이고;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 트리어드 센서 어레이의 설치를 설명하는 고정자 바의 단부의 확대도이고;
도 3은 직렬로 센서들에 의해 형성된 트리어드 센서 어레이를 포함하는 상태 모니터링 시스템의 실시예의 개략도이고;
도 4은 병렬로 센서들에 의해 형성된 트리어드 센서 어레이를 포함하는 상태 모니터링 시스템의 실시예의 개략도이고;
도 4A는 도 4에 도시된 병렬 센서 배열의 대안적인 구성의 개략도이고;
도 5는 직렬인 복수의 트리어드 센서 어레이들을 포함하고 발전기 쉘 내에 위치된 모니터링 시스템을 위한 광원 및 검출기를 도시한 본 발명의 실시예의 개략도이고;
도 6은 직렬인 복수의 트리어드 센서 어레이들을 포함하고 발전기 쉘 밖에 위치된 모니터링 시스템을 위한 광원 및 검출기를 도시한 본 발명의 실시예의 개략도이며; 그리고
도 7은 병렬인 복수의 트리어드 센서 어레이들을 포함하는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 트리어드 센서 어레이의 설치를 설명하는 고정자 바의 단부의 확대도이고;
도 3은 직렬로 센서들에 의해 형성된 트리어드 센서 어레이를 포함하는 상태 모니터링 시스템의 실시예의 개략도이고;
도 4은 병렬로 센서들에 의해 형성된 트리어드 센서 어레이를 포함하는 상태 모니터링 시스템의 실시예의 개략도이고;
도 4A는 도 4에 도시된 병렬 센서 배열의 대안적인 구성의 개략도이고;
도 5는 직렬인 복수의 트리어드 센서 어레이들을 포함하고 발전기 쉘 내에 위치된 모니터링 시스템을 위한 광원 및 검출기를 도시한 본 발명의 실시예의 개략도이고;
도 6은 직렬인 복수의 트리어드 센서 어레이들을 포함하고 발전기 쉘 밖에 위치된 모니터링 시스템을 위한 광원 및 검출기를 도시한 본 발명의 실시예의 개략도이며; 그리고
도 7은 병렬인 복수의 트리어드 센서 어레이들을 포함하는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한 개략도이다.
바람직한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명에서, 그 일부를 형성하고 도면에 의해 도시된 첨부된 도면을 참조하고, 및 제한없이 본 발명이 실행될 바람직한 특정 실시예를 참조한다. 다른 실시예들이 활용될 수 있고 본 발명의 사상 및 범주에서 벗어남 없이 변형들이 만들어 질 수 있음이 이해되어져야 한다.
도 1을 참조하여, 발전기에 대한 고정자 코어 권선의 일부가 도시되고 방사상으로 확장된 슬롯들(16)을 한정하는 복수의 고정자 치상들(stator teeth, 14)을 포함하는 고정자 코어(12)를 포함한다. 고정자 코어(12)는 각 슬롯(16)에 위치된 하나 이상의 고정자 바들을 포함하는 고정자 코일들(11)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 하부 고정자 바(18) 및 상부 고정자 바(20)한 쌍의 고정자 바들이 각 슬롯(16) 내의 스택 관계로 위치된다. 고정자 바들(18, 20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 접지 벽 절연을 형성하는 절연층(22)으로 싸여질 수 있다. 바들(18, 20)은 하나 이상의 필러 부재들(filler members), 예컨대 상부 고정자 바(20)로부터 방사상 내측으로 슬롯(16)에 위치된 상부 리플 스프링(26) 및 상부 슬롯 필러들(24)을 포함하는 보유 구조물(23)에 의해 제자리에 유지된다. 보유 구조물(23)은 미리 결정된 조임성에 의해 슬롯(16)에 고정자 바들(18, 20)을 압축하여 실질적으로 고정자 코어(12)에 대해 바들(18, 20)의 이동을 제한하도록 답 리플 스프링(26)으로부터 방사상 내측으로 위치된 슬롯(16)에 설치된 웨지(28)를 더 포함한다.
