CN101173974B - 用交叉电容的发电机定子绕组绝缘体吸水测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种使用交叉电容的用于发电机定子绕组绝缘体的水吸收的装置和方法。所述装置包括：使用交叉电容的传感器；以及水吸收测试装置，其用于使用所述传感器来执行发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试。所述装置使用所述交叉电容、根据厚度来确定所述绝缘体是否吸收了水，以检测到差的绕组，以便防止发电厂被突然停止，从而降低用于维护的成本，并且延长发电机的寿命。

Description

用交叉电容的发电机定子绕组绝缘体吸水测试装置和方法 

技术领域

本发明涉及用于发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试，更具体而言，涉及使用交叉电容的、发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试装置，其中，通过使用交叉电容、根据厚度确定发电机的定子绕组的绝缘体是否吸收了冷却水来检测退化的绕组，以防止发电站被突然停止，从而降低用于维护的成本，并延长发电机的寿命。 

背景技术

通常，大容量发电机是水冷却类型的发电机，并且，在发电时产生的热被水冷却。特别地，为了冷却发电机的定子绕组，使用具有高功效的纯净水。 

然而，当发电机的定子绕组的绝缘体吸收了湿气或水时，在发电机的运行期间绝缘会被破坏，从而引起不想要的发电机错误事故。这样，发电机的运行可靠性恶化，增加了用于将绕组更换成新绕组的成本和时间，使得发电的生产率恶化。 

作为用于发电机定子绕组绝缘体的水吸收测试的传统方法，存在一种tanδ测试和一种测量待诊断的两板之间的总电容的方法。 

这里，tanδ是电介质正切(dielectric tangent)，而电介质正切(tanδ)是理想电容电流和测量的电流之间的介电质的相位差(δ)的正切函数。由于理想介电质只具有电容分量，所以δ可以是90度。因此，tanδ可以是无穷大值。然而，当介电质差时，会产生电阻分量，使得δ小于90度。电介质正切测试使用在交流电压被施加到绝缘体时产生损耗的点。该损耗分为由于泄漏电流而导致的损耗、由于电介质极化而导致的损耗以及由于部分放电而导致的损耗。由于这些损耗，总电流被延迟了多于一个充电电流分量，而这个延迟的角称为电介质损耗角，而其正切被称为电介质正切。当所施加的电压为已知时，可以知道电容，而当损耗角已知时，则可以知道损耗。

然而，tanδ可以确定绕组的相的绝缘是否良好，但不能确定在各个绕组中是否已经发生了水吸收。 

而且，在测量待诊断的两个极板之间的总电容的方法中，可以确定绕组的绝缘体的水吸收。然而，在水诊断期间，在测试装置中可能产生与绕组绝缘体厚度的变化有关的错误。另外，由于不能去除测量期间所产生的杂散电容，所以，没有避免所述错误的解决方案。 

而且，没有关于各个绕组的tanδ的测量信息，并且，不能关于厚度来测量发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收。 

因此，为了解决上述技术问题，在本发明中，通过将交叉电容理论应用到发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试，开发了一种水吸收测试装置。 

发明内容

因此，鉴于上述的和/或其他问题，进行了本发明，并且，本发明的一个目的是提供使用交叉电容的、发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试装置，其中，通过使用交叉电容、根据厚度确定发电机的定子绕组的绝缘体是否吸收了冷却水来检测退化的绕组，以阻止发电厂被突然停止，从而降低用于维护的成本，并且延长发电机的寿命。 

根据本发明，通过提供使用交叉电容的、用于发电机定子绕组绝缘体的水吸收测试的装置，可以实现上述的和其他方面，其中所述装置包括：测量交叉电容的传感器，其中，所述传感器包括单电极、双电极和四电极中的至少一个，以根据厚度来测量所述发电机的定子绕组的绝缘体的电容和电介质正切，所述电极具有平面类型，其中高电极、地电极、低电极和地电极被重复地设置；以及水吸收测试单元，用于使用所述传感器来执行发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试。 

根据本发明，通过提供使用交叉电容的理论的用于发电机定子绕组绝缘体的水吸收、并且使用在检测中所检测的状态来执行发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试的方法，可以实现上述和其他方面。 

附图说明

结合附图，根据下述具体实施例的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得明显和更容易理解，其中： 

