KR20130014999A - 동기 기기를 모니터링하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

동기 기기를 모니터링하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

동기 기기를 모니터링하는 방법이 기술된다. 본 방법은 동기 기기의 계자 권선의 제 1 단부에서 협대역 정현파 신호를 주입하는 것을 포함한다. 본 방법은 접지에 대한 계자 권선의 제 2 단부에서 전압을 모니터링하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 그 후에 모니터링된 상기 전압에 기초하여 공진 주파수를 식별하고, 또한 식별된 공진 주파수 및 예상된 공진 주파수에 기초하여 권선 양호 표시자를 생성한다.

Description

동기 기기를 모니터링하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MONITORING A SYNCHRONOUS MACHINE}
본 명세서에 나타낸 실시예들은 일반적으로 전기 기기에 관한 것이고 보다 구체적으로는 동기 기기를 모니터링하는 것에 관한 것이다.
동기 기기는 전력 공급 주파수와 동기된 속도에서 작동하는 AC 전기 기기이다. 동기 기기들은 전기자 권선을 보유하는 스테이터, 계자 권선(field winding)을 보유하는 로터, 로터 상의 계자 권선들을 여자(勵磁)하기 위한 브러시-슬립 링 어셈블리를 포함한다. 계자 권선들은 DC 공급 전압에 의해 여자 상태가 된다. DC 공급 전압은 외부 소스(타려식 동기 기기들)로부터 제공될 수 있고, 또는 로터에 실장된 발전기(자려식 동기 기기들)에 의해 제공될 수도 있다. 통상적으로, 계자 권선들은 예를 들어, 절연 바니시(insulating varnish)를 사용하여 절연된다.
동기 기기의 작동 중에, 계자 절연(field insulation)은 여러가지 요인들, 예컨대, 계자 권선의 열 방출, 동기 기기의 내부 가열, 부분 방전 현상, 먼지, 물(습도, 응결, 및 의도하지 않은 침수), 기계적 힘들, 전기적 장해들 등으로 인해 열화될 수 있다. 이러한 계자 절연의 열화는 계자 권선들 내의 단락 및 접지와의 단락을 발생시킬 수 있다. 권선 절연 열화는 결국 권선 절연의 완전 파괴(complete breakdown)를 초래하게 되며, 동기 기기의 재해적 고장(catastrophic failure)을 야기할 수도 있다. 이러한 고장을 방지하기 위해, 권선 고장 열화를 모니터링하는 조기 경보 시스템들이 존재한다.
하나의 이런 시스템은 저 주파수 구형파 신호를 계자 권선 내로 주입하고, 측정된 응답에 기초하여 권선 고장을 식별하는 것을 필요로 한다. 그러나, 통상적으로 이러한 시스템들은 고장 예측을 위해 측정될 수 있는 최대 저항에 의해 제한될 수 있다. 또한, 절연 저항들을 더 큰 범위까지 측정할 수 있는 메거(megger)와 같은 시스템들이 이용될 수 있다. 그러나, 통상적으로 이러한 시스템들은 테스트를 위해 동기 기기가 오프라인으로 취해질 것을 필요로 한다. 이러한 정지 시간은 원치 않는 서비스 중단과 수익 감소를 야기할 수 있다.
동기 기기를 모니터링하는 방법이 기술된다. 본 방법은 동기 기기의 계자 권선의 제 1 단부에서 협대역 정현파 신호를 주입하는 것을 포함한다. 본 방법은 접지에 대한 계자 권선의 제 2 단부에서의 전압을 모니터링하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 그 후에 모니터링된 전압에 기초하여 공진 주파수를 식별하고, 식별된 공진 주파수와 예상된/기준 공진 주파수 또는 건강한 상태하에서 측정된 공진 주파수에 기초하여 권선 양호 표시자를 생성한다.
동기 기기를 모니터링하는 시스템이 기술된다. 본 시스템은 동기 기기의 계자 권선의 제 1 단부에서 협대역 정현파 신호를 주입하기 위한 신호 발생기를 포함한다. 본 시스템은 계자 권선의 제 2 단부에서, 접지에 대한 전압을 모니터링하기 위한 모니터링 모듈을 더 포함한다. 본 시스템은 모니터링된 전압에 기초하여 공진 주파수를 식별하기 위한 스펙트럼 분석기를 또한 포함한다. 마지막으로, 본 시스템은 적어도 부분적으로, 식별된 상기 공진 주파수에 기초하여 권선 양호 표시자를 생성하기 위한 예상 모듈(prognostic module)을 포함한다.
