CN102246054A - 用于探测电机的定子叠片组中短路的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于探测在电机或发电机的定子(1)的叠片组(5)中的匝间短路的装置和方法。借助于辅助线圈和辅助电流磁化用于测量的定子(1)并且利用拾波装置(S1，S2，S3)测量磁场(7，B)。拾波装置(S1，S2，S3)具有至少两个探测器(S1，S2)，它们布置在两个相对于转子轴(3)不同径向位置上，同时在所述两个相对于转子轴(3)不同径向位置上测量磁场(7，B)。以大小和/或特别是相位来评估并且相互比较两个在所述不同位置测量的信号(10)，用于探测匝间短路。

Description

用于探测电机的定子叠片组中短路的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于探测在电机或发电机的定子的叠片组中的匝间短路的装置和方法。借助于辅助线圈和辅助电流磁化用于测量的定子并且利用拾波装置测量磁场。本发明还涉及一种用于探测电机、特别是大型发电机的定子叠片组中层间的短路的方法和装置。
背景技术
司空见惯的是，在静止状态对大型发电机和电动机进行叠片短路(Blechschluesse)的检查。对此提供了不同的方法。
其中一种方法包括借助于辅助线圈在电网频率下磁化整个叠片体并且测量在定子孔内表面上的漏泄场。该磁化实现了磁感应相对较低的值，典型的是正常工作感应的大约10％。该测量方法也以名称“低感应-叠片短路测量”所公开，在英语地区中称为“ELCID”。例如在US 4,996,486中描述了这种装置。本发明涉及低感应-测量方法的改进。WO03/036287说明了一种类似的装置，其中在此组合地评估相位信息和振幅信息。
现有技术，即例如借助于辅助线圈和辅助电流利用电网频率将定子-叠片组磁化到工作感应的大约十分之一。
然后利用电拾波线圈(Aufnahmespule)经过定子孔的表面，其中拾波线圈位于叠片组表面附近。
和叠片组的层间短路有联系的电流现在在拾波线圈中感应了具有特征性的相位和振幅的电压。基于这种特征性的相位和振幅可以将具有叠片短路电流的地方和没有叠片短路电流的地方区分开。因此可能的是，借助于该漏泄场-拾波线圈对叠片短路定位并且判断该短路电流的大小。
在此方法中不利之处在于，有时难于对测量结果进行解释，这是因为由叠片短路电流感应的电压大多非常小。特别是定子-主场的强漏泄场也或者有损耗的附加场可以遮盖通过故障位置真正短路电流的影响并且因此难于探测，该附加场例如通过在短路的导体回路中感应的电流得以实现。尤其对于小的、仅仅引导小的电流并且仅仅具有小的磁效应的叠片-故障，情况是这样。如果为了检查并不移除转子，那么特别在检查液力发电机时产生干扰的附加场，从而使各个极施加磁效应。
发明内容
因此本发明的目的在于，对开头说明的方法进行改进，或者提出一种用于执行这种方法的改进装置。尤其是，还涉及改进用于探测在电机或发电机的定子的叠片组中的匝间短路的装置或方法，其中借助于辅助线圈和辅助电流磁化定子并且利用拾波装置(Aufnahmevorrichtung)测量磁场，其中拾波装置包括至少两个探测器，它们布置在两个相对于转子轴不同径向位置上，同时在所述两个不同径向位置上测量磁场，其中在大小和/或相位方面来评估并且相互比较两个在所述不同位置测量的信号，用于探测匝间短路。
该目的的解决方法由此实现，即通过差值形成来确定所述至少两个信号的相对大小和/或相对相位，并且仅仅记录信号中的相对区别。
