JP2021023050A - 界磁巻線層間短絡検知装置および界磁巻線層間短絡検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転条件が変動する回転電機においても、巻線の層間短絡を早期に検知する。【解決手段】実施形態によれば、回転電機の界磁巻線層間短絡検知装置２００は、回転電機の界磁巻線について、界磁巻線電流の検出値と界磁巻線電圧の検出値とから界磁巻線抵抗の値を算出する界磁巻線抵抗算出部１１１と、界磁巻線抵抗の値と参照抵抗値とを比較した結果を用いて、界磁巻線における層間短絡の発生の有無を判定する判定部１１７と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、界磁巻線層間短絡検知装置およびこれを用いた界磁巻線層間短絡検知方法に関する。

一般に、タービン発電機などの回転電機は、その回転子あるいは固定子内に、磁界を発生するために、互いに絶縁された複数の層状の導体からなる界磁巻線を有している。

界磁巻線を構成する導体間には、層間絶縁が導体に挟まれるような形で設けられており、導体同士を絶縁し、導体間に短絡電流が流れるのを防いでいる。

層間絶縁の劣化もしくは損傷などの要因により、層間短絡と呼ばれる、導体間の短絡が発生すると、巻線の有効な巻き数が減少するため、発生する磁界が減少するなど、回転電機の性能低下を招く。そのため、層間短絡の早期の検知は、回転電機が設置されている機械やプラント全体の性能維持の観点でも、重要な技術となっている。層間絶縁は、経年的な劣化に加え、運転状態の変化に伴う巻線の温度変化によっても、劣化が加速される場合もあり、部分負荷や力率が変動するような運用が多い回転電機においては、層間短絡のリスクは高くなり、その早期検知は特に重要である。

回転電機運転中に、層間短絡を検知する技術としては、巻線に印加される電圧と巻線に流れる電流から巻線抵抗を算出し、その巻線抵抗の変化から短絡を検知する方法や、さらに、巻線の温度を計測することで、巻線抵抗に対する温度の影響を除去する方法などが提案されている。

特開昭６３−０３１４４８ 特開２００９−３００２５０

運転中の回転電機においては、異常が発生していない状態でも、界磁巻線抵抗は、界磁巻線温度に依存して変化するため、単に界磁巻線抵抗のみを監視する場合、その変化の要因が、温度変化によるものなのか、短絡によるものなのか、区別することが困難である。界磁巻線抵抗に加えて界磁巻線温度を監視することで、上記の問題は解決できるものの、特に回転子においては、多くの場合、界磁巻線温度の監視はされていない。仮に界磁巻線温度を監視している場合でも、温度計測点は限定されており、界磁巻線全体の温度分布の把握は困難である。

たとえば、界磁巻線の巻き数が１００であるとすると、互いに隣接する層間の短絡時には、界磁巻線の抵抗の減少分は１００分の１であり、これによる電流の変動値は、１％未満ということになる。一方、部分負荷や力率が変動する場合には、界磁電流が大きく変動する。また、たとえば定格負荷運転で力率を一定にした運転であっても、状態が変動する中で界磁を一定の状態に維持するために界磁電流で調整を行う。このため、界磁電流が変動するが、この幅は、通常、例えば、２〜３％程度である。すなわち、電流の変動のみを見ても通常時の変動幅より小さいため、層間短絡に起因するものか否かを判定することは難しい。

本発明の実施形態は、このような課題を解決するためになされたものであり、運転条件が変動する回転電機においても、界磁巻線の層間短絡を早期に検知することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知装置は、回転電機の界磁巻線について、界磁巻線電流の検出値と、界磁巻線電圧の検出値とから界磁巻線抵抗算出値を算出する界磁巻線抵抗算出部と、参照抵抗値を算出する参照抵抗値導出部と、前記界磁巻線抵抗算出値と前記参照抵抗値とを比較した結果を用いて、前記界磁巻線における層間短絡の発生の有無を判定する判定部と、を備えたことを特徴とする。

