JP2001525065A - 発電機および発電機電圧を測定するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は発電機（１）、特に大きい電力のタービン発電機（１）に関する。発電機電圧（Ｖ）により惹起される電界（Ｅ）を介して発電機電圧（Ｖ）を推定する光学式測定装置（５Ａ）が設けられている。本発明は発電機電圧（Ｖ）を測定するための相応の方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 発電機および発電機電圧を測定するための方法 本発明は発電機および発電機電圧を測定するための方法に関する。 文献“ファイバ光学式センサ”、第３部：ファイバ光学式電圧測定、Klaus Bo nnert著、Bulletin SPV/VSE ８（１９９１）、第２７〜３２頁には、電圧測定 が種々の光学的効果を利用してどのように行われるかが記載されている。これら の効果は、詳細には下記の効果である １．直線的な電気光学効果（ポッケルス効果）。ポッケルス効果は中心対称でな い結晶構造を有する材料の中で生ずる。外部電界がこのような材料の中に光学的 複屈折を惹起する。円偏光した光がこのような材料の中に入ると、それは一般に 楕円偏光した光に変換される。検光子を用いて、この変換は受光器の中の光強度 変化として測定され、またそれによって与えられた外部電界が推定される。 ２．二乗的な電気光学効果（カー効果）。中心対称性および非晶質の構造を有す る材料（たとえばガラス）の中では、屈折率は外部電界の強さの二乗に比例して 変化する。このカー効果は同じく材料の複屈折に通ずる。電界は測定技術的にポ ッケルス効果と類似の方法で推定される。 ３．圧電効果。ピエゾ性材料は外部電界の作用のもとに長さの変化を生ずる。た とえば光導波路を円筒状に構成されたピエゾ性の結晶、たとえば石英の上に巻回 することによって、電界によりピエゾ効果を介して惹起された円筒の周囲長さの 変化が、光伝導性ファイバの中の光路長さの変化により決定される。このような 長さ変化は、干渉計により非常に鋭敏に決定される。この長さ変化から電界が推 定される。 前記の文献には、どのようにピエゾ式電圧センサを用いて高電圧が測定される かが説明されている。多くの相前後して接続されている石英円板から構成されて いるセンサ装置であって、特に環境条件（たとえば湿度および温度）が変化する 際に電界の測定により、上記のようにピエゾ効果に基づいて、高電圧を推定する ことができるセンサ装置が説明されている。 文献“Monitoring and Diagnosis of Turbine Driven Generator（タービンに より駆動される発電機の監視および診断）”、A.Gonzales,M.S.BaldwinおよびJ. Stein、Prentice Hall、Englewood Cliffs／ニュージャージ、１９５５には、発 電機、特に大電力用のタービンにより駆動される発電機（以下タービン発電機と 呼ぶ）の作動の際には、発電機の作動状態を制御するために測定量を検出するこ とが必要である。このような測定量は発電機に生ずる発電機電圧である。 米国特許第4,994,684号明細書は、回転速度が変化する回転エネルギーから電 気エネルギーへのエネルギー変換を制御するための装置および方法に関する。特 に固定子巻線により発生される発電機電圧を測定する電圧センサが設けられてい る。この電圧センサの具体的な構成形態に関し、この文献は言及していない。 本発明の課題は、発電機電圧の測定が簡単な方法で可能な発電機を提供するこ とである。さらに本発明の課題は、発電機電圧を測定するための方法を提供する ことである。 本発明によれば、発電機に関する課題は、電気巻線と、電気巻線と接続されて いる電気端子リードとを有する発電機において、 電気巻線により発生可能な発電機電圧を測定するため、 ａ）センサ要素に作用する電界を推定できる光学的特性を有するセンサ要素と、 ｂ）センサ要素と接続されている光伝導性のファイバと を含んだ光学式測定装置を設けたことを特徴とする発電機により解決される。 