因此本发明的核心在于，通过两个信号的差值形成在一定程度上放弃了绝对测量并且仅仅记录信号中的相对区别。完全适宜地，两个探测器(通常是线圈)一般并不彼此电分离。因此在一定程度上去除干扰的附加场，并且因此显著简化诊断。现有技术中总是仅仅涉及，通过提出的装置实现对短路的径向定位(这就是说已经知道哪里短路，这利用其它方法来确定，并且随后确定其深度)，与现有技术不同，本发明允许使用提出的方法或提出的装置、用于识别短路(即用于回答究竟哪里短路的问题)的方法，并且不仅在已经识别并且定位断路，以便在第二步骤中确定其径向位置时。因为常规的方法不能进行直接差值形成并且相应地不能补偿，因此不适于对短路大面积地识别/定位，而仅仅适合在已经获悉故障位置时，在该故障位置上确定叠片组中的故障深度。特别地，在其中具有大漏泄磁场的液力发电机的领域中，根据现有技术的方法仅仅允许困难地确定深度并且绝不允许对故障位置识别/定位，与此不同，利用提出的方法，这能够良好地实现。尤其是当大量传感器微型化地和前置放大器/运算放大器组合直接布置在传感器头中的情况下。优选地，基本上在相对于转子轴的径向方向上相叠地布置至少两个探测器。此外优选地，探测器是电线圈，该电线圈的取向使得电线图主要测量磁场的相对于定子孔圆柱形内表面相切的、垂直于转子轴方向的场分量。换而言之，优选地涉及一种如在US 4,996,486中说明的结构，相应地鉴于原则上的结构方式明确地参照该文献，并且纳入了其公开内容。在执行这样的方法时，优选地，以轴向和/或周向的方式基本上直接沿着定子孔圆柱形内表面引导拾波装置和/或辅助线圈，并且由两个在不同位置测量的信号在相对大小和/或相对相位方面突然出现的改变来推断匝间短路，其中可以图形地和/或自动化地进行相应评估。优选地，相同地设计两个探测器并且特别优选地直接相叠放置。
根据本方法的第一优选实施方式，探测器之一的信号用作基准信号用于差值形成。
此外，证明为有利的是，为了评估或分析，使用极坐标图中的线圈电压在数值差和相位差方面的图示，其中优选地示出或分析大量的测量点。
当通过差值形成直接在拾波装置中确定至少两个信号的相对大小和/或相对相位时，差值形成可以特别有效地实现。如下情况是，这在构造上能够特别可靠地实现，即当，如优选的一样，至少两个探测器以优选为相同线圈的形式彼此反向串联。原则上可能的是，分接的电压差首先从电机引出并且例如直接经过ADC传导并且随后在测量计算机中评估。但是因为电压差或相位差是典型的非常小的信号，因此证明为有利的是，直接在拾波装置中进行至少一个第一前置放大。因此证明为有利的是，当通过该串联电路产生的电压差通过布置在拾波装置中的放大器放大时。
根据本发明的方法的另一个优选的实施方式的特征在于，两个同向串联的线圈的电压经过优选地能电子调节的调整电阻来分接并且输送给放大器。因此可能的是，最佳地调节差值形成，即尽可能地避免可能存在的DC偏置。
当然可能的是，相叠地布置多于仅仅两个探测器，以便实现更加精确地在径向方向上测量磁场的梯度。因为对于确定匝间短路来说重要的恰恰是该梯度，因此相应地在一定条件下优选的是，例如相叠地布置至少三个探测器，其中这些探测器分别优选地成对地反向彼此串联。同样可能的是，不仅评估差值形成，而且附加地还评估仅仅一个探测器的信号，其中然后在一定条件下可以对差值和所述一个探测器的信号进行组合分析。
此外本发明涉及一种用于执行上述方法的装置。该装置特别优选的特征在于，布置了具有至少两个探测器的拾波装置，其中探测器布置在两个相对于转子轴不同径向位置上，以及同时在所述两个相对于转子轴不同径向位置上测量磁场，并且布置评估单元，该评估单元在大小和/或相位方面来评估和/或相互比较两个在所述不同位置测量的信号，用于探测匝间短路，其中通过差值形成来确定至少两个信号的相对大小和/或相对相位。
根据一个优选的实施方式，该装置的特征在于，至少两个探测器基本上在相对于转子轴的径向方向上相叠地布置。此外优选可能的是，至少两个探测器以优选为相同线圈的形式彼此反向串联，并且通过差值形成直接在拾波装置中确定至少两个信号的相对大小和/或相对相位，其中放大通过串联电路产生的电压差的放大器优选地布置在拾波装置中。此外，在拾波装置中可以布置优选为能电子调节的调整电阻，经过该调整电阻分接两个同向串联的线圈的电压并且输送给放大器。
在从属权利要求中说明了本发明其它有利的实施方式。
附图说明
以下应借助实施例结合附图详细说明本发明。图中示出：
