CN1044746C - 对来自大型电机中高频电磁场的高频故障信号的输出耦合 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有带一个电绕组(1、2)和配置有至少一个温度传感器(3、4)的定子(5)的大型电机中高频电磁场的高频故障信号的输出耦合。根据本发明，高频故障信号可由用作天线的温度传感器(3、4)接收。按这种方法，用于故障信号的输出耦合的部件用得很少，所以可以使用多个温度传感器(3、4)来测定引起故障信号的故障(15)的位置。本发明可以用特别简单的方法对大型电压中的故障进行识别和位置测定。

Description

对来自大型电机中高频电磁场的高频故障信号的输出耦合
本发明涉及在装有定子绕组的大型电机中对来自高频电磁场的高频故障信号进行输出耦合。
本发明在此特别涉及大型电机的运行监控，首先是对故障进行识别和位置测定。具体地说是涉及对在大型电机运行时导致火花的故障进行识别和位置测定。
本发明意义上的大型电机应理解为大型发电机，如电功率为50MVA甚至更高的涡轮发电机。
对具有大型电机的设备中的故障进行识别和位置测定以提高设备利用率，和尽可能及早地，如有可能甚至能预见并且最好在正常运行时判断出故障已越来越受到人们的关注。因此在越来越多的领域中使用价格合理的数字计算设备来分析处理来自复杂的监控系统的信号有着重要的意义。
在电气设备，特别是在装有大型电机的设备中，有关对故障进行识别和位置测定的方法和装置已由德国专利DE-3408256C2,DE-3526149A1,DE-3918116A1，欧洲专利EP-0228613B1及EP-0241764B1所公开。从这些专利说明书中既可看到具有高频故障信号分析处理功能的对电气设备的故障进行识别与位置测定的全部系统，又可看到对来自大型电机高频电磁场的高频故障信号进行输出耦合的个别部分。
美国专利4949001证实了在大型电机特别是涡轮发电机的定子上有局部放电现象。该专利根据定向耦合器的类型把按带状导体技术构成并作为高频故障信号输出耦合天线的测量传感器安装在定子上，并用相应的导线将传感器与数据分析处理装置连接起来。为避免不断重复，在此将所引用的全部文献的内容进行综合明确地说明。
对来自大型电机的高频信号进行输出耦合时，重要的一点是尽可能好的利用本来已有的部件和设备，以便不用附加部件就能削弱由于故障或类似的原因引起的高频电磁场或使其完全屏蔽。此外，从经济的观点看，过于复杂的传感器系统可能很不利。最后，在相应地考虑大型电机的负载能力和效率的同时还应充分保证运行监控系统的位置。
因此，本发明的任务是提供一种只用原来已有的设备对大型电机的高频故障信号进行输出耦合的可能性。为此，将对所用的方法和装置加以说明。
根据本发明，在装有带电定子绕组和装有至少带一个温度传感器的定子的大型电机中对来自高频电磁场的高频故障信号进行输出耦合的方法的基础是，将温度传感器作为故障信号输出耦合的天线。
根据本发明，对高频故障信号的输出耦合只使用现已有的监控设备，即使用至少装有一个温度传感器的工作温度监控设备。在此，所涉及到的特殊类型的温度传感器是指这种温度传感器应适合作为高频信号的天线使用。这首先意味着，温度传感器至少应具有足够的局部导电性和不太小的尺寸。这当然是指使用普通温度传感器的情况。因此，需多次使用的装有热敏电阻的温度传感器起码应配置若干厘米长的导线；此外，对整个温度传感器而言，该传感器上包有金属套管或类似部件，而且该传感器可以用任何方式驱动。因此，安装这种温度传感器是特别有利的，因为它始终位于大型电机定子绕组(产生高温)的附近，也就是产生火花的最关键的部件附近。与此相应，通常供温度传感器接收的信号强度是没有问题的，因为在尽可能靠近故障源的地方，通常在温度传感器周围具有非常强的高频电磁场，由此而保证了故障信号具有能被温度传感器接收到的足够强度。此外，在大型电机中由温度传感器测得的温度一时只有很小的变化，这种很低的低频信号实际上被视为零点频率信号，因此对温度信号和高频故障信号进行区分并不困难。
