KR20120068686A

KR20120068686A - 전기 기계에서의 스테이터 열 이상 진단

Info

Publication number: KR20120068686A
Application number: KR1020110109337A
Authority: KR
Inventors: 비누 매튜 문자나투; 바수데브 샨카르 닐라즈카르; 수드한슈 라이
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2012-06-27
Also published as: US20120101768A1; GB201117833D0; DE102011054709A1; JP2012093356A; GB2485031A

Abstract

전기 기계(56)에서의 스테이터의 열 거동을 진단하기 위한 시스템, 방법, 및 컴퓨터 프로그램이 개시된다. 제 1 시스템(10)은, 스테이터 권선에 있어서의 적어도 하나의 센서로부터 시간에 따른 저항 온도 검출기(RTD)(28, 54a, 54b, 54c) 판독치를 획득하기 위한 입력 시스템(19)과, 전기자 전류에 대해 각각의 RTD(28, 54a, 54b, 54c) 판독치를 정규화하기 위한 정규화 시스템(20)과, 상기 스테이터 권선의 열 거동을 표시하기 위해 한 세트의 정규화된 RTD(28, 54a, 54b, 54c) 판독치의 경향을 분석하기 위한 분석 시스템(24)을 포함한다. 제 2 시스템은, 스테이터 권선의 공통 축 위치에 있어서의 복수의 센서(28, 54a, 54b, 54c)로부터 한 세트의 RTD 판독치를 획득하기 위한 입력 시스템(19)과, 상기 한 세트의 RTD 판독치로부터 최대값과 중간값 사이의 차이값을 연산하기 위한 연산 시스템(22)과, 상기 스테이터 권선의 열 거동을 표시하기 위해 한 세트의 차이값의 시간에 따른 경향을 분석하기 위한 분석 시스템(24)을 포함한다.

Description

전기 기계에서의 스테이터 열 이상 진단{DIAGNOSIS OF STATOR THERMAL ANOMALIES IN AN ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 일반적으로, 제너레이터(generator)와 같은 전기 기계에서의 스테이터 권선의 열 이상(thermal anomalies)의 진단에 관한 것이고, 특히, 저항 온도 검출기(RTD)를 이용하여 스테이터 권선의 열 이상을 진단하는 것에 관한 것이다.

제너레이터의 스테이터 권선의 열 이상은 예를 들어, 과도한 진동, 부적절한 냉각 등과 같은 다양한 이유로 발생할 수 있다. 이러한 이상의 결과, 권선의 절연 고장이 발생할 수 있다. 이는 해당 영역에 과도한 발열이 발생할 수 있고 스테이터 접지 고장을 야기할 수 있으며, 이는 처리하는데 비용이 많이 든다. 조기에 스테이터 접지 고장을 진단하고 회피하지 못하기 때문에, 기계 정지 시간 및 손상의 심각성이 커지게 된다.

본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위해, 전기 기계에서의 스테이터 권선의 열 이상의 진단에 대한 개량을 행하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태에서, 전기 기계에서의 열 거동을 평가하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 스테이터 권선에 있어서의 적어도 하나의 센서로부터 시간에 따른 RTD 판독치를 획득하기 위한 입력 시스템과, 전기자 전류에 대해 각각의 RTD 판독치를 정규화하기 위한 정규화 시스템과, 상기 스테이터 권선의 열 거동을 표시하기 위해 한 세트의 정규화된 RTD 판독치의 경향을 분석하기 위한 분석 시스템을 포함한다.

본 발명의 다른 형태에서, 전기 기계에서의 열 거동을 평가하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 스테이터 권선의 공통 축 위치에 있어서의 복수의 센서로부터 한 세트의 저항 온도 검출기(RTD) 판독치를 획득하기 위한 입력 시스템과, 상기 한 세트의 RTD 판독치로부터 최대값과 중간값 사이의 차이값을 연산하기 위한 연산 시스템과, 상기 스테이터 권선의 열 거동을 표시하기 위해 한 세트의 차이 값의 시간에 따른 경향을 분석하기 위한 분석 시스템을 포함한다.