第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法を適用する回転電機の回転子鉄心および界磁巻線を示す概念的な部分斜視図である。 第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法を適用する回転電機の界磁巻線を示す概念的な斜視図である。 第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法を適用する回転電機の界磁巻線の界磁巻線抵抗の界磁巻線電流への依存特性と層間短絡時の挙動を説明するグラフである。 第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法を適用する回転電機の界磁電流の時間的変化の例を示す概念的なグラフである。 第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法の手順を示すフロ―図である。 第２の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知装置の界磁巻線抵抗特性記憶部に保存された界磁巻線抵抗特性の例を示すグラフである。 第２の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法の手順を示すフロ―図である。 第２の実施形態の変形例に係る界磁巻線層間短絡検知方法を説明する界磁巻線抵抗特性記憶部に保存された界磁巻線抵抗特性の例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知装置およびこれを用いた界磁巻線層間短絡検知方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る回転電機の界磁巻線層間短絡検知装置の構成を示すブロック図である。

界磁巻線層間短絡検知装置２００は、界磁巻線層間短絡判定装置１００、界磁巻線電流検出器２０１および界磁巻線電圧検出器２０２を有する。界磁巻線層間短絡判定装置１００は、演算部１１０、記憶部１２０、入力部１３０、出力部１４０、および制御部１５０を有する。

入力部１３０は、界磁巻線電流検出器２０１および界磁巻線電圧検出器２０２からの出力信号を受け入れる。界磁巻線電流検出器２０１および界磁巻線電圧検出器２０２からの出力信号、すなわち界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆおよび界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆは、アナログ信号あるいはディジタル信号であり、入力部１３０は、アナログ信号を受け入れた場合は、それをディジタル化する。入力部１３０は、所定のサンプリング間隔で、ディジタル値として、演算部１１０に界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆおよび界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆを、また、記憶部１２０に界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆを出力する。

出力部１４０は、判定結果を出力する。なお、出力部１４０は表示装置を有していてもよい。制御部１５０は、たとえば、界磁巻線層間短絡判定装置１００内の各要素間の情報の授受、演算処理の進行についての指令を出力するなどの制御を行う。

演算部１１０は、界磁巻線抵抗算出部１１１、界磁巻線電流旧値導出部１１２、界磁巻線電流変化量算出部１１３、参照抵抗値導出部１０１としての界磁巻線抵抗旧値導出部１１４、界磁巻線抵抗変化量算出部１１５、判定値算出部１１６、判定部１１７を有する。また、記憶部１２０は、界磁巻線電流検出値記憶部１２１および界磁巻線抵抗算出値記憶部１２２を有する。

界磁巻線抵抗算出部１１１は、界磁巻線電流検出器２０１および界磁巻線電圧検出器２０２からそれぞれ入力部１３０が受け入れて界磁巻線抵抗算出部１１１に出力した界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆおよび界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆに基づいて、界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆを算出する。すなわち、界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆを界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆで除することにより、界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆを得る。界磁巻線抵抗算出部１１１が算出した界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆは、その都度、出力されて記憶部１２０の界磁巻線抵抗算出値記憶部１２２に保存される。

界磁巻線電流旧値導出部１１２は、参照抵抗値導出部１０１として、記憶部１２０の界磁巻線電流検出値記憶部１２１にその都度記憶された界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆを蓄積した界磁巻線電流検出値データから必要なデータを読み出し、界磁巻線電流旧値を導出する。

ここで、界磁巻線電流旧値は、たとえば、１サンプリング周期前、あるいは所定のサンプリング周期前の界磁巻線電流検出値を指定するものであってもよい。あるいは、所定の時間幅における各サンプリング時点の界磁巻線電流検出値の全数あるいは所定間隔で抜き取った界磁巻線電流検出値の平均値であってもよい。この場合、所定の時間幅ごとに区切って算出することでもよいし、あるいは、移動平均を算出することでもよい。

界磁巻線電流変化量算出部１１３は、界磁巻線電流旧値導出部１１２により導出された界磁巻線電流旧値Ｉ_Ｆ’と、入力部１３０から受け入れた界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆとに基づいて、界磁巻線電流変化量ΔＩ_Ｆを算出する。界磁巻線電流変化量ΔＩ_Ｆは、界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆから界磁巻線電流旧値Ｉ_Ｆ’を減ずることにより算出される。

参照抵抗値導出部１０１としての界磁巻線抵抗旧値導出部１１４は、記憶部１２０の界磁巻線抵抗算出値記憶部１２２に記憶された界磁巻線抵抗算出値データから必要なデータを読み出し、参照抵抗値としての界磁巻線抵抗旧値Ｒ_Ｆ’を導出する。ここで、界磁巻線抵抗旧値Ｒ_Ｆ’の算出方法は、界磁巻線電流旧値導出部１１２による界磁巻線電流旧値Ｉ_Ｆ’の導出方法と同様である。この場合、界磁巻線抵抗旧値Ｒ_Ｆ’の算出方法は、界磁巻線電流旧値導出部１１２による界磁巻線電流旧値Ｉ_Ｆ’の導出方法と異なる方法でもよいが、同じ方法であることが好ましい。

