KR20020001776A - 전기 고압 기계, 특히 터보 제너레이터 및 전기 고압 기계내 온도를 측정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 고압 기계(41)에 관한 것이다. 온도, 특히 회전자 권선(49) 또는 고정자 권선(43)의 온도는 반도체 칩(7)을 사용하여 간단하게, 그리고 유리한 가격으로 신뢰도있게 측정된다. 또한 본 발명은 상응하는 온도 측정 방법에 관한 것이다.

Description

전기 고압 기계, 특히 터보 제너레이터 및 전기 고압 기계 내 온도를 측정하는 방법{ELECTRIC HIGH VOLTAGE MACHINE, ESPECIALLY TURBO GENERATOR, AND METHOD FOR MEASURING A TEMPERATURE IN AN ELECTRIC HIGH VOLTAGE MACHINE}

Hartmut Maier의 저서, "Die Isolierung grosser elektrischer Maschinen("대형 전기 기계의 절연", Springer-출판사, 베를린, 괴팅엔, 하이델베르크, 1962)"의 30 페이지에는 전기 기계 내 전기 권선의 온도 측정의 중요성에 대해 기술되어있다. 권선이 간접 냉각되는 경우, 자연적인 고온점, 즉 최대 온도점은 연철판의 슬롯 내에 겹쳐서 배치된 2 개의 도체 바아 중 상부 도체 바아의 하부 에지 근처, 기계 중앙 부분에서 나타난다. 거기서 온도는 저항 증가에 의해 측정 가능한 평균 구리 온도의 약 10℃ 이상까지 이른다. 예컨대 동작 모니터링을 위해 상부 도체 바아와 하부 도체 바아 사이에 설치된 열전대 또는 저항 온도계를 이용하여 권선 온도를 측정함으로써 물론 대부분 훨씬 더 낮은 측정값이 제공된다. 말하자면, 상부 도체 바아와 하부 도체 바아 사이에 있는 열전대는 상기 도체 바아들과 연철판사이에 형성되는 온도 필드 내에서 상기 도체 바아들로부터 떨어져서 멀리 배치됨으로써 20℃ 이상의 표시차가 있을 수 있다. 전기 기계의 관리시 슬롯 온도계의 온도 표시를 올바르게 측정하기 위해서는 상기 표시차가 고려되어야 한다. 제조자는 감지하기 어려운 고온점의 형성을 초래하는 제한적으로 국부화된 추가 손실을 방지하여야 한다.

본 발명은 전기 고압기계 내 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치를 갖춘 전기 고압기계, 특히 터보 제너레이터에 관한 것이다. 또한 본 발명은 전기 고압기계, 특히 터보 제너레이터 내 온도를 측정하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 온도 측정 장치이고,

도 2는 온도 측정 장치를 갖춘 터보 제너레이터이다.

상기 두 도면에서 동일한 도면 부호는 같은 의미를 갖는다.

본 발명의 목적은 접근하기 어려운 영역에서도 간단하고 저렴한 방법으로 온도 측정이 가능한 전기 고압 기계, 특히 터보 제너레이터 및 상응하는 온도 측정 방법을 제공하는 것이다.

상기 전기 고압 기계와 관련한 목적은 하우징 및 상기 하우징 내부의 온도를 측정하기 위한, 반도체 칩으로서 형성된 온도 센서를 포함하는 온도 측정 장치를 갖춘 전기 고압 기계, 특히 터보 제너레이터를 통해 달성된다.

상기 온도 센서는 반도체 칩 위에 배치된 집적 회로를 이용하여 온도를 측정한다. 이 때 온도는 수치화된 측정값에 의해 특성화된다. 본 발명은 상기 온도 센서가 극한 주위 환경에서 고압 기계에 신뢰성있게 설치될 수 있다는 의외의 사실을 기초로 한다. 특히 실험을 통해 상기 온도 센서가 장기간 높은 전압에 견딘다는 것이 증명될 수 있었다. 상기 온도 센서는 가격이 저렴하며 유지 보수가 불필요하다. 또한 고압 기계의 접근이 어려운 영역에도 설치될 수 있다. 예컨대 섬유광학 온도 측정 시스템을 이용하여, 고압에 강한 다른 온도 측정 수단에 비해 설치 비용이 훨씬 더 적게 들고 수명도 훨씬 더 긴 온도 센서가 사용될 수 있다. 표면온도를 측정할 수 있는 적외선 측정 시스템 또는 복사 고온계에 비해, 상기 온도 센서는 의도한 측정 장소에 직접 설치될 수 있다는 장점을 갖는다. 그에 비해 적외선 측정 시스템이나 복사 고온계의 경우에는 항상 활성 부품들에 대한 최소 거리가 요구된다.