使用本发明范围内的电驱动温度传感器的优点是，上述这种温度传感器是由直流电流或直流电压驱动的。有一种温度传感器特别适用，它带有位于大型电机定子上的敏感元件，该元件与从定子中引出的导线相连。在这种温度传感器中，导线直接起天线的作用，特别是起四分之一波长的天线作用。用这种温度传感器可获得高频故障信号，而这种高频故障信号不会影响获取温度信号的敏感元件。例如从该敏感元件上引出两条相互扭绞在一起的导线，将这种同相搭接的导线用于输出高频故障信号，此外，该导线的作用如同一根单独的天线，而敏感元件由于其自身的结构对故障信号根本不起作用或起很小作用。实践证明，这种敏感元件对故障信号不起作用，因为它只是一种占很小空间的带有热敏电阻的电阻元件。在各种情况下，最好是同时接收故障信号和温度信号，然后接着使这些信号退耦。只要温度信号是低频信号，尤其是直流电流信号或直流电压信号，那么这种方法就是非常简单易行的。
本发明方法特别合理的改进特征在于，在大量大型电机中把现有的温度传感器当作天线使用。最好的方式是，将多个温度传感器实际上均匀地布置在定子上，从而对温度传感器得到的故障信号互相比较，以便对大型电机中所产生的故障进行测量定位。这种布局得到了很好的实际应用，即在大型电机中，当高频电磁场扩展时，场强被极大地削弱，因此和某一位置上出现的高频电磁场同时获得的故障信号的强度主要取决于输出耦合使用的温度传感器的位置。因此可以对足够多的温度传感器所得到的故障信号的强度(在按相定位的情况下)进行计算以确定产生故障信号的位置。
根据本发明，在装有带电定子绕组的大型电机中，用于对高频电磁场的高频故障信号进行输出耦合的装置包括至少一个装在定子中且作为天线并带有导线(从定子中引出)的温度传感器，并包括一个具有输入端、第一输出端和第二输出端的天线共用器，该共用器使故障信号从温度信号中退耦，在天线共用器的输入端上接有导线，其第一输出端提供温度信号而在第二输出端提供故障信号。
本发明的装置产生故障信号，该信号由定子上装的温度传感器接收，并且同样从温度传感器的温度信号中退耦。如上所述，温度传感器最好是电驱动的，并提供作为温度信号的低频信号，最好是直流信号。在这种情况下，天线共用器最合适的布置方式是，将其第一输出端作为低通滤波器，而第二输出端作为高通滤波器。也就是说，天线共同器的输入端向第一输出端输送低频信号，而向第二输出端输送高频信号。当然，必要时可将天线共用器的输出端与其他滤波器，特别是高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器相连接。显然也可将其与放大器和其他信号处理装置相连。
本装置非常合理的改进特征在于，绕组包括位于定子槽中的绕组包，和设在槽中心的温度传感器。利用这种方法，可以使温度传感器在出现火花等现象的绕组上直接相邻，这样就能保证温度传感器周围有很强的高频电磁场，并且能保证由温度传感器接收的故障信号具有足够的强度。最好是把每两个绕组包重叠地放在一个槽中，同时在它们之间设置一个电绝缘中间层，且将温度传感器置于绝缘中间层中。按照此方法，温度传感器对槽中的两个绕组包所产生的高频电磁场很敏感，而且由于温度传感器位于电绝缘层中，所以高频电磁场能较好地在该层中扩展。
也可以这样，即如果将温度传感器作为产生温度信号的真正敏感元件，那么该元件是带有热敏电阻的电阻元件。
最好是在本装置中设置多个用于提供温度信号和故障信号的温度传感器，而且最好将这些温度传感器均匀地布置在定子上。
本发明以特别有效的方式证实了大型电机中的火花现象，并由此根据温度传感器上出现的高频故障信号对火花作出判断，特别是本发明能很好地对故障进行识别和位置测定。
本发明输出耦合的高频故障信号的最好频率范围是1兆赫至300兆赫，尤其是3兆赫至100兆赫之间。已经证明，具有这种频率的高频故障信号特别适合于具有普通几何尺寸的温度传感器。
下面根据附图对本发明的实施例作详细说明。为了清楚地说明某些特征而将附图作了局部示意性的和/或未按比例的绘制。特别是附图中未示出一些公知的和在此关系不大的部件。在附图中：
图1表示装有本发明所用温度传感器的大型电机的轴向纵截面图；
图2表示图1所示电机的径向横截面图；
图3和图4表示本发明所述温度传感器的实施例；