界磁巻線抵抗変化量算出部１１５は、界磁巻線抵抗旧値導出部１１４により導出された界磁巻線抵抗旧値Ｒ_Ｆ’と、界磁巻線抵抗算出部１１１により算出された界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆとに基づいて、界磁巻線抵抗変化量ΔＲ_Ｆを算出する。界磁巻線抵抗変化量ΔＲ_Ｆは、界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆから界磁巻線抵抗旧値Ｒ_Ｆ’を減ずることにより算出される。

判定値算出部１１６は、判定部１１７による判定のため、次の各判定条件値を算出する。

第１の判定条件値（界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆの変化割合） ΔＩ_Ｆ／Ｉ_Ｆ’
第２の判定条件値 １／（ｎ_ｔ０−１）
第３の判定条件値（界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆの変化割合） ΔＲ_Ｆ／Ｒ_Ｆ’
第４の判定条件値 １／ｎ_ｔ０
ここで、ｎ_ｔ０は正常な状態における界磁巻線の巻き数である。

判定部１１７は、判定値算出部１１６により算出された各判定条件値の間に、次のように、第１の判定条件値と第２の判定条件値を比較する判定条件式（１）および、第３の判定条件値と第４の判定条件値を比較する判定条件式（２）がともに成立するか否かを判定する。

ΔＩ_Ｆ／Ｉ_Ｆ’＞１／（ｎ_ｔ０−１） ・・・（１）
ΔＲ_Ｆ／Ｒ_Ｆ’＜−１／ｎ_ｔ０ ・・・（２）
なお、判定条件式（２）は、第３の判定条件値である界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆの変化割合（ΔＲ_Ｆ／Ｒ_Ｆ’）の値が負で、その絶対値が第４の判定条件値（１／ｎ_ｔ０）より大きいことを意味する。

図２は、第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法を適用する回転電機の回転子鉄心および界磁巻線を示す概念的な部分斜視図である。図２は、回転子１の回転子鉄心１０の周方向についての部分的なセクターを示している。また、軸方向にも手前から軸方向に延びたセクターの軸方向の途中までを示している。

回転子鉄心１０には、その径方向の表面近傍に、周方向に互いに間隔をあけて軸方向に貫通した複数の回転子スロット１１が形成されている。また、互いに周方向に隣接する回転子スロット１１により回転子ティース１２がそれぞれ形成されている。

回転子ティース１２には、界磁巻線導体２１が収納されている。界磁巻線導体２１は、界磁巻線２０（図３）を形成しており、径方向に層間絶縁２２を介して積層されている。それぞれの回転子ティース１２内に収納されている界磁巻線導体２１の径方向外側には、楔２３が設けられている。楔２３は、その周方向両側の互いに隣接する回転子ティース１２と互いに嵌合して回転子ティース１２に支持されている。楔２３は、回転子１の回転による界磁巻線導体２１の径方向外側への遠心力に抗して、界磁巻線導体２１を保持する。

図３は、第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法を適用する回転電機の界磁巻線を示す概念的な斜視図である。

界磁巻線２０は、前述のように、回転子鉄心１０（図２）を貫通し、層間絶縁２２を介して積層された状態でコイル状に巻回されている。したがって、界磁巻線２０は、図３に示すように回転子鉄心内部分２０ａと回転子鉄心外部分２０ｂを有する。２つの導体端部２１ｆは、回転子鉄心外部分２０ｂにあり、図３ではその一方のみを示している。導体端部２１ｆは、他のスロット内の界磁巻線導体２１と接続し、あるいは、界磁用の直流電源側と接続する。

今、積層された界磁巻線導体２１において、層間短絡が生じた場合、図３に示すように、互いに隣接する巻回部分同士が接触することになる。したがって、この接触による短絡の結果、一巻分がバイパスされることになる。すなわち、当初、界磁巻線の巻き数がｎ_ｔ０であった場合、有効な巻き数が、（ｎ_ｔ０−１）に減少することになる。この結果、界磁巻線２０の界磁巻線抵抗Ｒ、および電流Ｉは、それぞれ、以下の式（３）、式（４）のように変化する。ここで、Ｒ_０、Ｉ_０は、それぞれ層間短絡発生前の界磁巻線抵抗値および界磁巻線電流値である。

