KR20130020360A - 절연 열화 진단 장치 - Google Patents

Abstract

절연 열화 진단 장치를 제시한다. 표면에 반도전성 물질이 도포된 고전압 발전기 고정자 권선의 절연 열화 상태를 진단하는 절연 열화 진단 장치는 설정된 전압 레벨의 교류 전압을 생성하는 전압 생성부 및 교류 전압을 고정자의 권선과 철심 사이에 인가하여 고정자의 권선과 철심 사이의 반도전층 손상에 따라 결함을 진단하는 손상 진단부를 포함한다.

Description

절연 열화 진단 장치{Insulation Degradation Diagnosis Apparatus}

본 발명은 절연 열화 진단 장치에 관한 것이다.

발전기는 다양한 원인에 의해 고장이 발생한다. 발전기에서 발생하는 고장 중 중요한 요소는 고정자 권선의 절연 열화로 인한 고장이다. 발전기의 고정자 권선의 절연이 열화의 원인이며 일반적으로 고압전동기도 운전 중에 열적, 기계적, 전기적 응력 및 외부 환경에 의해 단순 또는 복합적으로 열화된다.

열적 응력에 의한 열화는 열응력과 열분해로 분류되는데 열응력은 기계적 응력과 더불어 균열을 발생시키고 열분해는 에폭시의 분해에 의한 가스 압력이 증가하여 접착 강도를 저하시켜 계면에서 박리를 발생시킨다. 기계적 응력은 마이카와 에폭시의 계면 및 에폭시 리치 부분에서 각각 미소 균열을 발생시키고 다른 원인에 의해 생성된 균열을 확대시킨다. 전기적 응력은 절연재료의 절연내력이 정격전압 혹은 과도 전압에 더 이상 견디지 못할 정도로 약화되면 권선이 파괴에 이른다.

이와 같이 절연 내력의 감소와 절연 파괴를 야기시키는 것은 전기적은 성질뿐만 아니라 열적 및 기계적 열화에 의한 요인이 복합적으로 작용한다. 박리, 균열과 같은 결함 부분에서 부분 방전이 발생하여 유전정접의 증가, 코로나 침식 및 트리가 진행하다가 마이카 조각이 존재하면 진전이 억제된다. 절연열화의 최종단계에서는 독립적으로 발생된 미소 균열이 상호 결합하며 균열 부분에서 트리가 급속히 진전하여 절연파괴에 이른다.

이러한 절연 파괴 상태에 도달하는 것을 방지하기 위하여 발전기 절연 파괴 전에 고정자 권선의 절연 열화 특성을 정밀하게 분석한다. 이때, 고정자 권선의 절연 열화 특성을 분석하기 위하여 각 상별로 부분 방전(partial discharge) 측정 시험을 수행한다.

그러나 고전압 발전기에서 고정자 권선을 진단하는 시험은 권선 내부의 절연 열화 상태를 평가하여 권선과 철심 사이의 반도전층의 손상으로 인한 절연파괴를 진단하지 못하는 문제점이 있다.

한국등록특허공보 10-1027145

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고정자 권선의 표면에서 반도전층 손상 정도에 따라 결함을 평가할 수 있는 절연 열화 진단 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 절연 열화 진단 장치를 제공한다.

표면에 반도전성 물질이 도포된 고전압 발전기 고정자 권선의 절연 열화 상태를 진단하는 절연 열화 진단 장치는 설정된 전압 레벨의 교류 전압을 생성하는 전압 생성부 및 교류 전압을 고정자의 권선과 철심 사이에 인가하여 고정자의 권선과 철심 사이의 반도전층 손상에 따라 결함을 진단하는 손상 진단부를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 절연 열화 진단 장치는 고전압 발전기 고정자 권선 표면에서 반도전층 손상 정도를 사전에 진달할 수 있어 권선과 철심 사이에서 발생되는 결함을 찾을 수 있고, 결함을 분석하여 고정자 권선의 절연 파괴 사고를 크게 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연 열화 진단 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 손상 진단부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 손상 진단부의 일부 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 반도전층이 손상된 고정자 권선을 나타내는 도면이다.
도 5는 고정자 권선 표면에서 반도전층이 손상된 경우 유전정접과 전압 사이의 상관관계를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 절연 열화 진단 장치에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연 열화 진단 장치를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연 열화 진단 장치는 고정자(50)에 연결된 전압 생성부(100) 및 손상 진단부(200)를 포함한다.

전압 생성부(100)는 고정자 권선의 절연 열화 진단을 위한 교류 전압을 생성한다. 여기서 전압 생성부(100)는 절연 열화 진단을 위해 설정된 전압 레벨의 교류 전압을 생성할 수 있다. 예를 들면, 전압 생성부(100)는 고정자 권선과 절연물 표면과 철심 사이의 반도전층에 인가하기 위한 교류 전압을 생성할 수 있다. 이러한 전압 생성부(100)는 최대 약 50kV의 교류 전압을 생성할 수 있다.

