JP2001091601A - 回転電気機械及びその運転管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転電気機械のコイル絶縁材の熱劣化の程度
を高精度に判定する 【解決手段】コア内周面に並設されたスロット（３ａ）
にコイルが組み込まれてなる固定子（２）を有する発電
機（２０）において、少なくとも一つのコイルのスロッ
トの外部に位置するコイルエンド部（４１ａ）の絶縁層
表面の運転中の温度を該発電機の使用開始時点から継続
的に測定するための光ファイバ温度センサ（７ａ）と、
測定された温度の継続時間を化学反応速度論に基づき所
定の指標温度おける時間に換算し、該換算された時間を
累積し、該累積された時間と所定の指標時間とを対比し
て熱劣化の程度を判定する熱劣化診断装置（１０）とを
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転電気機械、そ
の運転管理方法及び熱劣化診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転電気機械は運転中に発生する損失に
より温度が上昇する。この熱的負荷は、一般に有機材料
からなる絶縁構造物、特にコイルの絶縁層を構成する誘
電性部材に大きなストレスを与えることから、通常、機
械の内部に抵抗体温度センサを組み込み運転中の温度を
監視している。

【０００３】また、回転機械の信頼性を確保するため
に、絶縁材料の劣化判定や寿命予測を行うためのいくつ
かの手法が提案されている。例えば、特開平６-１３０
００９号には絶縁層の一部を採取し元素分析によりその
機械的劣化を検出することが記載されている。また、特
開平６-１１８１２０号にはコイル絶縁層の内部に光フ
ァイバを埋め込み絶縁層の色の変化を運転を停止させる
ことなく監視することが記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】出力電圧が例えば２万
ボルトに達する高圧発電機では、固定子コイルのコイル
エンド部の絶縁層の表面の電圧も静電誘導によりほぼ２
万ボルトの高電圧になる。このような高電圧部分には抵
抗体温度センサ等を配置することはできない。コイルエ
ンド部は、スロットの内部にあるコイルスロット部に比
べより高温になる場合もあるが、高電圧になるためその
温度を測定することは行われていなかった。接地電位の
コイルスロット部の温度を測定することは行われている
が、単に、現在値、平均値、最高値を知るだけであり、
それだけでは、絶縁層の劣化の程度を判定することはで
きない。

【０００５】また、運転を停止し、絶縁層の一部を採取
してその機械的劣化を検出する方法、及び絶縁層の色の
変化を監視する方法では、いずれも熱劣化の程度を客観
的数値として示すことはできず、診断の結果にばらつき
が生じ、結果として過剰な安全マージンを見ることにつ
ながる。

【０００６】本発明は、回転電気機械の熱劣化の程度を
高精度に判定する手段を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】コア内周面に並設された
スロットに固定子コイルが組み込まれてなる固定子を有
する回転電気機械において、少なくとも一つの固定子コ
イルのスロットの外部に位置するコイルエンド部の絶縁
層表面に、温度により光学特性の変化する感温部材及び
該感温部材と外部光源との間で光を伝達する光ファイバ
を含む光ファイバ温度センサを取り付けたことを特徴と
する。

【０００８】こうすることにより、運転中の温度上昇が
大きく、劣化しやすい回転電気機械のコイルエンド部分
の温度を測定することができる。

【０００９】固定子コイルを相毎にグループ化し、各グ
ループにおいて複数の固定子コイルを、電圧が段階的に
変化するような順序に配列し、前記光ファイバを、同じ
グループ内の他の複数の固定子コイルのコイルエンド部
の絶縁層表面に順次固定し、該光ファイバの電位を段階
的に低下させて外部に引き出すことができる。

【００１０】こうすることにより、光ファイバの電位
は、コイルエンド部分の高電位から段階的に接地電位ま
で下がるので、光ファイバの表面放電の発生が防止され
る。

【００１１】コア内周面に並設されたスロットにコイル
が組み込まれてなる固定子を有する回転電気機械の運転
管理方法において、少なくとも一つの固定子コイルのス
ロットの外部に位置するコイルエンド部の絶縁層表面の
運転中の温度を該回転機械の使用開始時点から継続的に
測定し、測定された温度の継続時間を化学反応速度論に
基づき所定の指標温度おける時間に換算し、該換算され
た時間を累積し、該累積された時間と所定の指標時間と
を対比して熱劣化の程度を診断することを特徴とする。