Ｒ＝Ｒ_０・（ｎ_ｔ０−１）／ｎ_ｔ０ ・・・（３）
Ｉ＝Ｉ_０・ｎ_ｔ０／（ｎ_ｔ０−１） ・・・（４）
式（３）および式（４）を用いて、層間短絡発生前の界磁巻線抵抗値Ｒ_０および界磁巻線電流値Ｉ_０をそれぞれ界磁巻線抵抗旧値Ｒ_Ｆ’および界磁巻線電流旧値Ｉ_Ｆ’に置き換えることによって、最終的に、それぞれ前述の判定条件式（１）および（２）が導かれる。

たとえば、界磁巻線２０の巻き数ｎ_ｔ０が１００の場合、一箇所の層間短絡による界磁巻線抵抗Ｒの変化は１％となる。

図４は、第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法を適用する回転電機の界磁巻線の界磁巻線抵抗の界磁巻線電流への依存特性と層間短絡時の挙動を説明するグラフである。横軸は界磁巻線電流、縦軸は界磁巻線抵抗である。

特性曲線Ａは、界磁巻線２０に層間短絡が発生していない状態における界磁巻線抵抗と界磁巻線電流との関係を概念的に示す。回転電機は、出力や力率の変化に伴い、巻線を流れる電流値も変化する。例えば、電流が増加すると、巻線における銅損も増加するため、巻線温度は高くなり、その結果、巻線抵抗も高くなることになる。すなわち、正常な場合においても、図４に示すように、電流が増加すると抵抗も高く（図４のグラフ上で、右上に移動）、電流が減少すると抵抗は低く（図４のグラフ上で、左下に移動）なることになる。

当初、ある電圧、温度における運転状態Ｐ１にあった場合に、層間短絡が発生すると運転状態Ｐ２に移る。ここで、運転状態Ｐ２における界磁巻線抵抗は、運転状態Ｐ１における界磁巻線抵抗の（ｎ_ｔ０−１）／ｎ_ｔ０倍へと減少する。また、運転状態Ｐ２における界磁巻線電流は、運転状態Ｐ１における界磁巻線電流のｎ_ｔ０／（ｎ_ｔ０−１）倍へと増加する。したがって、図４のグラフにあっては、運転状態Ｐ２は、運転状態Ｐ１の右下方向に位置することになる。

図５は、第１の実施形態に係る界磁巻線層間短絡検知方法を適用する回転電機の界磁電流の時間的変化の例を示す概念的なグラフである。横軸は時間、縦軸は界磁巻線電流である。界磁巻線電流は、出力、力率に応じて必要な当該発電量の界磁を発生するための界磁電流の調整により、変動する。変動の周期はたとえば、分オーダであり、さらに、その変動が、さらに長周期で変動する。この際の界磁巻線電流変化量ΔＩ_Ｆ２は、界磁巻線電流の値に対して例えば２ないし３％程度である。すなわち、界磁巻線電流の値の変化のみから、層間短絡の有無を判断することは通常困難である。

界磁巻線層間短絡を検知するためには、入力部１３０が、界磁巻線電流検出器２０１から界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆを、また、界磁巻線電圧検出器２０２から界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆ出力信号を受け入れるサンプリング間隔は、上述の界磁巻線電流の変動の周期より十分小さい、たとえば、秒オーダあるいはこれより小さな値である必要がある。

層間短絡の有無を界磁巻線電流の値の変化のみから判断することは通常困難であることから、本実施形態では、判定条件式（１）および判定条件式（２）という複数の判定条件式を組み合わせることにより、層間短絡を判定可能とするものである。

図６は、第１の実施形態に係る回転電機の界磁巻線層間短絡検知方法の手順を示すフロ―図である。

回転電機の運転状態において、界磁巻線電流検出器２０１を用いて界磁巻線電流の検出を行う（ステップＳ０１）。検出された界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆは、入力部１３０により受け入れられ、界磁巻線電流検出値記憶部１２１が記憶、保存する（ステップＳ０２）。なお、入力部１３０により受け入れられた界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆは、その都度、界磁巻線抵抗算出部１１１および界磁巻線電流変化量算出部１１３にも送られる。