추가적 형태에서, 적어도 하나의 컴퓨터-판독가능 저장 매체에서 유형화되는 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 제공되며, 상기 컴퓨터 프로그램은 실행될 때, 컴퓨터 시스템으로 하여금 전기 기계에서의 열 거동을 평가하는 방법을 구현하게 하며, 상기 방법은, 스테이터 권선에 있어서의 적어도 하나의 센서로부터 시간에 따른 RTD 판독치를 획득하는 단계와, 전기자 전류에 대해 각각의 RTD 판독치를 정규화하는 단계와, 상기 스테이터 권선의 열 거동을 표시하기 위해 한 세트의 정규화된 RTD 판독치의 경향을 분석하는 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 시스템을 구비한 컴퓨터 시스템의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 이상을 평가하기 위한 프로세스의 개략적 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 이상의 검출을 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열 이상을 평가하기 위한 프로세스의 개략적 블록도,
도 5는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 제너레이터의 평면도,
도 6은 공통 축 평면 AA'을 따라 3개의 RTD가 위치하는 도 5의 제너레이터의 단면도.

본 발명의 다양한 실시예들은 저항 온도 검출기(RTD: Resistance Temperature Detectors)를 이용하여 스테이터 권선의 열 이상을 평가 및 진단하는 것을 지향한다. 본 발명의 다양한 실시예의 기술적 효과는 조기에 열 이상을 식별하는 기능을 제공하고, 따라서, 스테이터 와이어 접지부 고장과 관련된, 타격이 큰, 기계 정지를 회피하기 위한 기능을 제공할 수 있다. 추가적인 기술적 효과는 권선의 열 거동을 평가하고 경향화하는 기능과, 소정 임계값을 초과할 경우 경보를 제공하는 기능을 포함한다.

제너레이터와 같은 전기 기계는 권선을 통과하는 전류의 결과로 열을 발생시킨다. 냉각 메커니즘이 제너레이터에 통합되어 발열 문제를 해결하고, RTD는 제너레이터의 온도, 특히, 스테이터 권선의 온도가 허용가능한 임계값 미만임을 보장하는데 통상적으로 사용된다.

본 발명의 실시예는 RTD를 이용하여 권선의 열 거동을 평가하고 조기에 열 이상을 식별할 수 있다. 각각의 RTD에 의해 모니터링되는 온도는 RTD를 통과하는 전류의 양, 권선의 고유 저항(resistivity), 및 주위 온도에 일반적으로 비례한다. RTD 데이터 내의 경향을 분석함으로써, 이상이 식별될 수 있다.

도 1은 RTD 값(28) 및 다른 작동 데이터(30)에 기초하여 스테이터 권선의 이상을 검출하기 위해 가능한 2가지 접근법을 구현하기 위한 진단 시스템(18)을 구비한 컴퓨터 시스템(10)을 도시한다. 진단 시스템(18)에 의해 제공되는 제 1 접근법은, 대응하는 주위 온도에서 전류 및 고유 저항에 대해 RTD 값(28)을 정규화하기 위한 정규화 시스템(normalization system)(20)을 이용한다. 제 2 접근법은 한 세트의 축방향으로 위치한 RTD에 대한 최대값과 중간값의 차이를 결정하는 연산 시스템(22)을 이용한다. 둘 중 적어도 하나의 접근법이 진단 시스템(18) 내에 포함되거나 이용될 수 있다. 진단 시스템(18)은 RTD 값(28) 및 작동 데이터(30)를 획득 및 필터링하기 위한 입력/필터링 시스템(19)과, 시간에 따른 경향을 평가하고 열 분석(32)을 제공하기 위한 경향 분석 시스템(24)과, 권선 이상이 검출될 경우 경보(34)를 발생시키는 경보 시스템(26)을 더 포함한다. 이러한 두가지 접근법이 아래에 더욱 상세하게 설명된다.

제 1 접근법에서, RTD 값의 변화는 대응하는 주위 온도에서 전류 및 고유 저항에 대해 정규화된다. 일반적으로, 정규화는 하나 이상의 공통 변수에 의해 복수 세트의 데이터를 나누는 것을 의미하는 것으로서, 데이터에 대한 변수의 영향을 부정할 수 있어서, 데이터 세트의 아래에 놓인 특성을 비교할 수 있게 한다. 따라서, 이는 서로 다른 스케일 상에 있는 데이터를, 공통 스케일로 배치함으로써 비교할 수 있게 한다. 정규화될 때, RTD 값 상승은 일관된 작동 환경(즉, 일정 작동 압력 및 냉매 성질) 하에서 구동되는 전기 기계에 대해 일정 압력으로 나타난다. 따라서, 정규화된 RTD 값의 경향은 권선의 열 거동을 표시하는데 사용된다. 예를 들어, 증가하는 (즉, 양의) 경향은 권선의 이상을 표시한다. 증가 경향이 소정량의 시간(예를 들어, 10시간) 동안 설정가능한 파라미터(configurable parameter)(예를 들어, 15% 증가)를 초과할 경우 경보가 발생될 수 있다.