바들(18, 20)의 위치가 보유 구조물(23)에 의해 실질적으로 유지되는 동안, 바들(18, 20)의 특정 정도의 벤딩 이동이 여전히 발전기 내에서 진동들에 응답하여 발생하여서, 바들(18, 20) 중 하나 이상의 표면 상에서 스트레인 측정에 의해 검출될 수 있는 바와 같이, 바들(18, 20)의 물질에 응력을 야기한다.
본 발명에 따라, 고정자 바들(18, 20)의 상태는 트리어드 센서 어레이(30)에 의해 모니터링될 수 있다, 이러한 설명을 위해, 트리어드 센서(30)는 상부 고정자 바(20) 상에 트리어드 센서 어레이(30)의 모니터링을 참조하여 설명될 것이다. 트리어드 센서 어레이(30)는 고정자 바(20) 상에 위치되어 본 발명의 실시예에 따라 상태 모니터링 방법을 구현하기 위한 데이터를 포함하는 신호들을 제공하는데 선택되는 3 개의 센서, 즉 제 1 센서(32), 제 2 센서(34), 및 제 3 센서(36)를 포함한다.
제 1 센서(32)에 의해 발생된 신호는 고정자 바(20)에서 응력 레벨을 나타내는 제 1의 베이스 측정 신호를 포함한다. 제 2 센서(34)에 의해 발생된 신호는 베이스 측정 신호에 대한 조절을 나타내며 고정자 바(20)에서 취해진 측정에 기초한 제 2의 조절 신호를 포함한다. 제 3 센서(36)에 의해 발생된 신호는 고정자 바(20)에서 응력 레벨을 나타내고 실질적으로 주기적으로 변하는 값의 제 3의 동적 측정 신호를 포함한다. 특히, 제 3 신호는 고정자 바(20)의 단부의 변위에 대한 데이터를 제공하기 위해 2 번 통합될(integrated twice) 수 있는 가속도 신호를 포함할 수 있다.
트리어드 센서 어레이(30)의 제 1 센서(32)는 스트레인 센서를 포함할 수 있고, 제 2 센서(34)는 온도 센서를 포함할 수 있고, 그리고 제 3 센서(36)는 진동 크기 센서를 포함할 수 있다. 제 1, 제 2 및 제3 센서들(32, 34, 36)은 각각 바람직하게 각각 브래그 격자(38a, 38b, 38c)를 포함하는 광섬유 센서를 포함할 수 있고, 각 센서(32, 34, 36)는 유일한 그리드 격자 이격으로 형성된다. 각 센서(32, 34, 36)의 브래그 격자(38a-c)는 고유한 중심 브래그 파장 λ(주파수)에 상응하는 격자 간격을 갖는다. 즉, 각 센서(32, 34, 36)의 브래그의 격자들(38a-c)에서 회절 라인들의 간격은 특정 센서(32, 34, 36)에 대해 고유하여 그 센서(32, 34, 36)를 통해 식별되는 파장으로 빛을 반사한다. 구체적으로, 각각의 센서(32, 34, 36)는 그에 할당된 고유한 중심 브래그 파장을 가지며, 센서(32, 34, 36)에 대한 중심 브래그 파장에 대한 파장에서의 변화들은 특정 센서(32, 34, 36)와 관련된 측정량의 값에서의 변화의 지시를 제공한다. 광대역 광원과 같은 광 복사의 소스(40)는 트리어드 센서 어레이(30)에 광 복사를 제공하기 위해 커플러(44)에서 공통 광섬유 전도체(42)에 연결되어 제공될 수 있고, 이는 공통 광섬유 전도체(42) 상에 연결된 임의의 트리어드 센서 어레이(들)(30)의 중심 브래그 파장(λ)에 상응하는 광 파장(주파수)의 미리 결정된 범위를 제공한다. 트리어드 센서 어레이(30)로부터 반사광은 광섬유 전도체(42)를 통해 다시 전송되어 광학 검출기 또는 분석기(46)에서 커플러(44)를 통해 수신된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 트리어드 센서 어레이(30)는 공통의 광섬유 전도체(42) 상에 직렬로 배열된 제 1, 제 2 및 제3 센서(32, 34, 36)를 포함한다. 제 1, 제 2 및 제3 센서들(32, 34, 36)은 바람직하게 6 인지 길이 내에 위치된다. 예를 들어, 제 1 및 2 센서들(32, 34)은 전형적으로 제 1 센서(32)의 스트레인 측정에 근접 접근 내에서 제 2 센서(34)의 온도 측정을 제공하는 트리어드 센서 어레이(30)의 대략 2 인치 길이 내에 위치될 수 있고, 진동 측정을 위한 가속도계를 포함하는 제 3 센서는 트리어드 센서 어레이(30)를 따라 대략 3 인치 연장될 수 있다.