더 바람직하게는 온도 측정 장치가 온도 센서에 전기적으로 연결되는 전자 모듈을 포함한다. 또한 전자 모듈이 각각 온도를 특성화한 측정값을 저장하기 위한 메모리를 포함하는 것이 바람직하다. 그럼으로써 일련의 온도, 바람직하게는 시간에 따른 온도 변화를 저장할 수 있다. 그러면 예컨대 적절한 검사 시점에 메모리의 판독이 수행될 수 있다.

바람직하게는 상기 전자 모듈이 마이크로프로세서 및 타이머를 포함한다. 상기 마이크로프로세서 및 타이머에 의해 측정값을 저장하는 시간 순서가 제어될 수 있다. 따라서 전자 모듈에 의해 예컨대 온도의 연속 측정에 대한 시간 간격이 간단하게 결정될 수 있다. 이를 위해 온도 측정의 시작 시간 또는 종료 시간이 간단하게 사전 설정될 수 있다.

전자 모듈과 온도 센서는 서로 공간적으로 분리되는 것이 바람직하며, 특히 적어도 10 cm만큼의 간격을 갖는 것이 바람직하다. 온도 센서와 전자 모듈의 이러한 공간적 분리를 통해 상기 온도 센서는 전자 모듈에 영향을 주지 않으면서 접근하기 어려운 또는 고압의 관점에서 위험한 측정 장소에 배치될 수 있다. 특히 전자 모듈에 중요한 최대 온도는 측정 장소의 선택시 일반적으로 공간적 분리에 의해 위험하지 않다. 바람직하게는 상기 전자 모듈 및 온도 센서가 서로 1 m 이하의 간격만큼 분리된다. 그 결과 전자 모듈과 온도 센서 사이에서 교환되는 신호의 질이 저하되지 않게 된다.

더 바람직하게는 전자 모듈이 특히 적외선 방사를 이용한 무접촉 신호 전송을 위한 송신 장치를 갖는다. 상기 무접촉 전송을 통해 특히 온도 측정이 이루어지는 고압 전위와 온도 측정의 평가가 이루어지는 접지 전위간의 분리가 일어난다. 이를 위해 예컨대 케이블과 같은 추가 전송 수단이 필요하지 않다.

바람직하게는 전자 모듈이 특히 적외선 방사를 이용한 무접촉 신호 수신을 위한 수신 장치를 포함한다.

바람직하게는 전자 모듈이 태양 전지를 이용하는 전류 공급 유닛을 갖는다. 더 바람직하게는 상기 전자 모듈이 상기 전자 모듈을 둘러싸는 자계로부터의 전기 에너지의 유도적 발생을 이용하는 전류 공급 장치를 갖는다. 태양 전지에 의한 또는 주변의 자기 표유 필드를 통한 전자 모듈의 에너지 공급에 의해 전자 모듈의 국부적이고 독립적인 전류 공급이 가능하다. 따라서 특히 고압 전위와 접지 전위 사이의 전위 분리 문제를 야기시킬 수 있는 전류 공급용 전달 경로가 제공될 필요가 없다.

터보 제너레이터는 전기 회전자 권선을 가진 회전자를 포함하고, 이 때 온도 센서가 바람직하게는 회전자에, 더 바람직하게는 회전자 권선에 배치된다. 회전자 내지는 회전자 권선의 온도 측정은 매우 어려운데, 그 이유는 높은 회전 속도로 인해 큰 원심력이 발생하기 때문이다. 실험을 통해 온도 센서뿐만 아니라 전자 모듈도 상기 원심력에 의해 장기간동안 높은 기계적 하중을 견딘다는 사실이 검출될 수있었다. 여기서 온도 측정값의 전달은 적절한 방식으로, 예컨대 전술한 실시예에 상응하게 무접촉 방식으로 이루어진다.

