[논문]동기발전기 권선단락사고 고장진단 시스템

장낙원; 이성환

doi:10.5916/jkosme.2013.37.5.520

동기발전기 권선단락사고 고장진단 시스템
Fault diagnosis system of the short circuit conditions in windings for synchronous generator 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.37 no.5, 2013년, pp.520 - 526

장낙원 (Division of Electrical & Electronics Engineering, Korea Maritime University) , 이성환 (Division of Energy & Electrical Engineering, Uiduk University)

초록
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전력설비 용량의 증가와 기술의 진보에 따라 회전기가 대용량, 고전압화 되고 있다. 그러므로 발전기 고장예방을 위한 진단시스템의 필요성이 점차 증대되고 있다. 따라서 본 논문에서는 동기발전기 불시 정지 사고에 따른 피해를 예방할 수 있는 고장진단 시스템을 개발하였다. 고장진단 시스템을 검증하기 위해 실제 동기발전기와 권선구조가 같은 소규모의 시험장비를 제작하였다. 또한 회전자권선의 단락을 진단하기 위해 홀센서와 검출시스템을 구성하여 정상상태 뿐 아니라 회전자권선 단락 등 다양한 고장상태에 대한 공극자속파형을 검출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the increasing of capacity and technology of power facilities, rotating machines are getting higher at capacity and voltage scale. Thus the monitoring and diagnosis of generators for fault detection has attracted intensive interest. In this paper, we developed fault diagnosis system for monitoring the fault operations in bad power systems. In order to verify the performance of this fault diagnosis system, we made the small scaled testing system which has the same winding structure of the real synchronous generator. The magnetic flux patterns in air-gap of a small-scale generator under various fault states as well as a normal state are tested by hall sensors and the fault detection system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 동기발전기 권선단락사고의 신속하고 정확한 감시진단 및 고장위치 파악을 위해 고장진단 시스템을 개발하였다. 또한 이를 실험을 통해 검증하기 위해 실제 동기발전기와 권선구조가 같은 소규모 시험장비를 제작하였고 고장진단 시스템의 홀센서와 검출시스템을 이용하여 권선단락사고에 대한 공극자속파형을 검출하였다.
본 논문에서는 동기발전기의 전기적 상태를 파악하여 불시 정지 사고에 따른 피해를 예방할 수 있는 고장 모니터링 시스템을 개발하였다. 동기발전기의 권선단락사고의 정확한 진단을 위하여 모의용 2극 동기발전기를 설계 제작하였다.
본 논문에서는 회전자 및 전기자 권선의 단락 시 공극 자속 파형 및 상전압 파형의 왜곡정도를 정상상태에 비교하기 위하여 모의사고용 2극 동기발전기를 설계 제작하였다. 회전자형태 및 전기자권선의 형태가 대용량 동기발전기의 구조를 가지면서 규모만 축소하였다.

제안 방법

회전자 권선의 단락 실험을 위해 정상상태 권선을 단락실험 시 사고부분을 단락시켜 재 권선 하여 실험하였다. Table 3에서 보는 바와 같이 회전자 1,3,5번 슬롯에서 2선, 3선, 4선 단락을 모사하여 측정하였다. Figure 13은 회전자 1번 슬롯에서 단락사고를 모사 했을 때 공극 자속 파형이다.
동기발전기의 공극에서 홀센서를 이용해 측정된 자속밀도를 디지털 신호로 변환하고 전송하는 자기장신호 검출 시스템을 제작하였다.
본 논문에서는 동기발전기의 전기적 상태를 파악하여 불시 정지 사고에 따른 피해를 예방할 수 있는 고장 모니터링 시스템을 개발하였다. 동기발전기의 권선단락사고의 정확한 진단을 위하여 모의용 2극 동기발전기를 설계 제작하였다. 회전자권선의 단락을 진단하기 위해 홀센서와 검출시스템을 이용하여 회전자 및 고정자 슬롯 내에서 발생하는 공극자속파형을 모니터링 하였다.
본 논문에서는 동기발전기 권선단락사고의 신속하고 정확한 감시진단 및 고장위치 파악을 위해 고장진단 시스템을 개발하였다. 또한 이를 실험을 통해 검증하기 위해 실제 동기발전기와 권선구조가 같은 소규모 시험장비를 제작하였고 고장진단 시스템의 홀센서와 검출시스템을 이용하여 권선단락사고에 대한 공극자속파형을 검출하였다.
회전자권선의 단락을 진단하기 위해 홀센서와 검출시스템을 이용하여 회전자 및 고정자 슬롯 내에서 발생하는 공극자속파형을 모니터링 하였다. 또한 제작된 동기발전기의 모의사고 실험을 통해 회전자 권선 단락 사고 시 발생하는 공극자속 파형의 변화를 검출하여 단락위치를 진단할 수 있었다.
모의 사고 동기발전기의 구동에는 Diesel 기관을 이용하였으며, 각 상 유기전압 및 공극자속을 측정할 수 있도록 외부에 단자를 설치하였다. 먼저 회전자권선이 단락상태가 아닌 정상상태의 공극에서의 자속파형을 측정하였다. Figure 12는 측정된 정상상태의 공극자속파형이다.
계측한 데이터를 RS-232 MODBUS 프로토콜로 상위 시스템으로 전송한다[8]. 상위 시스템에서는 전송된 데이터를 이용하여 MS Excel Spreadsheet, Visual Basic Editor 및 Magnet 프로그램을 통해 공극 사이의 자속을 파악 하였다. Figure 8에 동기발전기의 공극자속 검출을 위한 시스템의 H/W 블럭도를 나타내었다.
Figure 9는 소 제곱, 최소 절대오차, 바이스퀘어 방법을 사용하여 (X, Y) 데이터 세트의 지수 피팅 알고리즘을 나타내었고, Figure 10은 다섯 개의 연속된 블록의 데이터를 사용하여 각 블록의 피크 위치를 검출하는 알고리즘을 나타내었다. 이와 같은 데이터 석 알고리즘을 적용하여 발전기 권선단락 사고진단 프로그램을 구현하였다. Figure 11은 측정한 이터의 실시간 진단을 위해 제작한 프로그램 화면을 나타낸 것이다.
제작된 모의사고용 동기발전기를 이용하여 회전자 및 전기자권선의 단락 시 공극 파형 및 각상의 사고전압패턴에 대한 전체 시스템의 성능평가를 위한 실험을 수행하였다. 모의 사고 동기발전기의 구동에는 Diesel 기관을 이용하였으며, 각 상 유기전압 및 공극자속을 측정할 수 있도록 외부에 단자를 설치하였다.
한발전기의 고정자와 회전자 사이 공극에서의 자속밀도를 측정하기 위해 자기 센서 중에서 가장 실용성이 높은 홀 효과를 이용한 홀 센서를 사용하였다. 본 연구에서는 Allegro 사의 A1302 홀 센서를 사용하였으며 그 사양을 Table 2 에 나타내었다[5].
회전자 권선의 단락 실험을 위해 정상상태 권선을 단락실험 시 사고부분을 단락시켜 재 권선 하여 실험하였다. Table 3에서 보는 바와 같이 회전자 1,3,5번 슬롯에서 2선, 3선, 4선 단락을 모사하여 측정하였다.
동기발전기의 권선단락사고의 정확한 진단을 위하여 모의용 2극 동기발전기를 설계 제작하였다. 회전자권선의 단락을 진단하기 위해 홀센서와 검출시스템을 이용하여 회전자 및 고정자 슬롯 내에서 발생하는 공극자속파형을 모니터링 하였다. 또한 제작된 동기발전기의 모의사고 실험을 통해 회전자 권선 단락 사고 시 발생하는 공극자속 파형의 변화를 검출하여 단락위치를 진단할 수 있었다.

