JP7237208B2

JP7237208B2 - 短絡検知装置および回転電機の短絡検知方法

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Publication number: JP7237208B2
Application number: JP2021573629A
Authority: JP
Inventors: 勇二滝澤; 晴之米谷; 諒祐川島; 滉平馬島; 進前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-01-27
Filing date: 2020-01-27
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2040-01-27
Also published as: JPWO2021152649A1; CN115004536A; US11695366B2; DE112020006614T5; WO2021152649A1; US20220376645A1

Description

本願は、短絡検知装置および回転電機の短絡検知方法に関するものである。

タービン発電機のような回転電機において、界磁巻線に交流励磁電流を流した際の電圧と電流からインピーダンスを計算し、短絡発生の有無を検知する装置または方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特表２０１２－５０６６８６号公報（段落００２２～００３４、図１、図４）

しかしながら、これまでのインピーダンスの算出法では精度が低く、短絡発生の有無を判定するのみで、定量的な短絡状態の把握が困難であった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、回転電機での短絡状態を定量的に評価することを目的とする。

本願に開示される短絡検知装置は回転電機に設けられた界磁巻線に所定の周波数で交流励磁電流を流す励磁電源、前記交流励磁電流を流した界磁巻線の電圧またはインピーダンスの測定値と、前記界磁巻線が健全な状態で前記交流励磁電流を流した場合の値との差分値を算出する差分算出部、および第一周波数により交流励磁電流を流した際の前記差分値を閾値と比較し、前記差分値が前記閾値よりも小さい場合、前記界磁巻線の層間で生じる短絡の程度の指標である短絡抵抗と前記差分値との前記第一周波数における関係を示すデータに基づいて、前記差分値から前記短絡抵抗を推定し、前記差分値が前記閾値以上の場合、前記励磁電源に対して前記第一周波数よりも低い第二周波数で前記界磁巻線に交流励磁電流を流させ、前記短絡抵抗と前記差分値との前記第二周波数における関係を示すデータに基づいて、前記第二周波数による交流励磁電流で得られた前記差分値から前記短絡抵抗を推定する短絡状態解析部、を備えたことを特徴とする。

また、本願に開示される回転電機の短絡検知方法は、回転電機に設けられた界磁巻線に対して所定の周波数で交流励磁電流を流す励磁ステップ、前記交流励磁電流を流した界磁巻線の電圧またはインピーダンスの測定値と、前記界磁巻線が健全な状態で前記交流励磁電流を流した場合の値との差分値を算出する差分算出ステップ、および前記差分値に基づき、前記界磁巻線の層間で生じる短絡の程度の指標である短絡抵抗を推定する短絡状態解析ステップ、を含み、前記短絡状態解析ステップでは、第一周波数により交流励磁電流を流した際の前記差分値を閾値と比較し、前記差分値が前記閾値よりも小さい場合、前記短絡抵抗と前記差分値との前記第一周波数における関係を示すデータに基づいて、前記差分値から前記短絡抵抗を推定し、前記差分値が前記閾値以上の場合、前記第一周波数よりも低い第二周波数で前記励磁ステップを実行させ、前記短絡抵抗と前記差分値との前記第二周波数における関係を示すデータに基づいて、前記第二周波数による交流励磁電流で得られた前記差分値から前記短絡抵抗を推定することを特徴とする。

本願に開示される短絡検知装置、あるいは回転電機の短絡検知方法によれば、周波数に応じた相関関係で短絡抵抗を推定するように構成したので、短絡状態の定量的な評価が可能となる。