次に、界磁巻線電流変化量算出部１１３が、界磁巻線電流変化量ΔＩ_Ｆを算出する（ステップＳ０３）。詳細には、まず、界磁巻線電流旧値導出部１１２が、界磁巻線電流検出値記憶部１２１に保存されている界磁巻線電流検出値データに基づいて界磁巻線電流旧値Ｉ_Ｆ’を導出する。界磁巻線電流変化量算出部１１３は、入力部１３０から受け入れた界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆから、界磁巻線電流旧値導出部１１２が導出した界磁巻線電流旧値Ｉ_Ｆ’を減ずることにより、界磁巻線電流変化量ΔＩ_Ｆを算出する。

一方、界磁巻線電圧検出器２０２を用いて界磁巻線電圧の検出を行う（ステップＳ０４）。検出された界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆは、入力部１３０により受け入れられ、その都度、界磁巻線抵抗算出部１１１に送られる。

次に、界磁巻線抵抗算出部１１１が、界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆを算出する（ステップＳ０５）。すなわち、界磁巻線抵抗算出部１１１は、入力部１３０から受け入れた界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆを界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆで除することにより界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆを算出する。界磁巻線抵抗算出部１１１により算出された界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆは、界磁巻線抵抗算出値記憶部１２２が記憶、保存する（ステップＳ０６）。

次に、界磁巻線抵抗変化量算出部１１５が、界磁巻線抵抗変化量ΔＲ_Ｆを算出する（ステップＳ０７）。詳細には、まず、参照抵抗値導出部１０１としての界磁巻線抵抗旧値導出部１１４が、界磁巻線抵抗算出値記憶部１２２に保存されている界磁巻線抵抗算出値データに基づいて参照抵抗値としての界磁巻線抵抗旧値Ｒ_Ｆ’を導出する。界磁巻線抵抗変化量算出部１１５は、界磁巻線抵抗算出部１１１が算出した界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆから、界磁巻線抵抗旧値導出部１１４が導出した参照抵抗値としての界磁巻線抵抗旧値Ｒ_Ｆ’を減ずることにより、界磁巻線抵抗変化量ΔＲ_Ｆを算出する。

ここで、ステップＳ０２ないしステップＳ０３までの一連の処理ステップ（第１の処理ステップ）と、ステップＳ０５ないしステップＳ０７までの一連の処理ステップ（第２の処理ステップ）の前後関係は問わない。すなわち、第１の処理ステップと第２の処理ステップが並行してなされてもよいし、一方が他方に先行してもよい。あるいは、途中で並行して行われてもよい。

次に、判定値算出部１１６が、各判定条件値を算出する（ステップＳ０８）。これに基づいて、判定部１１７が、判定条件式（１）および（２）の両者とも成立するか否かを確認する（ステップＳ０９）。判定条件式（１）および（２）の両者とも成立するとは判定されなかった場合（ステップＳ０９ ＮＯ）には、正常と判定し（ステップＳ１０）、ステップＳ０１以降を繰り返す。また、判定条件式（１）および（２）の両者とも成立すると判定された場合（ステップＳ０９ ＹＥＳ）には、層間短絡の発生と判定する（ステップＳ１１）。この情報は、出力部１４０から外部に出力される。

以上のように構成された界磁巻線層間短絡検知装置および以上に説明した界磁巻線層間短絡検知方法によれば、運転条件が変動する回転電機においても、巻線の層間短絡を早期に検知することが可能となる。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る回転電機の界磁巻線層間短絡検知装置の構成を示すブロック図である。本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態による界磁巻線層間短絡検知装置２００ａは、界磁巻線層間短絡判定装置１００ａ、界磁巻線電流検出器２０１および界磁巻線電圧検出器２０２を有する。界磁巻線電流検出器２０１および界磁巻線電圧検出器２０２は、第１の実施形態と同様である。

界磁巻線層間短絡判定装置１００ａは、演算部１１０ａ、記憶部１２０ａ，入力部１３０、出力部１４０および制御部１５０を有する。入力部１３０、出力部１４０および制御部１５０は、第１の実施形態と同様である。

記憶部１２０ａは、界磁巻線電流検出値記憶部１２１および界磁巻線抵抗算出値記憶部１２２に加えて、界磁巻線抵抗特性記憶部１２３をさらに有する。その他の点では第１の実施形態と同様である。

界磁巻線抵抗特性記憶部１２３は、正常時界磁巻線抵抗特性データおよび異常時界磁巻線抵抗特性データを記憶、保存する。

図８は、第２の実施形態に係る回転電機の界磁巻線層間短絡検知装置の界磁巻線抵抗特性記憶部に保存された界磁巻線抵抗特性の例を示すグラフである。横軸は界磁巻線電流、縦軸は界磁巻線抵抗である。