图1是说明传统的发电机的定子绕组的概念图； 

图2是示出根据本发明的第一实施例的、使用交叉电容来测试发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收的装置的框图； 

图3是示出被用作如图2中所示的装置中的传感器的交叉电容器的电极的概念图； 

图4是示出利用图2中的交叉电容器来执行的、传感器的感测原理的图； 

图5是示出平面类型电极的结构的概念图； 

图6是示出挠性电极的概念图； 

图7是示出使用准交叉电容器(quasi-cross capacitor)而执行的仿真结果的概念图； 

图8是示出使用电磁场来设计图2中的传感器而执行的仿真结果的概念图； 

图9是示出在图2中的传感器中使用的各种交叉电容的配置的剖面图； 

图10是示出根据图9中的水层的位置变化的仿真结果的图； 

图11是示出了图2中的用于测试水吸收的装置的实际结构的一个实例的图； 

图12是示出了图2中的装置的真实配置的图； 

图13是图2中的传感器的侧视图； 

图14是示出使用图2中的装置、在发电机的定子绕组的绝缘体上执行的水吸收测试的图； 

图15是示出由图2中的装置来测量的电容分布的图； 

图16是列出了在设计用于独立于传感器、驱动图12中的传感器的电路的情况下的测量结果的表；以及 

图17是列出了在设计用于考虑了传感器、驱动图12中的传感器的电路的情况下的测量结果的表。 

具体实施方式

下文，将参考附图详细描述根据本发明实施例的、使用交叉电容的、 发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试装置和测试水吸收的方法。 

首先，如图2中所示，根据本发明实施例的、使用交叉电容的、发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试装置包括：使用交叉电容的传感器10；以及水吸收测试单元20，用于使用由传感器10测量的值来执行定子绕组的绝缘体的水吸收测试。 

为了根据厚度来测量发电机的定子绕组的绝缘体的电容和电介质正切，传感器10包括单电极、双电极和四电极中的至少一个，并且这些电极是平面类型，其中，高、地、低、地被顺序设置。 

传感器10的特点在于在各个电极之间插入了保护电极。 

如图9中所示，传感器10被配置以单电极、双电极和四电极，以根据厚度测量发电机的定子绕组的绝缘体的电容和电介质正切。在此情况下，电极被设置为平面类型的形式。当根据厚度测量电容和电介质正切时，首先，传感器10变为单电极来测量与因单电极而导致的厚度d2相对应的电容，接下来，传感器10变为双电极来测量与因双电极而导致的厚度d2相对应的电容，以及最后，传感器10变为四电极来测量与关于四电极的厚度d3相对应的电容。 

传感器10按照下面的公式来设置交叉电容， 

exp(-πC_ac/Lε₀)+exp(-πC_bd/Lε₀)＝1 

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·\ln 2}{\mathrm{\π}}\×L=0.001953549\mathrm{pF}/\mathrm{mm}$

这里，C_ab和C_bd是彼此面对的电极之间的静电电容，L是圆柱体的轴向长度，而ε₀是真空介电常数。 

水测试单元20包括：继电器电路21，其用于在传感器与CPU30之间中继信号；变压器桥22，其用于通过继电器电路21接收来自传感器10的信号，并将该信号分支；振荡器23，其被连接到变压器桥22，以便提供本地振荡器频率；移相器24，其用于根据从振荡器23接收的频率将从变压器桥22接收的来自传感器的信号的相位移90度；第一放大器25和第二放大器26，它们用于接收来自变压器桥22的由传感器10检测的信号，并将该信号放大；第一检测器27，其用于将由第一放大器25放大的传感器的模拟信号转换成数字信号；第二检测器28，其用于将由第二放 大器26放大的传感器10的模拟信号转换成移相器24的90度相移所需要的数字信号；AC/DC转换器29，其用于将振荡器23的模拟信号转换成数字信号；CPU30，其用于接收由第一检测器27和第二检测器28转换成数字信号的传感器10的信号以及来自AD/DC转换器29的参考信号，并用于执行发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试；以及接口31，其用于将主系统40连接到水吸收测试单元20。 