【００１２】こうすることにより、回転機械の絶縁層の
熱劣化の程度を客観的数値として高精度に判定すること
ができる。

【００１３】前記累積された時間と前記所定の指標時間
との差から残存運転可能時間を推定することが可能であ
る。

【００１４】こうすることにより、回転機械の更新時期
を予め正確に知ることができる。

【００１５】前記推定された残存運転可能時間と今後回
転機械を運転する予定期間との間の差から、化学反応速
度論に基づき、該予定期間中の前記少なくとも一つのコ
イル表面の温度の上限を決定することが可能である。

【００１６】こうすることにより、事情により、回転機
械の寿命をある期間延ばしたい場合には、回転機械の出
力、冷却能力等の運転パラメータをどのような値に設定
すれば良いかを知ることができる。

【００１７】熱劣化の程度を診断すべき部材の温度を継
続的に測定する手段と、測定された温度の継続時間を化
学反応速度論に基づき所定の指標温度における時間に換
算する手段と、該換算された時間を累積する手段と、該
累積された時間と所定の指標時間とを比較する手段とを
備えたことを特徴とする熱劣化診断装置である。

【００１８】この診断装置により、高温にさらされる部
材の熱劣化の程度を客観的数値として高精度に知ること
ができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態を図面
を参照して説明する。ここでは回転電気機械として発電
機を取り上げる。図１に発電機２０の主要構造を示す。
回転子１を囲んで固定子２が配置されている。固定子２
にはスロット３ａが設けられ、その中に固定子上コイル
４ａと固定子底コイル５ａとが組み込まれる。図１で
は、分かりやすくするために簡略化して示しているが、
スロットは固定子２の内周面に沿って数十本ないし数百
本、ほぼ等間隔に設けられている。固定子上コイルと固
定子底コイルもそれぞれスロットと同数組み込まれる。
固定子上コイル４ａは他のスロットに組み込まれた固定
子底コイル５ｎに接続される。同様に他の固定子底コイ
ル５ａは図示しない他の固定子上コイルに接続される。
コイルには、その一端が他のコイルと接続されず、図示
しない渡り線や機外への引き出し線に接続されるものも
ある。

【００２０】固定子上コイル４ａのコイルエンド部４１
ａには先端に感温部を有する光ファイバ温度センサ７ａ
が取り付けられている。光ファイバ７２ａは光電変換機
能及び増幅機能を含む変換器９ａを介して劣化診断装置
１０に接続される。一方、スロット３ａ内の固定子上コ
イル４ａのコイルスロット部と固定子底コイル５ａのコ
イルスロット部との間には抵抗体温度センサ６ａが取り
付けられ、その出力は信号増幅機能を含む変換器８ａを
介して劣化診断装置１０に接続される。

【００２１】図２にスロット３ａの内部構造の詳細を示
す。固定子コア２１に設けられたスロット３ａには固定
子上コイル４ａと固定子底コイル５ａとが挿入され、固
定子楔２２で固定されている。符号２３、２４、および
２５の付された部材は絶縁スペーサである。固定子上コ
イル４ａは、導体４２ａと、これを被覆する絶縁層４３
ａを主要構成要素とする。図示は省略するが、スロット
内部に位置する絶縁層４３ａの外表面には低抵抗コロナ
シールドが施され、全体が接地電位となる。導体４２は
高電位となり、絶縁層４３ａに加わる電界を発生する。
同様に固定子底コイル５ａは導体５２ａと絶縁層５３ａ
とを主要構成要素とする。

【００２２】スロット内の絶縁層の温度を監視するため
にコイル間絶縁スペーサ２４に抵抗体温度センサ６ａが
組み込まれている。スペーサ２４は固定子上コイル４ａ
と固定子底コイル５ａに挟まれており、また接地電位で
あるので両方のコイルの絶縁層の平均温度を検知するの
に有利である。