特性曲線Ａは、正常時すなわち界磁巻線２０に層間短絡が発生していない状態における界磁巻線抵抗と界磁巻線電流との関係特性である正常時界磁巻線抵抗特性を示す。また、特性曲線Ｂは、異常時すなわち界磁巻線２０に層間短絡が発生した状態における界磁巻線抵抗と界磁巻線電流との関係特性である異常時界磁巻線抵抗特性を示す。

特性曲線Ａは、界磁巻線温度が主に界磁巻線電流に依存することを利用して、回転電機の設計情報を元に、まず、界磁巻線電流に応じた銅損や巻線周囲の伝熱特性などを考慮して、界磁巻線温度を推定し、界磁巻線温度から巻線抵抗を推定することにより作成される。すなわち、正常時の巻線抵抗変化の要因は巻線温度の変化にあり、巻線温度は主に巻線を流れる電流によって決まることから、巻線抵抗は巻線電流の関数と考えることができる。正常時の運転データを取得した後、その実測した巻線電流、および、実測した巻線電流と電圧から推定した巻線抵抗を用いて、特性曲線Ａを補正してもよい。

界磁巻線抵抗特性記憶部１２３による正常時界磁巻線抵抗特性データおよび異常時界磁巻線抵抗特性データの保存の形態としては、多次元の近時曲線の形式、あるいは、それぞれの曲線上の複数点の２次元データ、すなわち、界磁巻線抵抗と界磁巻線電流の組み合わせデータを保存し、これらの点の間の場合はたとえば多次元近似曲線あるいは直線で内挿する機能を有することでもよい。

なお、界磁巻線抵抗特性記憶部１２３は、異常時界磁巻線抵抗特性データを保存していなくともよいが、少なくとも正常時界磁巻線抵抗特性データを保存する。

図８については、後の正常時界磁巻線抵抗導出部１１８の説明において再度引用し説明する。

界磁巻線層間短絡判定装置１００ａは、界磁巻線抵抗算出部１１１、正常時界磁巻線抵抗導出部１１８、参照抵抗値導出部１０１ａとしての異常時界磁巻線抵抗算出部１１９、および判定部１１７ａを有する。界磁巻線抵抗算出部１１１は、第１の実施形態と同様に界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆおよび界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆに基づいて、界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆを算出する。

正常時界磁巻線抵抗導出部１１８は、界磁巻線抵抗特性記憶部１２３に保存された正常時界磁巻線抵抗特性データを用いて、図８に示すように、入力部１３０が受け入れた界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆに対応する正常時界磁巻線抵抗値Ｒ_Ｆ−ｎを導出する。

参照抵抗値導出部１０１ａとしての異常時界磁巻線抵抗算出部１１９は、正常時界磁巻線抵抗導出部１１８で導出された正常時界磁巻線抵抗値Ｒ_Ｆ−ｎに基づいて、次の式（５）により参照抵抗値としての異常時界磁巻線抵抗推定値Ｒ_{Ｆ−ａｂｎ}を算出する。

Ｒ_{Ｆ−ａｂｎ}＝［（ｎ_ｔ０−１）／ｎ_ｔ０］・Ｒ_Ｆ−ｎ ・・・（５）
判定部１１７ａは、界磁巻線抵抗算出部１１１が算出した界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆと、異常時界磁巻線抵抗算出部１１９が算出した参照抵抗値としての異常時界磁巻線抵抗推定値Ｒ_{Ｆ−ａｂｎ}とを用いて、次の式（６）に基づいて、層間短絡の発生の有無を判定する。

｜Ｒ_Ｆ−Ｒ_{Ｆ−ａｂｎ}｜＜α ・・・（６）
あるいは、Ｒ_{Ｆ−ａｂｎ}−α＜Ｒ_Ｆ＜Ｒ_{Ｆ−ａｂｎ}＋αでもよい。

ただし、判定幅αは、界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆが異常時界磁巻線抵抗推定値Ｒ_{Ｆ−ａｂｎ}に近い値であることを判定するための十分に小さな所定の正の実数値である。判定幅αは、正常時界磁巻線抵抗特性データ作成時の温度の影響等の評価の精度、正常状態での抵抗値の変動と層間短絡時の変動との区別等の観点を考慮して設定される。なお、式（６）においては、αは抵抗値の次元であるが、たとえば界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆを基準として無次元化してもよい。

