JP4471628B2 - 発電機界磁巻線の速度感知界磁地絡検出モード - Google Patents

Description

本発明は同期機械（発電機）の界磁巻線に関し、特に、発電機界磁巻線における電界地絡事故の検出に関する。

従来の発電機における界磁巻線は一般に回転子に配列された複数の導電性ワイヤ又はバーである。回転子の界磁巻線は、一般に、回転子の外周部に沿ったスロットの中に配置された導電性コイルバー又はケーブル（コイルバーと総称する）の環状アレイである。コイルバーは回転子の長さに沿って長手方向に延出し、回転子の各々の端部で終端巻きにより接続されている。励磁機回路は回転子のコイルバーにＤＣ（直流）を印加する。

上記の種類の回転子の導体バー又は終端巻きを分離している絶縁部が破壊すると、巻線の１つ以上のコイルにわたる、地絡状態とも呼ばれる短絡を引き起こす可能性がある。コイルの短絡は回転子が静止しているときに現れることもあり、あるいは、回転子の導体バー又は終端巻きが遠心力により外向きの荷重を加えられたときにのみ起こることもある。静止しているときに地絡状態が持続した場合、その状態を回転子に対する静止試験により検出できるであろう。しかし、回転子が遠心荷重を受けているときにのみ地絡状態が起こる場合には、その地絡状態は速度感知状態であり、回転子がその動作速度又はそれに近い速度のような速度で回転しているときに限り検出できるであろう。

起こりうる１つの故障状態においては、遠心力は回転子磁界のコイル構成要素を固定子の界磁鍛造部材と出会わせると考えられる。回転している界磁巻線が静止している界磁鍛造部材と接触すると、短絡、すなわち、地絡状態が起こるであろう。この種の地絡状態は、回転子が回転中であり、従って、地絡状態が「速度感知」であるといわれる場合にのみ起こる。

界磁巻線で速度感知地絡状態が起こる場合、その地絡の場所、すなわち、回転子が界磁巻線とこすれ合う場所を特定することはこれまで特に困難であった。回転子が発電機界磁巻線とこすれ合う箇所は、一般に、専門技術者が短絡を修正し、地絡状態を排除できるように場所特定されなければならない。

発電機の界磁巻線又は励磁システムにおける地絡を検出するための従来の技法は、発電機の所定の場所にある既存の計器類を使用して、警報を介して操作担当者に通知するという方法であった。計器類、例えば、検漏器は回転軸におけるパルスと、連続する電圧及び電流を監視し、設定値に到達したときに警報を発生する。設定値は地絡状態を示す。警報は界磁巻線に地絡状態が存在するおそれがあることを操作担当者に通知するが、警報はその地絡が回転子の静止中に起こるか、又は回転子が回転しており、遠心荷重を受けている間に起こるかを指示しない。また、警報は、発電機のどの場所で地絡が起こったかも指示しない。特許文献１に開示されるような従来のオンライン地絡検出システムは発電機の巻線又は励磁システムにおける地絡の場所を指示せず、その地絡が速度感知状態であるか否かも指示しない。
特開昭５０−７６５４７号公報

非速度感知地絡の位置を特定することは良く知られている。回転子が動いているか否かに関わらず地絡状態が存在する場合、巻線における地絡の場所を回転子が停止しているときに判定することができる。しかし、回転子が静止しているときに界磁巻線の非速度感知地絡の場所を特定する従来の技法は、速度感知地絡の場所を特定するのには適していない。界磁巻線の速度感知地絡の場所を特定できなければ、専門技術者はその地絡が起こっているコイルバー又は磁極の場所を特定するための信頼に足る手段を持たないことになるであろう。速度感知地絡が起こった場合、従来の修理技法では界磁巻線を全て巻き直していた。界磁巻線全体を巻き直すのは長い時間を要し、費用もかかる作業である。

界磁巻線における速度感知地絡の場所を特定するための試験技法は長年にわたり必要とされてきたが、これまではその必要性は満たされていなかった。速度感知地絡の場所を判定するための試験は発電機の界磁巻線に必要とされる修理の費用を低減し且つ修理時間を短縮するであろう。

一実施例では、本発明は同期機械（発電機）の直流（ＤＣ）構成要素における速度感知地絡を検出することが可能である。

別の実施例においては、本発明は、回転子及び励磁回路を有する電磁同期機械の界磁巻線における速度感知を場所特定する方法であり、方法は、回転子を加速し且つ励磁回路を動作させている間に、界磁巻線により発生される磁束を感知することと、回転子の回転中に起こる磁束の周期的収差を検出することと、周期的収差に対応する界磁巻線における位置を判定し、その位置を速度感知地絡状態の場所として識別することを含む。