CPU30通过继电器电路21自动切换和选择传感器10的单电极、双电极以及四电极。 

水吸收测试单元20包括连接到CPU30的显示器32，以便显示由CPU30测量的结果。 

显示器32选择和显示作为主菜单的、诸如(1)测量、(2)数据显示、(3)数据传输以及(4)校准的菜单中的至少一个。 

根据本发明一实施例的、使用交叉电容的、发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试方法包括：使用交叉电容的理论来检测发电机的定子绕组的绝缘体的状态；以及使用在检测中检测的状态来执行发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试。 

在检测中，为了根据厚度测量发电机的定子绕组的绝缘体的电容和电介质正切，当传感器10包括单电极、双电极和四电极、而电极设置为平面类型并根据厚度来执行发电机的定子绕组的绝缘体的测量时，首先，传感器10变为单电极，并测量与因单电极而导致的厚度d1相对应的电容，接下来，传感器10变为双电极，并测量与因双电极而导致的厚度d2相对应的电容，以及最后，传感器10变为四电极，并测量与由四电极而导致的厚度d3相对应的电容，从而，发电机的定子绕组的绝缘体的状态得以检测。 

参考如下附图，将要详细描述根据本发明施例的、使用交叉电容的、发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试装置和方法。在下面的对本发明的描述中，当对已知结构和操作的详细描述可混淆本发明的主题时，将省略对其的详细描述。而且，通过考虑本发明中各功能来定义的术语可由用户、操作者的目的、或判例法而变化。所以，应当通过本申请的整个说明书来解释各术语。 

首先，本发明的目的是：通过使用交叉电容、根据厚度来确定发电机的定子绕组的绝缘体是否吸收了冷却水来检测失效绕组的建议，来防止发 电厂被突然停止，从而减少用于维护的成本，并延长发电机的寿命。 

1.引言 

通常，发电机的定子绕组包括用于传导的铜导体和用于围绕该铜导体而绝缘的云母涂层。为了冷却从铜导体产生的热，采用了水冷型冷却器，使得水流过铜导体中所形成的内部孔。由于诸如铜焊部分之间所产生的裂缝腐蚀、绝缘体的分层的原因，流过铜导体中内部孔的水可渗入绝缘体中并造成发电机中的严重事故。当前所用的检测水泄露的方法，有绝缘诊断测试、压力测试以及真空测试。然而，即使准确地确定了测试结果，绕组的水吸收仍可破坏绝缘。 

图1是示出传统的发电机的定子的绝缘体的概念图。 

已经研发了用于对彼此面对、并通过绕组的云母涂层和绕组的铜导体配置的电极之间的绝缘体的电容进行测量的水分吸收测试器。然而，应用传统的电容测量方法来确定发电机的定子绕组的绝缘体是否吸收了湿气时，存在几个问题。 

这里，面对的电极之间的绝缘体的电容是  $\mathrm{Cap}=\mathrm{\κ}\frac{\mathrm{\ϵA}}{d},$ 这里，k是常数，ε是介电常数，A是传感器的面积，而d是厚度。这样，根据传统技术，当将要被测量的各绕组的厚度d不均匀时，电容会变化。如此，根据本发明，由于根据单电极、双电极以及四电极来确定厚度d1、d2和d3，而不考虑铜导体和传感器10之间的厚度，所以，不存在由于总厚度的变化而引起的误差。 

换句话说，为了使用由于绝缘体中所含的冷却水而改变的相对介电常数的差来确定电容，必须假定绝缘体的厚度是均匀的。然而，由于定子绕组的绝缘体的厚度不是均匀的，所以，会产生误差。 

而且，安装在传感器和铜导体之间并与其平行的电极必须接地到铜导体，以便使用该电极。在这种情况下，由于将定子绕组的铜导体连接到测量设备的接线的长度很长，根据测量电容的理论，则不能避免从所述接线自身产生的额外的耗散因子的影响。 

而且，传感器和测量设备不能去除在测量环境中所产生的杂散电容。 

如此，为了对使用传统水吸收测试装置和传感器时不可避免地产生的 误差补偿，已经研发出了如本发明的电容传感器系统，即Gen-SWAD II(发电机定子水吸收检测器II)，其应用了交叉电容测量原理。 

为了描述本发明，下面将描述交叉电容理论。 

2.建立理论 

交叉电容器的原理基于澳大利亚国家测量实验室的汤姆逊和兰帕德(Thompson and Lampard)的定理。由于这个新静电理论的提出，可以进行对电容的高度精确的绝对测量。如今，交叉电容器被用作电容和电阻单元中的原型标准。 