손상 진단부(200)는 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 손상 진단부의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 손상 진단부의 일부 회로 구성을 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 손상 진단부(200)는 고정자 권선의 절연 열화를 진단한다. 여기서 손상 진단부(200)는 전압 케이블을 이용하여 전압 생성부(100)에서 생성된 교류 전압을 고정자 권선에 인가할 수 있다. 이때, 손상 진단부(200)는 고정자의 전선과 철심 사이의 반도전층에 교류 전압을 인가할 수 있다.

이러한 손상 진단부(200)는 고전압 시험 변환부(210), 쉐링 브리지(220), 제어부(230), 표시부(240), 가속열화 시험부(250) 및 저장부(260)를 포함한다.

고전압 시험 변환부(210)는 교류 전압을 유전정접 측정을 위한 전압으로 변환한다. 여기서 고전압 시험 변환부(210)는 전압 생성부(100)로부터 입력받은 교류 전압을 유전정접 시험을 위한 전압으로 변환할 수 있다. 예를 들면, 고전압 시험 변환부(210)는 1차 코일 및 2차 코일을 구비하여 교류 전압을 유전정접 측정을 위한 전압으로 변환할 수 있다.

쉐링 브리지(220)는 유전정접을 측정한다. 여기서 쉐링 브리지(220)는 가변 저항과 커패시터를 구비하여 유전정접을 측정할 수 있다. 또한, 쉐링 브리지(220)는 정전 용량 및 손실각의 정밀 측정을 수행할 수 있다.

제어부(230)는 고정자 권선에 인가되는 교류 전압을 조절하기 위해 전압 생성부(100)를 제어한다. 여기서 제어부(230)는 전압 인가 부재를 통해 고정자 권선에 인가되는 교류 전압이 약 15kV까지 약 1kV씩 증가되도록 전압 생성부(100)를 제어할 수 있다.

또한, 제어부(230)는 고정자 권선의 절연 열화 상태를 진단하기 위해 반도전층의 손상 정도를 판정할 수 있다. 이때, 제어부(230)는 유전정접을 미리 설정된 반도전층의 손상 판정 기준에 적용하여 고정자 권선의 절연 열화를 진단할 수 있다.

여기서 제어부(230)는 측정된 유전정접에 따라 반도전층의 손상 판정 기준을 설정할 수 있다. 반도전층의 손상 판정 기준은 양호, 요주의 및 불량으로 구분될 수 있다. 예를 들면, 제어부는 유전정접이 약 5% 미만일 경우 양호, 약 5% 이상이고 약 10% 이하일 경우 요주의, 약 10% 초과일 경우 불량으로 반도전층의 손상 판정 기준을 설정할 수 있다.

표시부(240)는 측정되는 유전정접을 표시한다. 여기서 표시부(240)는 쉐링 브리지(220)에 측정된 유전정접을 텍스트, 그래프 등으로 표시할 수 있다.

가속열화 시험부(250)는 고정자 권선의 가속열화 시험을 수행한다. 여기서 가속열화 시험부(250)는 미리 설정된 고정자 권선의 운전 시간에 상응하여 고정자 권선의 열화를 가속시키는 시험을 수행할 수 있다. 가속열화 시험부(250)는 가속열화 시험에 따른 고정자 권선 표면의 반도전층의 손상을 시험할 수 있다.

저장부(260)는 고정자 권선의 유전정접을 저장한다. 여기서 저장부(260)는 건전한 고정자 권선의 유전정접의 검출값과 가속열화 시험이 실시된 고정자 권선의 유전정접의 검출값을 저장할 수 있다. 이때, 가속열화 시험은 장시간 동안의 발전기 운전을 모의하여 고정자 권선의 열화를 가속시켜 열화 상태를 추정하는 시험일 수 있다.

여기서 반도전층의 손상 판정 기준은 가속열화 시험을 통해 측정된 유전정접에 의해 설정될 수 있다. 예를 들면, 가속열화 시험의 시간 조건을 7230시간, 10400시간 및 13910시간으로 설정될 수 있다. 그리고 가속열화를 7230시간 동안 시험한 후 유전정접을 측정한 결과, 유전정접이 약 5% 이하일 때는 반도전층의 손상이 확인되지 않는다. 또한, 가속열화를 7230시간 ~ 10400시간 동안 시험한 후 유전정접을 측정한 결과, 유전정접이 약 5% ~ 약 10% 사이에서 반도전층이 약간 손상되었지만 고정자 권선의 절연파괴는 발생하지 않는다. 그리고 가속열화를 13910시간 동안 시험한 후 유전정접을 측정한 결과, 유전정접이 약 10% 이상으로 증가함에 따라 반도전층 손상이 심화되면서 절연파괴가 발생하였다. 이러한 반도전층의 손상 판정 기준은 표 1과 같이 정리될 수 있다.