実施の形態１にかかる短絡検知装置の構成を示す模式図である。一方の極に短絡が生じた２極の回転電機の界磁巻線に交流励磁電流を流した際の巻線内の状態をモデル化した模式図である。図３Ａと図３Ｂは、モデル化した回転電機において、第一周波数で界磁巻線に交流励磁電流を流した際の解析結果として、短絡抵抗と各極の電圧の関係と、短絡抵抗と両極の電圧差の関係をそれぞれグラフ形式で示した図である。図４Ａと図４Ｂは、モデル化した回転電機において、第二周波数で界磁巻線に交流励磁電流を流した際の解析結果として、短絡抵抗と各極の電圧の関係と、短絡抵抗と両極の電圧差の関係をそれぞれグラフ形式で示した図である。図５Ａと図５Ｂは、モデル化した回転電機において、第一周波数で界磁巻線に交流励磁電流を流した際の解析結果である短絡抵抗と両極の電圧差の関係を最大電圧差で正規化し、それぞれ通常目盛、および両対数目盛のグラフ形式で示した図である。図６Ａと図６Ｂは、モデル化した回転電機において、第二周波数で界磁巻線に交流励磁電流を流した際の解析結果である短絡抵抗と両極の電圧差の関係を最大電圧差で正規化し、それぞれ通常目盛、および両対数目盛のグラフ形式で示した図である。実施の形態１にかかる短絡検知装置、および回転電機の短絡検知方法において、モデル化した回転電機に対して、規格化した電圧差と推定される短絡抵抗との相関関係として、インピーダンスとリアクタンスの影響の度合いで区分したケースに応じて簡略化した数式を示す図である。実施の形態１にかかる短絡検知装置の動作、および回転電機の短絡検知方法を説明するためのフローチャートである。実施の形態１にかかる短絡検知装置の制御部、あるいは回転電機の短絡検知方法を実行するためのハードウェア構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１～図８は、実施の形態１にかかる短絡検知装置、および回転電機の短絡検知方法について説明するためのものであり、図１は短絡検知装置の構成として、評価対象である回転電機の回転子とともに示す模式図、図２は一方の極に短絡が生じた２極の回転電機における回転子の界磁巻線に交流励磁電流を流した際の巻線内の状態をモデル化した模式図である。

また、図３は図２のモデルにおいて、第一周波数である６０００Ｈｚで界磁巻線に交流励磁電流を流した場合の解析結果である、短絡抵抗と各極の電圧の関係（図３Ａ）と、短絡抵抗と両極の電圧差の関係（図３Ｂ）をそれぞれグラフ形式で示した図、図４も図２のモデルにおいて、第二周波数である６０Ｈｚで界磁巻線に交流励磁電流を流した際の、図３に対応する図であり、図４Ａは短絡抵抗と各極の電圧の関係を、図４Ｂは短絡抵抗と両極の電圧差の関係をグラフ形式で示した図である。

そして、図５は図３Ｂで示した短絡抵抗と両極の電圧差の関係を最大電圧差で正規化し、通常目盛のグラフ形式で示した図（図５Ａ）と、両対数目盛のグラフ形式で示した図（図５Ｂ）であり、図６は図４Ｂで示した短絡抵抗と両極の電圧差の関係を最大電圧差で正規化し、通常目盛のグラフ形式で示した図（図６Ａ）と、両対数目盛のグラフ形式で示した図（図６Ｂ）である。さらに、図７は図５Ｂおよび図６Ｂで示される、規格化した電圧差と推定される短絡抵抗との相関関係として、インピーダンスとリアクタンスの影響の度合いで区分した３つのケースに応じて簡略化した数式を示す図である。また、図８は短絡検知装置の動作、および回転電機の短絡検知方法を説明するためのフローチャートである。

実施の形態１にかかる短絡検知装置１の構成について、図１を用いて説明する。短絡検知装置１の詳細な説明に先立ち、短絡の評価対象となる回転電機として、タービン発電機の回転子９について説明する。回転子９は、シャフト９ａと、シャフト９ａを中心に回転自在に支持された鉄心９ｃと、鉄心９ｃの外周側に設けられた複数のスロット９ｓ（図では、第１スロット９ｓ－１～第２４スロット９ｓ－２４のうち、一部のスロットに対して個別符号として記載。）を有している。

なお、スロット数、極数に制限はないが、説明を簡易にするため、本実施の形態１では、２４スロット、２極の回転子９を例に説明する。スロット９ｓのうち、第１スロット９ｓ－１から第２３スロット９ｓ－２３までの奇数番号のスロット群が、４分の１周の範囲に、反時計回りに配列されている。そして、第２スロット９ｓ－２から第２４スロット９ｓ－２４までの偶数番号のスロット群が、奇数番号のスロット群に対向するよう、４分の１周の範囲に、周方向に沿って時計回りに配列されている。

そして、各スロット９ｓには、第１スロット９ｓ－１から第２４スロット９ｓ－２４にかけて直列接続された界磁巻線が巻回されて収納されている。これにより、鉄心９ｃは、第１スロット９ｓ－１～第１１スロット９ｓ－１１、および第２スロット９ｓ－２～第１２スロット９ｓ－１２を有する第１極９ｐ１（図中左側）と、第１３スロット９ｓ－１３～第２３スロット９ｓ－２３、および第１４スロット９ｓ－１４～第２４スロット９ｓ－２４を有する第２極９ｐ２（図中右側）に分かれる。

