JP2017139860A - ブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置および界磁異常監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブラシを用いない簡易な構成で同期機の界磁巻線の状態を監視できるようにすること。【解決手段】 実施形態に係るブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置は、ブラシレス励磁同期機の界磁巻線の状態を監視するものであって、前記界磁巻線の両端に電気的に接続される２つの回転リングならびに前記ブラシレス励磁同期機の回転子シャフトとそれぞれ静電結合する電極から得られる電気信号から前記界磁巻線のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、前記インピーダンス計測手段により計測される前記界磁巻線のインピーダンスの変化に基づき、当該界磁巻線の異常な状態を検出する監視手段と、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置および界磁異常監視方法に関する。

発電所において同期機を運転するに際し、当該同期機の界磁巻線の温度や異常な状態を監視することは重要である。

従来、ブラシレス励磁同期機の故障等を監視するためには、界磁巻線の設けられた回転子の外部より検出用ブラシを接触させて回転子側の電気信号を取得する方式（接触方式）を採用するのが一般的である。

特許第５７２６７７８号公報

検出用ブラシを用いる接触方式では、運用時間が経過するにつれブラシの摩耗が進行し、定期点検時にブラシを交換する必要があるため、保守に手間や時間、コストがかかる。そのため、ブラシを用いない方式（非接触方式）でブラシレス励磁同期機の界磁巻線の異常の有無や温度などの状態を監視できるようにすることが望まれる。

なお、従来の技術において、回転部に各種センサおよび送信機を設けて計測情報を外部へ送信することにより界磁巻線の故障を検出する手法がある。しかし、遠心力による送信機への悪影響やコスト面を考慮するとそのような手法は望ましくない。

本発明が解決しようとする課題は、ブラシを用いない簡易な構成で、同期機の界磁巻線の状態を監視することができるブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置および界磁異常監視方法を提供することにある。

実施形態に係るブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置は、ブラシレス励磁同期機の界磁巻線の状態を監視するものであって、前記界磁巻線の両端に電気的に接続される２つの回転リングならびに前記ブラシレス励磁同期機の回転子シャフトとそれぞれ静電結合する電極から得られる電気信号から前記界磁巻線のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、前記インピーダンス計測手段により計測される前記界磁巻線のインピーダンスの変化に基づき、当該界磁巻線の異常な状態を検出する監視手段と、を具備する。

本発明によれば、ブラシを用いない簡易な構成で同期機の界磁巻線の状態を監視することができる。

一実施形態に係る界磁異常監視装置を備えたブラシレス励磁同期機の概略構成を示す図。 インピーダンスメータ１１と電極８Ａ，８Ｂ，８Ｃと発電機界磁巻線２とを接続した電気的な等価回路の一例を示す図。 監視装置１２の各種の機能の一例を示す図。 記憶装置１３の各種の記憶領域の一例を示す図。 記憶装置１３に記憶される情報の一例を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

［全体の構成］
図１は、一実施形態に係る界磁異常監視装置を備えたブラシレス励磁同期機の概略構成を示す図である。

ブラシレス励磁同期機は、例えばブラシレス励磁方式の発電機として実現される。このブラシレス励磁同期機は、固定子１Ａおよび回転子１Ｂを有する。回転子１Ｂ側には、発電機界磁巻線２、励磁機電機子巻線３、整流器４、スリップリング（回転リング）５，６、回転子シャフト７、電極８Ａ，８Ｂ，８Ｃが備えられる。また、固定子１Ａ側には、励磁機界磁巻線９が備えられる。

固定子１Ａ側の励磁機界磁巻線９および回転子１Ｂ側の励磁機電機子巻線３、ならびに回転子１Ｂ側の整流器４は、当該発電機の励磁を行う交流励磁機を構成する。この交流励磁機において、励磁機界磁巻線９に界磁電流Ｉｅｆが流れると、励磁機電機子巻線３から交流電流が出力され、整流器４により整流が行われ、生成された直流電流が界磁電流Ｉｆとして発電機界磁巻線２に供給され、発電機の励磁が行われるようになっている。

なお、励磁機界磁巻線９に流れる界磁電流Ｉｅｆは、図示しない電流検出器により検出され、検出された界磁電流Ｉｅｆの情報が後述する界磁異常監視装置１０に伝えられるようになっている。界磁異常監視装置１０に伝えられた界磁電流Ｉｅｆの情報は、発電機界磁巻線２の温度異常の判定などに利用される。