고정자 바(20)에서 스트레인을 측정하기 위한 제 1 센서(32)는 제 1 브래그 격자(38a)의 대향 단부들이 고정자 바(20)에 부착되면서 고정자 바(20)의 길이 방향 연장 표면(48)에 장착된 광섬유 전도체(42)의 일부를 포함할 수 있다. 또는, 브래그 격자(38a)는 고정자 바(20)에 첨부된 기판(50)에 부착될 수 있다. 온도 측정을 위한 제 2 센서(34)는 고정자 바(20)의 이동으로부터 브래그 격자(38b)를 격리하고, 이에 따라 고정자 바(20)의 스트레인 관련 진동으로부터 브래그 격자(38b)를 격리하기 위해 세라믹 슬리브(52)에 의해 둘러싸인 광섬유 전도체(42)의 일부를 포함할 수 있다. 고정자 바(20)의 단부에서 진동의 크기를 측정하기 위한 제 3 센서(36)는 가속도계의 하우징(54)에 위치된 광섬유 전도체(42)의 일부를 포함할 수 있다. 가속도계는 예를 들어, 본 발명에서 참조된 미국 특허 번호 6,807,325호에 개시된 브래그 격자 가속도계와 같은 광 출력을 제공하는 임의의 알려진 가속도계를 포함할 수 있다.
도 4는 도 3을 참조하여 전술된 것과 동일한 센서들(32, 34, 36)을 포함하는 트리어드 센서 어레이(30)의 센서들에 대한 대안적인 배열을 도시한다. 도 4의 트리어드 센서 어레이(32, 34, 36)는 서로 병렬로 배열된 제 1, 제 2 및 제3 센서들(32, 34, 36)을 포함한다. 제 1, 제 2 및 제3 센서들(32, 34, 36)은 그 센서들(32, 34, 36)의 일 단부가 커플러(43)에서 광섬유 전도체(42)의 광원/검출기 측에 연결되고, 센서들(32, 34, 36)의 반대 단부가 다른 트리어드 센서 어레이들(30)에 광원(40) 및 검출기(46)의 통신을 위한 광섬유 전도체(42)의 섹션에 연결을 위해 커플러(45)에 연결되게 배열된다. 소스 광 복사 및 센서 신호들은 인접 트리어드 센서 어레이들(30)을 통해 및 사이에서 광 경로를 제공하기 위해 각 트리어드 센서 어레이(30)에서 모든 센서들(32, 34, 36)을 통해 전달될 수 있다.
도 4A를 참조하여, 도 4의 병렬 센서 배열의 대안적인 구성은 도 3을 참조하여 전술된 것과 동일한 센서들(32, 34, 36)을 포함하여 도시된다. 도 4A의 구성에서, 제 1 및 제 2 센서들(32 및 34)은 커플러(43)에서 광 섬유 전도체(42)에 분기될 수 있다. 제 3 센서(36)를 포함하는 광섬유 전도체(42)의 가지는 다음 트리어드 센서 어레이(30)에 전도체(42)의 구성을 형성할 수 있고 여기서 제 3 센서(36)는 광원 복사 및 센서 신호들에 대한 경로를 형성하여서 인접 트리어드 센서 어레이들(30)을 통해 및 사이에서 전달된다.