そして、実施の形態１にかかる短絡検知装置１は、回転電機の界磁巻線に交流励磁電流を流す励磁電源２、界磁巻線に流れる電流を示す信号と端子間の電圧を示す信号を検出する測定部３、および試験条件の設定と、短絡状態の解析を実行する制御部４を備えている。励磁電源２は、スロット９ｓに巻回された界磁巻線の両端（第１スロット９ｓ－１部分と第２４スロット９ｓ－２４部分）に接続する。一方、測定部３は、２極のうちの一方として、第１極９ｐ１の界磁巻線の両端（第１スロット９ｓ－１部分と第１２スロット９ｓ－１２部分）に接続した状態を示しているが、短絡を検知する際は、残りの極（第２極９ｐ２）に対しても順次接続していく。

制御部４は、励磁電源２による励磁周波数を設定する周波数設定部４１と、測定部３が検出した信号に基づき、極単位での界磁巻線のインピーダンス、電圧等の測定値を算出する測定値算出部４２と、測定値間の差分値を算出する差分算出部４４を備えている。そして、データ保持部４３に保持されたデータの中から、算出された差分値と励磁周波数に応じて選択した相関関係に基づき、短絡抵抗の定量評価を行う短絡状態解析部４５を備えている。なお、短絡状態解析部４５は、後述するように、解析結果に応じ、周波数設定部４１に対して設定周波数の指示を実行するように記載しているが、周波数設定部４１は、短絡状態解析部４５に含まれると解釈してもよい。なお、演算内容の詳細については、動作の説明とともに行う。

ここで、上記回転電機を図２に示すようにモデル化し、第１極９ｐ１の界磁巻線には短絡が発生しておらず（以降「健全極」と呼称する）、第２極９ｐ２の界磁巻線(スロット９ｓ－１３部分)には短絡が発生している（以降「短絡極」と呼称する）とする。各スロット９ｓの界磁巻線は、第１スロット９ｓ－１における第１ターン９ｓｔ－１～第ｎターン９ｓｔ－ｎのように、数ターン巻回されている。そして、短絡極（第２極９ｐ２）の第１３スロット９ｓ－１３部分の界磁巻線内に、ターン間が短絡した短絡発生箇所Ｐｓｃが存在する状態を示している。

この状態で励磁電源によって界磁巻線に交流励磁電流を流すと、短絡発生箇所Ｐｓｃが発生したターンを除いた残存する界磁巻線には励磁電源からの励磁電流が流れて、鉄心９ｃ内、および界磁巻線端部の漏れ磁束経路に励磁磁束が流れる。励磁磁束は短絡回路（短絡発生箇所Ｐｓｃ）にも鎖交し、短絡回路に大きな短絡電流が発生し、励磁磁束を打ち消す作用のある反磁束を発生させる。短絡極では健全極に比べて反磁束で打ち消された励磁磁束分だけ短絡極の電圧は減少するので、両極で検出される電圧、あるいはインピーダンスに生じた差異を検知することで、短絡発生の有無を検出することが先行技術文献などで開示されている。

しかしながら、短絡で生じる電圧差、あるいはインピーダンス差は、抵抗成分だけではなく、リアクタンス成分も含まれる。例えば、励磁周波数が比較的高い場合、抵抗成分が小さい領域では、リアクタンス成分の変動が主体的になり、短絡抵抗が比較的大きい領域では、抵抗成分の変動が主体的となる。すなわち、短絡で生じる健全極と短絡極との差異（電圧差、インピーダンス差）は、励磁周波数、短絡発生時の短絡抵抗に依存することとなり、必ずしも明確に表れるものではない。つまり、どちらか一方の条件が異なると、同じ短絡発生状態でも異なる差異となってしまい、閾値とは大きく異なる値に基づいて誤検知するなど、短絡検知精度に問題が生じる。

一方、本願発明者は、短絡抵抗に対する電圧差（あるいはインピーダンス差）の表れ方が励磁周波数によって異なることを見出した。具体的には、高周波では上述したようにリアクタンス成分との分離が必要で、定量化が困難な側面はあるが、高抵抗の短絡でも検知でき、短絡を見逃すことなく検知できること。他方、低周波では短絡が生じても電圧差として大きく表れないため、高抵抗の短絡を見逃す可能性が残るが、リアクタンス成分の影響が小さく、短絡抵抗と電圧差とが反比例の関係になり、定量化が容易に行えることである。