このような発電機は、発電機に生ずる発電機電圧を光学的な電圧測定により推 定することを可能とする。このような発電機電圧はたとえば回転子に、固定子に 、または発電機の励磁機に生じる。光学的な電圧測定のための装置は堅牢に、耐 高電圧性に、簡単に、かつ望ましいコストで構成可能である。特にタービン発電 機において一般に生ずる高い電圧は、これまで高い費用のかかる電圧測定法を必 要とする。まさにこのような発電機に固有の技術的な条件に対して、光学的効果 の利用による電界を介しての電圧測定が特に適していることが判明している。 センサ要素が光伝導性のファイバの一部をなすことは好ましい。それによって 、電界を測定するために固有の構成部分を設ける必要がなくなる。なぜならば、 光学的特性を介して光伝導性のファイバ自体が発電機電圧の決定を行うことがで き るからである。 光学的特性がポッケルス効果と呼ばれる直線状の電気光学効果を介して電界に より発生可能な複屈折であることは好ましい。さらに、光学的特性がカー効果と 呼ばれる二乗的な電気光学効果を介して電界により発生可能な複屈折であること は好ましい。 ポッケルス効果による測定の際にも、カー効果による測定の際にも、センサ要 素に光伝導性のファイバを介して光ビームが供給される。この光ビームの特性、 特に直線偏光された光ビームの場合には、その偏光面の回転または円偏光された 光ビームの直線成分の位相ずれが、上記のようにセンサ要素を通って電界により 変更される。こうして変更された光ビームは、センサ要素がら再び光伝導性のフ ァイバを通って評価ユニットに供給される。評価ユニットの中で、光ビームの特 性の変化に基づき電界の推定が行われる。そしてこの電界から測定すべき電圧が 決定される。 さらに、光学的特性がシュタルク効果を用いて電界により変更可能または発生 可能なエネルギー準位またはスペクトル線の分割であることが好ましい。シュタ ルク効果の際には、原子または分子のエネルギー準位が電界により分割またはシ フトされる。シュタルク効果を示すセンサ要素を通して導かれる適当な光ビーム は、それによってそのスペクトル特性の少なくとも１つ、特にその強さをセンサ 要素の中での吸収の増大または減少により変えられる。この変化に伴ない電界が 推定され、またそれから発電機電圧が決定される。 さらに、光学的特性が、ピエゾ効果を用いて電界により変更可能な、センサ要 素を通る光ビームの光路長さであることが好ましい。センサ要素は、ここで好ま しくは圧電要素およびこの要素に配置されている光伝導性のファイバから構成さ れている。センサ要素に属する光伝導性のファイバは、その際、その長さが圧電 要素に作用するピエゾ効果に基づいて変化するように、圧電要素と接続される。 外部電界がこうしてセンサ要素を通る光路の長さの変化を引き起こす。光路の長 さから電界が推定され、またそれから発電機電圧が決定される。 さらに、センサ要素が端子リードに配置されていることが好ましい。端子リー ドはジャケット管により囲まれ、その際センサ要素がこのジャケット管上ないし 中に配置されていることが好ましい。端子リードとそれを囲むジャケット管との 間に電界が加わる。この測定個所における簡単なジオメトリによって、空間的に 一定な電界が生ずる。それによって、ここに光学式測定装置による電圧測定のた めの特に望ましい位置が生ずる。なぜならば、電界を介しての間接的な電圧測定 は、電界がセンサ要素の範囲内で空間的に一定であるときに、特に良好かつ再現 可能に実施可能だからである。 端子リードがスイッチを有し、それを介して端子リードの中の電流がスイッチ オンまたはスイッチオフ可能であり、その際に測定装置がこのスイッチに配置さ れていることは好ましい。さらに、端子リードが発電機ハウジングから電流ブッ シングにより導き出されており、その際にセンサ要素がこの電流ブッシングに配 置されているのが望ましい。 光学式電力測定のために、測定装置と組み合わせ可能な光学式電流測定装置を 設けるとよい。