일 실시예에서, 모니터링 모듈은 주입된 협대역 정현파 신호로 인한 접지에 대한 권선 전류(winding to ground current)를 모니터링하도록 구성된다. 스펙트럼 분석기는 그 후에 접지에 대한 권선 전류를 처리하여 권선 건강성을 예상한다. 스펙트럼 분석기는 접지에 대한 권선 전류와 인가된 전압 간의 제로 위상차에 대응하는 주파수 및 공진 주파수를 식별할 수 있다. 예상 모듈은 그 후에 그 2 개의 주파수들 간의 차이에 기초하여 권선 양호 표시자를 생성할 수 있다.
컴퓨터-실행가능한 명령들로 인코딩된 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 기술된다. 본 컴퓨터-실행가능한 명령들은, 그것이 실행되는 경우, 하나 이상의 프로세서들로 하여금, 동기 기기의 계자 권선의 제 1 단부에서 협대역 정현파 신호를 주입하고, 접지에 대한 계자 권선의 제 2 단부에서의 전압을 모니터링하고, 모니터링된 전압에 기초하여 공진 주파수를 식별하고, 또한 식별된 공진 주파수와 예상된 공진 주파수에 기초하여 권선 양호 표시자를 생성하게 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른, 시스템을 모니터링하는 동기 기기가 작동할 수 있는 예시적 환경을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른, 시스템을 모니터링하는 예시적 동기 기기를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른, 동기 기기를 모니터링하는 예시적 방법의 플로우차트이다.
본 명세서에 나타낸 실시예들은 동기 기기들의 건강성을 모니터링하기 위한 기술들을 설명한다. 본 기술들은 협대역 정현파 신호, 예컨대 정현파 처프(sinusoidal chirp)를 이용하여 계자 권선을 조사하고, 계자 권선의 스펙트럼 특성, 예컨대 공진 주파수 상태 및 위상 상태들을 모니터링하는 것에 의해 동기 기기들의 계자 권선들을 모니터링하여서 계자 권선의 건강성을 판정하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 모니터링된 스펙트럼 특성은 예상된, 기준, 또는 건강한 상태 스펙트럼 특성에 비교될 수 있다. 본 명세서의 목적을 위해, 예상된 특성, 기준 특성, 건강한 상태 특성은 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 여러가지 실시예들에서, 본 명세서에 설명된 기술들은 계자 접지 고장(field-ground fault)들, 및 내부 권선 고장(inter winding fault)들과 같은, 계자 권선 절연 고장들을 검지한다. 본 명세서에 나타낸 실시예들에 따른, 동기 기기들의 건강성 모니터링은 동기 기기가 오프-라인으로 취해질 것을 필요로 하지 않는다. 즉, 본 명세서에 기술된 건강성 모니터링 기술은 온라인 동기 기기들의 모니터링을 가능하게 한다. 이하의 설명은 동기식 발전기들 또는 교류 발전기들에 대한 건강성 모니터링을 기술하고 있지만, 본 명세서에 나타낸 실시예들은 다른 전기 기기들에 대해서도 동일하게 적용된다.