【００２３】図３に固定子コイル４ａのコイルエンド部
４１ａの詳細を示す。固定子コアのスロットから出たコ
イルエンド部４１ａにはコロナ放電を防止するための高
抵抗コロナシールド４４ａが設けられる。コイルエンド
部４１ａの先端部分４５ａの表面は絶縁層の静電誘導に
より、内部導体とほぼ同等の高電位となるので、この先
端部分４５ａに抵抗体温度センサを取り付けることはで
きない。そのため、この先端部分の温度を測定するため
に光ファイバ温度センサを用いており、その感温部７１
ａを先端部分４５ａに固定する。感温部７１ａは、一例
として温度により光の発光波長が変化する結晶体（例え
ばガリウム砒素）から構成される。レーザ、発光ダイオ
ードなどの外部光源からの光を光ファイバを介して感温
部７１に照射し、反射光の波長を測定することにより温
度を測定することができる。

【００２４】感温部７１ａを絶縁層表面に取り付ける方
法としては、絶縁層と同種の熱硬化性樹脂で固着する方
法がある。固着後、更にテープで縛ってもよい。また、
半硬化状態の樹脂を塗布したテープで縛った後、加熱硬
化してもよい。光ファイバ７２ａは、絶縁テープや紐等
の縛着部材７３により適宜保持しながら引き回し、発電
機の外部に引出す。

【００２５】図１には、抵抗体温度センサと光ファイバ
温度センサがそれぞれ１個示されているが、必要に応じ
任意の数だけ設けることができる。発電機の固定子の全
スロット、全コイルに設けてもよく、信頼性と経済性の
バランスで決定される。また、抵抗体温度センサを設け
るコイルと光ファイバ温度センサを設けるコイルとが異
なってもよい。

【００２６】図４に光ファイバ温度センサの光ファイバ
を高電位のコイルから発電機の外部に引出す方法を示
す。ここでは、スロット数が３０の２極発電機の場合を
仮定して説明する。この場合、固定子コイルは、Ｕ相、
Ｖ相、Ｗ相各２組、合計６個のコイルグループ（Ｕ１，
Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２）に分けることができ
る。各コイルグループにおいて、コイルは直列に接続さ
れ、低電位（図中Ｌで示す）コイルから高電位（図中Ｈ
で示す）コイルまで、電位順に並んでいる。

【００２７】Ｕ１のコイルグループでは、コイル電位は
Ｈ＞Ｈ１＞Ｈ２＞Ｈ３＞Ｌである。コイルＬはほぼ接地
電位であり、このコイルのコイルエンド部に取り付けら
れた光ファイバ７ａ５は適切な引出口（図示は省略）か
ら発電機の外部に引出し、変換器９ａに接続する。次に
電位の高いコイルＨ３からの光ファイバ７ａ４は隣接の
電位の低いコイルＬのコイルエンド部に糸やテープ等の
縛着部材７３で保持した後、コイルＬからの光ファイバ
７ａ５とともに発電機の外部に引出す。同様にして、最
も電位の高いコイルＨからの光ファイバ７ａ1は、コイ
ルＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｌの順に、隣接のより低い電位の
コイルで順次保持しながら外部に引出す。

【００２８】光ファイバは、細く柔軟であるので適切な
間隔で固定する必要がある。光ファイバは絶縁体である
が、固定の際、高電位部と低電位部との間隔が短いと、
光ファイバに表面放電が生じ短絡する恐れがある。図４
に示したように、段階的に電位を下げながら光ファイバ
を機外に引出すことにより、このような表面放電の発生
が防止される。他のコイルグループも同様にして電位を
段階的に下げながら機外に引出す。

【００２９】発電機の高電圧コイル絶縁層の劣化は、使
用する絶縁材（樹脂）の化学反応（熱劣化）に大きく影
響される。この熱劣化をもたらす化学反応の速度は、以
下に（１）式として示す化学反応速度論に支配される。

