KR20210113121A - 발전기 고정자의 웨지 체결 강도 진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전기의 고정자 웨지의 타격시 가해진 힘(force)과 타격 후 발생하는 진동(vibration)을 측정하는 단계, 상기 단계에서 측정된 힘과 진동 데이터를 통해 상기 웨지의 체결 강도를 판단하기 위한 복수의 특징값을 추출하는 단계 및 상기 복수의 특징값을 추출하는 단계에 의해 추출된 특징값으로부터 상기 웨지의 체결 강도의 정상 여부를 판단하는 단계를 포함하는 발전기 고정자의 웨지 체결 강도 진단 방법으로서, 본 발명에 의하면, 정성적 분석 및 스펙트럼 분석에 기반하여 발전기 고정자의 웨지 체결 강도(wedge tightness) 검사를 보다 정확하게 할 수 있게 한다.

Description

발전기 고정자의 웨지 체결 강도 진단 방법{DIAGNOSIS METHOD FOR WEDGE OF A STATOR OF A GENERATOR}

본 발명은 발전기 고정자의 웨지에 관한 것으로서, 웨지의 체결 강도를 검사, 진단하는 방법에 관한 것이다.

발전기는 고정자(stator)와 회전자(rotator)를 포함하고, 고정자는 내주면 둘레를 따라 원주방향으로 다수의 슬롯이 코일이 감겨져 형성되고, 슬롯을 차폐하는 웨지(wedge)가 슬롯 입구부에 삽입된다.

그런데, 대용량 발전기의 운영에 따른 웨지(Wedge)의 체결 강도(또는 밀착도, tightness) 저하, 열화현상으로 인한 절연파괴와 같은 사고 발생 방지를 위해 발전기는 주기적인 진단과 시험이 필요하다.

현재 이러한 진단과 시험을 위해서는 전문 검사 인력이 수동으로 타격 후 음향을 듣고 체결 강도를 판단한다. 따라서, 전문가에 의한 수동 검사의 경우, 검사자의 숙련도 등 개별적인 판단차로 인해 정량화에 장애가 있다.

기존 자동화 검사 방법은 주로 음향보다는 타격 직후 발생하는 진동을 측정하여 달성되는데, 이는 음향을 통한 자동화 검사는 잡음 등에 취약하기 때문이다. 이러한 진동 분석 방법은 주로 타격 가진 후 웨지의 체결 강도에 따라 고유 진동수가 달라진다는 가정 하에 제안된다. 진동을 가속도계로 측정하며 고유 진동수를 확인하기 위해 주로 가속도 신호를 주파수 영역으로 변환하여 주파수 영역의 에너지 피크값이 발생하는 주파수 대역을 기준으로 체결 강도를 판단한다.

그런데, 이러한 방법은 발전기 고정자의 웨지 종류나 체결 방법이 동일하지 않아 발전기 모델마다 일반화된 성능을 기대하기 어렵다는 문제점이 발생한다. 또한 처리방법의 단순화를 위해 도출되는 단변량 정보(에너지 피크값의 주파수 등)는 명료하나 오검출의 가능성에 취약하다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국공개특허공보 제10-2013-0005156호 한국등록특허공보 제10-0152440호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 정성적 분석 및 스펙트럼 분석에 기반하여 발전기 고정자의 웨지 체결 강도(wedge tightness) 검사를 보다 정확하게 하는 것을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 발전기 고정자의 웨지 체결 강도 진단 방법은, 발전기의 고정자 웨지의 타격시 가해진 힘(force)과 타격 후 발생하는 진동(vibration)을 측정하는 단계, 상기 단계에서 측정된 힘과 진동 데이터를 통해 상기 웨지의 체결 강도를 판단하기 위한 복수의 특징값을 추출하는 단계 및 상기 복수의 특징값을 추출하는 단계에 의해 추출된 특징값으로부터 상기 웨지의 체결 강도의 정상 여부를 판단하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 복수의 특징값은, 상기 진동 데이터로부터 추출되는 평균(Mean), 왜도(Skewness), 첨도(Kurtosis), 제곱평균제곱근(Root Mean Square, RMS), 파고율(Crest Factor, CF), 스펙트럼의 RMS 값을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 복수의 특징값을 추출하는 단계는, 상기 데이터를 전처리하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 데이터를 전처리하는 단계는, 상기 데이터를 정규화(normalized)하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 데이터를 전처리하는 단계는, 상기 데이터에 윈도우(window) 함수를 적용하여 신호 특성을 강화시키는 단계, 강화된 신호의 Envelope 성분을 추출하는 단계 및 추출된 Envelope 신호를 역퓨리에 변환하여 특성주파수를 추출하는 단계를 포함한다.