图1是穿过叠片组的纵截面，即轴向相对于转子轴的截面；
图2是穿过定子叠片组的横截面，即垂直于转子轴的面中的截面；
图3是在探测线圈中感应的测量电压对于不同情况的矢量图；
图4是差分场传感器；
图5是具有共模调整电位计的差分场传感器；
图6是具有三个探测线圈的差分场传感器；和
图7是用于测量差信号和线圈单个信号的差分场传感器。
具体实施方式
以下应借助于提到的附图根据实施例说明本发明。实施例用于对本发明的可执行性进行图解，但它们不应用于以限定的方式呈现如在随附权利要求中定义的保护范围。
此外，新颖方法的特征尤其在于，由至少两个磁性敏感的探测器S1，S2组成的元件用作用于探测匝间短路的探测器，至少两个磁性敏感的探测器S1，S2邻近且相叠地布置，在垂直于叠片组表面的方向上测量，或者在定子孔2的径向方向上邻近且相叠地布置。典型地涉及两个电线圈，它们相叠地布置并且它们的取向使得它们主要测量横向于孔轴的切向场分量。一种这样的布置例如由US 4,996,486所公开。在大小和相位方面来评估和相互比较由这些元件S1，S2产生的、分别表征由其测量的磁场的信号。
新方法的基础现在是如下知识，即由叠片短路产生的磁场B(比较图1和2)在朝向转子轴3的径向方向上并且接近定子孔表面非常不均匀，即接近表面的轴垂直的切向分量(die achsennormaleTangentialkomponente)在径向方向上剧烈改变。这特别适于如下叠片短路，其直接位于定子孔表面上，而这种情况是经常的。与此不同，例如定子场的漏泄场或并不由局部短路直接在定子表面上引起的场示出在径向方向上均匀得多的分布。
通过比较现在确定，由两个或更多个磁性敏感的探测器S1，S2产生的信号是否至少在相位方面彼此显著地不同，或者它们是否在相位和振幅方面近似相等。显著的区别解释为叠片短路的指示。
因此，磁感应的强径向位置相关性用于识别叠片短路。
有利地，在这些方法中产生效果的是，通过各个磁性敏感的探测器适合的尺寸大小(Dimensionierung)或通过适合的信号处理几乎可以抑制均匀磁场的影响。
为了说明，在如图1至3中的实例中，说明了一般情况。图1在中央轴向的截面中示出了定子1和定子的孔2。图1示出了两个在横截面中相叠放置的探测器线圈S1和S2，并且示出了(沿着转子轴3的)纵截面中的叠片组5，叠片组垂直于附图平面放置。图2示出了相同的布置，然而作为横向于转子轴的截面。示意性地示出短路电流6。因此直接在叠片组5的表面上方布置了由两个探测器线圈S1和S2组成的拾波装置。短路电流6感应出磁场7，其在图2中示意性地利用圆形箭头示出并且利用参考标号B标明。由此可以识别，磁场强度或磁通量具有与各个探测器和定子孔2表面间距d的强相关性。
因此由图2显而易见的是，
●在垂直于叠片组孔表面的方向上测量，两个线圈S1和S2邻近且相叠地布置，
●由电流6通过叠片短路产生的磁场7具有强径向相关性，即如果短路位于表面，则该磁场7的磁感应的大小与和孔表面的距离强相关。
图3示出了电流和电压的矢量图。图3特别示出了在探测线圈中感应出的测量电压U_MEAS的矢量分布。该电压可以分为三个主分量：一个分量直接由励磁电流感应而成(UM1，励磁电流-电压)，另一个(UM2，铁芯-漏泄电压)通过定子主场的漏泄场形成，第三分量(UM3，故障电流-电压)由短路电流6感应而成。
在这些分量中，UM3尤其与到叠片表面的距离强相关，另外两个分量和线圈的径向高度位置较不相关。在良好地近似的情况下，可以说，对于两个线圈S1和S2相同的几何构造(匝数，横截面)而言，由短路电流产生的电压UM3根本不同。
换而言之，如果在线圈下方没有叠片短路，则两个测量电压或其矢量几乎相等。如果线圈在故障位置上定位，则两个矢量主要在分量UM3方面不同。
该知识现在允许以下的评估方法或为此使用的装置：
●测量和评估在两个线圈的测量电压之间的相位角：