图4是示出图2中利用交叉电容执行的传感器的感测原理的图。 

在如图4中所示将具有垂直横截面积的圆柱体分成4个窄的绝缘体间隙的情况下，当通过CGS(厘米-克-秒制)的esu(静电单位)来表示在电容器C2的电极接地时的每单位长度的电容C1、和在电容器C1的电极接地时的每单位长度的电容C2之间的关系时，当而电极之间的空间是真空而不管圆柱体的横截面的形状时，建立下面的公式1。 

[公式1] 

$e^{-4{\mathrm{\π}}^2{C}_1}+e^{-4{\mathrm{\π}}^2{C}_2}=1$

公式1称为汤姆逊-兰帕德定理。当这个公式由SI(国际单位制)来表示时，建立了下面的公式2。 

[公式2] 

$e^{-\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C}_1}+e^{-\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C}_2}=1$

在1957年，兰帕德详细地报告了这个新的静电理论。如果C₁＝C₂＝C₃，也就是说，如果公式1中的电极结构是完全对称的，则公式1变为下面的公式3。 

[公式3] 

$C=\frac{\ln 2}{4{\mathrm{\π}}^2}\mathrm{esu}/\mathrm{cm}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\ln 2}{\mathrm{\π}}F/m$

然而，由于通常C₁≠C₂，ΔC＝C₁-C₂，并且，如果平均值是C_m＝(C₁+C₂)/2，可表示为下面的公式4。

[公式4] 

$C_1=C_m+\frac{\mathrm{\ΔC}}{2}$

$C_2=C_m-\frac{\mathrm{\ΔC}}{2}$

然而，当公式4被应用到公式2时，则建立下面的公式5。 

$\exp \[-4{\mathrm{\π}}^2(C_m+\frac{\mathrm{\ΔC}}{2})\]+\exp \[-4{\mathrm{\π}}^2(C_m-\frac{\mathrm{\ΔC}}{2})\]=1$

然而，由于4π₂＝ln2/C，公式5变为下面的公式6。 

[公式6] 

$C_m=C\[1+\frac{\ln 2}{8}{\left(\frac{\mathrm{\ΔC}}{C}\right)}^2-\frac{{\left(\ln 2\right)}^3}{192}{\left(\frac{\mathrm{\ΔC}}{C}\right)}^2+\·\·\·\]$

如果公式6中的ΔC/C<3.4＊10^-4，由于第二项变为小于10^-8的误差，其可以被忽略。这样，公式6可以由公式7来表达。 

[公式7] 

$C_m=C=\frac{\ln 2}{4{\mathrm{\&pi;}}^2}\mathrm{esu}/\mathrm{cm}$

$=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\ln 2}{\mathrm{\&pi;}}F/m$

$=0.00195354904\mathrm{pF}/\mathrm{mm}$

真空中的介电常数ε₀变为由下面的公式8所表达的关系。 

${\mathrm{\&epsiv;}}_0=\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_0{c}^2}$

$=8.854187818\&times;{10}^{-12}(F/m)$

这里，μ₀是真空中的导磁率，且为4π＊10^-7(亨/米，H/m)，而c是光速，其在真空中为299792458米/秒(m/s)，这些是基本常数，其不确定性是零(0)。由此，可以理解，电容只通过测量电极的长度来确定。 

图3是示出被用作如图2中所示的装置中的传感器的交叉电容的电极的概念图。 

这样，如图3中所示，当圆柱体的横截面被分成四个窄的绝缘体间隙时，彼此面对的电极之间的电容C_ab和C_bd具有由下面的公式9和公式10 表示的关系。 

[公式9] 

exp(-πC_ac/Lε₀)+exp(-πC_bd/Lε₀)＝1 

[公式10] 

$C=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;\ln 2}{\mathrm{\&pi;}}\&times;L=0.001953549\mathrm{pF}/\mathrm{mm}$

这里，L变为圆柱体的轴向长度。类似公式10，交叉电容与电极的尺度无关，而只依赖于彼此面对的电极的轴向长度。这些属性被应用到传感器10，用于检测发电机的定子绕组是否吸收了湿气。 