판정 기준	양호	요주의	불량
유전정접(tanδ)[%]	5% 미만	5% ~ 10%	10% 초과

이러한 반도전층의 심화된 손상은 도 4에 도시된 바와 같이 권선의 표면을 노출시킬 수 있다. 도 4는 반도전층이 손상된 고정자 권선을 나타내는 도면이다. 도 4에서 고정자 권선 표면의 검은 피막이 반도전층이다.

한편, 가속열화 시험부(250)의 가속열화 시험에 의해 측정된 유전정접은 도 4에 도시된 바와 같이 전압별로 확인할 수 있다.

도 5는 고정자 권선 표면에서 반도전층이 손상된 경우 유전정접과 전압 사이의 상관관계를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 가속열화 시간의 증가에 따라 반도전층의 손상 정도가 심할수록 유전정접이 높게 측정된다. 여기서 가속열화 시간에 따른 반도전층의 손상에 의해 측정되는 유전정접과 전압은 제1 간선(510), 제2 간선(520), 제3 간선(530), 제4 간선(540) 및 제5 간선(550)으로 나타날 수 있다.

제1 간선(510)은 가속열화를 수행하지 않은 고정자 권선의 반도전층의 손상 정도를 나타낸다. 그리고 제2 간선(520)은 약 7230 시간에 상응하는 가속열화 시험을 수행한 고정자 권선의 반도전층의 손상 정도를 나타낸다. 그리고 제3 간선(530)은 약 9500 시간에 상응하는 가속열화 시험을 수행한 고정자 권선의 반도전층의 손상 정도를 나타낸다. 그리고 제4 간선(540)은 약 10400 시간에 상응하는 가속열화 시험을 수행한 고정자 권선의 반도전층의 손상 정도를 나타낸다. 그리고 제5 간선(550)은 약 13910 시간에 상응하는 가속열화 시험을 수행한 고정자 권선의 반도전층의 손상 정도를 나타낸다.

제1 간선(510) 내지 제5 간선(550)을 살펴보면 고정자 권선의 표면의 반도전층 손상에 의해 유전정접이 높을 경우에는 권선 교체보다 절연 보강이 효과적일 수 있다. 예를 들면, 고압전동기 같은 경우 반도전층 손상에 의해 권선과 철심 사이에 틈이 생기면 절연보강 후에 유전정접이 현저하게 감소한다.

한편, 손상 진단부(200)는 유전정접의 검출값에 의해 고정자 권선 표면과 철심 사이에 반도전층 손상 정도에 대한 판정 기준을 가질 수 있다. 예를 들면, 손상 진단부(200)는 고정자 권선의 절연 상태가 양호하면 유전정접의 검출값이 약 5% 이하로 나타나지만 고정자 권선 표면의 반도전층이 손상되면 약 5% 이상으로 높게 측정된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 절연 열화 진단 장치는 고전압 발전기 고정자 권선 표면에서 반도전층 손상 정도를 사전에 진단할 수 있어 권선과 철심 사이에서 발생되는 결함을 찾을 수 있고, 결함을 분석하여 고정자 권선의 절연 파괴 사고를 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연 열화 진단 장치는 권선과 철심 사이의 표면 결함을 사전에 예측하여 진단의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

50: 고정자
100: 전압 생성부
200: 손상 진단부
210: 고전압 시험 변환부
220: 쉐링 브리지
230: 제어부
240: 표시부
250: 가속열화 시험부
260: 저장부

Claims (4)

1. 표면에 반도전성 물질이 도포된 고전압 발전기 고정자 권선의 절연 열화 상태를 진단하는 장치에 있어서,
   설정된 전압 레벨의 교류 전압을 생성하는 전압 생성부; 및
   상기 교류 전압을 고정자의 권선과 철심 사이에 인가하여 상기 고정자의 권선과 철심 사이의 반도전층 손상에 따라 결함을 진단하는 손상 진단부를 포함하는 절연 열화 진단 장치.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 손상 진단부는
   상기 전압 생성부로부터 입력받은 교류 전압을 유전정접 측정을 위한 전압으로 변환하는 고전압 시험 변환부;
   가변 저항과 커패시터를 구비하여 상기 유전정접을 측정하는 쉐링 브리지;
   미리 설정된 운전 시간에 상응하여 상기 고정자 권선의 가속열화 시험을 수행하는 가속열화 시험부; 및
   상기 교류 전압의 생성을 제어하고 측정된 상기 유전정접을 상기 고정자 권선의 절연 열화 상태를 상기 가속열화 시험 결과에 따라 설정된 상기 반도전층의 손상 판정 기준에 적용하여 상기 고정자 권선의 반도전층의 손상 정도에 따라 결함을 판정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 열화 진단 장치.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 손상 진단부는
   상기 유전정접의 측정값을 표시하는 표시부; 및
   상기 유전정접의 측정값을 저장하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 열화 진단 장치.
   
4. 제2 항에 있어서,
   상기 손상 판정 기준은 상기 가속열화 시험에 따른 상기 유전정접의 측정값이 5% 미만이면 양호, 5%~ 10% 이내이면 요주의, 10% 초과이면 불량으로 설정되는 것을 특징으로 하는 절연 열화 진단 장치.

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