更に別の実施例においては、本発明は、コイル巻線を含む回転子と、電機子巻線を含む固定子とを有する電磁同期機械における速度感知地絡状態の場所を特定する方法であり、方法は、回転歯車で回転子を加速し、回転子のコイル巻線に励磁を加えることと、スロット磁束漏れを感知する磁束プローブ機器からの信号を監視することと、磁束プローブ計器からの信号における、回転子の１回転ごとに一度現れる収差を検出することと、磁束プローブ計器からの信号の収差を回転子の場所と相関させることと、収差と相関された回転子の場所を速度感知地絡状態の発生源として識別することを含む。

発電機界磁巻線における速度感知地絡状態の場所を特定するための新たな試験手続きが開発された。この試験手続きは、発電機固定子１４に既に設置されているか又は設置可能な、一時プローブ又は永久固定プローブのいずれかである標準磁束プローブ２２を採用する。磁束プローブは従来は発電機界磁巻線の巻きごとの短絡を識別するために使用されていた。本発明の手続きの場合、磁束プローブ２２は発電機界磁巻線のコイルにおける巻きごとの短絡の場所を識別するために使用される。

図１は、回転子１２及び固定子１４の磁界の相互作用を利用して電力を発生する、例えば、大型タービン発電機などの同期ダイナモ電気機械１０の四分の一の部分の横断面図である。従来、電機子として動作する固定子巻線１８において高い交流（ＡＣ）出力電力が発生されている。従来、直流（ＤＣ）界磁電源により、回転子１２の複数の界磁巻線１６が励磁される。ＤＣ界磁電源の電流は外部ＤＣ励磁機発電機により発生され、スリップリングを介して回転子界磁巻線に供給されるか、又は回転子と共に回転するブラシレス発電機−整流器アセンブリで発生される。

電機子の各々の界磁巻線１８は、固定子１４のスロットに配置された複数の互いに絶縁された導体バー又は導電ケーブルから構成されていれば良い。導体バー又はケーブルの端部を相互に接続するために、固定子の端部に終端巻きが設けられている。大型タービン発電機の回転子１２は、従来より、界磁巻線１６を受け入れているスロットの配列及び終端巻きにおける相互接続の方法により形成される２つ、４つ又はそれ以上の磁極を有する。例を示すため、ここでは磁極が２つの発電機を説明するが、本発明はそのような実施例に限定されない。回転子巻線はスロット内に磁極軸に関して対称に配置され、回転子の周囲に環状アレイを形成している。環状の空隙２０は回転子巻線を固定子の電機子巻線から分離している。

磁束プローブ２２は固定子を半径方向に貫通し、空隙の中まで延出していて良い。磁束プローブは固定子に永久的に装着されていても良いし、あるいは固定子と回転子との間の空隙に一時的に挿入されても良い。磁束プローブは界磁巻線スロット漏れ磁束を感知する。漏れ磁束は回転子の運動、特にプローブの感知磁界を回転子巻線とスロットが交互に通過する運動を示す。磁束プローブは、回転子の回転に伴う磁束変化の速度に比例する電圧を発生する。界磁巻線に地絡が存在する場合、磁束プローブ信号は固定子界磁巻線における障害の場所を指示するはずである。

図２及び図３は、地絡状態の場所を特定するための過程のフローチャートである。ステップ３０で、磁束プローブ信号は固定子の周囲の磁束の指示を提供する。地絡状態が存在すると、固定子の周囲の磁束磁界に収差が現れる。磁束磁界の収差は磁束プローブ２２により感知される。

磁界地絡状態が起こったとき、従来の地絡検出システムは、ステップ３２で、接地点への磁界短絡が検出されたことを発電機の操作担当者に通知する。地絡の発生源の場所を特定することを任務とする技術者により試験手続きが実行される。この手続きの初期ステップとして、ステップ３４で発電機はオフライン状態とされ、回転子は停止される。

発電機が静止状態に到達したならば、ステップ３６で、回転子が停止している間に界磁巻線に磁界地絡が存在するか否かを判定するために、固定子界磁巻線における地絡の場所を判定するための従来通りの絶縁抵抗試験によって界磁巻線を試験しても良い。ステップ３８で、その障害が速度感知障害でなければ、界磁巻線の地絡の場所を検証するために、回転子が静止している間に通常の試験技法が適用される。ステップ４０では、回転子静止試験に基づいて地絡状態に関して判定された場所を磁束プローブデータに基づいて判定された場所と比較して、第２の（速度感知地絡）状態が存在するか否かを検査する。