도 2는 제 1 접근법의 순서도를 도시한다. S1에서, 입력/필터링 시스템(19)은 스테이터 권선 내 다양한 위치에서 센서 i로부터 RTD 온도 Ti를 읽는다. 추가적으로, 전기자 전류 Ia, 작동 압력, 작동 순도 및 냉가스/주위 온도가 유닛 내의 알려진 센서들을 이용하여 입력/필터링 시스템(19)에 의해 판독된다. S2에서, 안정한 작동 부하(예를 들어, 15분동안 부하 > XX%), 압력 +/-2psig, 유효하다고 간주되는 센서 판독치를 보장하도록 데이터 포인트들이 필터링된다. S3에서, 정규화 시스템(20)은 아래의 수식에 따라 여러 위치에서, 예를 들어, 터빈 단부(i=1), 압축기 단부(i=2), 및 중심(i=3)에서, 정규화된 RTD 값 Ki를 연산한다.

Ki = ΔTi/(ρI²a)

이때, ΔT는 RTD 온도와 주위 온도 사이의 차이고, ρ는 권선의 고유 저항이며, Ia는 전기자 전류이다.

그 후, S4에서, 경향 분석 시스템(24)은 Ki가 기준값에 대해 소정 퍼센트보다 더 변하였는지를 결정한다. 정규화된 온도에 대한 기준값은 온도 상승의 1개월 평균으로 연산될 수 있다. 어떤 주목할만한 변화가 검출되지 않을 경우, 즉, S4에서 "아니오"일 경우, 어떤 이상도 표시되지 않기 때문에 어떤 작용도 취해지지 않는다. 변화가 검출되면, S5에서, 경향 분석 시스템은 변화가 소정의 지정 시간 이상으로 Ki에서 지속되는 지를 결정한다. 변화가 지속적이지 않을 경우, 즉, S5에서 "아니오"일 경우, 어떤 작용도 취하여지지 않는다. 예일 경우, S6에서, 이상이 표시되고, 경보 시스템(26)은 열 이상 정보 경보(34)를 발생시킨다.

도 3은 정규화된 권선 온도를 포함하는, 예시적인 경향 분석을 도시한다. 본 에에서, 기준값(40)이 임계값(42)과 함께 구축된다. 정규화된 RTD 값(44)이 시간에 따라 추적되고, 시간 T1에서 정규화된 RTD 값(44)이 기준값(40)으로부터 편향하기 시작한다. T2에서, 정규화된 RTD 값(44)이 임계값(42)과 교차하여, 이상이 존재할 수 있음을 표시하게 된다.

도 4는 임의의 세트의 공통으로 축방향으로 위치하는 RTD 에 대해 최대 RTD 값과 중간(median) RTD 값의 차이인 차이값을 이용하는 제 2 접근법의 순서도를 도시한다. 예를 들어, 도 5 및 도 6은 평면도와 AA'을 따라 자른 단면도로 제너레이터(56)를 도시한다. 본 예에서, 3개의 RTD(54a, 54b, 54c)가 공통 축 평면 AA'을 따라 위치한다. RTD(54)의 최대값 및 중간값의 차이가 전기 기계에 대한 특정 전류 범위에서 경향화된다. 권선에 이상이 존재할 경우, 경향은 양의 기울기를 가질 것이다. 예를 들어, 증가 경향이 소정 시간(예를 들어, 10시간) 동안 소정 임계값(예를 들어, 섭씨 10도)을 초과할 경우, 경보가 발생될 수 있다. 이 경우에, 3개의 RTD(54a, 54b, 54c)가 사용되었음을 주목해야 한다. 그러나, 임의의 개수(즉, 2개 이상)의 RTD가 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4를 다시 참조하면, 예시적인 알고리즘이 제공된다. S11에서, 입력/필터링 시스템(19)은 공통 축 위치(예를 들어, 평면)의 적어도 2개의 RTD에 대해 RTD 온도 Ti를 판독한다. 추가적으로, 전기자 전류 Ia, 작동 압력, 및 작동 순도가 적절한 센서로부터 시스템(19)에 의해 또한 판독된다. S12에서, 시스템(19)은 안정한 작동 부하(예를 들어, 부하 > 15분동안 XX%), 압력 +/- 2psig, 센서 유효도에 대해 데이터 포인트들을 필터링한다. S13에서, 연산 시스템(22)은 공통 축 평면을 따라 RTD 값들의 최대값과 중간값의 차이로 차이값 Ki를 연산한다. 그 후 S14에서, 경향 분석 시스템은 Ki가 소정 온도보다 큰 지를 결정한다. S14에서 "아니오"일 경우, 어떤 작용도 취하여 지지 않는다. "예"일 경우, S14에서 검출된 변화가 소정 시간 이상으로 지속되는 지를 S15에서 결정한다. S15에서 "아니오"일 경우, 어떤 작용도 취하여 지지 않는다. "예"일 경우, 경보 시스템(26)은 S16에서 열 거동 정보 경보를 발생시킬 수 있다.

