JPH02123945A - 同期機界磁巻線の断線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は同期機の界磁巻線の断線を検出する同期機の異
常検出装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、同期機の回転子側にある界磁巻線の断線を直接検
出することは行われていなかった。系統に並列されて運
転しでいる同期機では、界磁巻線の断線や励磁装置の故
障により発生する界磁喪失の現象を電機子側に設けたイ
ンピーダンスリレーで検出して同期機の運転を停止する
等の保護が行われていた。また単独運転する同期発電機
の場合は界磁電流の異常減少等により発電機を停止する
ことで保護が行われていた。

これら従来の保護方式では電気的にほぼ完全な断線状態
に達して始めて保護操作が行われることとなる。しかし
、界磁電流が流れている状態で界磁巻線に機械的な断線
が発生しても、界磁巻線の大きなインダクタンスの作用
によりそれまで流れていた電流を流れ続けさせる力が働
く。そこで、機械的には断線した箇所もアークでつなが
り電気的には容易に完全な断線状態にはならない。この
ような状態（以下半断線状態と呼ぶ）が長時間継続する
とアーク発生箇所の周辺はこのアークにより焼損してし
まう。そして回転子の構造によっては、部分的な補修が
できず回転子全体を新製しなければならないようなこと
に至ることもある。特に、単一の鋼塊から切削加工した
鉄心に界磁巻線を装荷した円筒界磁形の回転子で、部分
的な補修ができない損傷を受けることが多い。

（発明が解決しようとする課題） ところで、界磁巻線は一般的には鋼材を加工したもので
あり、その電気抵抗の温度係数が大きくかつ安定してい
るので、その性質を利用して回転子側にある界磁巻線の
温度を界磁電圧と界磁電流より検出するローター温度計
が従来より使用されている。これは、界磁電圧をＶｆ、
界磁電流をＩｆ。

界磁巻線抵抗をＲｆとすると、定常状態においては、Ｒ
ｆ＝Ｖｆ／Ｉｆで界磁巻線抵抗が与えられるのでそのＲ
ｆより巻線材の温度係数から界磁巻線の温度を算出する
ものである。前述の半断線状態では、同じ電流を流すに
必要な電圧はアーク電圧の分だけ高くなるので、このロ
ーター温度計は界磁巻線温度が上昇したと指示すること
になる。よってこの温度より半断線状態を検出すること
も考えられる。しかし、その温度は高負荷運転で起り得
る正常な温度上昇とあまり変わらず、その温度のみから
半断線状態が発生していることを適確に検出することは
できない。

また、界磁巻線の中間点を外部に引出し、中間点の両側
の電圧分担を監視することで、半断線状態を検出するこ
とも考えられるが、これは回転子にある界磁巻線の中間
点を外部に引出さなｉｔ　ｔＬ　ハならないという機械
的構造」二の変更を伴い実施することは容易でない。

本発明の目的は、以上述へたような従来技術では困難で
あった半断線状態を含む同期機界磁巻線の断線を同期機
界磁巻線の機械的な構造の変更を伴わずに検出できる装
置を提供しようとするものである。

以下の説明に於いては、特に区別する必要のある場合以
外は、半断線状態と完全断線状態を含め断線状態と呼ぶ
こととする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明の同期機界磁巻線の断線
検出装置は、界磁巻線に加えられる界磁電圧を適切な信
号に変換する界磁電圧検出器と、この検出器で得た界磁
電圧信号を入力として界磁電圧の時間経過による変化量
を求める界磁電圧変化量検出手段と、界磁巻線に供給さ
れる界磁電流を適切な信号に変換する界磁電流検出器と
、この検出器で得た界磁電流信号を入力として界磁電流
の時間経過による変化量を求める界磁電流変化量検出手
段と、それらの変化量検出手段から得られた界磁電圧変
化量信号と界磁電流変化量信号とが所定の関係になった
ことを判定する変化状態判定手段とを備えた構成とし、
変化状態判定手段の動作を界磁巻線の断線の発生を示す
信号とすることを特徴とする。

また以下に示す（イ）から（ニ）の４つの条件のいずれ
か１つ以上の条件と前記変化状態判定手段の動作条件と
の論理積を求める論理積手段を設けその論理積手段の動
作にて界磁巻線の断線を検出するようにしてもよい。

（イ）同期機の有効電流を検出し適切な信号に変換する
有効電流検出器と、有効電流の時間経過による変化量を
求める変化量検出手段と、その変化量がいずれの方向に
も予め設定した値より小さい状態にあることを判定する
変化状態判定手段とを設け、この変化状態判定手段が動
作する条件。