回転子が停止されている間に実行された絶縁抵抗試験が（磁束プローブは地絡を指示したにもかかわらず）地絡は存在しないと指示した場合、ステップ３８において、その地絡は速度感知地絡であるか、又は発電機の励磁システムに存在するかのいずれかである。速度感知地絡が存在するか否かを判定するために、ステップ４２で発電機界磁回転子を回転歯車の上に配置し、回転子を加速しながら界磁巻線に磁界励磁を加える。磁界励磁は、通常、指定された遅い回転子速度で加えられ、回転子がその定格速度まで加速される間は一定に維持される。

回転子の加速中、ステップ４３で、磁束プローブ２２を使用して界磁巻線を検査する。磁束プローブからの信号は、ステップ４４で、地絡状態がまだ再発生していない遅い回転子速度では常規コイルスロット漏れ電圧反転を示すはずである。速度誘起地絡を検出する目的のために、それらの常規コイルスロット漏れ信号は隔離され、無視されても良い。

地絡が速度誘起である場合、ステップ４６で、回転子が何らかの閾値速度を超えて加速したときに地絡状態が起こる。この閾値速度は予め定められていなくとも良く、様々に異なる地絡状態及び発電機の種類に応じて異なっていて良い。閾値速度に達すると、回転子に作用する遠心力は界磁巻線で速度感知地絡を引き起こすほど十分に大きくなる。界磁コイルが回転子と接触している１つの場所で速度誘起地絡が起こった場合、その地絡は界磁巻線の磁束に周期的収差を発生させる。周期的磁束収差は回転子が１回転するたびに現れる。

しかし、回転子がその定格速度まで加速する間に速度誘起地絡が起こらない場合には、地絡はほぼ励磁システムで起こっていると思われ、ステップ４８で試験手続きは励磁システムに集中する。

地絡が速度誘起である場合、磁束プローブは、ステップ４６で、回転子が１回転するたびに一度現れる周期的磁束収差を感知する。磁束プローブからの１回転に一度信号はデータ解析及び表示を目的として収集される。１回転に一度信号を磁束プローブ信号と共に収集すると、ステップ５０で、磁束プローブの１回転に一度信号のタイミングを回転子の角位置と相関させることにより、地絡状態の場所が判定される。回転歯車システムは、回転子が回転する間の回転子の角位置について報告する。例えば、１回転に一度信号を解析することにより、速度誘起地絡が起こっている界磁巻線の磁極及びコイルを判定できる。地絡状態の場所がわかったために、ステップ５２で障害は修理される。

磁束プローブ信号解析を補助するために、１回転に一度挙動を伴う信号を回転子が閾値速度より遅い速度であり、地絡が起こっていなかったときに取り出された以前の磁束プローブ信号と比較しても良い。磁束プローブ信号を１回転に一度信号と共に回転子が地絡を引き起こすほど十分に加速されていなかったときに発電機から取り出された類似の磁束プローブ信号と比較することにより、１回転に一度信号による磁束収差を使用して、地絡の場所を識別することが可能である。

図４は、磁束プローブ電圧６２と時間６４との関係の一例を示すグラフ６０である。磁束プローブデータは電圧線６６に常規スロット漏れ電圧反転を示す。しかし、磁束プローブデータの収差６８は地絡状態を指示する。この収差は、速度感知地絡が単一の地絡状態に起因するものである場合に回転子が１回転するたびに一度現れる。回転子に、速度感知地絡が存在する場所が２ヶ所以上ある場合には、収差は１回転ごとに二度以上現れるであろう。磁束プローブ信号の収差６８のタイミングを回転子の角位置と相関させることにより、速度感知地絡の場所を判定できる。

図５は、磁極が２つある機械（Ｘ磁極及びＹ磁極）に関してグラフ６０（図４）に示されたデータの正規化スロット振幅磁束プローブ電圧測定値７２を示すグラフ７０である。地絡状態がない場合、２つの磁極の正規化電圧は同様になるはずである。しかし、コイル６の磁極Ｙは、コイル６の磁極Ｙにおける地絡状態を指示するスロット磁束漏れの収差７４を示している。

地絡前磁束プローブ信号を、１回転に一度地絡誘起磁束信号を有する磁束プローブ信号と比較することにより、地絡を隔離しても良い。１回転に一度地絡信号を隔離したならば、地絡信号に関する回転子の角位置はわかっているので、地絡の回転位置を判定できるであろう。地絡に起因する１回転に一度信号に対応する回転子の角度がわかれば、その１回転に一度信号に対応する界磁巻線の磁極及びコイルを識別できるであろう。１回転に一度信号に対応する磁極及びコイルは、速度感知地絡が最も起こりやすいと思われる磁極及びコイルである。回転子が停止された後、その磁極及びコイルで速度感知地絡が起こっていることを確認するために、識別された磁極及びコイルを検査しても良い。