换句话说，当使用交叉电容的原理时，发电机的定子绕组的表面与传感器之间存在的少量的介电质的影响是微弱的，且可以被忽略。 

当高电极、地电极、低电极、以及地电极被重复地设置为使用交叉电容的传感器的电极时，这些电极用作准交叉电容的电极。 

当这些电极以平面类型的电极被制成时，这些电极的结构变得简单了，易于实施对将要被测量的物体表面的紧密附着和屏蔽。 

图5是示出平面类型电极的结构的概念图。 

如图5中所示，平面电极基本上被构造成使得高电极和低电极被置于同一平面上。这样，如图5中所示形成电通量，并且上电极和下电极被设置成如传统技术中的那样彼此面对，这样，就可以解决传统技术中将要被测量的物体的厚度变为主要误差原因的问题。 

图6是示出挠性电极的概念图。 

这样，当在挠性材料的表面上形成平面类型的电极时，可以测量图6中的物体。换句话说，为了测量特定材料的介电属性，该材料就以平板的形式来制作，并且电极必须被形成在所述材料的表面上。然而，当使用该传感器10时，传感器10紧密地接触到物体的表面，以便可以直接测量介电常数。 

而且，为了本发明的可重复性和稳定性，测量装置使用了变压器比臂桥(transformer ratio arm bridge)，使用了1KHz的测量频率，并且使用了两端子对类型接线的测量设备。 

而且，当应用交叉电容器的原理时，存在如下所述的不同于使用平行板电容器的情况的特点和优点。换句话说，测量设备与制造公差、各电极 的尺寸、对称度以及电极的平行度无关，不受均匀性、平坦性以及电极表面的锈蚀的影响，而仅仅依赖于电极的轴向长度L。 

图7是示出针对准交叉电容器执行的仿真结果的概念图。 

当对彼此面对的电极之间的交叉电容进行测量时，另一对电极必须接地。为了将这种要求应用到传感器，当如图7中所示地以高电压电极、地电极、低电压电极、和地电极的顺序设置电极时，形成准交叉电容器的电极形状。然而，如公式10所表示的，单个交叉电容的输出是0.001953皮法/毫米(pF/mm)，该值用于处理电路中的信号就太小了。所以，为了增加输出电容，如图8中所示，设计了以高压电极、地电极、低压电极和地电极(H-G-L-G)的顺序而重复设置的电极。 

图8是示出使用电磁力来设计图2中的传感器而执行的仿真结果的概念图。 

在图8中，曲线表示使用通过场仿真来估计的值而绘制的等势表面。3.传感器的设计 

图9是示出在图2中的传感器中使用的各种交叉电容器的配置的剖面图。在图9中，图9a是示出使用交叉电容器的、整体传感器10的剖面图。 

这样，如图9a中所示，当电极被用作H-L电极时，电极被称为“单”电极。当电极被用作HH-LL电极时，电极被称为“双”电极。当电极被用作HHHH-LLLL电极时，电极被称为“四”电极。这是为了研发一种传感器，该传感器能够估计出：绕组的内部铜导体中的湿气穿透4.5毫米厚度的云母绝缘体，并存在于上部区域、中间区域和下部区域中的哪个位置中。尤其是，在电极单元之间插入了具有0.1毫米宽度的保护电极，以形成准交叉电容，并且同时，去除了相邻电极之间产生的杂散电容。 

图9b示出了当传感器的电极测量绝缘材料的电容时电极的厚度d1、d2和d3。图9c示出了单电极的厚度d1。图9d示出了双电极的厚度d2。图9e示出了四电极的厚度d3。 

因此，当根据厚度来测量发电机的定子绕组的绝缘体时，首先，如图9c中所示，传感器10变为单电极，以便测量与单电极的厚度d1相对应的电容。然后，如图9d中所示出的，传感器10变为双电极，以便测量与双电极的厚度d2相对应的电容。最后，如图9e中所示出的，传感器10 变为四电极，以便测量与四电极的厚度d3相对应的电容。 

图10是示出根据图9中的水层的位置变化的仿真结果的图。图10示出了场仿真结果。 

如图10中所示，在单电极中当水层从较低端增加至约3.5毫米时、在双电极中当水层从较低端增加至约2.5毫米时、以及在四电极中当水层从较低端增加至约1毫米到1.5毫米时，电容开始增加。 

图11示出了图2的用于测试水吸收的装置的实际结构的一个实例，其示出了两种类型的交叉电容，即：一种交叉电容器，其中，传感器驱动电路和传感器被设计在一起；以及一种交叉电容器，其中，传感器驱动电路和传感器被设计成彼此分离。 