スリップリング５は、整流器４の負極側と発電機界磁巻線２とに電気的に接続される。一方、スリップリング６は、整流器４の正極側と発電機界磁巻線２とに電気的に接続される。回転子シャフト７は電気的に接地されている。

電極８Ａ，８Ｂ，８Ｃは、スリップリング５、スリップリング６、回転子シャフト７にそれぞれ対向するように非接触に設置され、これらスリップリング５、スリップリング６、回転子シャフト７と静電結合してそれらから電気信号を得る。

当該ブラシレス励磁同期機には、界磁異常監視装置１０が備えられる。この界磁異常監視装置１０は、発電機界磁巻線２の状態を監視し、発電機界磁巻線２のレイヤーショート（コイルのレイヤー間に生じる層間短絡）を検出したり、発電機界磁巻線２の地絡（発電機界磁巻線２と回転子シャフト７との間の絶縁層の異常による地絡）を検出したり、発電機界磁巻線２の温度異常を検出したり、あるいは発電機界磁巻線２の温度を測定したりする機能を有する。

［界磁異常監視装置１０の構成］
界磁異常監視装置１０は、インピーダンスメータ（インピーダンス計測手段）１１、監視装置（監視手段）１２、記憶装置（記憶手段）１３、および出力装置（出力手段）１４を含む。なお、上記電極８Ａ，８Ｂ，８Ｃは、当該界磁異常監視装置１０の一部を構成するものとしてもよい。さらに、スリップリング５、スリップリング６も当該界磁異常監視装置１０の一部を構成するものとしてもよい。また、上記監視装置１２、記憶装置１３、および出力装置１４は、例えばコンピュータなどの情報機器により実現することができる。

インピーダンスメータ１１は、電極８Ａ，８Ｂ，８Ｃを通じて入力される電気信号から発電機界磁巻線２のインピーダンスを計測する機器であり、具体的には発電機界磁巻線２のインピーダンスを構成する抵抗、インダクタンス、キャパシタンスのそれぞれの変化を観測することができる。

ここで、インピーダンスメータ１１と電極８Ａ，８Ｂ，８Ｃと発電機界磁巻線２とを接続した電気的な等価回路の例を図２に示す。図２中、Ｒは発電機界磁巻線２に相当する各種導体を模した抵抗を表し、Ｌは発電機界磁巻線２に相当する各種導体を模したインダクタンスを表し、Ｃは発電機界磁巻線２と回転子シャフト７との間にある絶縁層によるキャパシタンスを表している。すなわち、発電機界磁巻線２は、Ｌ，Ｒ，Ｃを含む分布定数回路とみなすことができる。

図２に示す等価回路において、ブラシレス励磁同期機が通常運転されている間は、インピーダンスメータ１１で計測されるインピーダンスは変化しない（但し、励磁機界磁巻線９に流れる界磁電流Ｉｅｆを変化させていれば、発電機界磁巻線２に流れる界磁電流Ｉｆも変化し、インピーダンスは変化する）。このような等価回路において、発電機界磁巻線２におけるレイヤーショートや地絡とは、回路定数の変化であると解釈できる。すなわち、図２に示す等価回路を用いて電気的に説明すれば、発電機界磁巻線２のレイヤーショートとは、複数のインダクタンスＬのうち少なくとも１つの値が減少することと解釈することができる。また、発電機界磁巻線２の地絡とは、複数のキャパシタンスＣのうち少なくとも１つが短絡することと解釈することができ、いずれの場合も、回路の構成が変わるため、インピーダンスが変化する。このようなインピーダンスの変化を非接触式の電極８Ａ，８Ｂ，８Ｃを通じてインピーダンスメータ１１により計測することにより、発電機界磁巻線２のレイヤーショートや地絡を検出することが可能となる。

監視装置１２は、インピーダンスメータ１１により計測されるインピーダンスの変化に基づき、発電機界磁巻線２の状態を監視するものである。この監視装置１２は、発電機界磁巻線２のレイヤーショートを検出する機能や、発電機界磁巻線２の地絡を検出する機能、発電機界磁巻線２の温度異常を検出する機能、発電機界磁巻線２の温度を測定する機能等を備えている。

記憶装置１３は、発電機界磁巻線２のレイヤーショート・地絡・温度異常の検出や、温度の測定を行う際に使用される各種の情報を予め記憶した記憶媒体を備えている。

出力装置１４は、監視装置１２により検出される発電機界磁巻線２の異常や温度を示す情報の表示を行う表示装置や印刷を行うプリンタもしくは記録を行う記録装置等に相当する。