つまり、励磁周波数を切り替えて測定することで、短絡抵抗の大きさに関わらず、界磁巻線のターン間（層間）で生じた短絡の程度を示す指標として、短絡抵抗を精度よく定量的に評価することができることを見出した。そこで、本実施の形態１にかかる短絡検知装置１、あるいは回転電機の短絡検知方法では、励磁周波数に応じて、電圧差（またはインピーダンス差）から短絡抵抗を算出する関数を切り替えることで、短絡抵抗の定量的な推定を行うようにした。短絡抵抗を定量的に推定できるので、短絡状態の時系列変化の監視、あるいは発熱等が問題となる状態に至るまでの使用可能な期間等を把握することが可能となる。

この特性について、図２で示したモデルの回転電機に対し、６０００Ｈｚと６０Ｈｚの２種類の周波数で界磁巻線に交流励磁電流を流した際の短絡抵抗に対する各極の電圧、あるいは電圧差の関係について説明する。ここでは、短絡抵抗をパラメータとして、短絡抵抗が異なる８条件に対して、解析により各極の電圧を算出した。

界磁巻線回路でのリアクタンス成分の励磁周波数の依存性により、周波数が６０００Ｈｚと６０Ｈｚとでは、縦軸の各極電圧（図３Ａと図４Ａ）、および電圧差（図３Ｂと図４Ｂ）の絶対値のレベルが大きく異なっている。なお、正確には、リアクタンス成分は、鉄心９ｃ内の表皮深さと、空気領域を含む非磁性材部を経由する漏れ磁束の磁気抵抗分の２つに影響されるので、完全な励磁周波数比例とはならない。

いずれにせよ、縦軸の電圧、および電圧差の絶対値は励磁周波数によって異なるので、単純な閾値との比較では、測定する励磁周波数によっては誤検知する可能性があることが明らかである。さらに、電圧差について詳細に検討するため、図３Ｂ、図４Ｂで示す短絡抵抗と電圧差の関係を、短絡抵抗が最も小さい条件の解析点での電圧差に対する相対値で再プロットした図５、図６を用いて説明する。

図５、図６のうち、図３Ｂ、図４Ｂにおける電圧差を相対値に変換し、通常目盛で再プロットした図５Ａと図６Ａを比べただけでは、８つの解析点Ｐａを補間した補間関数Ｅｉの性質の違いは定かではない。しかし、図５Ａと図６Ａそれぞれを両対数目盛でプロットした図５Ｂと図６Ｂを比較すると、６０００Ｈｚと６０Ｈｚとでは、短絡抵抗と電圧差との関係に違いがあることがわかる。

図５Ｂに示す６０００Ｈｚの交流励磁電流では、短絡回路に大きな短絡電流が流れる低抵抗の領域ＲｄＬでは、界磁巻線回路のインピーダンスは抵抗成分よりもリアクタンス成分が主体となるので、短絡抵抗の大きさに関わらず、電圧差はほぼ一定で、大きな値となる。それに対し、領域ＲｄＬよりも高抵抗の領域Ｒｃｒでは、抵抗成分が無視できなくなり、短絡電流もわずかに流れるだけとなっていくので、電圧差の短絡抵抗への依存度が高くなり、短絡抵抗の増加に伴って電圧差が小さくなっていく。

一方、図６Ｂに示す６０Ｈｚの交流励磁電流では、励磁周波数が小さいので、短絡抵抗の大きさに関わらず、全領域で電圧差が短絡抵抗に反比例する領域Ｒｄｒになる。これは、界磁巻線回路のインピーダンスがリアクタンス成分よりも抵抗成分が主体となるためである。

上記の図５と図６に共通する補間関数Ｅｉは、短絡抵抗をＲ、電圧差の相対値をＺとすると、図７に示す多項式（式（Ｅ１））として表現することができる。なお、式（Ｅ１）において、Ａ_ｎ、Ｂｎ、Ｃ_ｎ、Ｄｎは任意の実数である。