在传感器10的设计中，如场仿真条件，为方便起见，云母的介电常数被设置为4，而水屏(water screen)的介电常数被设置为90。然而，实际上，当水被吸收进云母中时，云母的介电常数从4增加到约12。 

在通过场仿真确定了传感器10的最佳测量条件之后，使用制造挠性印刷电路板(FPCB)的工艺来制造如图11中所示的各传感器10。 

当传感器10的表面由刚性材料形成时，由于发电机的绕组的表面非常粗糙，当传感器10被连接到绕组的表面时，不可避免地存在空气间隙，从而产生测量误差。为了最小化该测量误差，传感器10被制作成挠性的传感器。在包括电极设备的传感器中使用继电器，以便自动选择单、双和四电极。 

另外，在传感器10的后表面中插入完全屏蔽的电极，以阻挡在后表面上产生的电场，以便可以仅仅测量传感器前表面上的云母特性。 

4.设计与传感器一起的用于驱动传感器的电路的情况 

4-1.测量电路的设计和制造 

图2是示出根据本发明第一实施例的、使用交叉电容测试发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收的装置的方框图。 

因此，如图2中所示，设计了将要被制造的比变压器桥(ratiotransformer bridge)。在所制造的测量系统中，用于驱动传感器的电路和传感器一起被安装单个金属封装中，以使杂散电容和电磁噪声的影响最小化，而能够根据菜单来设置、修改和输入测量结果的显示电路被安装在另 外制造的壳中。 

这样，当传感器被附着到发电机的定子绕组的每个表面时，自动地选择单电极、双电极和四电极，从而显示测量结果。当按压测量设备的按钮时，测量结果被储存。同时，传感器被连接到作为主系统40的个人计算机，以便由计算机来处理和分析数据。 

因此，传感器10根据厚度测量发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收的程度。 

水吸收测0试单元20对传感器10测量的发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收的程度进行处理。 

在水吸收测试单元20中，继电器电路21在传感器10和中央处理单元(CPU)30之间中继信号，以接收来自CPU30的选择信号，并允许传感器10自动地选择单、双和四电极。 

变压器桥22从用于中继传感器10的信号的继电器电路21接收由传感器10测量的信号，以分支所接收的信号。 

振荡器(OSC)23被连接到变压器桥22，以便提供本地振荡频率。 

移相器24基于从振荡器23接收的频率将从变压器桥22接收的传感器10的信号的相位移90度。 

第一放大器(AMP)25和第二放大器(AMP)26从变压器桥22接收由传感器10检测的信号，并将该接收的信号放大。 

第一检测器(AD/DC)27将由第一放大器25放大的传感器10的模拟信号转换成数字信号，以便将该数字信号提供给CPU30。 

第二检测器(AD/DC)28将由第二放大器26放大的传感器10的模拟信号转换成适合于移相器24的90度相移的数字信号，以便将该数字信号提供给CPU30。 

然后，AC/DC转换器29将振荡器23的模拟信号转换成数字信号，以便将这个数字参考信号提供给CPU30。 

然后，CPU30接收来自第一检测器27和第二检测器28的转换成数字信号的传感器10的信号、并接收来自AD/DC转换器29的参考信号，并执行对发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试。 

接口单元31使用RS-232方式将主系统40和水吸收测试单元20相 互连接起来。 

然后，主系统40可以通过水吸收测试单元20对由传感器10检测的、发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收的程度进行确定和管理。 

4-2.显示的功能 

图12是示出了图2中的装置的真实配置的图。 

在图12中，测量、数据显示、数据传输以及校准的主菜单被显示在测量系统的显示屏幕上，其将被详细描述如下。 

(1)测量 

这是输入电站、发电机和将要被测量的测量环境的信息以及启动该测量的功能。也就是说，全国的电站的名单被输入系统中，这样，就可以指定要被测量的电站，可以指定单元号码、测量的日期、绕组的温度、绕组号码以及测量的位置。测量的位置可以从CET-TOP、CET-OUT、CET-IN、CEB-OUT、CEB-IN、TET-TOP、TET-OUT、TET-IN、TEB-OUT和TEB-IN中选择。 