도 5를 참조하여, 발전기의 작동 상태를 모니터링하기 위한 시스템의 제 1 실시예가 도시된다. 이 시스템은 커플러(44)로부터 연장되고, 광원(40)에 연결되며 복수의 트리어드 센서 어레이들(30)에 연장되는 공통 광 섬유 전도체(42)를 포함하고, 여기서 각 트리어드 센서 어레이(30)는 고정자 코어(전체적으로 도면부호 12)에 위치된 각 고정자 바(20)와 관련되어서, 각 고정자 바(20)는 트리어드 센서 어레이(30)가 그 단부에 인접하게 부착되게 할 수 있다. 본 실시예의 복수의 트리어드 센서는 광섬유 전도체(42)를 따라 직렬로 연결된다. 광원(40)으로부터 빛이 커플러(44)를 통해 광섬유 전도체(42)에 제공되며, 드리어드 센서 어레이들(30)의 각각에서 브래그 격자들(38a-c)로부터 반사된 빛은 커플러(44)를 통해 검출기(46)로 광섬유 전도체(42)를 통과해서 전달된다. 도 5에 도시된 시스템의 구성에서, 광원(40) 및 검출기(46)는 발전기의 쉘(60) 내에 위치되어서, 검출기(46)에 의해 프로세싱된 데이터는 셀(60)의 관통 씰(penetration seal)을 통과하는 전기 라인(66)을 통해 디스플레이(62) 및 플랜트 데이터 획득 시스템(64)에 통신된다.
상이한 중심 브래그 파장(λ)을 갖는 주어진 트리어드 센서 어레이(30)의 센서들(32, 34, 36)의 각각에 덧붙여, 각 트리어드 센서 어레이(30)의 브래그 격자들(38a-c)은 임의의 다른 트리어드 센서 어레이(30)에서 센서들(32, 34, 36)의 중심 브래그 파장들(λ)과 상이한 중심 브래그 파장들(λ)을 형성한다. 또한, 각각 연속적인 중심 브래그 파장(λ)을 형성하는 브래그의 격자들(38a-c)은 미리 결정된 양, 예를 들어, 5nm로 증가될 수 있어서, 각 센서(32, 34, 36)가 작동하는 주파수 대역이 다른 센서(32, 34, 36)의 주파수 대역과 중첩되지 않을 것이다. 센서(32, 34, 36)의 브래그 격자(38a-c)에 의해 반사된 파장(주파수)에서 변화는 측정량의 변화들에 의해 야기됨으로써, 바람직하게 중심 브래그 파장들(λ) 사이의 미리 결정된 최소 증분보다 더 작다. 광대역 광원과 같은 광원(40)에서 공급된 광은 바람직하게 모든 트리어드 센서 어레이들(30)의 중심 브래그 파장들(λ)의 주파수들의 범위에 걸치는 파장들(주파수들)의 범위에서 제공된다.
제 1 센서(32), 즉 스트레인 센서의 위치에서 온도 변화는 제 1 센서(32)에서 브래그 격자(38a)의 열 팽창으로 인해 제 1 센서(32)의 장소에서 스트레인의 명백한 정상 상태(steady state) 변화를 가져올 수 있다. 브래그 격자(38a)의 열 팽창이 제 1 센서(32)에 의한 동적 진동 측정에 실질적으로 영향을 미치지 않을지라도, 온도 변화는 제 1 센서(32)로부터 정상 상태 스트레인 측정에 실질적으로 영향을 미칠 수 있고, 이러한 스트레인 측정은 본 발명의 관심 사항이다. 따라서, 제 2 센서(34)로부터 제공된 센서 신호는 온도 변화들에 대한 제 1 센서(32)의 측정을 조절하기 위해 참고로서 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 시스템의 대안적인 구성에서, 광섬유 전도체(42)는 커플러(44)에서 광섬유 전도체(42)에 연결하여서 루프를 형성하도록 마지막 트리어드 센서 어레이(30)로부터 연장하는 분기(branch, 42')를 포함할 수 있다. 광섬유 전도체(42)에서 고장(break)이 발생하는 경우, 레이저 광은 센서들(32, 34, 36)에 전달되어 분기(42')를 통해 브래그 격자들(38a-c)로부터 되돌아 반사될 수 있다. 대안적으로, 검출기(46)는 브래그 격자들(38a-c)을 지나 전송되는 광을 수신하고, 여기서 분기(42')를 통해 검출기(46)로 전송된 광의 분석은 검출기(46)에 전송되지 않고 중심 브래그 격자 파장(λ)들에서 또는 그 근처에서 응답들에 상응하는 특정 주파수들을 나타낸다.