두 접근법 모두에서, 입력/필터링 시스템(29)에 의해 행하여지는 입력 및 필터링은 단일 기능으로 또는 개별적인 기능으로 구현될 수 있다. 따라서, 단일 기능으로 도시되고 있으나, 입력 및 필터링이 개별적으로 행해질 수 있음을 이해할 수 있다. 필터링 프로세스 중 하나는 RTD 센서의 유효성을 체크하는 과정을 포함한다. 이는, 예를 들어, 아래와 같은 체크 과정에 의해 수행될 수 있다.

(1) 최대 허용가능 임계값(예를 들어 섭씨 150도)을 초과하는 온도를 RTD 센서가 디스플레이하는 지를 체크,

(2) 전기 제너레이터의 표준 작동 중 주위 온도보다 낮은 온도를 RTD 센서가 디스플레이하는 지를 체크,

(3) RTD 값이 플랫한 지(예를 들어, 표준 편차가 매우 작은 지)를 체크,

(4) 주어진 전류에 대해 설정가능한 임계값에 대해 변동하는 값을 RTD 센서가 디스플레이하는 지(또는 표준 편차가 높은 지)를 체크,

(5) 기계 셧다운 중 고려가능한 시간동안 양의 또는 음의 경향을 RTD 센서가 디스플레이하는 지를 체크,

(6) 주어진 전류에 대해 설정가능한 임계값보다 높은 온도를, 임의의 축방향 위치/공간에 위치한 한 세트의 RTD가 디스플레이하는 지를 체크.

본 발명의 다양한 실시예에서, 여기서 설명되는 시스템 및 방법의 형태들은 완전한 하드웨어 실시예의 형태로, 또는, 완전한 소프트웨어 실시예의 형태로, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어 요소를 모두 지닌 실시예의 형태로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 처리 기능은 소프트웨어적으로 구현될 수 있고, 이는 펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로코드, 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.

더욱이, 처리 기능은 컴퓨터 또는 임의의 명령 실행 시스템(가령, 처리 유닛)에 의해/와 연계하여 사용하기 위한 프로그램 코드를 제공하는 컴퓨터-이용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체로부터 액세스가능한 컴퓨터 프로그램 프로덕트의 형태를 취할 수 있다. 이러한 설명을 위해, 컴퓨터-이용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체는 컴퓨터, 명령 실행 시스템, 장치에 의해/와 연계하여 사용하기 위한 프로그램을 지니거나 저장할 수 있는 임의의 컴퓨터 판독가능 저장 매체일 수 있다. 추가적인 실시예는 컴퓨터, 명령 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해/와 연계하여 사용하기 위한 프로그램을 통신, 전파, 또는 전달할 수 있는 컴퓨터 판독가능 전송 매체(또는 전파 매체) 상에서 구체화될 수 있다.

컴퓨터 판독가능 매체는 전자적, 자기적, 광학적, 전자기적, 적외선형, 또는 반도체 시스템(또는 장치 또는 디바이스)일 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체의 예는, 반도체 또는 고상 메모리, RAM, ROM, 강체형 자기 디스크 및 광학 디스크를 포함한다. 광학 디스크의 현재의 예는, 컴팩트 디스크 - CR-ROM, CD-R/W, DVD를 포함한다.