이를 통해, 상기 복수의 특징값은 상기 특성주파수로부터 추출하는 Envelop 신호의 IFFT RMS 값을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 복수의 특징값은 상기 특성주파수로부터 추출하는 Envelop 신호의 IFFT Peak 값을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 특징값은 상기 힘(force) 신호의 각 Peak 값들을 합산한 값을 포함하는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 발전기 고정자의 웨지 체결 강도 진단 방법은, 발전기의 고정자 웨지의 타격시 가해진 힘(force)과 타격 후 발생하는 진동(vibration)을 측정하는 단계, 상기 단계에서 측정된 힘과 진동 데이터를 전처리하여 상기 웨지의 체결 강도를 판단하기 위한 복수의 특징값을 추출하는 단계 및 상기 복수의 특징값을 추출하는 단계에 의해 추출된 특징값으로부터 상기 웨지의 체결 강도의 정상 여부를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 특징값을 추출하는 단계는, 상기 데이터를 정규화(normalized)하는 단계, 상기 데이터에 윈도우(window) 함수를 적용하여 신호 특성을 강화시키는 단계, 강화된 신호의 Envelope 성분을 추출하는 단계 및 추출된 Envelope 신호를 역퓨리에 변환하여 특성주파수를 추출하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 복수의 특징값은 상기 특성주파수로부터 추출하는 Envelop 신호의 IFFT RMS 값을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 복수의 특징값은 상기 특성주파수로부터 추출하는 Envelop 신호의 IFFT Peak 값을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 특징값은 상기 힘(force) 신호의 각 Peak 값들을 합산한 값을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 발전기 고정자의 웨지 체결 강도 진단 방법에 의하면, 국내/국외에 존재하지 않는 가속도 신호에 대한 특징점과 그의 결합을 제안하여 웨지의 체결 강도 측정의 정확성을 향상시킨다.

다차원의 데이터를 활용함으로써 기존에 제안된 단차원 데이터에 기반한 방법론에 비해 오검출 가능성의 축소를 기대한다.

또한 자동화를 통해 정량화된 검사를 진행하여 반복성 있는 검사 및 진단 결과를 도출할 수 있으며, 전문가의 수동 진단을 대체하는 것이 가능하다.

따라서, 고장예방에 의해 발전손실 및 수리비용을 절감할 수 있고, 수기관리에 따른 관리비용 또한 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 발전기 고정자의 웨지 체결 강도 측정 절차를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 3b는 정규화를 통한 신호 전처리 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 왜도(skewness)를 나타낸 것이다.
도 5는 첨도(kurtosis)를 나타낸 것이다.
도 6은 제곱평균제곱근(RMS)을 나타낸 것이다.
도 7은 파고율(CF)을 나타낸 것이다.
도 8은 진동신호의 특성을 나타낸다.
도 9a, 도 9b는 Envelope 신호처리를 나타낸다.
도 10은 IFFT RMS를 나타낸다.
도 11은 IFFT Peak/RMS를 나타낸다.
도 12a, 도 12b는 가진되는 힘(force)의 신호특성을 나타낸다.
도 13a 내지 도 13i는 정상 및 이상 웨지의 특징점별 결과를 나타낸다.
도 14a, 도 14b는 3차원 특징점에 기반한 체결 강도를 비교한 것이다.
도 15는 발전기 운전년수 증가에 따른 고정자 웨지 체결 상태에 대한 컨투어 (Contour)를 나타낸다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

발전기의 고정자 웨지의 체결 강도 검사를 자동화하는데 있어 측정된 진동신호로부터 추출할 수 있는 특징값인 통계치(평균(Mean), 왜도(Skewness), 첨도(Kurtosis))와 제곱평균제곱근(Root Mean Square, RMS), 파고율(Crest Factor, CF), 스펙트럼의 RMS와 같은 종래의 기술로는 고정자 웨지의 체결 상태를 민감하게 반영하지 못한다.

이에 따라, 본 발명은 웨지 체결 강도 검사의 신호특성을 반영할 수 있는 다변량 특징값을 추가로 개발하여 종래의 특징값과 결합한 다변량 데이터를 특징으로 삼아 선형/비선형 인식기와 결합하여 웨지의 체결 강도를 판단하는 검사 방법을 제안하고자 한다.

도 1은 본 발명의 발전기 고정자의 웨지 체결 강도 측정 절차로서, 타격 시 가해진 힘(Force)과 타격 후 발생하는 진동을 가속도계로 측정하고(raw data), 이를 이용하여 표 1에 정리된 바와 같이 웨지 체결 강도를 판단할 통계적 특징 6개, 신호 전처리(normalization)를 통한 3개의 신규 특징을 생성하고 이에 기반하여 체결 강도를 판단한다(classification).

