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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Windungsschlussdetektion an Rotorwicklungen von Turbogeneratoren mittels Feldmessung, wobei ein Feldsensor dem magnetischen Feld jeweils einer von mehreren, nacheinander zu prüfenden Spulen ausgesetzt ist, und wobei die Messwerte einer Auswertung zugeführt werden.
Latente Windungsschlüsse in den Feldwicklungen von Turbogeneratorläufern können durch thermische und dynamische Überbeanspruchung zur Verminderung der Leistung des Gen ratons oder anderen ernstlichen Einschränkungen beim Betrieb der Maschine führen. Sie stellen in jedem Fall ein erhöhtes Betriebsrisiko dar, das Fortschreiten des Fehlers kann den Störausfall des Maschinensatzes bedingen. Daher besteht grosses Interesse, die Existenz derartiger Fehler einwandfrei festzustellen und ihre Lage zu orten, um die Dringlichkeit einer Ausserbetriebnahme des Generators, sowie Umfang, Dauer und Kosten einer notwendigen Reparatur abschätzen zu können.
Vorwiegend wird es sich um Fehler in den Wickelköpfen handeln, wo besonders die obersten Wicklungslagen durch Schieben in axialer Richtung infolge thermischer Dehnung windungsschlussgefährdet sind.
Fehler mit Masseschluss im Nutteil werden durch das Schutzsystem des Generators erfasst. Um eine Sanierung in der kürzest möglichen Zeit durchführen zu können, ist es notwendig zu wissen, an welchem Ende die Wicklungskappe abgezogen werden muss.
Es sind etliche Mess- und Prüfmethoden zur Windungsschlussdetektion an Läufern bekannt, die sich besonders für den Einsatz in der Fertigung, bei Prüfungen im Werk oder vor Ort sowie zur ständigen Betriebsüberwachung eignen. Solche Methoden sind : Impedanzmessung mit Polvergleich, Messung der Komponenten des magnetischen Flusses bei Gleichstromerregung, Stossspannungsprüfung oder Reflexionsmethode mittels Wanderwelle, harmonische Analyse des Statorstromes
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darin, dass sie einen erheblichen Messaufwand bedingen. Für einen zweifelsfreien Befund über das Vorhandensein von Windungsschlüssen, der mutmasslichen Fehlerstelle und daraus abzuleitender Interventionsempfehlungen ist zudem umfangreiches technisches Know-how erforderlich.
Ein weiterer, gravierender Nachteil ist, dass bei
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Kurzschluss nur einer einzigen Windung oder bei relativ hochohmigem Fehler alle diese Methoden zu wenig sensitiv sind.
Die Publikation GE Installation & Service Engineering, GET 6987A, Revised, November 1991, befasst sich mit einem Detektor zum Aufspüren von Windungsschlüssen in Generator-Feldwicklungen. Diese Detektionsmethode besteht darin, im Luftspalt zwischen Rotor und Stator Messungen durchzuführen, aus denen die Verschiedenheit der Wellenformen von kurzgeschlossenen und nicht kurzgeschlossenen Windungen hervorgeht. In der Wellenform findet die Änderungsgeschwindigkeit der im Luftspalt radial rotierenden Flussdichte ihren Niederschlag. Diese Wellenform betont die Veränderungen der Flussdichte an den Nuten. Dabei ist die Amplitude der Spannungsspitzen in der Nut eine Funktion der aktiven Windungen in den Nuten (magnetischer Streufluss in den Nuten) und des Verzerrungsfaktors, welcher von der Flussdichte im Luftspalt über den Nuten hervorgerufen wird.
Zur Erzielung der grössten Empfindlichkeit bei der Windungsschluss-Detektion werden die an jenen Nuten abgelesenen Daten herangezogen, an denen minimale Verzerrungseffekte auftreten.
Nachteilig an dieser Methode ist deren zu geringe Genauigkeit.
Auch in den IEE Proceedings, Vol. 133, Pt. B. No. 3, Mai 1986, S.
181 ff. wird eine Detektionsmethode zum Aufspüren von Wicklungsschüssen vorgestellt. Dabei wird eine Detektionsspule nahe der Rotoroberfläche positioniert. Dreht sich der Rotor, so wird in der Detektionsspule eine Spannung induziert, wenn die Wicklungsspulen die Detektionsspule passieren. Dabei ist die Amplitude dieser induzierten Spannung direkt proportional den Amperewindungen der jeweiligen Nut ; entsprechend wird eine geringere Spannung induziert, wenn Spulenwindungen kurzgeschlossen sind.
Diese Detektionsmethode hat den Nachteil, dass bei Vollastbetrieb keine genauen Daten erhältlich sind.
Ziel der Erfindung ist es, eine Messmethode zur Windungsschlussdetektion zu entwickeln, die es ermöglicht, eine genaue Bestimmung des Fehlerortes hinsichtlich Maschinenende, Spulenseite und Windungslage durchzuführen.