このような光学式電流測定装置は文献“Faseroptische Sensoren （光ファイバ式センサ）、部２：Faseroptische Stromsensoren（光ファイバ式 電流センサ）”、Roland Stierlin、Bulletin ＳＥＶ／ＶＳＥ８２（１９９１） 、第２１〜２９頁に記載されているので、ご参照頂きたい。 さらに、発電機が特に１０ＭＶＡよりも大きい電力を有するタービン発電機と して構成されていることが望ましい。 方法に関する課題は、本発明によれば、電気端子リードが接続されている電気 巻線を含んでいる発電機の発電機電圧を測定するための方法において、発電機電 圧が電界を介してセンサ要素に作用し、このセンサ要素がこの作用のもとに光学 的特性を呈し、その際に光ビームを光伝導性のファイバを介してセンサ要素に供 給し、変更された光ビームをセンサ要素から放射させ、またこの変更された光ビ ームからセンサ要素の光学的特性を、またそれから発電機電圧を求めることによ り解決される。 この方法の利点は、発電機に対し上記の手法を適用することにより得られる。 本発明の実施例を、図面を参照してより詳細に説明する。 図１は測定原理の概要図、 図２は組み込まれた光学的測定装置を有する発電機、そして 図３は発電機から導かれる端子リードの部分を示す。 等しい参照符号は種々の図面の中で等しい意味を有する。 図１はポッケルス効果またはカー効果による光学式電圧測定の原理を概略的に 示す。直線１５に沿って光源１０、偏光子１１、λ／４波長板１２、センサ要素 ５、検光子１３および受光器１４が相前後して配置されている。直線１５に沿っ て、偏光されていない光ビーム１５Ａが偏光子１１に入射する。光１５Ａの各偏 光状態Ａ，Ｂ，Ｃは直線１５に対して平行に示されている。偏光子１１から出射 する際に光１５Ａは、偏光状態Ａとして図示するように、直線偏光されている。 直線偏光された光１５Ａはλ／４波長板１２に入射する。λ／４波長板１２から 出射する際に、光１５Ａは円偏光される。このことは偏光状態Ｂとして概要を図 示されている。円偏光された状態Ｂは、互いに直交する振動面を有する２つの直 線偏光された状態Ｂ１およびＢ２から成っている。円偏光された光１５Ａはセン サ要素５を通過する。外部電界がセンサ要素５を介して与えられないならば、光 １５Ａの偏光状態Ｂは不変にとどまる。光１５Ａがλ／４波長板１２から出射し た後に存在する円偏光された状態Ｂは、成分Ｂ１、Ｂ２が互いに光波長λの１／ ４の位相ずれφ１を有することにより特徴付けられる。いまセンサ要素５を介し て電圧Ｖを与えると、この与えられたＶによりセンサ要素５の中に電界が発生す る。この電界はセンサ要素５の形式に応じてポッケルス効果またはカー効果を生 ずる、すなわち複屈折を生ずる。このことは、センサ要素５を通過した後に生ず る偏光状態Ｃの成分Ｃ１およびＣ２の位相ずれφ２がλ／４からずれていること に通ずる。それによって円偏光された光１５Ａが楕円偏光された光１５Ａ’に変 換される。光１５Ａ’は続いて検光子１３を通過する。光１５Ａ’の、検光子１ ３を通過した光成分の光強度が受光器１４中で測定される。検光子１３の位置に 応じて、無電圧の場合に比べて受光器１４の中でより高い強度またはより低い強 度が測定される。この強度変化に基づき、センサ要素５に作用する電圧Ｖが算出 される。 図２は光学式測定装置５ａを有する発電機１の概要を示す。発電機１は発電機 ハウジング３を有する。発電機ハウジング３の中に、軸線１７に沿って回転子１ ６が配置されている。これは図示しない積層板に配置された電気導体２Ｄを有す る固定の電気巻線２により囲まれる。積層板および電気巻線２は固定子を形成す る。巻線２は互いに１２０°ずつ位相のずれた電流を発生する３つのコイル２Ａ 、２Ｂおよび２Ｃから構成されている。電気巻線２の電気導体２Ｄは、本質的に 軸線１７に沿って延びている。各コイル２Ａ、２Ｂおよび２Ｃから各中性点リー ドＸ、ＹおよびＺが引き出されている。これら中性点リードＸ、ＹおよびＺの各 々は、電流ブッシング１９Ａにより発電機ハウジング３から引き出される。