図９は、第２の実施形態に係る回転電機の界磁巻線層間短絡検知方法の手順を示すフロ―図である。

回転電機の運転状態において、界磁巻線電流検出器２０１を用いて界磁巻線電流の検出を行う（ステップＳ０１）。検出された界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆは、入力部１３０により受け入れられ、その都度、界磁巻線抵抗算出部１１１および正常時界磁巻線抵抗導出部１１８に送られる。

また、界磁巻線電流の検出に並行して、界磁巻線電圧検出器２０２を用いて界磁巻線電圧の検出を行う（ステップＳ０４）。検出された界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆは、入力部１３０により受け入れられ、その都度、界磁巻線抵抗算出部１１１に送られる。

次に、界磁巻線抵抗算出部１１１が、界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆを算出する（ステップＳ０５）。すなわち、界磁巻線抵抗算出部１１１は、入力部１３０から受け入れた界磁巻線電圧検出値Ｖ_Ｆを界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆで除することにより界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆを算出する。

次に、正常時界磁巻線抵抗導出部１１８が、図８に示すように、界磁巻線抵抗特性記憶部１２３に収納された正常時界磁巻線抵抗特性データに基づいて、正常時界磁巻線抵抗値Ｒ_Ｆ−ｎを導出する（ステップＳ２１）。次に、参照抵抗値導出部１０１ａとしての異常時界磁巻線抵抗算出部１１９が、正常時界磁巻線抵抗導出部１１８により導出された正常時界磁巻線抵抗値Ｒ_Ｆ−ｎに基づいて、参照抵抗値としての異常時界磁巻線抵抗推定値Ｒ_{Ｆ−ａｂｎ}を算出する（ステップＳ２２）。

次に、判定部１１７ａが、界磁巻線抵抗算出部１１１により算出された界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆと、異常時界磁巻線抵抗算出部１１９により算出された異常時界磁巻線抵抗推定値Ｒ_{Ｆ−ａｂｎ}とから、式（６）の成立の有無を判定する（ステップＳ２３）。

ステップＳ２３で式（６）が成立すると判定されなかった場合（ステップＳ２３ ＮＯ）には、ステップＳ０１およびステップＳ０４以降を繰り返す。ステップＳ２３で式（６）が成立すると判定された場合（ステップＳ２３ ＹＥＳ）には、層間短絡が発生したと判定する（ステップＳ２４）。

なお、本実施形態の変形として、界磁巻線抵抗特性記憶部１２３が異常時界磁巻線抵抗特性データを収納することを必須とし、入力部１３０が受け入れた界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆと、界磁巻線抵抗算出部１１１が算出した界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆとの組み合わせが、図１０に示す特性曲線Ｂ上に、実質的に存在するか否かで、層間短絡の有無を判定する方法でもよい。

ここで、図１０は、第２の実施形態の変形例に係る回転電機の界磁巻線層間短絡検知方法を説明する界磁巻線抵抗特性記憶部に保存された界磁巻線抵抗特性の例を示すグラフである。特性曲線Ａは正常時界磁巻線抵抗特性を、また、特性曲線Ｂは異常時界磁巻線抵抗特性を示す。異常時界磁巻線抵抗特性は、正常時界磁巻線抵抗特性から、式（５）を用いて算出したものである。

すなわち、図１０において、界磁巻線電流検出値Ｉ_Ｆに対応する特性曲線Ｂ上の点の界磁巻線抵抗の値をＲ_Ｆ１とする。次に、界磁巻線抵抗算出部１１１が算出した界磁巻線抵抗算出値Ｒ_Ｆが、Ｒ_Ｆ１に近い値であるかを、次の式（７）により判断する。