도 1은 일 실시예에 따른, 동기 기기 모니터링 시스템이 작동할 수 있는 예시적 환경(100)을 도시한다. 환경(100)은 동기 기기(110), 익사이터 및 컨트롤 유닛(120), 및 건강성 모니터링 시스템(140)을 포함한다. 동기 기기(110)는 부하에 연결될 수 있다. 도 1은 동기 기기(110)에 연결된 전기적 부하를 도시하고 있지만, 동기 기가(110)가 동기식 모터인 구현들에서는, 그 부하가 기계적 부하일 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
동기 기기(110)는, 로터가 회전 자계의 회전 속도와 동일한 속도로 회전하는 전기기계적 에너지 변환 장치이다. 예시적 동기 기기들은 동기식 발전기들, 동기식 모터들, 및 역률 보상기들을 포함한다. 동기 기기(110)는 전기적 연결을 변경하는 것에 의해 모니터링 모드와 생성 모드 사이에서 스위칭될 수 있다. 예를 들어, 차량의 연소 기관에서, 동기 기기(110)는 일체형 스타터-제너레이터일 수 있다. 동기 기기(110)는 연소 기관을 스타트시키기 위해 온보드 배터리로부터 전기 에너지를 받아들이는, 모니터링 모드에서 작동한다. 일단 연소 기관이 점화된 경우에는, 제어 전자장치가 연소 기관으로부터 기계적 에너지를 받아들이고, 전력을 생성하는 생성 모드로 동기 기기(110)를 스위칭한다. 동기 기기(110)는 전기자 권선(112) 및 계자 권선(114)을 포함한다. 통상적으로, 저 전력 애플리케이션 및 저 토크 애플리케이션에서는, 동기 기기(110)가 회전 전기자 타입을 가질 수 있으며, 이 회전 전기자 타입은 로터에 배치되는 전기자 권선(112)과 스테이터에 배치되는 계자 권선(114)을 포함한다. 고 토크 및 고 전력을 포함하는 산업적 애플리케이션에서는, 동기 기기(110)가 회전 자계 타입을 가질 수 있으며, 이 회전 자계 타입은 스테이터에 배치되는 전기자 권선(112)과 로터에 배치되는 계자 권선(114)을 포함한다. 계자 권선(114)은 계자 단자들(116A 및 116B)을 통해 익사이터 및 컨트롤 유닛(120)에 연결되어 있다.
익사이터 및 컨트롤 유닛(120)은 계자 권선들(114)을 여자시키기 위한 익사이터(exciter), 예컨대 DC 발전기, 배터리, 정류된 AC 공급기(rectified AC supply), 또는 정지형 익사이터를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 정지형 익사이터는 DC 여자(DC excitation)로서 AC의 일부를, 변압기, 정류기, 및 반응기의 시스템을 통해 각 위상의 발전기 출력으로부터 계자 권선들(114)로 피드백시킨다. 계자 권선들의 초기 여자를 위해서, 외부 DC 소스가 사용될 수도 있다. 익사이터는 동기 기기(110)의 계자 권선들(114)에 대해, 본 명세서에는 계자 전압으로 지칭되는, 여자 전압(excitation voltage)을 인가하며, 이에 의해 계자 전류가 계자 권선(114)을 통해 흐를 수 있게 한다. 계자 권선들(114)의 회전으로 인해, 동기 기기(110)의 스테이터에 배치된, 고정 코일들에 링크된 플럭스는 정현파 형태(sinusoidal fashion)가 달라지며, 이것은 고정 코일들의 단자들에 걸쳐 전압의 정현파 변동(sinusoidal variation)을 발생시킨다. 익사이터 및 컨트롤 유닛(120)은 동기 기기(110)의 작동을 제어한다. 예를 들어, 익사이터 및 컨트롤 유닛(120)은 계자 권선들(114)로 공급되는 계자 전압 및 계자 전류를 제어할 수 있으며, 이에 따라 출력 전압은 일정한 상태를 유지하게 된다. 또한, 익사이터 및 컨트롤 유닛(120)은 동기 기기(110)로 전달되는 전력 또는 동기 기기(110)로부터 전달되는 전력을 제어할 수 있다. 익사이터 및 컨트롤 유닛(120)은 또한 동기 기기(110)의 역률을 제어할 수 있다.
장기간의 동기 기기(110) 사용은 계자 권선(114)의 라미네이션을 열화시킬 수 있고, 권선간 고장, 및 접지 고정을 야기할 수도 있다. 도 1은 접지 고장(130)에 관한 등가 회로를 도시하고 있다. 접지 고장은 계자 권선(114)의 라미네이션이 열화되고, 이에 따라 계자 권선(114)과 접지 간의 단락을 야기하게 된 것이다. 통상적으로, 동기 기기(110)의 하우징은 전기 쇼크로부터의 안전을 위해 접지에 연결되어 있다. 계자 권선(114)의 라미네이션이 열화된 경우, 동기 기기(110)의 하우징과 계자 권선(114) 사이에는 단락이 발생할 수 있으며, 이에 따라 접지 고장(130)을 야기할 수 있다. 접지 고장(130)은 (접지 고장(130)의 저항 컴포넌트를 나타내는) 저항과 (접지 고장(130)의 정전 용량 컴포넌트를 나타내는) 정전 용량의 병렬 연결로서 모델링 될 수 있다. 저항 컴포넌트는 계자 권선(114)과 접지 간의 절연 저항을 나타낸다. 한편, 정전 용량 컴포넌트는 계자 권선 절연의 절연 강도를 나타낸다. 접지 고장(130)은 계자 권선(114)에서의 접지 고장(130)의 위치와 계자 단자들(116A/116B) 사이의 계자 권선(114)의 유도 컴포넌트(inductive component)와 함께 탱크 회로를 형성한다. 절연의 건강성을 모니터링하기 위해서, 어떤 것은 저항 컴포넌트 및 정전 용량 컴포넌트 또는 상기 컴포넌트들에 따라 결정되는 파라미터를 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 건강한 절연의 경우에 저항 컴포넌트는 매우 높을 것이고, 반면에 그것이 노후된 때에, 절연 저항은 감소하게 된다. 일 실시예에서, 절연의 건강성은 이들 파라미터들, 예컨대, 그러나 이에 한정되지 않는, 접지에 대한 계자 전류 및 접지에 대한 계자 전압을 반영하는 양의 측정을 통해 모니터링된다.