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ist im Luftspalt 9 knapp oberhalb der Nut 3 angeordnet. Von der Feldsonde 4 führt eine Messleitung 10 über einen Verstärker 5 zu einem Fluxmeter 6. Eine weitere Messleitung 11 führt vom Verstärker 5 zu einem Diagnoserechner 7. Eine Leitung 12 verbindet den Rechner 7 mit einem Drucker 8.
Die Rotorwicklung wird in gleicher Schaltung wie für die Impedanzmessung mit einer Wechselspannung angespeist. In der Regel werden 220 Volt angelegt ; um den Rotor nicht zu gefährden, können aber auch geringere Spannungen verwendet werden. Ebenso könnte eine höhere Frequenz als 50 Hz verwendet werden. Der Erregerstrom erzeugt einen Nutstreufluss, der um den Umfang des Rotors herum an verschiedenen Stellen der Rotorlänge nahe der Oberfläche gemessen oder kontinuierlich aufgezeichnet wird. Für die Beurteilung werden die Messwerte aller Spulen polweise verglichen. Wegen der Symmetrie der Pole sollten sich dabei diametral gegenüberliegende Nuten entsprechen. Eventuell vorhandene Unsymmetrien werden beim Polvergleich ausgeschaltet, wenn beiden Seiten jeder Spule summiert werden.
Ist ein Windungsschluss vorhanden, so verhält sich die betroffene
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einen der restlichen Windungszahl in der Nut entsprechenden Kurzschlussstrom. Dessen Magnetfeld überlagert sich dem ursprünglich vorhandenen. Dadurch ergibt sich im Vergleich zur gesunden Spule eine deutliche Änderung der Amplitude und Phasenlage des tangentialen Flusses an der Rotoroberfläche, auch wenn der Fehler am Nutgrund liegt.
Durch den Windungsschluss ändert sich die Teilimpedanz der betroffenen Spule und damit auch die gesamte Polradimpedanz. Die über Klemmen und Polverbinder messbaren Teilspannungen werden unsymmetrisch. Wenn unter den Wicklungskappen die innenliegenden Spulenverbinder zugänglich sind, können zumindest die Spannungsabfälle über je zwei Spulen gemessen. und der Fehler auch mit dieser Methode grob eingegrenzt werden.
Zur Erfassung stationärer Fehler muss im allgemeinen der Rotor aus der Maschine ausgebaut werden. Kann über Mannlöcher oder Stopf-
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buchsen und Ventilationsschlitze im Blechpaket von aussen eine Feldsonde bis in den Luftspalt vorgeschoben werden, dann lässt sich die Messung auch bei zusammengebauter Maschine durchführen, wenn jede Nut exakt unter den Sensor gestellt oder der Rotor mit geringer Drehzahl durchgedreht werden kann, beispielsweise händisch, mittels Drehvorrichtung oder im Auslauf. Letzteres entspricht dem händischen Ziehen des Sensors entlang des Rotorumfanges. Dabei wird die Flusskomponente in Umfangsrichtung gemessen. Diese steigt über die Nutbreite jeweils kontinuierlich an. Für die Beurteilung brauchen jedoch nur die Werte in Keilmitte herangezogen werden.
Für eine rasche Messung genügt es daher, die Sonde jeweils in Keilmitte aufzusetzen.
Ein Windungsschluss führt zu einer deutlichen Phasenverschiebung des Flusses in der betroffenen Spule, so dass der Fehler auch anhand der Phasenlage einwandfrei erkannt werden kann.
Am ausgebauten Rotor kann mit Hilfe einer Wechselstrom-Feldmessung über die einzelnen Leiter einer Spule die kurzgeschlossene, den Fehlerstrom führende Windung klar erkannt werden. Dies gelingt zwar auch mit der Spannungsabfallmessung mit Gleich- und Wechselspannung, bei dieser muss aber durch kräftig an zwei blanke Leiter angepresste Messspitzen für einen einwandfreien Spannungsabgriff gesorgt werden, was im allgemeinen nur im Wickelkopf durchführbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die Feldwicklung des Turbogenerators mit betriebsfrequenter Wechselspannung angespeist wird, und dass das magnetische Feld der Spulen in Keilmitte und in der Umfangsrichtung des Rotors gemessen wird, und dass nach Abschluss der Einzelmessungen, zur Ortung einer fehlerhaften Spule, die Messwerte polweise nach Amplitude und/oder Phase verglichen werden.