（ロ）　同期機の無効電流を検出し適切な信号に変換す
る無効電流検出器と、無効電流の時間経過による変化量
を求める変化量検出手段と、その変化量が現在の無効電
流の方が小さい方向で予め設定した値より大きい状態に
あることを判定する変化状態判定手段とを設け、この変
化状態判定手段が動作する条件。

（’ｚ））　　界磁巻線の地絡を検出する界磁地絡検出
器を設け、この界磁地絡検出器が動作する条件。

（ニ）同期機の自動電圧調整装置の出力信号を検出し適
切な信号に変換する出力信号検出器と、出力信号が同期
機の励磁強め信号にあることを判定する励磁状態判定手
段とを設け、この励磁状態判定手段が動作する条件。

（作　用） 半断線状態が発生するとアーク電圧の分だけ界磁電圧が
上昇し、界磁電流の方はアークの発生とともに過渡的に
減少する。

一方、界磁巻線が正常な時は、界磁電圧変化量と界磁電
流変化量はそれぞれ現在の界磁電圧、界磁電流に対して
同一方向の変化量となる。

故に、界磁電圧変化量ΔＶｆｓが現在の界磁電圧の増大
方向でかつ界磁電流変化量△Ｉｆｓが減少方向の状態が
継続したことは、界磁電圧検出点から界磁巻線側の回路
に断線状態が発生していることを示している。

従って、この検出手段で界磁巻線の断線状態が検出でき
る。

また、上記（イ）から（ニ）の４つの条件のいずれか１
つ以上の条件と界磁電圧変化量信号と界磁電流変化量信
号とから界磁巻線の断線状態を判定する変化状態判定手
段の動作との論理積による判定を行うことにより、検出
精度が向上する。

（実施例１） 本発明の第１の実施例を第１図に示し、その構成を説明
する。１は同期機の電機子、２はその界磁巻線で通常は
これが回転子側にある。３は界磁巻線に界磁電流を供給
する励磁装置で、計器用電圧変成器３Ａと計器用電流変
成器３Ｂは電機子１の電圧Ｖｇを変換した電圧信号ｖｇ
Ｓと電機子１の電流Ｉａを変換した電流信号Ｉａｓを励
磁装置３に入力するための機器である。

５は界磁巻線の両端に接続した界磁電圧検出器で、実際
の界磁電圧Ｖｆを後続の機器に適切な信号Ｖｆｓに変換
するものであり、６は界磁電流回路の分流器４に接続し
た界磁電流検出器で、実際の界磁電流Ｉｆを後続の機器
しこ適切な信号Ｉｆｓｋこ変換するものである。

７は、界磁′電圧信号Ｖｆｓを入力信号とし時間経過に
よる界磁電圧変化量信号ΔＶｆｓを求める界磁電圧変化
量検出手段であり、８は界磁電流信号Ｉｆｓを入力信号
とし時間経過による界磁電流変化量検出手段△Ｉｆｓを
求める界磁電流変化量検出手段である。

９は界磁電圧変化量ΔＶｆｓと界磁電流変化量ΔＩｆｓ
を入力信号とし、それぞれの界磁電圧および界磁電流が
現在の値に対して（ΔＶｆｓ＞Ｏ）でかつ（ΔＶｆｓ＜
Ｏ）であることを判定する変化状態判定手段である。

１０は、変化状態判定手段９が動作しそれが予め設定し
た一定時間継続すると動作し界磁巻線の断線の発生を示
す信号ＯＵ　ＴＳＬを発生するタイマー手段である。

界磁電圧検出器５と界磁電流検出器６は１強電回路の電
圧や電流を絶縁して適切な信号に変換する絶縁変換器が
各種市販されており、それらを使用すれば良いのでその
内部の構成の説明は省く。

また、この実施例の他の構成要素７〜１０については、
それらに求められる機能は前記説明の通りであり、それ
らを実現するための具体的な電気回路は各種公知のもの
が多くあり、かつそれら具体的な電気回路が本発明のポ
イントではないのでその説明は省略する。また、この実
施例の構成要素７〜１０については、それらに求められ
る機能を説明しているので、それらの機能をディジタル
計算機にて実現することも極めて容易である。

界磁電圧変化量検出手段７と界磁電流変化量検出手段８
にて得られた界磁電圧変化量信号△Ｖｆｓと界磁電流変
化量信号ΔＩｆｓから変化状態判定手段９により、界磁
電圧と界磁電流変化状態が判定できる。

断線状態がなければ、変化量検出手段７，８がら得られ
た界磁電圧変化量信号△Ｖｆｓおよび界磁電流変化量信
号ΔＩｆｓは、同一変化（増大または減少）方向を示す
こととなるが、半断線状態が発生すると、界磁電圧はア
ーク電圧の分だけ上昇し、一方界磁電流はアークの発生
とともに過渡的に減少する。