ここで、低周波で抵抗成分が主体の領域Ｒｄｒにおいては、Ｃ_ｎ＝０、かつＤ_ｎ＝－１で、Ｚは短絡抵抗Ｒに反比例する関係となる関数（３）で表現できる。一方、高周波でリアクタンス依存の場合はＡ_ｎ＝０となる。その場合、短絡抵抗Ｒが小さい領域ＲｄＬにおいては、Ｚは一定値となる関数（１）で表現でき、短絡抵抗Ｒが大きい領域Ｒｃｒにおいては、Ｚは短絡抵抗の増大に伴い電圧差が指数関数的に小さくなっていく関数（２）で表現できる。

つまり、式（Ｅ１）は、リアクタンス成分と抵抗成分の影響が変化する６０～６，０００Ｈｚにおいて、普遍的に短絡抵抗に対する電圧差、あるいはインピーダンス差の関係を表すことができる。すなわち、数式データまたは数値データとして比較データを予め準備しておくことで、励磁周波数を切り替えて測定した電圧差、インピーダンス差などから短絡抵抗を定量的に推定可能となる。さらに、複数の励磁周波数で同時多点測定することで、絶対値の異なる電圧差、インピーダンス差に対しても短絡抵抗の推定精度を向上することが可能となる。なお、式（Ｅ１）のＺは、電圧差に限ることはなく、インピーダンス差に換算しても同様に短絡抵抗を評価できる。

つぎに、上述した知見に基づいて構成した短絡検知装置１の動作、つまり、回転電機の短絡検知方法について、図８のフローチャートを参考に説明する。はじめに、周波数設定部４１は、短絡状態解析部４５からの指示に基づき、短絡に対して感度の高い、高周波側の周波数（第一周波数）として、６０００Ｈｚに励磁周波数を設定する。励磁電源２は、設定された第一周波数で界磁巻線に交流励磁電流を流す（ステップＳ１０）。そして、測定部３は、その時の電流値を示す信号を励磁電源２から検出し、第１極９ｐ１、第２極９ｐ２それぞれで発生する電圧値を示す信号を接続した端子から検出する（ステップＳ２０）。このとき、図１に示すように、極ごとに測定してもよいが、両極同時に測定してもよい。

測定値算出部４２は、測定部３から出力された電流信号と電圧信号を用い、両極それぞれのインピーダンスを演算し、差分算出部４４は差分値を算出する（ステップＳ３０）。ここで、図２で説明したように、一方の極（短絡極）のみに短絡が発生している場合は、極間で電圧値に差が生じ、インピーダンス差を算出できる。ただし、高周波励磁の場合、上述したように、短絡の程度が小さく（短絡抵抗が大きく）ても、インピーダンス差（電圧差）がはっきりと出るため、取得した信号に多少のノイズが乗っていても、短絡を見逃すことなく検知可能である。しかし、短絡抵抗が小さい場合には、リアクタンス成分との分離が困難であるため、短絡抵抗の定量化には不向きである。そこで、短絡状態解析部４５は、算出されたインピーダンスの差分値（もしくは電圧値の差分値）を閾値と比較する（ステップＳ４０）。

閾値については、例えば上述した図５Ｂのように短絡抵抗を横軸に、差分値を縦軸にプロットした時の短絡回路のリアクタンス成分と抵抗成分の変極点に対応する差分値の値とする。あるいは、領域Ｒｃｒとして、短絡抵抗の変化に応じて差分値が明確に変化する領域と不明確となる領域の境界に対応する差分値の値としてもよい。さらには、低周波側において、ノイズ等による測定値の変動が小さく、正確に短絡抵抗の推定が可能な短絡抵抗の上限値に対応する高周波側の差分値の値としてもよい。

このようにして設定した閾値に対して、算出した差分値が上回っている場合、高周波交流励磁電流での測定結果によって短絡抵抗を正確に推定できることになる。一方、差分値が閾値以内の場合、低周波励磁による測定値に基づいての推定が適していることになる。

そのため、差分値が閾値未満の場合（ステップＳ４０で「Ｎｏ」）、６０００Ｈｚの交流励磁電流によるインピーダンスの差分値を上述した関数（２）に当てはめて、短絡抵抗を推定する（ステップＳ５０）。あるいは、短絡抵抗と差分値の関係として予めデータテーブル等で格納している解析データ、もしくは測定データと照合することで、短絡極でどのくらいの短絡抵抗に相当する短絡が生じているのかを推定してもよい。そして、推定値に基づき、使用期間の算出、あるいは故障判定を実施し（ステップＳ１００）、推定値等の短絡状況を図示しない表示部に表示させ（ステップＳ２００）、終了する。