中性 点１８で３つの中性点リードＸ、ＹおよびＺが一括接続される。さらに各コイル ２Ａ、２Ｂおよび２Ｃから各々リード４，４Ｕ、４，４Ｖおよび４，４Ｗが引き 出される。これらの内、リード４Ｕ、４Ｖおよび４Ｗはそれぞれ電流ブッシング １９Ａにより発電機ハウジング３から引き出される。発電機ハウジング３の外側 で各電流ブッシングに、各々端子リード４Ｕ、４Ｖおよび４Ｗを囲む各ジャケッ ト管７Ｕ、７Ｖ、７Ｗが続いている。各端子リード４Ｕ、４Ｖおよび４Ｗは、各 々のスイッチ８Ｕ、８Ｖおよび８Ｗによりスイッチオンならびにスイッチオフが 可能である。各スイッチ８Ｕ、８Ｖおよび８Ｗから延びる各端子リード４Ｕ、４ Ｖおよび４Ｗは、さらに変圧器９に通じている。発電機１と、図１の測定原理に 従って構成された測定装置が接続されている：直線１５に沿って光源１０、偏光 子１１、各λ／４波長板１２が配置されている。λ／４波長板１２の後に、直線 １５に沿ってガラスファイバ６が延びている。ガラスファイバ６は電流ブッシン グ１９の１つに通じている。電流ブッシング１９の中に、そこに導かれている端 子リード４に対して平行にセンサ要素５が配置されている。このセンサ要素５は 、ポッケルス効果を示す、第１の端５１および第２の端５２を持った光伝導性の ファイバとして構成されている。ガラスファイバ６は第１の端５１と接続されて いる別のガラスファイバ６は第２の端５２と接続されており、また電流ブッシン グから導き出されている。このガラスファイバ６は検光子１３に通じている。こ の検光子の後に受光器１４が配置されている。受光器１４は評価装置２０と接続 されている。 このような発電機１の作動中は、図示されていないタービンが回転子１６を駆 動する。回転子１６の周囲の、図示しない電気導体を通して電流が導かれる。こ れは結果として磁界を生じ、この磁界が誘導作用により電気巻線２の中に電流を 生じさせる。この電流は星形回路の中の三相電流として、端子リード４ならびに 中性点リードＸ、ＹおよびＺを介して発電機１から導き出される。発電機１の作 動状態を監視するための重要な量は、発電機電圧Ｖ、特に端子リード４Ｕ、４Ｖ および４Ｗに生ずる発電機電圧Ｖである。なぜならば、これらは回路網に供給す べき規範的な電圧を供給するからである。ここに生ずる発電機電圧Ｖは非常に高 く、またその測定のために従来通常の測定技術では、たとえば誘導作用による検 出の際には、高い装置費用を必要とする。特に、達成すべき耐高電圧性は高い絶 縁費用に通ずる。それにくらべて、光学式測定装置５Ａによる電圧測定はより簡 単であり、また故障のおそれが少ない。センサ要素５として使用可能な材料は、 一般にそれ自体が既に耐高電圧性であり、また追加的な絶縁を必要としない。電 圧測定は、ここに示されている例では、図１に示された測定原理と類似の測定原 理で行われる。センサ要素５の別の可能な配置は、各端子リード４Ｕ、４Ｖおよ び４Ｗのジャケット管７Ｕ、７Ｖおよび７Ｗの中への配置である。これは詳細に 図３中に図示されている。 図３は発電機１から導き出される端子リード４を示す。端子リード４は発電機 ハウジング３から電流ブッシング１９により導き出される。電流ブッシング１９ に続いて端子リード４が、弾性的で電流伝導性の帯３２により形成される。これ に中実の、直角アングルを形成する円筒状の導体が続く。端子リード４を囲んで 、また直角アングルに続いて、ジャケット管７が配置されている。伸長帯３２の 範囲内で、ジャケット管７は適当な手段３１により伸長可能に構成されている。 このフレキシブルな構成は、帯３２と同様に、端子リード４に熱的に惹起される 長さ変化を補整する役割をする。ジャケット管７の内壁に端子リード４に対して 平行に、第１の端５１および第２の端５２を有する光伝導性のファイバとして構 成されたセンサ要素５が配置される。光伝導性のファイバ６はジャケット管７の 中に導き入れられており、そこでセンサ要素５の第１の端５１と接続されている 。別の光伝導性のファイバ６は、センサ要素５の第２の端５２と接続されており 、そしてジャケット管７から導き出されている。