본 명세서에 나타낸 여러가지 실시예들은 계자 권선에서의 접지 고장(130)을 검지하도록 적용될 수 있다. 본 명세서에 나타낸 실시예들은 회전 자계 타입 동기 기기에 대해 기술되어 있다. 그러나, 본 실시예들이 모든 타입의 동기 기기들에 대해 동일하게 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
접지 고장(130)은 모니터링 시스템(140)에 의해 검지될 수 있다. 모니터링 시스템(140)은 주파수 주입 및 신호 모니터링을 사용하여 동기 기기의 건강성을 모니터링한다. 모니터링 시스템(140)은 계자 단자들(116A 및 116B)을 통해 계자 권선(114)에 연결되어 있다. 이제 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른, 예시적 동기 기기 모니터링 시스템이 도시되어 있다. 모니터링 시스템(140)은 신호 발생기(210), 모니터링 모듈(220), 스펙트럼 분석기(230), 및 예상 모듈(prognostic module; 240)을 포함한다.
신호 발생기(210)는 계자 권선(114) 내로 주입하기 위한 협대역 정현파 신호를 생성한다. 신호 발생기(210)는 주입을 위한 협대역 정현파 처프, 또는 주파수 스위프 신호(frequency sweep signal)를 생성할 수 있다. 주입 정현파 신호는 신호 발생기(210)에서 스타트 주파수 및 엔드 주파수로서 정의될 수 있다. 다르게는, 주입 정현파 신호는 협대역 정현파 신호의 중심 주파수 및 대역폭을 사용하여 정의될 수도 있다. 양쪽 정의들 모두는 주입된 주파수들의 범위를 지칭하는 것이라는 것을 이해해야 하며, 본 명세서에서는 "주파수 대역"으로 지칭될 것이다.
주파수 대역은 건강한 동기 기기(110)의 계자 권선(114)의 건강 상태 공진 주파수에 기초하여 결정될 수 있다. 통상적으로, 동일한 빌드 명세(build specification)를 갖는 동기 기기들은, 작은 변동을 갖는 제조의 직후에, 동일한 공진 주파수의 계자 권선(114)을 갖는다. 각각의 빌드 명세를 갖는 동기 기기(110)의 계자 권선의 건강 상태 공진 주파수는 예를 들어, 광대역 스위프 주파수 응답 해석(broadband sweep frequency response analysis)이나 시뮬레이션에 의해 식별될 수 있으며, 신호 발생기(210)와 연관된 메모리에 저장될 수 있다. 신호 발생기(210)는 그 후에 동기 기기의 모델을 검지하고, 메모리로부터 적절한 주파수 대역을 선택할 수 있다. 다른 구현에서, 신호 발생기(210)는 처음 설치시에만 광대역 스위프 주파수 응답 해석을 수행하는 학습 모드(learning mode)로 동작하고, 또한 동기 기기(110)의 건강 상태 공진 주파수를 식별하도록 프로그래밍될 수 있다. 일단 건강 상태 공진 주파수가 식별된 경우에는, 신호 발생기(210)가 오직 보호 모드에서만 동작하고, 주파수 대역 내에서 협대역 정현파 신호를 주입할 수 있다.
신호 발생기(210)는 보호 모드에서 연속적으로 협대역 정현파 신호를 주입할 수 있다. 다르게는, 신호 발생기(210)는 고정된 간격의 시간 이후에, 간헐적으로 협대역 정현파 신호를 주입할 수도 있다.