｜Ｒ_Ｆ−Ｒ_Ｆ１｜＜β ・・・（７）
以上のように、本第２の実施形態およびその変形例においては、あらかじめ予想される界磁巻線抵抗特性を用いて、界磁巻線２０の層間短絡の有無を判定することから、運転条件が変動する回転電機においても、巻線の層間短絡を早期に検知することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、界磁巻線が回転子側に設けられている場合を例にとって説明したが、これに限定されない。たとえば、固定子側に設けられている場合であってもよい。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…回転子、１０…回転子鉄心、１１…回転子スロット、１２…回転子ティース、２０…界磁巻線、２０ａ…回転子鉄心内部分、２０ｂ…回転子鉄心外部分、２１…界磁巻線導体、２１ｆ…導体端部、２２…層間絶縁、２３…楔、１００、１００ａ…界磁巻線層間短絡判定装置、１０１、１０１ａ…参照抵抗値導出部、１１０、１１０ａ…演算部、１１１…界磁巻線抵抗算出部、１１２…界磁巻線電流旧値導出部、１１３…界磁巻線電流変化量算出部、１１４…界磁巻線抵抗旧値導出部（参照抵抗値導出部）、１１５…界磁巻線電流変化量算出部、１１６…判定値算出部、１１７、１１７ａ…判定部、１１８…正常時界磁巻線抵抗導出部、１１９…異常時界磁巻線抵抗算出部（参照抵抗値導出部）、１２０、１２０ａ…記憶部、１２１…界磁巻線電流検出値記憶部、１２２…界磁巻線抵抗算出値記憶部、１２３…界磁巻線抵抗特性記憶部、１３０…入力部、１４０…出力部、１５０…制御部、２００、２００ａ…界磁巻線層間短絡検知装置、２０１…界磁巻線電流検出器、２０２…界磁巻線電圧検出器

Claims (5)

1. 回転電機の界磁巻線について、界磁巻線電流の検出値と、界磁巻線電圧の検出値とから界磁巻線抵抗算出値を算出する界磁巻線抵抗算出部と、
   参照抵抗値を算出する参照抵抗値導出部と、
   前記界磁巻線抵抗算出値と前記参照抵抗値とを比較した結果を用いて、前記界磁巻線における層間短絡の発生の有無を判定する判定部と、
   を備えたことを特徴とする界磁巻線層間短絡検知装置。
2. 前記界磁巻線電流の検出値を記憶する界磁巻線電流検出値記憶部と、
   前記界磁巻線電流検出値記憶部に記憶された前記界磁巻線電流の検出値に基づいて界磁巻線電流旧値を算出する界磁巻線電流旧値導出部と、
   前記界磁巻線電流の検出値と、前記界磁巻線電流旧値とから、界磁巻線電流変化量を算出する界磁巻線電流変化量算出部と、
   前記界磁巻線抵抗算出部により算出された前記界磁巻線抵抗算出値を記憶する界磁巻線抵抗算出値記憶部と、
   前記界磁巻線抵抗算出値と、前記参照抵抗値とから、界磁巻線抵抗変化量を算出する界磁巻線抵抗変化量算出部と、
   を備え、
   前記参照抵抗値導出部は、前記界磁巻線抵抗算出値記憶部に記憶された前記界磁巻線抵抗算出値に基づいて、前記参照抵抗値を導出し、
   前記判定部は、前記界磁巻線電流変化量と前記界磁巻線抵抗変化量とに基づいて前記界磁巻線における短絡の発生の有無を判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の界磁巻線層間短絡検知装置。
3. 前記判定部は、
   前記界磁巻線電流変化量の変化割合が、（１／（前記界磁巻線の巻き数−１））より大きく、かつ、
   前記界磁巻線抵抗変化量の変化割合が、負であってその絶対値が、（１／前記界磁巻線の巻き数）より大きい場合に、
   前記界磁巻線における短絡が発生したと判定することを特徴とする請求項２に記載の界磁巻線層間短絡検知装置。
4. 前記界磁巻線電流の検出値に対する界磁巻線抵抗の依存特性である正常時界磁巻線抵抗特性を記憶する界磁巻線抵抗特性記憶部を備え、
   前記参照抵抗値導出部は、前記界磁巻線電流の検出値に基づき、前記界磁巻線抵抗特性記憶部に記憶された前記正常時界磁巻線抵抗特性を用いて前記参照抵抗値を導出し、
   前記判定部は、前記界磁巻線抵抗算出部により算出された前記界磁巻線抵抗の値と、前記参照抵抗値とに基づいて前記界磁巻線における短絡の発生の有無を判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の界磁巻線層間短絡検知装置。
5. 回転電機の界磁巻線について、界磁巻線抵抗算出部が、界磁巻線電流の検出値と、界磁巻線電圧の検出値とから界磁巻線抵抗の値を算出する界磁巻線抵抗算出ステップと、
   参照抵抗値導出部が、参照抵抗値を導出する参照抵抗値算出ステップと、
   判定部が、前記界磁巻線抵抗の値と、前記参照抵抗値とを比較することにより、前記界磁巻線における層間短絡の発生の有無を判定する判定ステップと、
   を有することを特徴とする界磁巻線層間短絡検知方法。

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