어느 경우에도, 컴퓨터 시스템(10)(도 1)은 설치된 프로그램 코드를 실행할 수 있는 하나 이상의 범용 연산 제작 수단(예를 들어, 연산 장치)를 포함할 수 있다. 여기서 사용되는 "프로그램 코드"라는 것은, 정보 처리 기능을 갖는 연산 장치로 하여금, (a) 타 언어, 코드, 또는 노테이션으로의 변환, (b) 다른 물질 형태로의 재현, 및/또는 (c) 압축해제의 임의의 조합 이후 특정 기능을 수행하게 하는 임의의 언어, 코드, 또는 노테이션으로 된 임의의 명령들을 의미한다. 이 수준까지, 진단 시스템(18)은 시스템 소프트웨어 및/또는 애플리케이션 소프트웨어의 임의의 조합으로 구체화될 수 있다. 어느 경우에도, 컴퓨터 시스템(10)의 기술적 효과는 스테이터 권선의 열 이상을 평가 및 진단하는 것이다.

여기서 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하고자 하는 것이지, 개시 내용을 제한하고자 하는 것이 아니다. 여기서 사용되는 단수 형태 "일", "하나의", "이러한"은 달리 명확히 언급하지 않을 경우 복수 형태도 포함하는 것을 의도한다. "포함한다", "포함하는"은 본 명세서에서 사용될 때, 언급되는 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 개시 내용이 특히, 바람직한 실시예와 연계하여 도시되고 설명되었으나, 다양한 변형 및 수정이 당 업자에게 나타날 것이다. 따라서, 청구범위는 본 개시 내용의 진실한 사항 내에서 이러한 모든 수정 및 변화를 커버하도록 의도된다.

10 : 컴퓨터 시스템 12 : 프로세서
14 : I/O 18 : 진단 시스템
19 : 입력/필터링 시스템 20 : 정규화 시스템
22 : 연산 시스템 24 : 경향 분석 시스템
26 : 경보 시스템 50 : 로터
54a, 54b, 54c : 저항 온도 검출기(RTD)
56 : 제너레이터

Claims

전기 기계(56)에서의 열 거동을 평가하기 위한 시스템(10)에 있어서,
스테이터 권선에 있어서의 적어도 하나의 센서로부터 시간에 따른 저항 온도 검출기(RTD)(28, 54a, 54b, 54c) 판독치를 획득하기 위한 입력 시스템(19)과,
전기자 전류에 대해 각각의 RTD(28, 54a, 54b, 54c) 판독치를 정규화하기 위한 정규화 시스템(20)과,
상기 스테이터 권선의 열 거동을 표시하기 위해 한 세트의 정규화된 RTD 판독치의 경향을 분석하기 위한 분석 시스템(24)을 포함하는
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 분석 시스템(24)은 증가 경향의 검출에 따라서 이상을 표시하는
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 분석 시스템(24)은 RTD(28, 54a, 54b, 54c) 판독치가 기준값(40)을 소정량 초과할 경우 증가 경향을 검출하는
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 분석 시스템(24)은 RTD(28, 54a, 54b, 54c) 판독치 증가가 소정 시간보다 오랫동안 지속될 경우 증가 경향을 검출하는
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 입력 시스템(19)은 전기자 전류, 작동 압력, 작동 순도, 및 주위 온도를 더 획득하는
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.
제 1 항에 있어서,
입력 데이터가 소정 압력 범위에서 안정한 작동 부하 동안 유효한 센서에 의해 수집됨을 보장하는 필터 시스템(19)을 더 포함하는
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 정규화 시스템(20)은 하기의 식을 이용하여 센서(i)에 대한 정규화된 RTD 값(Ki)을 연산하고,
Ki = ΔTi/(ρI²a)
여기서, ΔTi는 RTD 온도와 주위 온도 사이의 차이이고, ρ는 스테이터 권선의 고유 저항(resistivity)이며, Ia는 전기자 전류인
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.
전기 기계(56)에서의 열 거동을 평가하기 위한 시스템(10)에 있어서,
스테이터 권선의 공통 축 위치에 있어서의 복수의 센서로부터 한 세트의 저항 온도 검출기(RTD)(54a, 54b, 54c) 판독치를 획득하기 위한 입력 시스템과,
상기 한 세트의 RTD(54a, 54b, 54c) 판독치로부터 최대값과 중간값 사이의 차이값을 연산하기 위한 연산 시스템(22)과,
상기 스테이터 권선의 열 거동을 표시하기 위해 한 세트의 차이값의 시간에 따른 경향을 분석하기 위한 분석 시스템(24)을 포함하는
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 분석 시스템(24)은 증가 경향의 검출에 따라서 이상을 표시하는
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 분석 시스템(24)은 증가되는 차이값이 기준값(40)을 소정량 초과할 경우 증가 경향을 검출하는
전기 기계에서의 열 거동 평가 시스템.