플랜트 데이터 획득 시스템(64)은 데이터가 검출기(46)에 의해 분석됨으로써 고정자 바들(20)의 각각에 대한 데이터를 획득한다. 각 고정자 바(20)에 대한 트리어드 센서 어레이(30)로부터 획득된 데이터가 제 1 센서(32)의 스트레인 측정으로부터 결정되는 제 1 응력 측정, 제 2 센서(34)에 의해 결정되는 온도 측정, 및 제 3 센서(36)로부터 결정되는 제 2 응력 측정을 포함한다. 직접적인 응력 레벨 측정은 제 1 센서(32)로부터 제공된 신호로부터 파생되고 고정자 바(20)로부터 획득된 직접 스트레인 측정을 나타낸다. 직접적인 응력 레벨 측정은 정상 상태 응력의 측정을 포함하고 제 2 센서(34)로부터 신호를 사용하여 광섬유 전도체(42)에서 변화들로 유도된 정상 상태 온도에 대해 보상하도록 조절된다. 덧붙여, 제 3 센서는 간접적인 응력 레벨 측정을 포함하는 각 고정자 바(20)에 대한 트리어드 센서 어레이(30)로부터 제 3 신호를 제공한다. 간접적인 응력 레벨 측정은 제 3 센서(36)의 동적 측정 신호로부터 유래되며, 이는 진동 크기(변위) 측정을 얻기 위해 2번 통합된다. 진동 진폭은 고정자 바(20)의 알려진 물리적 속성들을 참조하여 분석하여서 간접적인 응력 레벨 측정을 결정한다. 따라서, 트리어드 센서 어레이들(30)이 각 고정자 바(20)에 대해 2 개의 응력 레벨 측정을 제공한다.
플랜트 데이터 획득 시스템(64)은 개별적인 고정자 바들(20)의 상태에 대한 데이터, 및 고정자 바들(20)의 결합된 분석에 기초한 발전기의 전체 상태에 대한 데이터와 같은 발전기의 작동 수명에 대한 데이터를 저장한다. 이러한 데이터는 제 3 센서(36)의 동적 측정 신호로부터 획득될 수 있음으로써, 또한 고정자 바들(20)의 주파수, 진동의 크기 및 위상을 포함한다. 또한, (제 2 센서(34)로부터 온도 측정에 의해 조절되는) 제 1 센서(32)의 직접 응력 레벨 측정과 제 3 센서(36)의 간접 응력 레벨 측정 사이의 상관 관계는 발전기 상태 모니터링에서 사용될 수 있다. 제 1 및 제 3 센서(32, 36)의 응력 레벨 측정 사이의 상관 관계는 또한 발전기의 수명에 걸쳐 발전기 변화들의 상태으로서 발전기에서 직접과 간접 응력 레벨 측정들 사이의 관계(상관관계)의 추가적인 이해를 발전시키는데 사용될 수 있다. 그러한 정보는 추가 응력 레벨 모니터링 장비의 설계 및 개발로 구현될 수 있다.