［監視装置１２と記憶装置１３の内部構成］
監視装置１２は、図３に示されるように、各種の機能として、レイヤーショート検出部２１、地絡検出部２２、判定部２３、温度測定部２４、および温度異常検出部２５を有する。また、記憶装置１３は、図４に示されるように、各種の記憶領域として、レイヤーショート変化パターン記憶部３１、地絡変化パターン記憶部３２、および温度情報記憶部３３を有する。

記憶装置１３の中のレイヤーショート変化パターン記憶部３１は、発電機界磁巻線２のレイヤーショート発生時のインピーダンスの変化パターンを示す情報（例えばインダクタンスがある閾値まで下がる変化を示した情報（もしくは、インダクタンスと抵抗とを合わせた値がある閾値まで下がる変化を示した情報））を記憶する領域である。

地絡変化パターン記憶部３２は、発電機界磁巻線２の地絡発生時のインピーダンスの変化パターンを示す情報（例えばキャパシタンスが０になる変化を表した情報）を記憶する領域である。

温度情報記憶部３３は、発電機界磁巻線２の温度の測定や温度異常の検出を行うために使用される情報を記憶する領域である。この領域には、例えば、発電機界磁巻線２の正常時における抵抗Ｒ、温度Ｔ、界磁電流Ｉｅｆ、界磁電流Ｉｆのそれぞれの関係を示す情報が記憶される。

発電機界磁巻線２の温度を測定するために使用される情報の例としては、例えば図５（ａ）に示す発電機界磁巻線２における抵抗Ｒと温度Ｔとの関係を示す情報が挙げられる。

また、発電機界磁巻線２の温度異常を検出するために使用される情報の例としては、発電機界磁巻線２における抵抗Ｒと励磁機界磁巻線９における界磁電流Ｉｅｆとの関係を示す情報が挙げられる。あるいは、図５（ａ）に示す発電機界磁巻線２における抵抗Ｒと温度Ｔとの関係を示す情報に加え、図５（ｂ）に示す発電機界磁巻線２における温度Ｔと発電機界磁巻線２における界磁電流Ｉｆとの関係を示す情報、および、図５（ｃ）に示す発電機界磁巻線２における界磁電流Ｉｆと励磁機界磁巻線９における界磁電流Ｉｅｆとの関係を示す情報を記憶させるようにしてもよい。この場合、図５（ｂ）に示す情報および図５（ｃ）に示す情報を、発電機界磁巻線２の温度Ｔと励磁機界磁巻線９の界磁電流Ｉｅｆとの関係を示す情報に代えてもよい。

一方、監視装置１２の中のレイヤーショート検出部２１は、インピーダンスメータ１１により計測されるインピーダンス中のインダクタンスの変化に基づき、当該発電機界磁巻線２のレイヤーショートを検出する機能である。

例えば、インピーダンスメータ１１により計測されるインダクタンスがある閾値まで下がった場合に（もしくは、インダクタンスと抵抗とを合わせた値がある閾値まで下がった場合に）、発電機界磁巻線２のある層間で短絡が生じたものとみなすことができる。当該インダクタンスをＬ１とすると、このインダクタンスはＬ１＝Ｎ・Φ／Ｉｆ（但し、Ｎは発電機界磁巻線２のターン数、Φは磁束を示す）で表わされる。発電機界磁巻線２のある層間においてレイヤーショートが生じた場合、ターン数Ｎが減少したと解釈することができる。ターン数Ｎが減少すると、インダクタンスＬもその分下がる。よって、このときに発電機界磁巻線２のレイヤーショートが生じたとみなすことができる。

なお、当該レイヤーショートの検出は、後述する判定部２３での判定結果に基づいて行うようにしてもよい。

地絡検出部２２は、インピーダンスメータ１１により計測されるインピーダンス中のキャパシタンス変化に基づき、発電機界磁巻線２の地絡を検出する機能である。

例えば、インピーダンスメータ１１により計測されるキャパシタンスが０になった場合に、発電機界磁巻線２と回転子シャフト７との間の絶縁層の異常により地絡が生じたものとみなすことができる。

なお、当該地絡の検出は、後述する判定部２３での判定結果に基づいて行うようにしてもよい。

判定部２３は、記憶装置１３の中のレイヤーショート変化パターン記憶部３１に記憶されている情報（発電機界磁巻線２のレイヤーショート発生時のインピーダンスの変化パターンを示す情報）や、地絡変化パターン記憶部３２に記憶されている情報（発電機界磁巻線２の地絡発生時のインピーダンスの変化パターンを示す情報）を用いることにより、当該発電機界磁巻線２のレイヤーショートもしくは地絡の発生の有無を判定する機能である。当該機能は必ずしも使用されるものではない。