一方、差分値が閾値以上の場合（ステップＳ４０で「Ｙｅｓ」）、短絡状態解析部４５は、高抵抗領域での定量的な評価を行うため、周波数設定部４１に、低周波側の周波数（第二周波数）として、６０Ｈｚの低周波を設定するよう指示する。励磁電源２は、設定された第二周波数に励磁周波数を切り替えて界磁巻線に交流励磁電流を流す（ステップＳ６０）。そして、ステップＳ２０～Ｓ３０と同様に、第二周波数での電流値と、第１極９ｐ１、第２極９ｐ２それぞれで発生する電圧値を検出し（ステップＳ７０）、検出値に基づき、両極それぞれのインピーダンスを演算する（ステップＳ８０）。

第二周波数においても、一方の極（短絡極）のみに短絡が発生しているので、極間で電圧値に差が生じ、インピーダンスの差分値を算出できる。さらに、第二周波数の場合、短絡抵抗は、インピーダンス差、あるいは電圧差と反比例の関係にあるため、得られた差分値を関数（３）に当てはめることで、正確に短絡抵抗を定量評価できる（ステップＳ９０）。第二周波数においても、短絡抵抗と差分値の関係として予めデータテーブル等で格納している解析データ、もしくは測定データと照合することで、短絡極でどのくらいの短絡抵抗に相当する短絡が生じているのかを推定してもよい。そして、推定値に基づき、使用期間の算出、あるいは故障判定を実施し（ステップＳ１００）、推定値等の短絡状況を図示しない表示部に表示させ（ステップＳ２００）、終了する。

上記動作説明では、一方の極は健全で、他方の極に短絡があるとのモデルに基づき、測定部３で健全極と短絡極それぞれの電圧値、あるいはインピーダンス等の測定値を算出し、差分算出部４４は、算出した測定値の差分値から短絡抵抗を推定する例を示した。しかし、これに限ることはなく、例えば、運転初期の健全な状態での測定データ、あるいは解析データをデータ保持部４３に保持しておき、差分算出部４４は、保持されたデータと測定値との差分値から、各極の短絡抵抗を推定するようにしてもよい。

このように、本実施の形態１にかかる短絡検知装置１あるいは回転電機の短絡検知方法によって、短絡抵抗を定量的に推定可能となる。これにより、定期的なメンテナンス時期の選定、あるいは優先的なメンテナンスの実行が可能となり、安定的な回転電機の運用が可能となる。そのため、とくに、故障による回転電機の停止が電気等のインフラに大きな悪影響を与えるような使用用途で継続的な異常監視が必要な場合、あるいは遠隔地、多数の回転電機の使用用途でメンテナンス頻度が限られる場合などに対し、高い効果を発揮する。

なお、実施の形態１にかかる短絡検知装置１において、演算あるいは制御を実行する部分（例えば、制御部４）を、例えば、ハードウェア１０と表記すると、一例として、図９に示すように、ハードウェア１０は、プロセッサ１０１と記憶装置１０２から構成される。記憶装置１０２は、比較データ保持部１５も同様であるが、図示しないランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１０１は、記憶装置１０２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１０１にプログラムが入力される。また、プロセッサ１０１は、演算結果等のデータを記憶装置１０２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

なお、本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、実施の形態内に記載された様々な特徴、態様、および機能の組合せは、実施の形態として記載された内容に限られるのではなく、単独で、または様々な組合せで適用可能である。したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、組合せを変更する場合が含まれるものとする。

具体的には、励磁周波数は上述した６０Ｈｚと６０００Ｈｚの組合せに限ることはなく、診断対象機器での制限の範囲で適宜変更可能であるが、例えば、基本周波数（６０Ｈｚ）とそのｎ倍（本例では、１００倍）に対応する周波数の組合せが望ましい。さらには、２種類に限ることなく３種以上でも可能である。また各周波数での定量評価の範囲を、差分値が閾値より大きいか否かで、択一的に振り分ける例を示したがこれに限ることはない。例えば、閾値に近い領域では、両方の周波数それぞれで短絡抵抗を推定し、閾値からの距離に応じて重みづけを変えるようにしてもよい。また、診断対象としては、回転電機の構成は２極に限ることはなく、発電機に限ることもない。また回転子に限ることもなく、界磁巻線が巻回されていれば、固定子であってもよい。さらには、極単位ではなく、スロット単位で短絡抵抗を推定することも可能である。