여기서 사용된, "직접" 응력 레벨 측정은 고정자 바(20)에서 또는 상기 고정자 바(20)에서의 스트레인에 응답하여 선형 변화를 경험하는 구조물 상에서, 예컨대 상기 고정자 바(20)를 둘러싸는 접지 벽(22) 상에서 획득된 스트레인 측정으로부터 결정될 수 있는 응력 레벨 측정을 지칭한다는 것에 주목해야 한다. 여기서 사용된 "간접" 응력 레벨 측정은 스트레인 측정이 아니라 응력 레벨 측정을 유추하기 위해 상기 고정자 바(20)의 알려진 및/또는 가정된 특성에 의해 프로세싱될 수 있는 고정자 바(20)에서 취해진 측정을 지칭한다.
도 6을 참조하여, 발전기의 작동 상태를 모니터링하기 위한 시스템의 제 2 실시예가 도시된다. 제 2 실시예는 도 5에 도시된 제 1 실시예를 참조하여 기술된 것과 유사한 엘리먼트들을 포함하고, 이러한 엘리먼트들은 100씩 증가된 동일한 도면 번호에 의해 레이블된다. 제 2 실시예에 대한 광원(140), 검출기(146) 및 커플러(144)는 발전기 쉘(160) 외부에 위치되며, 광섬유 전도체(142)는 트리어드 센서 어레이들(130)로부터 및 이들 어레이들까지 신호들을 리턴하고, 여기서 오직 광섬유 전도체(142)가 발전기 쉘(160)의 관통 씰(168)을 가로지른다. 도 6에 도시된 대안적인 구성에서, 분기 광섬유 전도체(142')는 마지막 트리어드 센서 어레이(130)에서 연장되고 커플러(144)에 관통 씰(168)을 통과하여서 광섬유 전도체(142)에서 고장이 발생할 경우 광을 위한 대안적인 경로를 제공할 수 있다.
도 7을 참조하여, 발전기의 작동 상태를 모니터링하기 위한 시스템의 제 3 실시예가 도시된다. 제 3 실시예는 도 5의 제 1 실시예를 참조하여 기술된 것과 유사한 엘리먼테들을 포함하고, 이러한 엘리먼트들은 200씩 증가하는 동일한 도면 번호들에 의해 레이블된다. 본 실시예에서, 커플러(244)를 경유하여 광원(240) 및 검출기(246)에 연결된 공통 광섬유 전도체(242)를 통해 복수의 트리어드 센서 어레이들(230)에 빛이 제공되고 이들로부터 신호들이 수신된다. 공통 광섬유 전도체(242)는 별 모양 구성으로 중심 커플러(270)에서 연장하는 복수의 광섬유 분기들(270)에 의해 복수의 트리어드 센서 어레이들(230)에 연결된다. 따라서, 복수의 트리어드 센서 어레이들(230)은 병렬 배열로 연결되어서, 만약 고장이 트리어드 센서 어레이들(230)의 센서들 중 하나에서 발생한다면, 다른 트리어드 센서 어레이들(230)이 영향을 받지 않는다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 기술된 시스템들은 도 3, 도 4 및 도 4A를 참조하여 기술된 센서 어레이 구성들 중 임의의 것과 통합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 실시예가 도시되어 설명되면서, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 다양한 다른 변형예들 및 수정예들이 본 발명의 사상 및 범주에서 벗어남 없이 만들어질 수 있다는 것이 자명하다. 따라서 첨부된 청구범위에서 이러한 발명의 범주 내에 있는 모든 변형예들 및 수정예들을 커버하는 것이 의도된다.
