KR100529377B1

KR100529377B1 - 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템

Info

Publication number: KR100529377B1
Application number: KR10-2004-0017404A
Authority: KR
Inventors: 주영호; 김희동; 이영준; 공태식
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-11-17
Also published as: KR20050092269A

Abstract

본 발명은 고압 전동기 및 발전기 고정자 권선의 부분방전을 상시 감시하여 설비의 이상상태를 조기에 발견할 수 있도록 하는 디지털 신호처리기(DSP : Digital Signal Processor)를 이용한 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 특징에 따른 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템은, 고압 회전기의 고정자 권선에서 검출되는 부분방전 신호를 각 상별로 순차적으로 선택하여 입력받는 채널 선택기; 상기 채널 선택기에서 입력된 부분방전 신호에 대해 대역 통과 필터링을 수행하여 상기 부분방전 신호의 특정 대역 주파수만을 통과시키는 대역 통과 필터; 상기 대역 통과 필터에서 주파수 필터링이 이루어진 부분방전 신호를 디지털 데이터로 변환시키는 A/D 변환기; 60 Hz의 교류 전원을 입력받아 트리거 신호를 생성하는 트리거 회로; 상기 트리거 신호를 이용하여 상기 채널 선택기를 통해 입력되는 부분방전 신호의 동기화를 수행하는 한편, 상기 A/D 변환기를 통해 입력되는 부분방전 신호의 디지털 데이터를 이용하여 최대 부분방전 전하량의 크기와 정규화된 부분방전 전하량을 연산하고 이에 대한 2차원 및 3차원 그래프를 생성하는 디지털 신호 처리기; 상기 디지털 신호 처리기에서 생성되는 연산 결과를 운영자에게 표시하기 위한 디스플레이; 및, 상기 디지털 신호 처리기에서 생성되는 연산 결과를 운영자에게 온라인으로 전송하기 위한 TCP/IP 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고압 회전기의 부분방전 감시 시스템{PARTIAL DISCHARGE MONITORING SYSTEM OF HIGH VOLTAGE ROTATING MACHINE}

본 발명은 고압 회전기의 부분방전(partial discharge) 감시 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압 전동기 및 발전기 고정자 권선의 부분방전을 상시 감시하여 설비의 이상상태를 조기에 발견할 수 있도록 하는 디지털 신호처리기(DSP : Digital Signal Processor)를 이용한 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템에 관한 것이다.

국내의 고압 전동기 또는 발전기 고정자 권선의 절연 진단은 절연저항 시험, 성극지수 시험, 교류전류 시험, 유전정접 시험 및 부분방전 시험 등을 통해 수행하고 있으나, 이러한 진단을 위해서는 고압 전동기 또는 발전기를 정지해야만 하는 번거로움이 있다.

한편, 고압 전동기 및 발전기의 고정자 권선의 건전성 평가를 위해 고압 전동기 또는 발전기의 운전 중에 진단을 수행하는 시스템이 개발되고 있으나, 아직은 신뢰성이 낮은 상태이다.

특히, 이러한 고압 전동기 또는 발전기의 고정자 권선의 결함위치를 확인함에 있어서 부분방전 패턴을 분석하는 기법은 장시간이 소요될 뿐만 아니라 결합의 트렌드(trend) 관리가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기 설명한 종래의 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 고압 전동기 및 발전기의 고정자 권선의 결함위치를 상시 감시할 수 있으며, 특히 고압 전동기 및 발전기의 가동을 정지시키지 않고 부분방전 신호를 이용하여 설비의 이상유무를 감시할 수 있는 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 감시 시스템은 고압 회전기의 설비 이상유무에 대한 감시 결과를 디스플레이 화면 및 온라인으로 제공하여 시스템 운영자가 편리하고 쉽게 사용할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템은,

고압 회전기의 고정자 권선에서 검출되는 부분방전 신호를 각 상별로 순차적으로 선택하여 입력받는 채널 선택기;

상기 채널 선택기에서 입력된 부분방전 신호에 대해 대역 통과 필터링을 수행하여 상기 부분방전 신호의 특정 대역 주파수만을 통과시키는 대역 통과 필터;

상기 대역 통과 필터에서 주파수 필터링이 이루어진 부분방전 신호를 디지털 데이터로 변환시키는 A/D 변환기;