以上のように、実施の形態にかかる短絡検知装置１によれば回転電機（例えば、回転子９）に設けられた界磁巻線に所定の周波数で交流励磁電流を流す励磁電源２、交流励磁電流を流した界磁巻線の電圧またはインピーダンスの測定値と、界磁巻線が健全な状態で交流励磁電流を流した場合の値との差分値を算出する差分算出部４４、および第一周波数（６０００Ｈｚ）で交流励磁電流を流した際の差分値を閾値と比較し、差分値が閾値よりも小さい場合、界磁巻線の層間で生じる短絡の程度の指標である短絡抵抗Ｒと差分値との第一周波数における関係を示すデータ（例えば、関数（２））に基づいて、差分値から短絡抵抗Ｒを推定し、差分値が閾値以上の場合、励磁電源２に対して第一周波数よりも低い第二周波数（６０Ｈｚ）で界磁巻線に交流励磁電流を流させ、短絡抵抗Ｒと差分値との第二周波数における関係を示すデータ（例えば、関数（３））に基づいて、第二周波数による交流励磁電流で得られた差分値から短絡抵抗Ｒを推定する短絡状態解析部４５（周波数設定部４１を含む）を備えるように構成したので、幅広い短絡抵抗の値の範囲に対して、回転電機での短絡状態を定量的に評価することができる。

このとき、短絡状態解析部４５は、短絡抵抗Ｒの推定値から、回転電機の使用可能期間を予測するように構成すれば、定期的なメンテナンス時期の選定、あるいは優先的なメンテナンスの実行が可能となり、安定的な回転電機の運用が可能となる。とくに、故障による回転電機の停止が電気等のインフラに大きな悪影響を与えるような使用用途で継続的な異常監視が必要な場合、あるいは遠隔地、多数の回転電機の使用用途でメンテナンス頻度が限られる場合などに対し、高い効果を発揮する。

また短絡状態解析部４５は、短絡抵抗Ｒの推定値が下限値を下回った際、回転電機において短絡が発生していると診断するようにすれば、修理・メンテナンスを実行して、安心して回転電機を使用できる。

また、差分算出部４４は、界磁巻線を複数に区分した、区間ごと（例えば、第１極９ｐ１部分と第２極９ｐ２部分）の電圧またはインピーダンスの測定値間の差を差分値として算出するようにすれば、過去のデータがない場合、あるいは解析データを形成することが困難な場合でも、容易に短絡抵抗を推定することができる。

また、以上のように、実施の形態にかかる回転電機の短絡検知方法によれば、回転電機（例えば、回転子９）に設けられた界磁巻線に対して所定の周波数で交流励磁電流を流す励磁ステップ（ステップＳ１０、Ｓ６０）、交流励磁電流を流した界磁巻線の電圧またはインピーダンスの測定値と、界磁巻線が健全な状態で交流励磁電流を流した場合の値との差分値を算出する差分算出ステップ（ステップＳ２０～Ｓ３０、Ｓ７０～Ｓ８０）、および差分値に基づき、界磁巻線の層間で生じる短絡の程度の指標である短絡抵抗Ｒを推定する短絡状態解析ステップ（ステップＳ５０、Ｓ９０）、を含み、短絡状態解析ステップでは、第一周波数（６０００Ｈｚ）で交流励磁電流を流した際の差分値を閾値と比較（ステップＳ４０）し、差分値が閾値よりも小さい場合（「Ｎｏ」）、短絡抵抗Ｒと差分値との第一周波数における関係を示すデータに基づいて、差分値から短絡抵抗Ｒを推定（ステップＳ５０）し、差分値が閾値以上の場合（「Ｙｅｓ」）、第一周波数よりも低い第二周波数（６０Ｈｚ）で励磁ステップ（ステップＳ６０）を実行させ、短絡抵抗Ｒと差分値との関係を示す第二周波数におけるデータに基づいて、第二周波数による交流励磁電流で得られた差分値から短絡抵抗Ｒを推定する（ステップＳ９０）ように構成したので、幅広い短絡抵抗の値の範囲に対して、回転電機での短絡状態を定量的に評価することができる。