(2)数据显示 

这是对测量数据进行设置和显示的功能，如下。 

测量数据号码＝7 

Gen_1Measu：72 

CET-TOP温度：28℃ 

日期：2004.12.27.14:00 

(3)数据传输 

选择是否将被测量并被存储的数据移到PC。 

(4)校准

所制造的测量电路通过使用比变压器桥电路方法，将被用作参考电容器的电容器设备与作为要被测量的电容器的由传感器10测量的电容进行相互比较，确定电容和tanδ，以显示电容和tanδ。 

因此，传感器系统长时间地校准，以便总是获得校准的测量结果。 

4-3.封装的设计和制造 

图13是图2中的传感器的侧视图，其示出了封装的设计的一个实例。 

安装在电路板中的传感器设备被提供在封装中，以便可容易地使用该传感器设备。为了将挠性传感器紧密地附着到绕组的表面，在封装中提供了衬垫。传感器被弯曲，以便被插入并固定到印刷电路板(PCB)16的插座中。传感器后表面上的屏蔽板和传感器元件中的所有保护电极同时被连接到电路的地。 

在图13中，参考标记11、12、13、14、15和16分别表示按钮、传感器元件、衬垫、连接器、聚四氟乙烯(PTEE)板和PCB。 

5.设计与传感器分离的用于驱动传感器的电路的情况 

根据发电机的定子绕组的测量位置而改变传感器的尺寸和形状是有必要的。如图11中所示，改进了其中传感器驱动电路与传感器分离的传感器。 

从事下述对改进的研究，为的是解决在电站中发现的问题。 

(1)挠性传感器的长度从目前的70毫米减小到40毫米，以再设计和制造挠性传感器，并且，具有3毫米厚度的硅橡胶板被附着到挠性传感器，这样，挠性传感器可以直接连接到具有粗糙表面的绕组。 

(2)当传感器的长度被减小时，由于桥电路的内部标准电容器的值改变，传感器被再次制造和提供。 

(3)被提供到前述传感器的后表面的诸如桥电路和前置放大器电路的所有电路被移到前述封装。 

(4)通过同轴电缆，将传感器元件和电路之间的电接线相互连接，以便使外部噪声最小化。

6.检验 

6-1.现场检验 

图14是示出使用图2中的装置、对发电机的定子绕组的绝缘体执行水吸收测试的图。 

6-2.测量结果 

图15中示出了使用所制造的传感器在韩国Samcheonpo电站中的测量结果。 

图15是示出由图2中的装置测量的电容分布的图。 

可以如图15中所示使用传感器来根据厚度测量发电机的定子绕组被弯曲处的内侧和外侧并测量绕组的绝缘体的电容。 

6.3标准机构的检验 

为了检验所制造的传感器和系统，国家标准机构被邀请来验证这种测试装置。为了验证，制作了不受温度和湿度影响的陶瓷样品。 

图16是列出了在设计独立于传感器的、用于驱动图12中的传感器的电路的情况中的测量结果的表，而图17是列出了在设计考虑传感器的、用于驱动图12中的传感器的电路的情况中的测量结果的表。 

因此，在实验中，使用三种陶瓷样品和标准电容测量设备(AH2500)由所制造的系统测量的值被确定为如图16和图17中列出的偏移值和校正值C1，并且获得了校正值C1与当电路被连接到用于测试发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收的装置时获得的指定值C2之间的差。 

如图16和图17中所列出的，由于验证，可以获得极好的结果。 

如上所述，根据本发明，通过使用交叉电容、根据厚度确定发电机的定子绕组的绝缘体是否吸收了冷却水来检测差的绕组，以防止发电站被突然停止，从而降低用于维护的成本，并延长发电机的寿命。 

如上所述，在根据本发明的、使用交叉电容测试发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收的装置及其方法中，通过使用交叉电容、根据厚度确定发电机的定子绕组的绝缘体是否吸收了冷却水来检测差的绕组，以防止发电站被突然停止，从而降低用于维护的成本，并且延长发电机的寿命。

而且，由于根据本发明的、使用交叉电容测试发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收的装置及其方法被应用于发电站的测试，并且确定定子绕组是否吸收了冷却水，以便准备针对吸收了水分的绕组的对策，从而可以防止发电机被损坏，并改进发电站的可靠性。 