60 Hz의 교류 전원을 입력받아 트리거 신호를 생성하는 트리거 회로;

상기 트리거 신호를 이용하여 상기 채널 선택기를 통해 입력되는 부분방전 신호의 동기화를 수행하는 한편, 상기 A/D 변환기를 통해 입력되는 부분방전 신호의 디지털 데이터를 이용하여 최대 부분방전 전하량의 크기와 정규화된 부분방전 전하량을 연산하고 이에 대한 2차원 및 3차원 그래프를 생성하는 디지털 신호 처리기;

상기 디지털 신호 처리기에서 생성되는 연산 결과를 운영자에게 표시하기 위한 디스플레이; 및,

상기 디지털 신호 처리기에서 생성되는 연산 결과를 운영자에게 온라인으로 전송하기 위한 TCP/IP 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템에 대해 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템의 구성이 도시되어 있고, 도 2a 내지 도 2d에는 본 발명의 실시예에 따른 부분방전 감시 시스템에서 실시간 분석, 2차원 및 3차원 데이터 분석, 경보 관리 과정을 예시한 디스플레이 화면이 도시되어 있다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템은 채널 선택기(10), 대역 통과 필터(20), A/D 변환기(30), 60Hz 트리거 회로(40), 디지털 신호 처리기(50), 디스플레이(60) 및 TCP/IP 인터페이스(70)를 포함한다.

상기 도 1에 도시된 부분방전 신호는 고압 회전기의 고정자 권선의 단자박스에 설치된 에폭시-마이카 커플러(80 pF)에서 검출되어 본 발명의 감시 시스템에 입력된다. 이와 같이 입력된 부분방전 신호는 수백 MHz의 주파수 대역폭을 갖도록 대역 통과 필터링(band pass filtering), 아날로그/디지털(A/D) 변환을 거치며, 디지털 신호 처리에 의해 상기 입력된 부분방전 신호로부터 최대 부분방전 전하량의 크기(Qm), 정규화된 부분방전 전하량(NQN : Normalized Quantity Number)을 연산하여 2차원 및 3차원의 분석 데이터를 생성하고 이를 메모리에 저장하였다가 디스플레이 또는 TCP/IP 인터페이스를 통해 온라인으로 운영자에게 감시 결과로서 전송한다. 이러한 데이터는 특별한 소프트웨어 알고리즘에 의해 분석되고 사용자가 고압 회전기의 이상 유무를 쉽게 인식할 수 있도록 실시간 모니터링, 데이터 분석, 통신상태 및 경보 등이 가능하도록 다양한 화면을 구성하는데 사용된다.

다음으로, 도 1을 참조하여 본 발명의 부분방전 감시 시스템의 각 구성 요소의 동작에 대해 상세하게 설명한다.

도 1의 채널 선택기(10)는 에폭시-마이카 센서로부터 3개의 동축 케이블을 통해 BNC 커넥터에 결선되고 멀티플렉서(multiplexer)로 한 상씩 순차적으로 채널을 선택하여 부분방전 신호를 받아들인다. 부분방전 신호는 수십 kHz 내지 수백 MHz의 넓은 대역폭을 가지며, 신호의 적절한 가공 처리 이전에 데이터 손실을 최대한 출이기 위하여 최대 250 MHz의 대역폭을 갖도록 설계되어 있다.

상기 대역 통과 필터(20)는 상기 채널 선택기(10)를 통해 입력된 부분방전 신호에 대해 대역 통과 필터링을 수행하여 200 kHz 내지 300 MHz의 대역폭을 갖는 부분방전 신호만을 통과시킨다. 기존에는 상기 대역 통과 필터(20)로서 900 MHz의 대역폭을 갖는 연산 증폭기(OP-amp)를 이용하여 멀티 피드백 컷오프 타입(multi feedback cutoff type)의 버터워스 필터(Butterworth filter)를 설계하여 1 MHz 이하와 100 MHz 이상의 주파수를 컷오프하는 대역 통과 필터를 구현하였으나, 주파수 설정이 어렵고 회로외부의 장애요인들에 너무 민감하게 반응하여 많은 전자계 신호들이 방사되며, 주위 온도 또한 높아 고압 전동기 설치 현장에서 적절하게 사용할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 본 발명의 감시 시스템에 사용되는 A/D 변환기(30)의 아날로그 신호 입력단은 차동 입력(differential input)을 받기 때문에 비반전 회로도 필요로 하므로 넓은 대역폭을 갖는 필터 회로의 주파수 안정도 문제도 야기될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 여러가지 문제점을 내포하고 있는 연산 증폭기를 사용하지 않고 T3급 고주파 신호 트랜스포머(High Frequency Signal Transformer)를 이용하여 인덕턴스(L) 특성에 의해 200 kHz 내지 300 MHz 이내의 신호만을 추출하여 Even-order Harmonic Noise를 줄일 수 있도록 설계하였다. 트랜스포머의 2차측에 가상 접지(Virtual Ground)를 잡아 다음 단의 A/D 변환기(30)에 차동 입력을 제공할 수 있게 한다. 에폭시-마이카 센서 입력부는 200 kHz 내지 250 MHz 대역의 부분방전 신호를 받아들일 수 있으며, ±4000 mV의 입력전압과 50 Ω의 입력 임피던스(input impedance)를 갖도록 설계하였다.