两个信号的增强的、局部变大的相位差指示层间的叠片短路。典型地，为了该测量而将其中一个线圈的测量信号用作基准信号。另一个信号和该基准信号的相位偏差被记录，其中两个线圈在轴向方向上沿着定子孔运动。任何相位角“偏移”可以在无故障的位置上作为以上情况容易地识别，并且因此也被校正。
●在极坐标图中示出了其中一个线圈电压，在数值和与其它线圈电压的相位差方面，其中又示出大量测量点。
●借助于布置在孔表面的导线回路和通过该回路流过的校准电流校准测量装置。
●测量两个线圈电压并且将这些值相减：为此分开测量两个线圈电压，然后将两个测量值相减。可以在相位和振幅方面记录产生的差值(其又取决于轴向位置)，并且在极坐标图中示出产生的差值。在故障位置处出现电压差增强的相位偏差和振幅偏差。
●直接在传感器中将测量值相减：为此根据图4将两个相同的线圈S1，S2反向彼此串联，对此仅仅通量差生成输出电压。通常非常小的电压差仍通过放大器9直接在传感器中放大。这种布置的优点在于，漏泄场较小地影响已经放大的测量信号。
●利用调整可能性直接在传感器中将测量值相减：为此根据图5将两个相同的线圈S1，S2同向彼此串联，并且经过调整电阻11分接电压。这种装置在均匀场中调整，使得仅仅通量差生成输出电压。通常非常小的电压差仍通过放大器9直接在传感器中放大。例如能电子调节的电位计可以用作调整电位计，其例如借助于串联的数据传输进行调节，
●根据图6具有多个探测器线圈、例如三个线圈S1，S2，S3的布置：通过同向串联直接将测量值相减并且借助于两个放大器9和9′进行放大。该配置还允许更精确地确定场梯度。
总结
该方法和装置的特征尤其在于，
●为了探测层间的叠片短路而根据接近定子孔表面的径向高度来测量磁通量差或磁通量切向分量的改变；
●磁通量的相位和振幅根据径向高度增大的改变评估为叠片短路的指示，
●为了测量通量改变，2个或更多个磁性敏感的、主要测量切向通量的探测器在径向方向上相叠地布置(间距典型地在1-4mm的范围内)，
●通过测量两个探测器信号的相位差来确定叠片短路的存在，
●每2个相同的探测器反向电串联，其中构成示出通量差的差信号，
●每2个探测器经过能调节的电阻网互连，使得可以缩小由均匀磁场感应出的电压，
●直接在探测器位置处形成信号差，并且借助于放大器放大信号差。
参考标号表
1 定子
2 定子孔
3 转子轴方向
4 探测器线圈的横截面
5 叠片组
6 短路电流
7 通过短路电流产生的磁场
8 地(GND)
9 放大器
9′ 考虑到第三线圈的其它放大器
10 探测器信号，差信号
10′ 对于第三线圈的其它探测器信号，差信号
11 调整电阻，电位计
12 单个线圈S2的探测器信号
S1 探测器，第一线圈
S2 探测器，第二线圈
S3 探测器，第三线圈
d 到定子孔内面的距离
B 磁场
U_MEAS   具有叠片故障的测量电压
U_MEAS′ 没有叠片故障的测量电压
UM1 励磁电流-电压
UM2 铁芯-漏泄电压
UM3 故障电流-电压
I_IN 励磁电流
U_LOSS 电压损耗，欧姆电缆损耗
U_IN 输入-励磁电压
R 欧姆电阻，可变

Claims (15)

1.一种用于探测在电机或发电机的定子(1)的叠片组(5)中的匝间短路的方法，其中借助于辅助线圈和辅助电流磁化所述定子(1)并且利用拾波装置(S1，S2，S3)测量所述磁场(7，B)，其中所述拾波装置(S1，S2，S3)借助至少两个布置在两个相对于所述转子轴(3)不同径向位置上的探测器(S1，S2，S3)同时在所述两个相对于所述转子轴(3)不同径向位置上测量所述磁场(7，B)，其特征在于，在大小和/或相位方面来评估并且相互比较所述两个在所述不同位置测量的信号(10)，用于探测匝间短路，其中通过差值形成来确定所述至少两个信号的相对大小和/或相对相位，并且仅仅记录所述信号中的相对区别。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个探测器(S1，S2，S3)基本上在相对于所述转子轴(3)的径向方向上相叠地布置。