신호 발생기(210)는 계자 단자들(116A 및 116B) 중의 하나 또는 양쪽 모두에 협대역 정현파 신호를 주입할 수 있다. 예를 들어, 고장 검지 모드에서는, 접지 고장(130)이나 임박한 접지 고장의 존재를 검지하기 위해, 신호 발생기(210)가 하나의 계자 단자(116A 또는 116B)에서만 협대역 정현파 신호를 주입할 수도 있다. 고장 위치 모드에서는, 신호 발생기(210)가 양쪽 모두의 계자 단자들(116A 및 116B)에 협대역 정현파 신호를 주입함으로써, 계자 권선(114) 내의 접지 고장(130)의 위치를 로케이팅(locating)하도록 할 수 있다.
고장 검지 모드에서는, 모니터링 모듈(220)이, 본 명세서에서는 "접지에 대한 계자 전압"으로 지칭되는, 접지에 대한 대향 계자 단자(116A 또는 116B)에서의 계자 전압을 측정한다. 예를 들어, 신호 발생기(210)가 계자 단자(116A)에서 협대역 정현파 신호를 주입하는 경우, 모니터링 모듈(220)은 계자 단자(116B)에서의 접지에 대한 계자 전압을 측정하며, 그 반대의 경우도 가능하다. 고장 위치 모드에서는, 신호 발생기(210)가 동기화되어 있는 양쪽 모두의 계자 단자들(116A 및 116B)에서 협대역 정현파 신호를 간헐적으로 주입할 수 있고, 이에 따라 협대역 정현파 신호가 계자 단자(116A)에서 주입되는 경우에는, 모니터링 모듈(220)이 계자 단자(116B)에서 접지에 대한 계자 전압을 측정하도록 하고, 또한 협대역 정현파 신호가 계자 단자(116B)에서 주입되는 경우에는, 모니터링 모듈(220)이 계자 단자(116A)에서 접지에 대한 계자 전압을 측정하도록 한다.
일단 접지 고장(130)이 검지된 경우에는, 건강성 모니터링 시스템(140)이 고장 위치 모드로 스위칭 될 수 있다. 고장은 계자 권선의 임의 섹션에서 위치 결정될 수 있다. 신호 발생기(210)는 먼저 계자 단자(116A)에서 협대역 정현파 신호를 주입한다. 모니터링 모듈(220)은 계자 단자(116B)에서 접지에 대한 계자 전압 및 접지에 대한 계자 전류를 측정한다. 스펙트럼 분석기(230)는 그 후에 계자 권선들(114)의 공진 주파수를 식별한다. 스펙트럼 분석기(230)는 그 후에 식별된 공진 주파수에서의 절연 임피던스의 제 1 값을 계산한다. 동일한 방식으로, 그 프로세스는 계자 권선들(114)의 대향하는 측에 대해 반복될 수 있다. 즉, 신호 발생기(210)는 계자 단자(116B)에서 협대역 정현파 신호를 주입하고, 모니터링 모듈(220)은 계자 단자(116A)에서 접지에 대한 계자 전압 및 접지에 대한 계자 전류를 측정한다. 스펙트럼 분석기(230)는 그 후에 식별된 공진 주파수에서의 절연 임피던스의 제 2 값을 계산한다. 권선 임피던스의 실제 컴포넌트는 공진 상태를 유지하고 있고, 계자 권선 저항의 값을 알고 있으므로, 식별된 공진 주파수에서의 절연 임피던스들 간의 차이값은 접지 고장(130)의 위치에 관한 정보를 산출하게 된다. 접지 고장(130)의 위치는 절연 고장이 발생한 계자 권선(114)의 일 단부로부터의 계자 권선의 퍼센티지의 관점으로서 표시된다.
일 예의 구현에서, 모니터링 모듈(220)은 계자 단자(116A 또는 116B)와 접지 사이에 연결된 알려진 값의 고정밀 저항기를 포함한다. 모니터링 모듈(220)은 접지에 대한 계자 전압을 모니터링하기 위해서, 고정밀 저항기를 통과하는 전압 강하를 측정한다.