더 바람직하게는 전기 기계에 적어도 2 개의 온도 측정 장치가 제공되며, 이 때 각각의 온도 측정 장치는 고유의 식별 유닛을 포함하고, 상기 식별 유닛에 의해 상기 온도 측정 장치가 식별되며, 이 때 각각의 온도 측정 장치는 공통 평가 유닛에 의해 판독될 수 있다. 상기 식별 유닛은 예컨대 전자 모듈의 마이크로프로세서 내에 식별 번호로서 저장된다. 따라서 다수의 온도 측정 장치가 단일 평가 유닛에 의해 간단한 방법으로 작동될 수 있다. 온도 측정값의 전달은 각각의 온도 측정 장치의 식별 번호와 결합됨에 따라, 측정된 온도가 측정 장소에 명확하게 할당될 수 있다.

방법과 관련한 목적은 본 발명에 따라 터보 제너레이터 내 온도를 측정하기 위한 방법에 의해 달성된다. 상기 방법에서는 반도체 칩을 이용하여 온도가 수치화된 측정값으로서 측정되며, 상기 측정값은 전자 모듈에 전달되어 거기서 다시 평가 유닛으로 전송된다.

상기 방법의 장점은 전기 고압 기계 내 온도 측정 장치의 장점에 대한 전술한 실시예에 상응하게 제공된다.

바람직하게는 측정값이 전자 모듈 내에 저장된다. 더 바람직하게는 측정값이 무접촉 방식으로, 특히 적외선 방사에 의해 전자 모듈로부터 평가 유닛으로 전달된다.

본 발명은 실시예에 따라 더 자세히 설명된다. 도면은 개략적으로 도시된것이며, 정확한 축척으로 도시되지 않았다.

도 1은 온도 측정 장치(1)를 나타낸다. 온도 측정 장치(1)는 측정 유닛(3) 및 평가 유닛(5)을 포함하고 있다. 상기 측정 유닛(3)은 반도체 칩으로서 형성된 온도 센서(7)를 포함한다. 상기 온도 센서(7)는 전자 모듈(9)과 전기적으로 연결되어있다. 상기 전자 모듈(9)은 전류 공급 유닛(11)에 전기적으로 연결된다. 상기 전자 모듈(9)은 메모리(13), 마이크로프로세서(15), 타이머(17), 수신 유닛(19) 및 송신 유닛(20)을 포함한다. 상기 메모리(13)는 마이크로프로세서(15)에 전기적으로 연결된다. 상기 마이크로프로세서(15)는 식별 유닛(19)을 포함하며, 타이머(17)에 연결된다. 또한 상기 마이크로프로세서(15)는 수신 유닛(19) 및 송신 유닛(20)에 전기적으로 연결된다. 평가 유닛(5)은 통신 유닛(21) 및 처리 유닛(23)을 포함한다. 상기 평가 유닛(5)은 통신 유닛(21)을 통해 측정 유닛(3)의 전자 모듈(9)과 송신 신호(25) 및 수신 신호(27)를 주고받는다.