普通に考えると半断線状態が発生すると界磁電圧は殆ど
変化せずアーク電圧の分だけ実際に界磁電流を流す作用
が減少し、結果的に界磁電流の方が減少すると考えられ
る。しかし、励磁装置３は同期機の電機子１の電圧Ｖｇ
を一定に調整する自動電圧調整器ＡＶＲを持っているの
が一般的で、ＡＶＲ動作で界磁電流を殆ど変化しないよ
うに界磁電圧を上昇させる。

既に説明したように、変化状態判定手段９は、界磁電圧
変化量信号ΔＶｆｓが増大方向でかつ界磁電流変化量信
号ΔＩｆｓが減少方向のときに動作する。

これは、界磁電圧検出点から界磁巻線側の回路に断線状
態が発生した状態である。

よってタイマー手段１０の動作は、界磁巻線に断線状態
が発生し継続したことを示す。

したがって本実施例によれば、同期機界磁巻線の断線を
界磁電圧の変化量と界磁電流変化量の相関関係より検出
しており、単に界磁巻線の見掛は温度の高いことのみで
は検出できない範囲のアーク電圧の低い半断線状態も検
出することができる。

（実施例２） 前記第１の実施例に、それが誤動作する可能性の高い現
象が発生しないことや界磁巻線の断線状態で発生する他
の現象ＡＮＤ条件として加えて断線状態と判定すること
もできる。追加するＡＮＤ条件により、例え前記第１の
実施例の部分が誤動作しても、最終判定は断線状態とな
らないので、総合的により信頼性の高い検出装置を実現
できる。

この第２の実施例を第２図に示し、その構成と作用を説
明する。

２０は論理積手段で、前記実施例の出力信号○ＵＴＳＩ
と以下に述べる（イ）から（ニ）の条件との論理積を求
めるものであり、その出力信号ＯＵ　ＴＳ２がこの実施
例に於ける断線の発生を示す信号である。

（イ）１１は計器用電圧変成器３Ａと計器用電流変成器
３Ｂの出力を入力して、有効電流を検出し適切な信号に
変換する有効電流検出器である。その出力を信号Ｉｐｓ
とする。

１３は有効電流信号Ｉｐｓを入力として、有効電流の時
間経過による変化量を求める変化量検出手段であり、１
６は変化量検出手段１３の出力の状態を判定する変化状
態判定手段である。変化状態判定手段１６は、有効電流
の時間的変化がいずれ向にも予め設定した値より小さい
ことを検出する。これらの手段の具体的構成については
後で説明する。これは、主として電力系統の事故等によ
る電機子反作用で界磁電流が急変する場合の断線検出装
置の誤動作を防止するために断線検出の条件に加えるも
のである。尚、この用途では、有効電流の代りに有効電
力を全く等価な信号として使用できる。

（ロ）１２は計器用電圧変成器３Ａと計器用電流変成器
３Ｂの出力を入力して、無効電流を検出し適切な信号に
変換する無効電流検出器である。その出力を信号Ｉｑｓ
とする。

１４は無効電流信号Ｉｑｓを入力として、無効電流の時
間経過による変化量を求める変化量検出手段であり、１
７は変化量検出手段１４の出力の状態を判定する変化状
態判定手段である。変化状態判定手段１７は、無効電流
の時間的変化が減少方向で予め設定した値より大きいこ
とを検出する。これで、無効電流が時間経過で減少して
いる状態であることが検出できる。これは、界磁巻線の
断線状態で無効電流に発生する現象を断線検出の条件に
加えるものである。尚、この用途では、無効電流の代り
に無効電力を全く等価な信号として使用できる。

（ハ）１９は界磁巻線の地絡を検出する界磁地絡検出器
であり、その動作信号Ｆｇｓが論理積手段２０の入力で
ある。界磁巻線の半断線状態では、構造的に接地させて
いる界磁鉄心と界磁巻線回路とが非常に高い確率で発生
したアークにより接触し界磁地絡が発生する。逆に、界
磁地絡が発生しないような状態なら、判断線状態が発生
していても回転子の大きな損傷に至る可能性も薄いと言
える。

これは、界磁巻線の断線状態で回転子内部で発生する現
象を断線検出の条件に加えるものである。

（ニ）１５は、同期機の自動電圧調整装置（ＡＶＲ）の
出力Ｉ　ＡＶＲを検出し適切な信号ＩＡＶＲ３に変換す
るＡＶＲ出力信号検出器である。１８はＡＶＲ出力信号
Ｉ　ＡＶＲを入力とし、予め設定された信号レベルと比
較し励磁強め信号であるかを判定する励磁状態判定手段
でありその動作信号Ｉ　ＥＸｓが論理積手段２０の入力
である。