스펙트럼 분석기(230)는 그 후에, 측정된 접지에 대한 계자 전압으로부터 스펙트럼 특징을 식별한다. 스펙트럼 분석기(230)는 공진 주파수를 식별할 수 있으며, 그 주파수는 접지에 대한 계자 전류 및 접지에 대한 계자 전압, 또는 양쪽 모두 간의 제로 위상차에 대응하는 것일 수 있다.
일 구현에서, 스펙트럼 분석기(230)는, 측정된 접지에 대한 계자 전압에 기초하여 전압 스펙트럼 시그너처(voltage spectral signature)를 계산하기 위한, 푸리에 변환 모듈(Fourier Transform Module), 예컨대, 고속 푸리에 변환 모듈(Fast Fourier Transform module)을 포함할 수 있다. 스펙트럼 시그너처는 여러 주파수들의 전압 진폭에 대비하여 플로팅된, 그 측정된 접지에 대한 계자 전압의 컨텐트(frequency content)를 포함한다. 스펙트럼 분석기(230)는 그 후에 예컨대, 커브 피팅 알고리즘(curve fitting algorithm)들, 또는 피크 검출 알고리즘(peak detection algorithm)들을 이용함으로써, 전압 스펙트럼 시그너처에서의 전압 진폭의 피크들을 식별할 수 있다.
스펙트럼 분석기(230)는, 계자 권선(114)의 건강 상태 공진 주파수들에 대해서 저장할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 건강 상태 공진 주파수들은 수학적 분석, 시뮬레이션, 광대역 스위프 주파수 해석에 의해 식별될 수 있다.
전압 스펙트럼 시그너처 이외에, 스펙트럼 분석기(230)는 접지에 대한 계자 전압과 접지에 대한 계자 전류 간의 위상차의 위상 플롯(phase plot)을 또한 계산할 수도 있다. 스펙트럼 분석기(230)는 그 후에 접지에 대한 계자 전압과 접지에 대한 계자 전류 간의 제로 위상차에 대응하는 주파수를 식별할 수 있다. 통상적으로, 건강한 계자 권선(114)을 가진 동기 기기(110)에 있어서, 제로 위상차에 대응하는 주파수는 그 계자 권선(114)의 공진 주파수와 동일하다. 그러나, 계자 권선 절연의 열화 및 임박한 접지 고장 상태에 있어서, 공진 주파수는 제로 위상차에 대응하는 주파수로부터 벗어나게 된다. 또한, 이러한 편차는 권선 양호 표시자를 판정함에 있어서 채용될 수도 있다.
예상 모듈(240)은 그 후에, 식별된 공진 주파수를 계자 권선(114)의 건강 상태 공진 주파수와 비교한다. 예상 모듈(240)은 동기 기기(110)의 계자 권선(114)의 건강 상태 공진 주파수에 대하여 저장할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 건강 상태 공진 주파수는 수학적 분석, 또는 시뮬레이션이나 기준 실험으로부터 식별될 수 있다. 다르게는, 동기 기기(110)가 아직 새것일 때까지는 건강 상태 공진 주파수가 모니터링 시스템(140)에 의해 식별될 수 있다. 예상 모듈(240)은 그 후에, 계자 권선(114)에 대한 건강 상태 공진 주파수와 식별된 공진 주파수에서의 차이에 기초하여 권선 양호 표시자를 생성한다.
일 구현에서, 예상 모듈(240)은 공진 주파수를, 접지에 대한 계자 주입 전압과 접지에 대한 계자 전류 간의 제로 위상차에 대응하는 주파수와 비교할 수 있다. 그러한 편차는 절연 저항과 정전 용량에서의 변화로 인해 알게 될 수 있다. 예를 들어, 절연 저항이 매우 높음에 따라, 공진 주파수에 대한 절연 저항의 효과는 매우 작아질 수 있다. 사실상, 공진 주파수는 권선 인덕턴스와 절연 정전 용량에 의해 판정된다. 제로 위상차에 대응하는 주파수는 공진 주파수에 매우 가깝다. 절연이 열화함에 따라, 절연 저항은 감소하고 또한 제로 위상차에 대응하는 주파수는 공진 주파수로부터 벗어나게 된다. 그러므로, 2 개 주파수들간의 차이는 권선 절연 건강의 표시자로서 활용될 수 있다. 2 개 주파수들의 차이가 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우에는, 예상 모듈(240)이 알람을 발생시킬 수도 있다.