【００３０】 ｋ＝ｅｘｐ（-Ｅ／（Ｒ×Ｔ））×ｔ …（１） （１）式で、Ｅは絶縁材の物性で定まる活性化エネル
ギ、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、ｋは反応速度定数、
ｔは所定量の化学反応が行われるのに要する時間であ
る。この式から、温度Ｔ１で時間ｔ１の間に進行した熱
劣化と同じ量の熱劣化が、異なる温度Ｔ２で進行するの
に要する時間ｔ２は以下の（２）式で表すことができ
る。

【００３１】 ｔ２＝ｔ１×ｅｘｐ（Ｅ／Ｒ×（１／Ｔ２-１／Ｔ１）） …（２） 回転電気機械に使用される絶縁構造物の温度は、負荷や
周囲温度により変化する。絶縁構造物の寿命は温度によ
り変化するので、その寿命時間を一概に規定することは
できない。このような理由から、絶縁構造物の耐熱寿命
は、通常、ＴＩｘと記される耐熱寿命指標で表される。
これは、絶縁構造物をある指標温度でｘ時間使用する
と、熱劣化によりある物理特性が予め定められた管理値
に低下することを意味するものである。換言すれば、絶
縁構造物の熱劣化寿命は、所定の指標温度ＴＩで使用す
ればｘ時間であることを表す。一般に、回転電気機械の
耐熱寿命指標としてＴＩ２００００を用いている。即
ち、所定の指標温度で運転した場合の寿命を２万時間と
規定している。

【００３２】発電機の場合、評価すべき物理特性として
は、絶縁破壊電圧が適切である。例えば、定格電圧が２
万ボルトの発電機の場合、コイルの絶縁材として、初期
絶縁破壊電圧が一例として１０万ボルトのものを選定
し、管理値を一例として初期値比５０％の絶縁破壊電
圧、即ち５万ボルトに設定することができる。

【００３３】次に、発電機の熱劣化診断の例を図５のフ
ローチャートを参照して説明する。フローチャートに示
す各処理は、診断装置１０で行うことができる。

【００３４】ステップ１の使用開始時には、ｔｓ＝０で
ある。ｔｓは後述の累積等価時間である。ステップ２で
は適切な時間間隔毎に運転中の発電機の温度を測定す
る。これは、固定子コイルの温度を図１に示したような
抵抗体温度センサや光ファイバ温度センサで測定し、変
換器を介して劣化診断装置１０に取り込むことにより行
われる。温度を連続的に監視すれば診断の精度は向上す
るが、発電機のように熱容量が大きく、運転時間が数十
年に及ぶ場合には、適切な時間間隔ｔ１ごとに温度Ｔ１
を計測し、時間ｔ１の間、温度Ｔ１が継続したと仮定し
ても実用上支障はない。

【００３５】ステップ３で、前述の（２）式を用いて計
測した時間ｔ１を指標温度Ｔｉ（Ｔｉ＝Ｔ２）での等価
時間ｔ２に変換する。

【００３６】ステップ４で累積等価時間を算出する。発
電機の使用開始から適切な時間間隔毎に（等間隔である
必要はない）等価時間ｔ２を算出する。ある運転期間の
等価時間をｔ２（ｉ）とすると発電機２０の使用開始か
ら現在までの全運転時間にわたる累積等価時間ｔｓは
（３）式で示される。

【００３７】ｔｓ＝Σｔ２（ｉ） …（３） ステップ１で述べたように発電機の使用開始時にはｔｓ
＝０である。

【００３８】ステップ５では、累積等価時間ｔｓにより
熱劣化を判定する。ｔｓが指標寿命時間ｘに対して、ｔ
ｓ＜ｘであれば残存余力があり、ステップ６に進んで継
続運転可能と判断する。もしｔｓ≧ｘであれば既に熱劣
化寿命を超えたことになり、ステップ７に進んで更新が
必要であると判定する。

【００３９】ｔｓ＜ｘである場合に、今後の発電機の負
荷を想定することができれば、即ち、固定子コイルの温
度を想定することができれば、残存運転可能時間を算出
することができる。