Der Vorteil des erfindungsgemässen Messverfahrens besteht darin, dass sie, wegen der Nutzung der transformatorischen Kurzschlussströme, eine hohe Empfindlichkeit aufweist und dadurch eine sehr enge Eingrenzung des Fehlerortes sicherstellt. Zudem ist die Methode relativ einfach und rasch-gleichzeitig mit der üblichen Impedanzmes- sung - durchführbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die gemessenen Werte einem Diagnoserechner zugeführt, in diesem gespeichert und von diesem polweise nach Amplitude und/oder Phase verglichen werden, wobei der Diagnoserechner ein Programm zur grafischen Darstellung von Test- und Stördaten in Form von Farbgrafiken und Messkurven aufweist, und wobei der Diagnoserechner mit einem Drucker in Verbindung steht.
Mittels der Verwendung des Diagnoserechners ist es möglich, die zur Windungsschlussdetektion durchgeführten Messungen rascher auszuwerten.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fehlerstelle innerhalb einer schadhaften Spule durch Messung des magnetischen Feldes längs der Spulenhöhe dieser Spule an mehreren zugänglichen Stellen des Rotors bestimmt wird, wobei die gemessenen Werte einem Auswertegerät zugeführt werden, welches diese Werte in bezug auf die wirksame Windungslagenzahl vergleicht.
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Dadurch kann die Fehlerstelle innerhalb der schadhaften Spule raschest eruiert werden.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verläufe des magnetischen Feldes der Rotorwicklung an der rotierenden Maschine während mehrerer Umdrehungen gemessen und einem Rechner zur Bestimmung der Einhüllenden der Feldkurve um den Rotorumfang herum zugeführt werden.
Dies ist vorteilhaft, weil damit auch drehzahl- bzw. fliehkraftabhängige Windungsschlüsse festgestellt werden können. Diese Messungsvariante kann bei entsprechender Zugänglichkeit der Rotoroberfläche bei laufender Maschine auf der Anlage oder im Werk durchgeführt werden. Dabei ist sicherzustellen, dass jede unter der ruhenden Feldsonde vorbeilaufende Nut dabei mindestens einmal gerade das Strommaximum führt, wie dies beim langsamen Vorbeiziehen der Sonde entlang des Rotorumfanges gegeben ist.
In einer erfindungsgemässen Ausgestaltung wird die Messung bei Drehung des Rotors mit Schlupffrequenz gegenüber der betriebsfrequenten Erregung durchgeführt.
Hierbei werden neben dem Tangentialfeld auch das strom- und ein Umdrehungssignal über einige Sekunden lang aufgenommen. Aus der Phasenverschiebung zwischen Strom-und Umdrehungssignal lässt sich der Ort mit der zeitlichen Amplitude des Magnetfeldes ermitteln.
Dieser wandert pro Umdrehung mit einer gewissen Anzahl von Graden um den Umfang herum. Wegen des flachen Scheitels der Sinuswelle können praktisch jeweils für beispielsweise 10 benachbarte Punkte gleichzeitig die Magnetfeldwerte aufgenommen werden. Der gesamte Feldverlauf ergibt sich mit genügend Redundanz als Hüllkurve, wenn man solcherart bis zu etwa 100 Umdrehungen zusammensetzt. Dabei werden die negativen Halbwellen jeweils getrennt behandelt, um
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auch Phasendrehungen durch einen Windungsschluss eindeutig zu erkennen.
In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Anspeisung der Erregerwicklung über eine elektronische Spannungsversorgung, wobei die Erregung mit der Drehzahl des Rotors synchronisiert und die Phase zeitlich um mindestens +j- 90. verschiebbar ist.
Diese erfindungsgemässe Weiterbildung ermöglicht es, das Strommaximum örtlich entlang des Umfanges zu verschieben. Anhand der, üblicherweise aus den Konstruktionszeichnungen bekannten, räumlichen Verteilung der Feldwicklung kann damit jede einzelne Nut separat angesteuert und untersucht werden.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Messverfahrens sieht vor, dass die Feldsensoren mit Weggebern gekoppelt sind.
Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich der Fehlerort exakt bestimmen. Der Kurzschlussstrom fliesst durch eine Schleife, an der immer zwei Leiterlage, und zwar je nach Fehlerort mit unterschiedlichen Längen, beteiligt sind. Der Lagenwechsel erfolgt auf der Schaltseite und wieder zurück über die Fehlerstelle. Wenn man nun an zwei weiter auseinanderliegenden Stellen. in der identifizierten windungsschlussbehafteten Spule für jeweils beide Spulenseiten die fehlerstromführende Windungslage bestimmt und unter Berücksichtigung der Bauart der betroffenen Spule für beide Seiten vergleicht, so ergibt sich ein eindeutiges Beurteilungskriterium
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tert werden.
Zu diesem Zweck ist in der Fig. eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung als Prinzipzeichnung dargestellt Die Fig zeigt ausschnittsweise einen Rotor 1 eines Turbogenerators im Schnitt, wobei zwei Nuten 2,3 sichtbar sind. Eine Feldsonde 4