계자 권선(114)의 공진 주파수의 변화는 통상적으로 계자 권선 절연에 대한 손상, 예컨대 절연 열화나 완전한 절연 고장을 나타낸다. 권선 양호 표시자는 가청 알람 톤(audible alarm tone), 또는 알람 램프(alarm lamp)와 같이 단순한 것일 수 있다. 다르게는, 권선 양호 표시자는 계자 권선(114)의 공진 주파수에서의 변화일 수도 있다. 예상 모듈(240)에 의해 생성된 권선 양호 표시자는, 동기 기기(110)로부터 먼 위치에서 뷰잉될수도 있다는 것이 이해될 것이다. 모니터링 시스템(140)의 예상 모듈(240)은, 예상 모듈(240)에 의해 생성된 권선 양호 표시자 데이터를 송신하기 위해, 예컨대 무선 통신의 수단에 의해 출력 디바이스(미도시)와 커플링될 수 있다. 또한, 권선 양호 표시자는 식별된 공진 주파수와 건강 상태 공진 주파수의 편차값에 기초하여 상이한 레벨들로 카테고리화 될 수 있다. 예를 들어, 매우 높은 편차값들인 경우에, 권선 양호 표시자는 적색광 및 가청 알람으로 나타내질 수 있다. 이것은, 계자 권선(114)이 즉각적인 검사를 필요로 하는 실질적인 절연 손상을 받았을 수도 있다는 표시일 수 있다.
일 예의 구현에서, 스펙트럼 분석기(230) 및 예상 모듈(240)의 각종 기능들은 프로세서 상에서 실행될 수 있는 소프트웨어 명령들로 구현된다. 이러한 구현에서, 소프트웨어 명령들은 예컨대, 그러나 이에 한정되지 않는, 프로세스와 링크된 하드디스크 드라이브, 고체 상태 메모리 디바이스, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 등과 같은 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있다. 프로세서는, 예를 들어, 범용 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 프로그래머블 로직 디바이스 등일 수 있다. 이러한 프로세서의 구현을 포함하는 예시적 컴퓨터 시스템은, 키보드와 포인팅 디바이스와 같은 주변 입력 디바이스, 비주얼 디스플레이 유닛과 같은 주변 출력 디바이스, 및 블루투스? 어댑터, IEEE 802.11 인터페이스, IEEE 802.3 이더넷 어댑터 등과 같은 하나 이상의 네트워크 인터페이스들을 또한 포함할 수 있다. 다르게는, 프로세서는 특수 목적 프로세서로 하드-코딩된 여러 모듈들을 포함하는 특수 목적 프로세서로 구현될 수도 있다. 컴퓨터 시스템의 컴포넌트들은 하나 이상의 시스템 버스들에 의해 링크될 수 있다. 본 명세서에 기술된 컴퓨터 시스템은 예시적이고 비한정적인라는 것을 이해해야한다. 컴퓨터 시스템의 다른 구현들은 본 발명의 범위 내에 있다.
도 3은 일 실시예에 따라, 동기 기기를 모니터링하기 위한 예시적 방법의 플로우차트(300)이다. 스텝(310)에서, 신호 발생기(210)는 계자 권선(114)의 계자 단자(116A 또는 116B)에서 협대역 정현파 신호를 주입한다. 협대역 정현파 신호는 정현파 주파수 스위프(sinusoidal frequency sweep), 또는 정현파 처프 신호(sinusoidal chirp signal)일 수 있다. 일 구현에서, 협대역 정현파 주파수 스위프 신호는, 계자 권선(114)의 건강 상태 공진 주파수, 및 그 건강 상태 공진 주파수의 적어도 하나의 고조파(harmonic)를 포함하는 주파수 대역을 갖는다.
스텝(320)에서, 모니터링 모듈(220)은 접지에 대한 대향 단자(116A 또는 116B)에서의 전압을 모니터링한다. 예를 들어, 신호 발생기(210)가 계자 단자(116A)에서 협대역 정현파 신호를 주입하는 경우, 모니터링 모듈(220)은 계자 단자(116B)에서 접지에 대한 계자 전압을 모니터링하며, 그 반대의 경우도 가능하다.
스텝(330)에서, 스펙트럼 분석기(230)는 모니터링된 접지에 대한 계자 전압에 기초하여 계자 권선(114)의 공진 주파수를 식별한다. 스펙트럼 분석기(230)는 모니터링된 접지에 대한 계자 전압의 푸리에 변환을 계산하여서 스펙트럼 시그너처를 생성할 수 있고, 또한 피크 피팅 알고리즘들을 사용하여 공진 주파수를 전압 스펙트럼 시그너처의 피크로서 식별할 수도 있다.