センサ要素５およびガラスファ イバ６は、図２中のように、ここには図示されていない測定装置５Ａの中に統合 されている。ジャケット管７と端子リード４との間には電圧Ｖがかかっている。 な ぜならば、ジャケット管７は接地電位に保たれているからである。この電圧Ｖ、 は結果として端子リード４とジャケット管７との間に電界Ｅを生じさせる。端子 リード４およびジャケット管７は、センサ要素５の範囲内で互いに不変に配置さ れており、また等しいジオメトリを有するので、センサ要素５の全長にわたって 等しい電界Ｅが作用する。それによって、センサ要素５への電界Ｅの作用により 、測定原理または光学的効果への上記手法の適用により電圧Ｖが決定可能である 。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気巻線（２）と、電気巻線（２）と接続されている電気端子リード（４） とを有する発電機（１）において、 電気巻線（２）により発生可能な発電機電圧（Ｖ）を測定するため、 ａ）センサ要素（５）に作用する電界（Ｅ）を推定する光学的特性を有するセン サ要素（５）と、 ｂ）センサ要素（５）と接続されている光伝導性のファイバ（６）と を含む光学式測定装置（５Ａ）が設けられていることを特徴とする発電機。 ２．センサ要素（５）が光伝導性のファイバ（６）の一部分を構成することを特 徴とする請求の範囲１による発電機。 ３．光学的特性がポッケルス効果と呼ばれる直線状の電気光学効果を介して電界 （Ｅ）により引き起こされる複屈折であることを特徴とする請求の範囲１または ２による発電機。 ４．光学的特性がカー効果と呼ばれる二乗的な電気光学効果を介して電界（Ｅ） により引き起こされる複屈折であることを特徴とする請求の範囲１または２によ る発電機。 ５．光学的特性がシュタルク効果を介して電界（Ｅ）により変更可能または発生 可能なエネルギー準位またはスペクトル線の分割であることを特徴とする請求の 範囲１または２による発電機。 ６．光学的特性が、ピエゾ効果を介して電界（Ｅ）により変更可能な、センサ要 素（５）を通る光ビームの光路長さであることを特徴とする請求の範囲１または ２による発電機。 ７．センサ要素（５）が端子リード（４）に配置されていることを特徴とする請 求の範囲１ないし６の１つによる発電機。 ８．端子リード（４）がジャケット管（７）により囲まれており、その際にセン サ要素（５）がこのジャケット管（７）に配置されていることを特徴とする請求 の範囲７による発電機。 ９．端子リード（４）がスイッチ（８）を有し、該スイッチにより端子リード（ ４）中の電流がスイッチオンまたはスイッチオフ可能であり、かつセンサ要素（ ５）がこのスイッチ（８）上ないし内部に配置されていることを特徴とする請求 の範囲１ないし８の１つによる発電機。 １０．発電機ハウジング（３）が設けられ、それから端子リード（４）が電流ブ ッシング（１９）により導き出され、センサ要素（５）がこの電流ブッシング（ １９）上ないし内部に配置されていることを特徴とする請求の範囲１ないし９の １つによる発電機。 １１．光学式電力測定のために測定装置（５Ａ）と組み合わせ可能な光学式電流 測定装置が設けられていることを特徴とする請求の範囲１ないし１０の１つによ る発電機。 １２．特に１０ＭＶＡよりも大きい電力を有するタービン発電機（１）として構 成されていることを特徴とする請求の範囲１ないし１１の１つによる発電機。 １３．電気端子リード（４）が接続された電気巻線（２）を含む発電機（１）の 発電機電圧（Ｖ）を測定するための方法において、発電機電圧（Ｖ）が電界（Ｅ ）を介してセンサ要素（５）に作用し、このセンサ要素がこの作用のもとに光学 的特性を呈し、その際に光ビーム（１５Ａ）が光伝導性のファイバ（６）を介し てセンサ要素（５）に供給され、変更された光ビーム（１５Ａ’）がセンサ 要素（５）から放射され、またこの変更された光ビームからセンサ要素（５）の 光学的特性が、そしてそれから発電機電圧（Ｖ）が求められることを特徴とする 発電機電圧の測定方法。