例えば、インピーダンスメータ１１により計測されるインピーダンスの変化パターンが、レイヤーショート変化パターン記憶部３１に記憶されているインピーダンスの変化パターンと略一致する場合に（例えば、乖離が一定未満である場合に）、レイヤーショートが生じたものとみなすことができる。また、インピーダンスメータ１１により計測されるインピーダンスの変化パターンが、地絡変化パターン記憶部３２に記憶されているインピーダンスの変化パターンと略一致する場合に（例えば、乖離が一定未満である場合に）、地絡が生じたものとみなすことができる。

温度測定部２４は、インピーダンスメータ１１により計測されるインピーダンス中の抵抗に基づき、発電機界磁巻線２の温度を測定する機能である。例えば、温度情報記憶部３３に記憶されている情報（例えば図５（ａ）に示す発電機界磁巻線２における抵抗Ｒと温度Ｔとの関係を示す情報）を用いることにより、発電機界磁巻線２の温度を知得することができる。

温度異常検出部２５は、インピーダンスメータ１１により計測されるインピーダンス中の抵抗とある抵抗基準値との差に基づき、当該発電機界磁巻線２の温度異常を検出する機能である。

例えば、インピーダンスメータ１１により計測される抵抗と抵抗基準値との差が一定でなく、所定の範囲を超えて変化または変動する場合に、発電機界磁巻線２に温度異常が生じたとみなすことができる。あるいは、温度情報記憶部３３に記憶されている情報（例えば抵抗Ｒと励磁機界磁巻線９の界磁電流Ｉｅｆとの関係を示す情報）を用いることにより、現在の界磁電流Ｉｅｆの値から発電機界磁巻線２の抵抗を導き出し、この抵抗と、インピーダンスメータ１１により計測される抵抗との差が一定でなく、所定の範囲を超えて変化または変動する場合に、発電機界磁巻線２に温度異常が生じているとみなすようにしてもよい。

［作用］
（レイヤーショートの検出）
例えば、発電機界磁巻線２においてレイヤーショートが生じたものとする。この場合、図２の等価回路においては複数のインダクタンスＬのうち少なくとも１つの値が減少すると解釈できる。このとき、インピーダンスメータ１１側では、インピーダンス中のインダクタンス（もしくはインダクタンス及び抵抗）がある値まで低下する現象が観測される。

監視装置１２は、インピーダンスメータ１１により計測されるインダクタンスがある閾値まで下がった場合に（もしくは、インダクタンスと抵抗とを合わせた値がある閾値まで下がった場合に）、あるいは、インピーダンスメータ１１により計測されるインピーダンスの変化パターンが記憶装置１３のレイヤーショート変化パターン記憶部３１に記憶されているインピーダンスの変化パターンと略一致する場合に（例えば、乖離が一定未満である場合に）、発電機界磁巻線２のレイヤーショートを検出する。

すると、出力装置１４は、発電機界磁巻線２にレイヤーショートが発生したことを示す情報を出力する。

（地絡の検出）
例えば、発電機界磁巻線２において地絡が生じたものとする。この場合、図２の等価回路においては複数のキャパシタンスＣのうち少なくとも１つが短絡したと解釈できる。このとき、インピーダンスメータ１１側では、インピーダンス中のキャパシタンスが０になる現象が観測される。

監視装置１２は、インピーダンスメータ１１により計測されるキャパシタンスが０になった場合に、あるいは、インピーダンスメータ１１により計測されるインピーダンスの変化パターンが記憶装置１３の地絡変化パターン記憶部３２に記憶されているインピーダンスの変化パターンと略一致する場合に（例えば、乖離が一定未満である場合に）、発電機界磁巻線２の地絡を検出する。

すると、出力装置１４は、発電機界磁巻線２に地絡が発生したことを示す情報を出力する。

（温度異常の検出）
例えば、発電機界磁巻線２において温度が異常に上昇したものとする。この場合、図２の等価回路においては複数の抵抗Ｒのうち少なくとも１つの値が増大したと解釈できる。このとき、インピーダンスメータ１１側では、インピーダンス中の抵抗が上昇する現象が観測される。

監視装置１２は、インピーダンスメータ１１により計測される抵抗と抵抗基準値との差が一定でなく、所定の範囲を超えて変化または変動する場合に、あるいは、温度情報記憶部３３に記憶されている情報（例えば抵抗Ｒと励磁機界磁巻線９の界磁電流Ｉｅｆとの関係を示す情報）を用いることにより、現在の界磁電流Ｉｅｆの値から発電機界磁巻線２の抵抗を導き出し、この抵抗と、インピーダンスメータ１１により計測される抵抗との差が一定でなく、所定の範囲を超えて変化または変動する場合に、発電機界磁巻線２の温度異常を検出する。