스텝(340)에서, 예상 모듈(240)은 그 다음에, 식별된 공진 주파수와 건강 상태 공진 주파수 간의 차이를 계산할 수 있다. 예상 모듈(240)은 그 다음에, 계산된 차이에 기초하여 권선 양호 표시자를 생성할 수 있다.

Claims (10)

  1. 동기 기기를 모니터링하는 방법으로서,
    상기 동기 기기의 계자 권선(field winding)의 제 1 단부에서 협대역 정현파 신호를 주입하는 단계와,
    접지에 대한 상기 계자 권선의 제 2 단부에서의 전압을 모니터링하는 단계와,
    모니터링된 상기 전압에 기초하여 공진 주파수를 식별하는 단계와,
    식별된 상기 공진 주파수 및 예상된 공진 주파수에 기초하여 권선 양호 표시자(winding health indicator)를 생성하는 단계를 포함하는
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 협대역 정현파 신호는 협대역 처프 신호(narrowband chirp signal)를 포함하는
    방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 협대역 정현파 신호는 공진 주파수 정현파를 포함하는
    방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 계자 권선의 제 2 단부에서 정현파 처프 신호(sinusoidal chirp signal)를 주입하는 단계와,
    접지에 대한 상기 계자 권선의 제 1 단부에서의 제 2 전압을 모니터링하는 단계와,
    상기 전압에 기초하여 제 1 스펙트럼 시그너처(spectral signature)를 계산하는 단계와,
    상기 제 2 전압에 기초하여 제 2 스펙트럼 시그너처를 계산하는 단계와,
    상기 제 1 스펙트럼 시그너처 및 상기 제 2 스펙트럼 시그너처에 기초하여 고장 위치 표시자(fault location indicator)를 생성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    접지에 대한 권선 전류(winding to ground current)와, 접지에 대한 권선 주입 전압(winding to ground injected voltage) 간의 제로 위상차(zero phase difference)에 대응하는 주파수를 식별하는 단계와,
    식별된 상기 주파수와 상기 공진 주파수 간의 차이를 계산하는 단계와,
    상기 차이에 기초하여 상기 권선 양호 표시자를 생성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  6. 동기 기기를 모니터링하는 시스템으로서,
    상기 동기 기기의 계자 권선의 제 1 단부에서 협대역 정현파 신호를 주입하기 위한 신호 발생기와,
    상기 계자 권선의 제 2 단부에서 접지에 대한 전압을 모니터링하기 위한 모니터링 모듈과,
    모니터링된 상기 전압에 기초하여 공진 주파수를 식별하기 위한 스펙트럼 분석기와,
    적어도 부분적으로, 식별된 상기 공진 주파수에 기초하여 권선 양호 표시자를 생성하기 위한 예상 모듈(prognostic module)을 포함하는
    시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 협대역 정현파 신호는 협대역 정현파 처프 신호를 포함하는
    시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 협대역 정현파 신호는 공진 주파수 정현파를 포함하는
    시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호 발생기는 상기 계자 권선의 제 2 단부에서 정현파 처프 신호를 주입하도록 더 구성되고,
    상기 모니터링 모듈은 접지에 대한 상기 계자 권선의 제 1 단부에서의 제 2 전압을 모니터링하도록 더 구성되고,
    상기 스펙트럼 분석기는 상기 전압에 기초하여 제 1 스펙트럼 시그너처를 계산하고, 상기 제 2 전압에 기초하여 제 2 스펙트럼 시그너처를 계산하도록 더 구성되고,
    상기 예상 모듈은 상기 제 1 스펙트럼 시그너처 및 상기 제 2 스펙트럼 시그너처에 기초하여 고장 위치 표시자를 생성하도록 더 구성되는
    시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 분석기는 접지에 대한 권선 전류와, 접지에 대한 권선 주입 전압 간의 제로 위상차에 대응하는 주파수를 식별하도록 더 구성되고,
    상기 예상 모듈은 식별된 상기 주파수와 상기 공진 주파수 간의 차이에 기초하여 상기 권선 양호 표시자를 생성하도록 더 구성되는
    시스템.
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