온도 측정 장치(1)를 사용하면 온도 센서(7)가 국부의 온도를 측정한다. 예컨대 상기 온도 센서는 터보 제너레이터의 고정자 또는 회전자의 전기 권선의 권선 바에 배치되어 그의 국부의 온도를 측정한다. 상기 온도는 온도 센서(7)가 반도체칩으로서 형성됨에 따라 수치에 따른 측정값으로서 직접 측정될 수 있다. 상기 측정값은 전자 모듈(9)에 전달된다. 전자 모듈(9)에서는 상기 측정값이 메모리(13)에 저장된다. 마이크로프로세서(15) 및 타이머(17)에 의해 측정값이 메모리(13)에 저장되는 시간 순서가 제어된다. 예컨대 마이크로프로세서(15) 및 타이머(17)를 이용하여 매 분마다 온도 측정값이 메모리(13)에 저장된다. 온도 센서(7)를 이용한 온도 측정 및 전자 모듈(9)을 이용한 온도 측정의 제어 및 저장을 위한 전류 공급은 전류 공급 장치(11)를 통해 이루어진다. 상기 전류 공급 장치에는 예컨대 배터리가 장착될 수 있다. 또한 태양 전지가 장착될 수도 있으며, 상기 태양 전지에 의해 주변광(ambient light)으로부터 측정 유닛(3)에 공급하기 위한 전기 에너지를 얻을 수 있다. 그러나 이러한 전기 에너지의 발생은 전류 공급 유닛(11)에서 상기 전류 공급 유닛 주변의, 시간에 따라 변동하는 자기 표유 필드에 의한 전압의 유도적 발생을 통해서도 이루어진다. 측정 유닛(3)에 의해 측정된 온도 측정값은 평가 유닛(5)에 의해 판독된다. 이를 위해 전자 모듈(9)의 수신 유닛(19)으로 송신 신호(25)가 전달된다. 이는 메모리(13)의 메모리 내용의 조회를 유발한다. 메모리 내용은 송신 유닛(20)을 통해 수신 신호(27)로서 평가 유닛(5)의 통신 유닛(21)으로 전달된다. 상기 통신 유닛(21)은 온도 측정값을 처리 유닛(23)으로 전달한다. 상기 처리 유닛(23)은 예컨대 퍼스널 컴퓨터일 수 있다. 그러면 평가 유닛(5)을 통해 상기 온도 측정값이 표시될 수 있다.

상기 온도 측정 장치(1)는 터보 제너레이터(41) 내 온도 측정을 위해 사용된다. 이에 대해서는 도 2를 참고로 자세히 설명된다.

도 2는 터보 제너레이터(41)의 종단면도를 나타낸다. 터보 제너레이터(41)는 연철판 및 전기 고정자 권선으로 형성된 고정자(43, 여기서는 자세히 도시되지 않음)를 갖는다. 상기 고정자(43)는 회전자(45)를 둘러싸고 있다. 상기 회전자(45)는 하나의 축(47) 및 상기 축(47) 상에 배치된 전기 회전자 권선(49)을 포함하고 있다. 상기 고정자(43) 및 회전자(45)는 공통 하우징(51) 내에 배치된다.

터보 제너레이터(41)는 도 1에 따른 5 개의 온도 측정 장치(1A, 1B, 1C, 1D, 1E)를 포함한다. 2 개의 온도 측정 장치(1A, 1B)는 회전자(45)에서 서로 맞은편에 배치된다. 이 때 각각의 온도 센서(7A, 7B)가 회전자 권선(49)에 배치된다. 각각의 전자 모듈(9A, 9B)은 축(47)에 있는 하우징(51)의 외부에 설치된다. 각각의 온도 측정 장치(1A, 1B)는 여기에는 자세히 도시되지 않은 각각의 식별 유닛(16, 도 1)에 의해 식별될 수 있다. 각각의 온도 센서(7A, 7B)에 의해 측정된 온도는 각각의 전자 모듈(9A, 9B)을 통해 적외선 신호(27A, 27B)를 수단으로 하여 공통 통신 유닛(21)에 전달된다. 이 경우 회전자(45)의 회전시 상기 통신 유닛(21)의 수신 영역 내로 직접 도달되는 상기 신호(27B, 27B)가 각각 픽업된다. 상기 신호(27A, 27B)는 통신 유닛(21)에 전달되기 전에 덕트(53)를 통해 하우징(51)으로부터 처리 유닛(23)으로 전달된다. 방금 전달된 적외선 신호(27A, 27B)가 어느 온도 측정 장치(1A, 1B)에 할당되는지를 식별하는 것은 식별 유닛(16)에 의해 이루어진다.

온도 센서(7A, 7B)는 터보 제너레이터(41)의 높은 전압뿐만 아니라 회전자(45)의 회전시 발생하는 원심력에도 강하다. 또한 각각의 전자 모듈(9A,9B)이 온도 센서(7A, 7B)로부터 공간적으로 분리됨에 따라 전기 회전자 권선(49)의 높은 온도가 상기 전자 모듈(9A, 9B)에 악영향을 미치지 않게 된다.