Claims (20)
- 전기 발전기의 작동 상태를 모니터링하는 방법으로서,
상기 방법은 발전기의 고정자 바 상에 트리어드(triad) 센서 어레이를 위치시키는 단계 - 상기 트리어드 센서 어레이는 광섬유 전도체의 미리 결정된 섹션 내에 형성된 제 1, 제2 및 제 3 센서들을 포함하는 한 그룹의 센서들을 포함함 - ;
상기 발전기의 고정자 바의 작동 상태를 나타내는 트리어드 신호를 발생시키는 단계 - 상기 트리어드 신호를 발생시키는 단계는
상기 고정자 바에서 응력 레벨을 나타내는 제 1의, 베이스 측정 신호를 발생시키는 단계;
상기 고정자 바에서 취해진 측정을 기초로 상기 베이스 측정 신호에 대한 조절을 나타내는 제 2의, 조절 신호를 발생시키는 단계; 및
상기 고정자 바에서 응력 레벨을 나타내고 실질적으로 주기적으로 변하는 값의 제 3의, 동적 측정 신호를 발생시키는 단계를 포함함 -;
상기 제 1, 제 2 및 제 3 신호들을 발생시키기 위해 상기 트리어드 센서 어레이에 광 복사를 제공하도록 상기 광섬유 전도체에 광 복사를 공급하는 단계; 및
제 1 응력 레벨 결정에 영향을 주기 위해 그리고 상기 제 1 응력 레벨 결정과 함께 및 독립적으로 실질적으로 동시에 제 2 응력 레벨 결정에 영향을 주기 위해 상기 트리어드 센서 어레이로부터 상기 제 1, 제 2 및 제 3 신호들을 수신하는 단계를 포함하는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 응력 레벨 결정은 각각의 고정자 바와 관련된 각 트리어드 센서 어레이로부터의 상기 제 1 및 제 2 신호들을 사용하여 각 고정자 바에서의 응력 레벨을 직접적으로 결정하는 단계를 포함하는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 레벨 결정은 각각의 고정자 바와 관련된 각 트리어드 센서 어레이로부터의 상기 제 3 신호를 사용하여 각 고정자 바에서의 응력 레벨을 간접적으로 결정하는 단계를 포함하는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링하는 방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 신호는 고정자 바의 위치에서 스트레인을 나타내고, 상기 제 2 신호는 고정자 바의 온도를 나타내고, 그리고 상기 제 3 신호는 고정자 바의 진동으로 인한 가속도를 나타내는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1, 제 2 및 제 3 신호들이 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서들 중 각각에서 형성된 브래그 반사(Bragg reflections)를 포함하는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링하는 방법.
- 회전자를 중심으로 서로에 대해 원주 방향으로 이격되게 위치된 복수의 고정자 바들을 포함하는 고정자 코어를 포함하는 전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템으로서,
상기 시스템은 광섬유 전도체;
상기 광섬유 전도체에 형성된 복수의 트리어드 센서 어레이들 - 각각의 상기 트리어드 센서 어레이는
상기 고정자 바들 중 하나와 관련되고, 발전기의 고정자 바에서 응력 레벨을 나타내는 베이스 측정 신호를 발생시키기 위한 제 1 브래그 격자를 포함하는 제 1 센서;
상기 고정자 바에서 취해진 측정을 기초로 상기 베이스 측정 신호에 대한 조절을 나타내는 조절 신호를 발생시키기 위한 제 2 브래그 격자를 포함하는 제 2 센서; 및
상기 고정자 바에서 응력 레벨을 나타내고 실질적으로 주기적으로 변하는 값의 동적 측정 신호를 발생시키기 위한 제 3 브래그 격자를 포함하는 제 3 센서를 포함함 -;
상기 베이스 측정 신호, 상기 조절 신호 및 상기 동적 측정 신호들을 발생시키기 위해 각각의 상기 트리어드 센서 어레이의 상기 제 1 , 제 2 및 제 3 센서들에 광 복사를 제공하도록 상기 광섬유 전도체에 연결된 광 복사의 소스; 및
각각의 상기 트리어드 센서 어레이의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서들로부터 상기 신호들을 수신하도록 상기 광섬유 전도체에 연결된 광 검출기를 포함하고,
상기 베이스 측정 신호, 상기 조절 신호 및 상기 동적 측정 신호는 각각의 상기 트리어드 센서 어레이의 상기 제 1 , 제 2 및 제 3 센서들 각각에 고유하게 식별되는 전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 1, 제 2 및 제 3 브래그 격자들이 인접한 트리어드 센서 어레이들의 위치들 사이의 이격에 대해 서로에게 매우 근접하게 형성되는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