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述探测器(S1，S2，S3)是电线圈，所述电线圈的取向使得所述电线圈主要测量所述磁场(7，B)的相对于所述定子孔(2)圆柱形内表面相切的、垂直于所述转子轴(3)方向的场分量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以轴向和/或周向的方式基本上直接沿着所述定子孔(2)圆柱形内表面引导所述拾波装置(S1，S2，S3)和/或所述辅助线圈，并且由所述两个在所述不同位置测量的信号(10)在相对大小和/或相对相位方面突然出现的改变来推断匝间短路，其中可以图形地和/或自动化地进行相应评估。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述探测器(S1，S2，S3)之一的所述信号用作基准信号。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了评估或分析，使用极坐标图中线圈电压在数值差和相位差方面的图示，其中优选地示出或分析大量的测量点。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过差值形成直接在所述拾波装置中确定所述至少两个信号的相对大小和/或相对相位，其中优选地，所述至少两个探测器以优选为相同线圈(S1，S2，S3)的形式彼此反向串联。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过布置在所述拾波装置中的放大器(9)放大通过所述串联电路产生的电压差。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个同向串联的线圈(S1，S2，S3)的电压经过优选地能电子调节的调整电阻(11)而分接并且输送给放大器(9)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，至少三个探测器(S1，S2，S3)相叠地布置，这些探测器分别成对地反向彼此串联。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，附加地同时评估仅仅一个探测器(S1，S2，S3)的所述信号。
12.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的装置，其特征在于，布置具有至少两个探测器(S1，S2，S3)的拾波装置，其中所述探测器(S1，S2，S3)布置在两个相对于所述转子轴(3)不同径向位置上，以及同时在所述两个相对于所述转子轴(3)不同径向位置上测量所述磁场(7，B)，并且布置评估单元，该评估单元在大小和/或相位方面评估和/或相互比较所述两个在所述不同位置测量的信号(10)，用于探测匝间短路，其中通过差值形成来确定所述至少两个信号的相对大小和/或相对相位。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述至少两个探测器(S1，S2，S3)基本上在相对于所述转子轴(3)的径向方向上相叠地布置。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少两个探测器以优选为相同线圈(S1，S2，S3)的形式彼此同向串联，并且通过差值形成直接在所述拾波装置中确定所述至少两个信号的相对大小和/或相对相位，其中放大通过所述串联电路产生的电压差的放大器(9)优选地布置在所述拾波装置中。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，在所述拾波装置中布置了优选为能电子调节的调整电阻(11)，经过该调整电阻分接所述两个反向串联的线圈(S1，S2，S3)的电压并且输送给放大器(9)。
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