すると、出力装置１４は、発電機界磁巻線２に温度異常が発生したことを示す情報を出力する。

（温度の測定）
発電機界磁巻線２の温度は運転状態に応じて変化する。図２の等価回路においては複数の抵抗Ｒのうち少なくとも１つの値が変化すると解釈できる。このとき、インピーダンスメータ１１側では、インピーダンス中の抵抗が変化する現象が観測される。

監視装置１２は、温度情報記憶部３３に記憶されている情報（例えば抵抗Ｒと発電機界磁巻線２の温度Ｔとの関係を示す情報）を用いることにより、インピーダンスメータ１１により計測される抵抗から、発電機界磁巻線２の温度を知得する。

すると、出力装置１４は、発電機界磁巻線２の温度を示す情報を出力する。

［効果］
上述した実施形態によれば、ブラシを用いない簡易な構成で、ブラシレス励磁同期機の界磁巻線におけるレイヤーショートの検出、地絡の検出、温度異常の検出、温度の測定等を行うことができる。

また、上述した実施形態によれば、回転部に各種センサや送信機を設ける必要がないため、遠心力による送信機への悪影響やコスト高を回避することができる。

また、上述した実施形態によれば、ブラシを用いない非接触方式のため、摩耗の問題が生じず、定期点検時のブラシ交換等を行う必要がなく、保守にかかる手間や時間、コストを低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１Ａ…固定子、１Ｂ…回転子、２…発電機界磁巻線、３…励磁機電機子巻線、４…整流器、５…スリップリング（Ａ）、６…スリップリング（Ｂ）、７…回転子シャフト、８Ａ，８Ｂ，８Ｃ…電極、９…励磁機界磁巻線、１０…界磁異常監視装置、１１…インピーダンスメータ、１２…監視装置、１３…記憶装置、１４…出力装置。

Claims (7)

1. ブラシレス励磁同期機の界磁巻線の状態を監視する界磁異常監視装置であって、
   前記界磁巻線の両端に電気的に接続される２つの回転リングならびに前記ブラシレス励磁同期機の回転子シャフトとそれぞれ静電結合する電極から得られる電気信号から前記界磁巻線のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、
   前記インピーダンス計測手段により計測される前記界磁巻線のインピーダンスの変化に基づき、当該界磁巻線の異常な状態を検出する監視手段と、
   を具備することを特徴とするブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置。
2. 前記監視手段は、前記インピーダンス計測手段により計測される前記界磁巻線のインピーダンス中のインダクタンスの変化に基づき、当該界磁巻線のレイヤーショートを検出する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置。
3. 前記監視手段は、前記インピーダンス計測手段により計測される前記界磁巻線のインピーダンス中のキャパシタンスの変化に基づき、当該界磁巻線の地絡を検出する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置。
4. 監視手段は、前記インピーダンス計測手段により計測される前記界磁巻線のインピーダンス中の抵抗に基づき、当該界磁巻線の温度を測定する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置。
5. 前記監視手段は、前記インピーダンス計測手段により計測される前記界磁巻線のインピーダンス中の抵抗とある基準値との差に基づき、当該界磁巻線の温度異常を検出する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置。
6. 当該界磁巻線のレイヤーショート発生時のインピーダンスの変化を示す情報と、当該界磁巻線の地絡発生時のインピーダンスの変化を示す情報とを、予め記憶する記憶手段をさらに具備し、
   前記監視手段は、前記記憶手段に記憶されている情報を用いて、当該界磁巻線のレイヤーショートもしくは地絡の発生の有無を判定する手段を有することを特徴とする請求項１に記載のブラシレス励磁同期機の界磁異常監視装置。
7. ブラシレス励磁同期機の界磁巻線の状態を監視する界磁異常監視方法であって、
   インピーダンス計測手段により、前記界磁巻線の両端に電気的に接続される２つの回転リングならびに前記ブラシレス励磁同期機の回転子シャフトとそれぞれ静電結合する電極から得られる電気信号から前記界磁巻線のインピーダンスを計測し、
   監視手段により、前記計測された前記界磁巻線のインピーダンスの変化に基づき、当該界磁巻線の異常な状態を検出する、
   ことを含むことを特徴とするブラシレス励磁同期機の界磁異常監視方法。