상기 A/D 변환기(30)는 상기 대역 통과 필터(20)를 통해 대역 통과 필터링이 이루어진 부분방전 신호를 디지털 데이터로 변환시킨다. 상기 A/D 변환기(30)는 AD9433 칩을 채용하여 아날로그 멀티플렉서의 최대 통과 대역인 200 kHz 내지 250 MHz 까지의 주파수를 갖는 데이터 취득이 가능하다. 최대 아날로그 입력 대역폭이 750 MHz이고 125 MSPS의 데이터 속도를 가지며, 상기 A/D 변환기(30)의 디지털 데이터는 12 비트의 출력이다. 상기 A/D 변환기(30) 내부에는 트랙(track) 및 홀드(hold) 회로가 내장되어 있고, A/D 변환기(30)의 외부에서 엔코드(encode) 클럭에 따라 홀드 시간 제어를 자유롭게 수행할 수 있다.

상기 60Hz 트리거 회로(40)는 60Hz의 교류 전원을 입력받아 트리거 소자를 이용하여 60Hz 신호를 생성하며, 이러한 트리거 신호는 상기 디지털 신호 처리기(50)에 제공되어 에폭시-마이카 센서에서 검출되는 부분방전 신호를 동기화시키는데 사용된다.

상기 디지털 신호 처리기(50)는 보다 세부적으로 디지털 입출력부(51), 신호 처리기(52) 및 메모리(53)로 구성된다. 상기 디지털 입출력부(51)는 상기 트리거 회로(40)에서 제공된 트리거 신호를 이용하여 상기 채널 선택기(10)를 통해 입력되는 부분방전 신호의 동기화를 수행하는 한편, 60Hz의 한 주기 동안에 약 14000개의 부분방전 신호를 상기 A/D 변환기(30)로부터 받아들여 디지털 데이터인 상기 부분방전 신호에 대해 적절한 필터링과 이득을 제어한다. 다음으로, 상기 신호 처리기(52)와 메모리(53)는 상기 부분방전 신호의 디지털 데이터를 이용하여 최대 부분방전 전하량의 크기(Qm)와 정규화된 부분방전 전하량(NQN : Normalized Quantity Number)을 연산하고 2차원 및 3차원 그래프를 생성한다. 도 2a에 도시된 화면은 상기 신호 처리기(52)에서 부분방전 신호를 이용한 실시간 검사 화면을 나타낸 것이고, 도 2b 및 도 2c에 도시된 화면은 각각 상기 신호 처리기(52)에서의 연산 결과 얻어진 최대 부분방전 전하량의 크기(Qm)와 정규화된 부분방전 전하량(NQN : Normalized Quantity Number)에 대한 2차원 및 3차원 그래프이며, 도 2d에 도시된 화면은 상기 연산 결과 데이터를 이용하여 생성되는 경보관리 화면이다. 또한, 상기 신호 처리기(52)와 메모리(53)는 상기 부분방전 신호의 디지털 데이터로부터 가공된 연산 결과를 데이터베이스화하여 관리하며, 연산 결과를 액정 표시 장치(LCD : Liquid Crystal Display) 등으로 구현될 수 있는 디스플레이(60)에 전송하여 본 발명의 감시 시스템의 운영자에게 표시하는 한편, 상기 TCP/IP 인터페이스(70)에 상기 연산 결과를 전송하여 인터넷을 통해 운영자에게 제공할 수도 있다. 상기 디지털 신호 처리기(50)는 250 MHz의 칩 동작속도를 가진다.