短絡状態解析ステップ（ステップＳ１００）では、短絡抵抗Ｒの推定値から、回転電機の使用可能期間を予測するように構成すれば、定期的なメンテナンス時期の選定、あるいは優先的なメンテナンスの実行が可能となり、安定的な回転電機の運用が可能となる。とくに、故障による回転電機の停止が電気等のインフラに大きな悪影響を与えるような使用用途で継続的な異常監視が必要な場合、あるいは遠隔地、多数の回転電機の使用用途でメンテナンス頻度が限られる場合などに対し、高い効果を発揮する。

差分算出ステップ（ステップＳ２０～Ｓ３０、Ｓ７０～Ｓ８０）では、界磁巻線を複数に区分した、区間ごと（例えば、第１極９ｐ１部分と第２極９ｐ２部分）の電圧またはインピーダンスの測定値間の差を差分値として算出するようにすれば、過去のデータがない場合、あるいは解析データを形成することが困難な場合でも、容易に短絡抵抗を推定することができる。

１：短絡検知装置、２：励磁電源、３：測定部、４：制御部、４１：周波数設定部、４２：測定値算出部、４３：データ保持部、４４：差分算出部、４５：短絡状態解析部、９：回転子、９ｃ：鉄心、９ｐ１：第１極、９ｐ２：第２極、９ｓ：スロット、Ｒ：短絡抵抗。

Claims

回転電機に設けられた界磁巻線に所定の周波数で交流励磁電流を流す励磁電源、
前記交流励磁電流を流した界磁巻線の電圧またはインピーダンスの測定値と、前記界磁巻線が健全な状態で前記交流励磁電流を流した場合の値との差分値を算出する差分算出部、および
第一周波数により交流励磁電流を流した際の前記差分値を閾値と比較し、
前記差分値が前記閾値よりも小さい場合、前記界磁巻線の層間で生じる短絡の程度の指標である短絡抵抗と前記差分値との前記第一周波数における関係を示すデータに基づいて、前記差分値から前記短絡抵抗を推定し、
前記差分値が前記閾値以上の場合、前記励磁電源に対して前記第一周波数よりも低い第二周波数で前記界磁巻線に交流励磁電流を流させ、前記短絡抵抗と前記差分値との前記第二周波数における関係を示すデータに基づいて、前記第二周波数による交流励磁電流で得られた前記差分値から前記短絡抵抗を推定する短絡状態解析部、
を備えたことを特徴とする短絡検知装置。
前記短絡状態解析部は、前記短絡抵抗の推定値から、前記回転電機の使用可能期間を予測することを特徴とする請求項１に記載の短絡検知装置。
前記短絡状態解析部は、前記短絡抵抗の推定値が下限値を下回った際、前記回転電機において短絡が発生していると診断することを特徴とする請求項１または２に記載の短絡検知装置。
前記差分算出部は、前記界磁巻線を複数に区分した、区間ごとの前記電圧または前記インピーダンスの測定値間の差を前記差分値として算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の短絡検知装置。
回転電機に設けられた界磁巻線に対して所定の周波数で交流励磁電流を流す励磁ステップ、
前記交流励磁電流を流した界磁巻線の電圧またはインピーダンスの測定値と、前記界磁巻線が健全な状態で前記交流励磁電流を流した場合の値との差分値を算出する差分算出ステップ、および
前記差分値に基づき、前記界磁巻線の層間で生じる短絡の程度の指標である短絡抵抗を推定する短絡状態解析ステップ、を含み、
前記短絡状態解析ステップでは、第一周波数により交流励磁電流を流した際の前記差分値を閾値と比較し、
前記差分値が前記閾値よりも小さい場合、前記短絡抵抗と前記差分値との前記第一周波数における関係を示すデータに基づいて、前記差分値から前記短絡抵抗を推定し、
前記差分値が前記閾値以上の場合、前記第一周波数よりも低い第二周波数で前記励磁ステップを実行させ、前記短絡抵抗と前記差分値との前記第二周波数における関係を示すデータに基づいて、前記第二周波数による交流励磁電流で得られた前記差分値から前記短絡抵抗を推定することを特徴とする回転電機の短絡検知方法。
前記短絡状態解析ステップでは、前記短絡抵抗の推定値から、前記回転電機の使用可能期間を予測することを特徴とする請求項５に記載の回転電機の短絡検知方法。
前記差分算出ステップでは、前記界磁巻線を複数に区分した、区間ごとの前記電圧または前記インピーダンスの測定値間の差を前記差分値として算出することを特徴とする請求項５または６に記載の回転電機の短絡検知方法。