【００４０】また、ｔｓがｘに近づいた場合、発電機の
更新計画その他の事情により、今後ある期間にわたって
発電機の運転を継続することが必要となった場合、
（２）式によりこの期間の長さに応じた上限温度を求
め、この温度に基づき負荷率、冷却能力、その他の運転
パラメータを設定することができる。

【００４１】尚、診断装置１０は、回転電気機械に限ら
ず、熱劣化を診断する必要のある任意の機械や装置に使
用することが可能である。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、回転電気機械の熱劣化
の程度を高精度に判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固定子コイルに光ファイバ温度センサが取り付
けられた本発明の発電機を示す図である。

【図２】図１の固定子コイルのスロットの詳細を説明す
る図である。

【図３】図１の固定子コイルに取り付けられた光ファイ
バ温度センサを示す図である。

【図４】発電機の固定子コイルに取り付けられた光ファ
イバを機外に引出す方法を説明する図である。

【図５】本発明の発電機の運転管理方法を説明するフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１：回転子 ２：固定子 ３ａ：スロット ４ａ：固定子上コイル ５ａ：固定子底コイル ６ａ：抵抗体温度センサ ７ａ：光ファイバ温度センサ ８ａ、９ａ：変換器 １０：劣化診断装置 ２０：発電機 ２１：固定子コア ２２：楔 ２３、２４、２５：絶縁スペーサ ４４ａ：高抵抗コロナシールド ７１ａ：感温部 ７３：縛着部材

フロントページの続き (72)発明者 小野田 満 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立事業所内 (72)発明者 浅川 英章 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立事業所内 Ｆターム(参考） 2G016 BA00 BC03 BD06 BD07 BE01 BE02 5H611 AA01 BB01 BB02 PP02 QQ04 RR04 TT02 UA02 UB01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コア内周面に並設されたスロットに固定
   子コイルが組み込まれてなる固定子を有する回転電気機
   械において、少なくとも一つの固定子コイルのスロット
   の外部に位置するコイルエンド部の絶縁層表面に、温度
   により特性の変化する感温部材及び該感温部材と外部光
   源との間で光を伝達する光ファイバを含む光ファイバ温
   度センサを取り付けたことを特徴とする回転電気機械。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の回転電気機械におい
   て、固定子コイルが相毎にグループ化され、各グループ
   において複数の固定子コイルが、電圧が段階的に変化す
   るような順序に配列され、前記光ファイバを、同じグル
   ープ内の他の複数の固定子コイルのコイルエンド部の絶
   縁層表面に順次固定し、該光ファイバの電位を段階的に
   低下させて外部に引き出したことを特徴とする回転電気
   機械。
3. 【請求項３】 コア内周面に並設されたスロットにコイ
   ルが組み込まれてなる固定子を有する回転電気機械の運
   転管理方法において、少なくとも一つの固定子コイルの
   スロットの外部に位置するコイルエンド部の絶縁層表面
   の運転中の温度を該回転機械の使用開始時点から継続的
   に測定し、測定された温度の継続時間を化学反応速度論
   に基づき所定の指標温度おける時間に換算し、該換算さ
   れた時間を累積し、該累積された時間と所定の指標時間
   とを対比して熱劣化の程度を診断することを特徴とする
   回転電気機械の運転管理方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の方法において、前記累
   積された時間と前記所定の指標時間との差から残存運転
   可能時間を推定することを特徴とする回転電気機械の運
   転管理方法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の方法において、前記推
   定された残存運転可能時間と今後回転機械を運転する予
   定期間との間の差から、化学反応速度論に基づき、該予
   定期間中の前記少なくとも一つの固定子コイルの絶縁層
   表面の温度の上限を決定することを特徴とする回転電気
   機械の運転管理方法。
6. 【請求項６】 熱劣化の程度を診断すべき部材の温度を
   継続的に測定する手段と、測定された温度の継続時間を
   化学反応速度論に基づき所定の指標温度における時間に
   換算する手段と、該換算された時間を累積する手段と、
   該累積された時間と所定の指標時間とを比較する手段と
   を備えたことを特徴とする熱劣化診断装置。