これは、界磁巻線の断線状態で自動電圧調整装置の出力
に発生する現象を断線検出の条件に加えるものである。

尚、本発明の主旨はこれら（イ）〜（ニ）の全てを信号
○ＵＴＳＩとのＡＮＤ条件として採用することに限定す
るものではなく、任意の一つ以上をＡＮＤ条件として採
用することも含まれる。

また、更に他の実施例として、論理積手段２０の後にタ
イマー手段を設けて、論理積の成立が適切な時間継続し
たことで、界磁巻線の断線状態を判定することもできる
。その場合にはタイマー手段１０の設定はゼロまたは論
理積手段２０の後にタイマー手段を設けない場合に比べ
小さく設定する必要がある。タイマー手段１０の設定を
ゼロにする代りに、このタイマー手段１０を取除いても
本発明の主旨と変わるものではない。

また、説明した条件と反対の条件を検出して、その否定
を論理積手段の入力としたり、論理積手段を複数個にし
て、見掛は上の構成を変更しても最終的な論理判断を同
じにすることができ、そのように見掛は上の構成を変更
しても本発明の主旨が変わるものではない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、同期機界磁巻線の機械的な構造の変更
を行うことなく、完全断線は勿論、従来困難であった同
期機界磁巻線の半断線状態も検出することができる。よ
って、従来実施されてなかった判断状態での保護が行え
るので、同期機回転子の大きな損傷を未然に防止でき、
しかも同期機界磁巻線の機械的な構造の変更を必要とし
ないため既設の同期機にも容易に適用でき、本発明の効
果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成図、第２図は本発
明の第２の実施例の構成図である。 １・・・電機子　　　　　２・・・界磁巻線３・・励磁
装置　　　　３Ａ・・・計器用電圧変成器３Ｂ・・・計
器用電流変成器 ４・・・分流器　　　　　５・・・界磁電圧検出器６・
・・界磁電流検出器 ７・・・界磁電圧変化量検出手段 ８・・・界磁電流変化量検出手段 ９・・・変化状態判定手段 ｌＯ・・・タイマー手段　　１１・・・有効電流検出器
１２・・・無効電流検出器 １３・・・有効電流変化量検出手段 １４・・・無効電流変化量検出手段 １５・・・ＡＶＲ出力信号検出器 １６・・・有効電流変化量判定手段 １７・・・無効電流変化量判定手段 １８・・・励磁状態判定手段 １９・・・界磁地絡検出器 ２０・・・論理積手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）界磁巻線に加えられる界磁電圧を適切な信号に変
   換する界磁電圧検出器と、この検出器で得た界磁電圧信
   号を入力として界磁電圧の時間経過による変化量を求め
   る界磁電圧変化量検出手段と、界磁巻線に供給される界
   磁電流を適切な信号に変換する界磁電流検出器と、この
   検出器で得た界磁電流信号を入力として界磁電流の時間
   経過による変化量を求める界磁電流変化量検出手段と、
   それらの変化量検出手段から得られた界磁電圧変化量信
   号と界磁電流変化量信号とが所定の関係になったことを
   判定する変化状態判定手段とを備えていることを特徴と
   する同期機界磁巻線の断線検出装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の同期機界磁巻線の断
   線検出装置に於いて、以下に示す（イ）から（ニ）の４
   つの条件のいずれか１つ以上の条件と前記変化状態判定
   手段の動作条件との論理積を求める論理積手段とを設け
   、その論理積手段の動作にて界磁巻線の断線を検出する
   ことを特徴とする同期機界磁巻線の断線検出装置。 （イ）同期機の有効電流を検出し適切な信号に変換する
   有効電流検出器と、有効電流の時間経過による変化量を
   求める変化量検出手段と、その変化量がいずれの方向に
   も予め設定した値より小さい状態にあることを判定する
   変化状態判定手段とを設け、この変化状態判定手段が動
   作する条件。 （ロ）同期機の無効電流を検出し適切な信号に変換する
   無効電流検出器と、無効電流の時間経過による変化量を
   求める変化量検出手段と、その変化量が現在の無効電流
   の方が小さい方向で予め設定した値より大きい状態にあ
   ることを判定する変化状態判定手段とを設け、この変化
   状態判定手段が動作する条件。 （ハ）界磁巻線の地絡を検出する界磁地絡検出器を設け
   、この界磁地絡検出器が動作する条件。 （ニ）同期機の自動電圧調整装置の出力信号を検出し適
   切な信号に変換する出力信号検出器と、出力信号が同期
   機の励磁強め信号にあることを判定する励磁状態判定手
   段を設け、この励磁状態判定手段が動作する条件。