本発明を現時点で最も実用的で、好ましい実施例であると考えられるものに関連させて説明したが、本発明は開示された実施例に限定されず、添付の特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる様々な変形及び等価の構成を包含することが意図されていると理解されるべきである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

固定子巻線、回転子巻線及び磁束プローブモニタを有する従来の発電機の四分の一の部分の横断面図。 地絡の場所を検出するための過程の例を示すフローチャート。 地絡の場所を検出するための過程の例を示すフローチャート。 速度誘起地絡デベロップを示す回転子の磁束プローブ信号の一例の図。 回転子の磁極及びスロットと相関された正規化磁束プローブ信号の一例の図。

符号の説明

１０…同期ダイナモ電気機械、１２…回転子、１４…固定子、１６…界磁巻線、１８…固定子巻線、２０…空隙、２２…磁束プローブ

Claims (11)

1. 回転子（１２）及び励磁回路（４８）を有する電磁同期機械（１０）の界磁巻線（１６）における速度感知地絡状態（３８）を場所特定する方法において、
   ａ．前記回転子を加速し（４３）且つ前記励磁回路を動作させている間に、前記界磁巻線により発生される磁束を感知すること（３０）と、
   ｂ．前記回転子の加速中に起こる磁束の周期的収差を検出すること（４６）と、
   ｃ．前記加速中に検出された磁束の収差に基づいて、周期的収差に対応する前記界磁巻線における位置を判定し、その位置を速度感知地絡状態の場所として識別すること（５０）
   から成る方法。
2. 周期的収差が現れ始める閾値速度まで前記回転子が加速される前に、常規コイルスロット漏れ電圧に起因する磁束変化を識別すること（４４）を更に含む請求項１記載の方法。
3. 磁束の周期的収差を検出する前に前記回転子が静止している間に前記界磁巻線における地絡状態の有無を判定する過程（３８）を更に含む請求項１記載の方法。
4. 地絡状態の場所の識別は、速度感知地絡状態に対応するコイルスロット及び磁極の場所（７４）の識別を含む請求項１記載の方法。
5. コイル巻線（１６）を含む回転子（１２）と、電機子巻線（１８）を含む固定子（１４）とを有する電磁同期機械（１０）における速度感知地絡状態（３８）の場所を特定する方法において、
   ａ．回転歯車で前記回転子を加速し（４３）、前記回転子のコイル巻線に励磁を加えること（４２）と、
   ｂ．スロット磁束漏れを感知する磁束プローブ計器からの信号を監視すること（４４）と、
   ｃ．前記磁束プローブ計器からの信号における、前記回転子の１回転ごとに一度現れる収差であって該回転子の加速中に前記信号から収差が検出されなかった回転速度よりも早い回転速度において検出される収差を検出すること（４６）と、
   ｄ．前記磁束プローブ計器からの信号の収差を前記回転子の場所と相関させること（５０）と、
   ｅ．収差と相関された前記回転子の場所を速度感知地絡状態の発生源として識別すること（５２）
   から成る方法。
6. 前記回転子の場所は回転子のコイル及び磁極の位置（７４）により識別される請求項５記載の方法。
7. 信号の収差は前記回転子が加速された後に起こり、前記回転子が停止されるか又は遅い回転速度であるときには存在しない（３８）請求項５記載の方法。
8. 速度感知地絡状態を検出するために前記回転子を加速する前に、静止状態で非速度感知地絡状態に関して前記回転子を試験すること（３６）を更に含む請求項５記載の方法。
9. 過程（ａ）から（ｅ）を実行する前に、前記電磁同期機械が動作している間に地絡状態を感知すること（３２）と、前記回転子を停止させること（３４）と、地絡状態に関して前記電機子巻線を検査すること（３６）と、前記回転子が静止しているときに地絡状態が存在しないことを判定すること（３８）とを更に含む請求項５記載の方法。
10. 過程（ａ）から（ｅ）を実行する前に、地絡状態に関して前記回転子の励磁システムを試験すること（４８）を更に含む請求項５記載の方法。
11. 前記回転子は定格速度を有し、該回転子が該定格速度まで加速する間に速度誘起地絡が起こらない場合には、励磁システムで地絡が起こっていると判断し、試験手続きを励磁システムに集中させる（４８）ことを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。

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