상기 TCP/IP 인터페이스(70)는 상기 디지털 신호 처리기(50)로부터 연산 결과를 받아들여 상위 서버 시스템에 전송하며, 상기 디스플레이(60)는 상기 디지털 신호 처리기(50)로부터 전달받은 연산 결과를 그래픽 화면으로 표현하여 운영자가 고압 회전기의 이상 상태를 감시할 수 있도록 한다.

위와 같이 설명된 본 발명의 감시 시스템에 따르면, 고압 전동기 및 발전기의 고정자 권선의 결함위치를 상시 감시할 수 있고, 특히 고압 전동기 및 발전기의 가동을 정지시키지 않고 부분방전 신호를 이용하여 설비의 이상유무를 감시할 수 있으며, 고압 전동기 및 발전기의 고정자 권선의 절연열화 정도 진단 및 평가법이 기존의 방식에 비해 향상된 신뢰성을 가질 수 있으며, 본 발명의 감시 시스템을 현장 발전소에 적용함으로써 고압 전동기 및 발전기의 이상 상태 조기 발견에 의한 예측 정비와 불시 고장 예방이 가능해진다.

이상으로 설명한 것은 본 발명에 따른 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 미친다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고압 회전기의 부분방전 감시 시스템의 구성을 나타낸 도면.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 부분방전 감시 시스템에서 실시간 분석, 2차원 및 3차원 데이터 분석, 경보 관리 과정을 예시한 디스플레이 화면을 각각 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 채널 선택기 20 : 대역 통과 필터

30 : A/D 변환기 40 : 60Hz 트리거 회로

50 : 디지털 신호 처리기 51 : 디지털 입출력부

52 : 신호 처리기 53 : 메모리

60 : 디스플레이 70 : TCP/IP 인터페이스

Claims

고압 회전기의 고정자 권선에서 검출되는 부분방전 신호를 각 상별로 순차적으로 선택하여 입력받는 채널 선택기;

상기 채널 선택기에서 입력된 부분방전 신호에 대해 대역 통과 필터링을 수행하여 상기 부분방전 신호의 특정 대역 주파수만을 통과시키는 대역 통과 필터;

상기 대역 통과 필터에서 주파수 필터링이 이루어진 부분방전 신호를 디지털 데이터로 변환시키는 A/D 변환기;

60 Hz의 교류 전원을 입력받아 트리거 신호를 생성하는 트리거 회로;

상기 트리거 신호를 이용하여 상기 채널 선택기를 통해 입력되는 부분방전 신호의 동기화를 수행하는 한편, 상기 A/D 변환기를 통해 입력되는 부분방전 신호의 디지털 데이터를 이용하여 최대 부분방전 전하량의 크기와 정규화된 부분방전 전하량을 연산하고 이에 대한 2차원 및 3차원 그래프를 생성하는 디지털 신호 처리기;

상기 디지털 신호 처리기에서 생성되는 연산 결과를 운영자에게 표시하기 위한 디스플레이; 및,

상기 디지털 신호 처리기에서 생성되는 연산 결과를 운영자에게 온라인으로 전송하기 위한 TCP/IP 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는

고압 회전기의 부분방전 감시 시스템.
제1항에 있어서, 상기 디지털 신호 처리기는

상기 트리거 신호를 이용하여 상기 채널 선택기를 통해 입력되는 부분방전 신호의 동기화를 수행하며, 상기 A/D 변환기로부터 디지털 데이터인 부분방전 신호를 받아들여 필터링과 이득을 제어하는 디지털 입출력부;

상기 부분방전 신호의 디지털 데이터를 이용하여 최대 부분방전 전하량의 크기와 정규화된 부분방전 전하량을 연산하고 2차원 및 3차원 그래프를 생성하는 신호 처리기; 및

상기 신호 처리기의 동작시 일시적인 데이터를 저장하기 위한 메모리로 구성되는 것을 특징으로 하는

고압 회전기의 부분방전 감시 시스템.
제1항에 있어서, 상기 대역 통과 필터는

상기 부분방전 신호에 대해 대역 통과 필터링을 수행하여 200 kHz 내지 300 MHz의 대역폭을 갖는 신호만을 통과시키는 것을 특징으로 하는

고압 회전기의 부분방전 감시 시스템.