종래 기술 특징 분석	본 발명 특징 분석
진동 가속도 신호를 이용한 주파수 분석	-통계치(평균, 왜도, 첨도) -제곱평균제곱근(root mean square, RMS) -파고율(Crest Factor, CF) -스펙트럼의 RMS -[다변량 특징값] -(진동 FFT Power RMS) -(진동 FFT 최대값) / RMS -Force Peak 값의 총합
진동(vibration)	힘(force), 진동(vibration)

도 2a 내지 도 3b에서 참조되는 전처리(normalization)는 읽어들인 힘 및 진동 가속도의 크기를 정규화 시키는 과정이다. 체결강도 시험을 위해 타격 시에는 사람이 직접 임팩트 해머를 이용해 가진하기 때문에 시험 대상 웨지의 설치 위치, 타격 방향, 센서의 고정 상태에 따라 타격되는 힘의 크기가 달라지게 된다. 타격하는 힘의 크기에 따른 영향 및 신호 노이즈 제거를 위해 정규화 과정을 거치는 것이다. 이에 따라 힘과 진동 가속도에 대해 각각 절대값 중 최대값으로 신호를 나누어 주어, 타격하는 힘의 상대적 차이가 만드는 상대 격차를 줄여 신호의 왜곡을 방지하고 또한 전기 노이즈와 같은 잡음의 제거를 위해 특정 주파수 대역의 성분값을 강화시키거나 축소할 수 있도록 필터링을 포함한다.다음으로, 읽어들인 가속도를 사용하여 다음의 특징점을 생성한다.

1) 평균(Mean). 읽어 들인 가속도가 갖는 분포의 중앙값을 다음 식으로 계산한다.

2) 왜도(Skewness). 읽어들인 가속도 분포가 평균에 대해 갖는 평균 이상 값의 분포와 평균 이하 값의 분포 간 대칭 정도(도 4 참조)를 다음 식으로 계산한다.

3) 첨도(Kurtosis). 읽어들인 가속도 분포가 평균에서 밀집한 정도(도 5 참조)를 다음 식으로 계산한다.

4) 제곱평균제곱근(Root Mean Square, RMS). 시간에 따라 양과 음의 값이 교차하는 가속도 신호를 동일한 크기의 에너지(도 6 참조)를 갖는 직류값으로 변환하는 계산이다(다음 식 참조).

5) 파고율(Crest Factor, CF). 읽어들인 가속도의 최대값과 제곱평균제곱근의 비율로서(도 7 참조) 가속도의 파형이 얼마나 정현파에 가까운가를 판단하는 기준이다. 또한 다른 신호와 피크값의 크기를 상대 비교하기 위해 최대값의 크기를 제곱평균제곱근으로 정규화한다.

6) 스펙트럼의 RMS. 가속도신호를 퓨리에 변환하여 구한 스펙트럼에 대해 계산한 제곱평균제곱근을 다음 식과 같이 계산한다.

7) 스펙트럼 파고율. 가속도 스펙트럼에 대해 계산한 파고율로서 스펙트럼의 최고치와 스펙트럼 RMS의 비율로서 계산된다.

본 발명에서는 상기와 같은 종래의 통계치 및 특징값 외에 다음과 같은 신호처리를 통해 추가적인 특징값을 추출한다.

진동 가속도 신호는 아래와 같이 도 4의 첫 번째 그래프와 같이 매우 짧은 시간에 감쇠되는 특징이 있으며, 일반 FFT 분석 시에는 타격시에 발생되는 저주파수의 영향이 높아 웨지의 상태를 반영하는 고유주파수 추출이 어렵다. 이에 따라 도 8과 같이 진동이 감쇠되기 전까지의 시간구간에 대해 window 함수를 적용해 신호의 특성을 강화시킨다. 그리고 강화된 진동신호의 Envelope 성분을 추출하고 추출된 Envelope 신호를 역퓨리에 변환하여 웨지의 특성주파수를 추출하게 되고, 이를 이용하여 다음 3개의 다변량 특징값을 추출한다.

1) Envelope 신호 IFFT RMS

상기 Envelope 신호로부터 변환된 IFFT 결과로부터 각 주파수의 크기를 제곱하여 Power Spectrum으로 변환하였으며(도 9a, 도 9b), 이는 작은 값과 큰 값의 크기차를 더 강화시킴으로써 특정 주파수 대역의 성분값의 특성을 잘 나타나게 한다. 이에 따라, 각 신호 별 Power Spectrum의 RMS(도 10)를 특징값으로 사용하였다.