대상 데이터

한발전기의 고정자와 회전자 사이 공극에서의 자속밀도를 측정하기 위해 자기 센서 중에서 가장 실용성이 높은 홀 효과를 이용한 홀 센서를 사용하였다. 본 연구에서는 Allegro 사의 A1302 홀 센서를 사용하였으며 그 사양을 Table 2 에 나타내었다[5]. 공극자속 파형 획득을 위한 센서의 설치 위치는 축 방향 중심 부분과 슬롯 가장자리 부분 등 3지점에 설치하였다.
전압 형태로 입력된 데이터를 샘플링하고 전송하기까지의 알고리즘을 Figure 7에 나타내었다. 자기장 신호 검출 시스템 사용된 CPU는 50MHz 10비트 A/D 변환기능을 가진 C8051F130이다[6][7]. 계측한 데이터를 RS-232 MODBUS 프로토콜로 상위 시스템으로 전송한다[8].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 동기발전기 고장 진단 방법의 단점은 무엇인가?	또한 절연열화 상태의 진단은 부분방전분석기(PDA)를 이용하여 수력 발전기의 고정자 권선 고장진단에 적용하였으며, 1990년대 초부터는 터빈 발전기 분석기(TGA)가 개발되어 화력 발전기에 확대 적용되고 있다[3][4]. 그러나 기존의 동기발전기 고장 진단 방법은 정상상태와 고장상태를 구분할 뿐 고장의 위치 및 그 심각성을 예측하기는 어려운 점이 있다. 또한 사선진단의 경우 실제적인 사고 발생 후나 정기적인 점검 시 전체 발전기시스템의 정지 후 진단으로 사고 위치의 대략적 판단정도가 가능하다.
	회전기 고장은 대부분 무엇에서 기인하는가?	전력설비 용량의 증가와 기술의 진보에 따라 터빈 발전기, 수차 발전기, 대형 전동기 등의 회전기가 대용량, 고전압화 됨에 따라 발전기 고장 예방을 위한 진단시스템의 필요성이 점차 증대되고 있다. 이들 회전기 고장의 대부분은 권선의 손상에서 기인하며 고정자와 회전자에서 발생하는 절연 고장은 복구하는데 장시간이 요구되므로 회전기의 고장을 사전에 발견하고 불시정지에 따른 불가피한 경제적 손실을 예방하기 위해서는 상시 감시기능이 요구된다[1][2].
	국외에서 사용되고 있는 대표적인 발전기 고장 진단 방법에는 무엇이 있는가?	국외에서 사용되고 있는 대표적인 발전기의 고장 진단 방법으로는, 발전기 운전 중 고정자 권선부위에서 발생하는 부분방전을 측정하기 위하여 커플러를 설치하여 고정자 권선의 고장진단을 수행하는 것을 들 수 있다. 또한 절연열화 상태의 진단은 부분방전분석기(PDA)를 이용하여 수력 발전기의 고정자 권선 고장진단에 적용하였으며, 1990년대 초부터는 터빈 발전기 분석기(TGA)가 개발되어 화력 발전기에 확대 적용되고 있다[3][4].

참고문헌 (10)

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상세보기
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원문보기 상세보기
Nak-Won Jang, Chun-Hee Woo, Sung-Hwan Lee, "A study on the design of the bay controller for generator protection and control", Treans. The Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 59P, no. 1, pp. 46-56, Mar. 2008.
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원문보기 상세보기
Sung-Hwan Lee, "A study on the protection and measuring algorithm of IED in load condition", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 4, pp. 527-532, May 2012.

원문보기 상세보기
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상세보기
A. Papoulis, Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, 3rd Edition, New York: McGraw-Hill, 1991.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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