如果定子绕组被损坏，维修绕组需要花费长的时间。所以，通过确定绕组的绝缘体是否吸收了水，可以节省开支。 

尽管为了说明性目的已经公开了本发明的优选实施例，本领域技术人员将会理解，在不偏离如所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、增加和替换是可能的。

Claims (9)

1.一种使用交叉电容的用于发电机定子绕组绝缘体的水吸收测试的装置，其包括：

用交叉电容的传感器，其中，所述传感器包括单电极、双电极和四电极中的至少一个，以根据厚度来测量所述发电机的定子绕组的绝缘体的电容和电介质正切，所述电极具有平面类型，其中高电极、地电极、低电极和地电极被重复地设置；以及

水吸收测试单元，其使用所述传感器来执行所述发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试。

2.如权利要求1所述的水吸收测试的装置，其中，所述传感器是通过在各电极之间插入保护电极而制成的。

3.如权利要求1所述的水吸收测试的装置，其中，所述传感器包括单电极、双电极和四电极，以根据厚度来测量所述发电机的定子绕组的绝缘体的电容和电介质正切，所述电极被设置成平面类型的形式，当根据所述厚度测量所述电容和所述电介质正切时，所述传感器首先变为单电极来测量与所述单电极的厚度相对应的电容，然后所述传感器变为双电极来测量与所述双电极的厚度相对应的电容，以及最后，所述传感器变为四电极来测量与所述四电极有关的厚度相对应的所述四电极的电容。

4.如权利要求1所述的水吸收测试的装置，其中，所述传感器如下面的公式来设置交叉电容，

exp(-πC_ac/Lε₀)+exp(-πC_bd/Lε₀)＝1

这里，C_ac和C_bd是彼此面对的电极之间的静电电容，L是圆柱体的轴向长度，而ε₀是真空中的介电常数。

5.如权利要求1所述的水吸收测试的装置，其中，所述水吸收测试单元包括：

继电器电路，其用于在所述传感器和CPU之间中继信号；

变压器桥，其用于通过所述继电器电路接收来自所述传感器的信号，并分支所述信号； 

振荡器，其被连接到所述变压器桥，以提供本地振荡频率；

移相器，其用于根据从所述振荡器接收的频率将从所述变压器桥接收的来自所述传感器的信号的相位移相90度；

第一放大器和第二放大器，其用于从所述变压器桥接收由所述传感器检测的信号，并将所述信号放大；

第一检测器，其用于将由所述第一放大器放大的所述传感器的模拟信号转换成数字信号；

第二检测器，其用于将由所述第二放大器放大的所述传感器的模拟信号转换成所述移相器的90度相移所要求的数字信号；

模/数转换器，其用于将所述振荡器的模拟信号转换成数字信号；

CPU，其用于接收由所述第一检测器和所述第二检测器转换成数字信号的所述传感器的信号、以及接收来自所述模/数转换器的参考信号，并用于执行所述发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试；以及

接口，其用于将主系统连接到所述水吸收测试单元。

6.如权利要求5所述的水吸收测试的装置，其中，所述CPU通过所述继电器电路自动地切换和选择所述传感器的单电极、双电极和四电极。

7.如权利要求5所述的水吸收测试的装置，其中，所述水吸收测试单元包括被连接到所述CPU的显示器，以便显示由所述CPU测量的结果。

8.如权利要求5所述的水吸收测试的装置，其中，所述显示器选择和显示作为主菜单的诸如(1)测量、(2)数据显示、(3)数据传输和(4)校准的菜单中的至少一个。

9.一种使用交叉电容进行用于发电机定子绕组绝缘体的水吸收测试的方法，其包括：

通过以下方式来感测所述发电机的定子绕组的绝缘体的状态的第一步骤：顺序地测量与单电极的厚度相对应的电容，其中当基于厚度来测量所述发电机的定子绕组的绝缘体时传感器用作所述单电极；测量与双电极的厚度相对应的电容，其中所述传感器用作所述双电极；以及测量与四电极的厚度相对应的电容，其中所述传感器用作所述四电极；以及

基于在第一步骤中所检测的状态来执行用于所述发电机的定子绕组的绝缘体的水吸收测试的第二步骤； 

其中所述传感器使用交叉电容的理论，并且包括所述单电极、所述双电极和所述四电极，以测量针对所述发电机的定子绕组的绝缘体的各个厚度的电容和电介质正切，并且所述电极被设置为平面形式。 

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