图1表示沿轴13剖开的带有一个定子5和一个(装在定子5的槽中且能绕轴13旋转的)转子12的大型电机的纵向截面图，定子5带有槽10(见图2)，槽中装有两个作为电绕组部件的绕组包1、2。每个绕组包1、2均具有平直部分1，该部分位于槽10中，还具有两个弓形部分2，它们分别与平直部分1的各端相连。弓形部分2向槽10外延伸并与各绕组包相互连接。在平直部分1之间有一个绝缘材料制成的中间层11。在定子5的每一个端部的绝缘层上设置有温度传感器3、4，该温度传感器3,4带有敏感元件，特别是带有热敏电阻的电阻元件的敏感元件3，和一从定子5中引出且与用于温度信号和故障信号分析处理的信号处理装置相连的导线4，所述信号处理装置在图1中未示。设置两个温度传感器3、4可以对故障15的位置进行测定，该位置是在大型电机运行时，在例如局部放电处出现火花的位置。如图所示，由于故障15实际上离左边的温度传感器3、4近一些，所以在左边的温度传感器3、4中出现的故障信号要大一些。从这个简单的例子中可以看出，故障15的位置是可以确定的。这种故障信号测定系统有利于对其他温度传感器，特别是定子5中部的温度传感器进行补充。
还应指出，图1中未对大型电机的所有普通特征进行描述。定子5用一个实心块表示，这种表示方法并不完全符合一般的实际情况。对装有绕组包1、2的槽的封闭方法也未加说明。此外，所示的图形尺寸不是按比例绘制的。因此应该根据本领域普通专业人员的一般专业知识对图1和其他附图进行更进一步的理解。
图2表示图1所示电机的轴向垂直横截面图。定子5上具有槽10，将绕组包1、2的平直部分1插入到槽10中。所示的3个槽10是大型电机中常见的、典型的槽10。每个槽10中放置两个相叠的平直部分1，而且在平直部分之间插入一个绝缘层11。在每个中间绝缘层11中设有一个用导线连接的敏感元件3。
图3和图4表示两个可作为天线使用的温度传感器的实施例，该传感器包括，敏感元件3，该元件最好是由热敏电阻构成的电阻元件，导线4和将温度信号中的故障信号退耦的天线共用器6。如图3所示，导线4与同轴电缆16相接，而且导线4的一端接在内导体上，另一端接在外导体上，外导体自身接地。通过同轴电缆16可以将温度传感器接收到的温度信号和故障信号的混合信号送至天线共用器6的输入端7。在天线共用器6中实现对温度信号中的故障信号进行退耦的过程。温度信号由输入端7通过构成能使低频信号通过的低通滤波器的线圈18送至天线共用器的第一输出端8，而故障信号由输入端7通过电容器17到达天线共用器6的第二输出端9。电容器构成一个高通滤波器，该高频滤波器只能使高频信号通过。通过天线共用器6的第二输出端9可将故障信号送至未示出的分析处理装置。由敏感元件3与导线4构成的作为高频故障信号天线的温度传感器发挥的真正作用实际上取决于故障信号的频率与温度传感器的几何尺寸；但是，图3所示的温度传感器实际上实现了在大型电机中高频电磁场的电容耦合。
图4表示另一种结构的温度传感器，在这种温度传感器中，与敏感元件3相连的导线4实际上可当作对高频信号起电感作用的天线使用。图4所示的温度传感器接在具有接地外导体的两个同轴电缆16上。导线4与同轴电缆16的内导体相接。天线共用器6的输入端7与两个同轴电缆16相接。用变压器19对温度信号中的故障信号进行退耦。与输入端7相连的变压器19的初级绕组有一个中间抽头或者是用双线缠绕，但其中有一个相当于中间抽头的接线。用于输出低频温度信号的第一输出端8接在初级绕组的中间抽头上。高频故障信号从变压器19输送到次级绕组上，并从该次级绕组进入天线共用器6的第二输出端9。与第二输出端9相接的是信号分析处理装置14，该装置本身可带有其他滤波器，且在该装置中可对故障信号进行分析处理。这种分析处理的方式与方法符合特殊情况的要求，特别是能够分析处理大型电机中的故障。为了显示这些故障而在分析处理装置中设置了一个显示元件20，例如图中所示的显示灯。
本发明用非常简单和可靠的方法实现了对大型电机中高频电磁场的高频故障信号的输出耦合，特别是解决了对火花等故障的识别和位置测定。

Claims (23)