각각의 상기 트리어드 센서 어레이가 상기 제 1 및 제 3 센서들로부터 각각 상기 신호들과 관련되고, 각 고정자 바의 상태를 나타내는 제 1 응력 레벨 표시 및 제 2 응력 레벨 표시를 제공하는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 8 항에 있어서,
각각의 상기 트리어드 센서 어레이의 상기 제 1 센서가 각 고정자 바의 길이방향으로 연장된 표면에 장착되고, 그리고 각각의 상기 트리어드 센서 어레이의 상기 제 3 센서가 각 고정자 바의 단부에 장착되는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
각각의 트리어드 센서 어레이의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서들이 서로 직렬로 위치되는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
각각의 트리어드 센서 어레이의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서들이 서로 병렬로 위치되는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
상기 복수의 트리어드 센서 어레이들이 서로 직렬로 위치되는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
상기 복수의 트리어드 센서 어레이들이 서로 병렬로 위치되는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템으로서,
상기 시스템은 광섬유 전도체의 미리 결정된 섹션 내에 형성된 트리어드 센서 어레이 - 상기 트리어드 센서 어레이는 일 그룹의 센서들을 포함하고, 상기 일 그룹의 센서들은
발전기의 고정자 바에서 스트레인을 나타내는 제 1 신호를 발생시키기 위한 브래그 격자를 포함하는 제 1 센서;
상기 고정자 바에서 온도를 나타내는 제 2 신호를 발생시키기 위한 브래그 격자를 포함하는 제 2 센서; 및
상기 고정자 바에서 진동 크기를 나타내는 제 3 신호를 발생시키기 위한 브래그 격자를 포함하는 제 3 센서를 포함함- ;
상기 제 1, 제 2 및 제 3 신호들을 발생시키기 위해 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서들에 광 복사를 제공하도록 상기 광섬유 전도체에 연결된 광 복사의 공급원; 및
상기 제 1, 제 2 및 제 3 신호들을 수신하기 위해 상기 광섬유 전도체에 연결된 광 검출기를 포함하고,
상기 제 1, 제 2 및 제 3 신호들이 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서들 각각에 고유하게 식별되는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 3 센서가 가속도계를 포함하는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 센서가 고정자 바의 길이방향으로 연장된 표면에 장착되고, 그리고 상기 제 3 센서가 고정자 바의 단부에 장착되는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 14 항에 있어서,
상기 광섬유 전도체의 미리 결정된 섹션들 내에 형성된 추가적인 센서 어레이들을 포함하고,
상기 추가적인 센서 어레이들의 각각이 발전기의 관련된 각각의 고정자 바 상에 위치되고, 관련된 상기 고정자 바에서 직접적인 응력 레벨 측정을 나타내는 신호를 발생시키기 위해 스트레인 센서, 및 관련된 고정자 바에서 간접적인 응력 레벨을 나타내는 신호를 발생시키기 위해 가속도계를 포함하는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 17 항에 있어서,
각각의 추가적인 센서 어레이에서 상기 센서들은 관련된 각각의 상기 고정자 바에서 온도를 나타내는 신호를 발생시키기 위한 온도 센서를 포함하고 상기 광섬유 전도체 내에 형성되는 트리어드 센서 어레이를 포함하고, 그리고 각각의 상기 추가적인 센서 어레이에서 각각의 상기 센서가 브래그 격자를 포함하는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 14 항에 있어서,
광 복사의 상기 공급원 및 상기 광 검출기가 발전기의 쉘 내에 위치되는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
- 제 14 항에 있어서,
광 복사의 상기 공급원 및 상기 광 검출기가 발전기의 쉘 외부에 위치되고, 그리고 상기 광섬유 전도체가 쉘의 관통 씰을 가로지르는
전기 발전기의 작동 상태를 모니터링 하기 위한 시스템.
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|---|---|---|---|
| US12/209,333 US8076909B2 (en) | 2008-09-12 | 2008-09-12 | Method and system for monitoring the condition of generator end windings |
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