고정자(43)에는 온도 측정 장치(1C)가 배치된다. 온도 센서(7C)는 슬롯 온도계로서 형성되며, 고정자(43)의 연철판의 슬롯 내 권선 온도를 측정한다. 전자 모듈(9C)은 발생할 전압 및 온도의 관점에서 무해한 위치에 있는 온도 센서(7C)로부터 분리되어 배치된다. 온도 측정값이 처리 유닛(23)으로 전달되는 것은 하우징을 관통하는 덕트(53)를 통해 이루어진다. 온도 측정 장치(1D 및 1E)도 역시 고정자에 배치되고, 여기서는 권선 헤드(63)의 도체 바아(60, 62)에 약간 확대되어 도시되어있다. 2 개의 온도 측정 장치(1D, 1E)는 그의 각 전자 모듈(9D, 9E)에 의해 공통 통신 유닛(21D)에 송신하고, 이 때 신호 할당은 자세히 도시되지 않은 각각의 식별 유닛(16)을 통해 이루어진다.

축(47) 상에는 클럭 발생기(64)가 배치되고, 상기 클럭 발생기(64)는 라인(66)을 통해 처리 유닛(23)에 연결되며, 신호(27) 전송시 동기화를 위해 사용된다.

Claims (17)

1. 하우징(51) 및 상기 하우징 내부의 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치(1)를 포함하는 전기 고압 기계, 특히 터보 제너레이터로서, 상기 온도 측정 장치(1)가 반도체 칩으로서 형성된 온도 센서(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 온도 측정 장치(1)가 상기 온도 센서(7)에, 특히 1 미터 이하의 공간적 거리를 두고 전기적으로 연결되는 전자 모듈(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 전자 모듈(9)은 각각 온도를 특성화하는 측정값을 저장하기 위한 메모리(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 전자 모듈(9)은 마이크로프로세서(15) 및 타이머(17)를 포함하고, 상기 마이크로프로세서(15) 및 타이머(17)에 의해 측정값이 저장되는 시간 순서가 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
5. 제 2항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서

   상기 전자 모듈(9) 및 온도 센서(7)가 서로 공간적으로 분리되는, 특히 적어도 10cm만큼 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
6. 제 2항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자 모듈(9)이 특히 적외선 방사를 이용한 신호의 무접촉 전송을 위한 송신 장치(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
7. 제 2항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자 모듈(9)이 특히 적외선 방사를 이용한 신호의 무접촉 수신을 위한 수신 장치(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
8. 제 2항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자 모듈(9)이 태양 전지를 이용하는 전류 공급 유닛(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
9. 제 2항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자 모듈(9)은 상기 전자 모듈(9)을 둘러싸는 자계로부터의 전기 에너지의 유도적 발생을 이용하는 전류 공급 유닛(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는전기 고압 기계.
10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    전기 회전자 권선(49)을 포함하는 회전자(45)를 포함하고, 상기 회전자(45)에, 특히 회전자 권선(49)에 온도 센서(7)가 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
11. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 온도 센서(7)가 배치된 고정자 권선(43)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
12. 제 1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서,

    적어도 2 개의 온도 측정 장치(7)를 포함하고, 상기 각각의 온도 측정 장치(7)는 식별 유닛(16)을 포함하며, 상기 식별 유닛(16)에 의해 각각의 온도 측정 장치(7)가 식별될 수 있고, 각각의 온도 측정 장치(7)를 판독할 수 있는 평가 유닛(5)이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 고압 기계.
13. 전기 고압 기계, 특히 터보 제너레이터의 온도를 측정하는 방법으로서, 반도체 칩으로서 형성된 온도 센서(7)에 의해 온도가 수치화된 측정값으로서 측정되고, 상기 측정값은 전자 모듈(9)에 전송되어 거기로부터 평가 유닛(5)으로 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 측정값이 전자 모듈(9) 내에 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 13항 또는 14항에 있어서,

    상기 측정값이 상기 전자 모듈(9)로부터 평가 유닛(5)으로 접촉없이, 특히 적외선 방사를 이용하여 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 13항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,

    고정자 권선(43)의 온도가 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 13항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,

    회전자 권선(49)의 온도가 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.