1．一种用于对带有电绕组(1、2)和至少设有一个温度传感器(3、4)的定子(5)的大型电机中的高频电磁场产生的高频故障信号进行输出耦合的方法，其特征在于，该温度传感器(3,4)包括一从定子(5)中引出且与用于温度信号和故障信号分析处理的信号处理装置相连的导线(4)，该导线(4)被用作为对故障信号进行输出耦合的天线使用。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于获得温度信号的温度传感器(3、4)也是电驱动的。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于，向用于获得温度信号的温度传感器(3、4)提供直流电流或直流电压。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，温度传感器(3、4)设有一个位于定子(5)中的敏感元件(3)，该敏感元件与从定子(5)中引出的导线(4)相连。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，同时接收故障信号和温度信号，并使故障信号从温度信号中退耦。
6．如权利要求5所述的方法，其特征在于，温度信号是低频信号，最好是直流信号。
7．如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，故障信号由多个温度传感器(3、4)接收。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于，
a)温度传感器(3、4)实际上均匀地布置在定子上；
b)对温度传感器(3、4)得到的故障信号互相比较以确定在大型电机中产生故障信号(15)的位置。
9．一种用于完成对大型电机中的高频电磁场产生的高频故障信号进行输出耦合的方法的装置，包括：
a)带有定子(5)的大型电机，所述定子上具有电绕组(1、2)；
b)至少有一个装在定子(5)上且带有导线(4)的温度传感器(3、4)，导线(4)从定子(5)中引出；
c)用于使故障信号从温度信号中退耦的天线共用器(6)，其包括输入端(7)，第一输出端(8)和第二输出端(9)，其中第一输出端(8)提供温度信号，而第二输出端(9)提供故障信号。
10．如权利要求9所述的装置，其特征在于，
a)温度传感器(3、4)是电驱动的且提供温度信号，该信号是低频信号，最好是直流电流信号或直流电压信号；
b)天线共用器(6)在第一输出端(8)上起低通滤波器的作用而在第二输出端(9)上起高通滤波器的作用。
11．如权利要求10所述的装置，其特征在于，
a)电绕组(1、2)包括绕组包(1)，该绕组包插在定子(5)的槽(10)中；
b)温度传感器(3、4)装在槽(10)中。
12．如权利要求11所述的装置，其特征在于，
a)将每两个绕组包(1)重叠装在槽(10)中，两个绕组包之间设有电绝缘层(11)；
b)温度传感器(3、4)位于绝缘层(11)中。
13．如权利要求12所述的装置，其特征在于，温度传感器(3、4)是带有热敏电阻的电阻元件(3)。
14．如权利要求13所述的装置，其特征在于，该装置具有多个温度传感器(3、4)，这些传感器最好均匀地布置在定子(5)上。
15．用权利要求1-6所述的方法，证明在大型电机中存在火花，而且因产生火花而出现高频故障信号。
16．用权利要求7所述的方法，证明在大型电机中存在火花，而且因产生火花而出现高频故障信号。
17．用权利要求8所述的方法，证明在大型电机中存在火花，而且因产生火花而出现高频故障信号。
18．用权利要求1-6所述的方法，对大型电机中的故障进行识别与位置测定。
19．用权利要求7所述的方法，对大型电机中的故障进行识别与位置测定。
20．用权利要求8所述的方法，对大型电机中的故障进行识别与位置测定。
21．用权利要求1-6所述的方法，证明高频故障信号的频率为1兆赫至300兆赫之间，最多是在3兆赫至100兆赫之间。
22．用权利要求7所述的方法，证明高频故障信号的频率为1兆赫至300兆赫之间，最多是在3兆赫至100兆赫之间。
23．用权利要求8所述的方法，证明高频故障信号的频率为1兆赫至300兆赫之间，最多是在3兆赫至100兆赫之间。
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