2) Envelope 신호 IFFT Peak값/RMS

도 11에서 참조되는 바와 같이, 상기와 같은 신호처리과정 후에 확인되는 IFFT(도 8의 세번째 그래프)를 이용해 주파수의 최대 Peak(약 3000~3500Hz)값을 해당 신호의 제곱평균제곱근(Root Mean Square, RMS)으로 나누어 특징값을 추출하였다. 이는 웨지의 상태(강한 결합 또는 느슨한 결합)에 따라 특성 주파수의 위치와 크기가 달라지는 것에 착안하여 해당 신호의 에너지값으로 가장 큰 Peak 주파수를 나누어줌으로써 특성주파수의 상 대적 크기값을 특징으로 사용하였다.

3) Force Peak 값의 합

다음, 힘(force) 신호는 웨지의 체결 정도(강한체결, 느슨한 체결)에 따라 대상 웨지에 전달되는 힘의 크기가 달라진다. 체결강도가 높은 웨지는 타격된 힘의 크기가 잘 전달되므로 임팩트해머로 계측된 신호는 도 5a와 같이 뾰족한 형태의 신호특성을 가지지만 체결강도가 느슨한 웨지는 힘전달이 되지 못해 신호가 뭉퉁해지거나 왜곡되는 특성을 가진다. 본 발명에서는 가진된 힘(force)의 특성을 이용해 힘(force) 신호의 각 Peak 값들을 합산하여 이를 특징값으로 사용하였다. 도 12a는 정상웨지의 경우이고, 신호가 왜곡되거나 뭉퉁해 질수록 도 12b와 같이 같은 동일위치에서 Peak 점들이 더 많이 발생되므로 체결강도가 느스한 이상웨지에서 Peak Sum의 합의 크기가 커진다.

그림 13a 내지 도 13b는 강하게 조여진 웨지의 진동 샘플(◇정상)과 느슨하게 조여진 웨지의 진동 샘플(◇이상)에 대해 위에서 설명한 9개의 특징점을 계산하여 특징점 별로 출력한 결과이다. 푸른 점과 붉은 점의 간격이 클수록 검출 변별력은 높다. 매 샘플에 대해 변별력을 보이는 특징점은 존재하지 않으며 이는 하나의 특징에 근거하여 검출을 시도시 발생하는 위험성을 보여준다.

이상의 방법에 의해 계산된 특징점을 2 차원의 벡터로 표현하고 이에 기반하여 검출을 시도하였으며, 특징값에 따라 정상과 이상과의 크기값의 차이가 클수록 좋은 특징값이라고 할 수 있다.

도 14a는 진동가속도의 평균(Mean), FFT Power RMS, IFFT Peak/RMS 이용해 만든 3차원 특징공간으로 정상(체결강도가 높은 웨지)와 이상(체결강도가 느슨한) 데이터 간의 군집이 구별되는 것을 알 수 있다. 도 14b는 힘(Force)에 대한 Sknewss, Kurtosis, Force Peak Sum으로 만든 3차원 특징공간으로 이상과 정상데이터간의 군집이 구별되는 것을 확인 할 수 있다.

그리고, 도 15는 발전기 고정자 웨지에 대한 체결강도 맵의 예이며, 도 15(a)에 비해 도 15(b)는 발전기를 2년 동안 운전한 후의 결과 맵이다. 도시에서 알 수 있듯이, 웨지 체결강도 맵에서 이상 웨지의 크기가 점점 증가하고 있음을 알 수 있다. 기존의 맵보다 컨투어를 활용한다면, 발전기 고정자 웨지체결강도의 열화 정도를 시각적으로 쉽게 파악할 수 있는 장점이 있다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

1. 발전기의 고정자 웨지의 타격시 가해진 힘(force)과 타격 후 발생하는 진동(vibration)을 측정하는 단계;
   상기 힘과 상기 진동 데이터를 통해 상기 웨지의 체결 강도를 판단하기 위한 복수의 특징값을 추출하는 단계; 및
   상기 추출된 특징값으로부터 상기 웨지의 체결 강도의 정상 여부를 판단하는 단계를 포함하되,
   상기 특징값을 추출하는 단계;에서 상기 힘과 진동 데이터로부터 Envelope 신호를 추출하고 상기 추출된 Envelope 신호를 역퓨리에 변환하여 상기 웨지의 특성주파수를 추출하고, 상기 특성추파수로부터 상기 특징값인 상기 Envelop 신호의 IFFT RMS 값, 상기 Envelop 신호의 IFFT Peak 값 및 상기 힘(force) 신호의 각 Peak 값들을 합산한 값을 추출하는 것을 특징으로 하는,
   발전기 고정자의 웨지 체결 강도 진단 방법.

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