JP2022018754A - 回転電機の異常検知システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 簡易な構成で容易に運転中の回転電機における固定子鉄心の異常を検出することができる。【解決手段】 実施形態によれば、固定子鉄心の背面において周方向もしくは軸方向に間隔をおいて複数配置される、磁束を検知する複数の磁束センサと、前記複数の磁束センサの中の少なくとも2つの磁束センサからそれぞれ出力される信号の合成信号または差分信号に現れる所定の事象から、前記固定子鉄心の異常を検知する異常検知装置とを具備する、回転電機の異常検知システムが提供される。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、回転電機の異常検知システムに関する。
発電機や電動機などの回転電機は通常、回転軸を有する回転子と、固定子とを有する。固定子は、回転子を取り囲むように形成された円筒状の固定子鉄心と、この固定子鉄心を円筒状の外周板で半径方向から覆う固定子フレームを有する。
回転子の回転により発生する磁気吸引力によって、固定子には磁気振動が発生する。この磁気振動が、回転電機が設置される基礎に伝播しないようにする必要がある。一般的な回転電機の固定子は、固定子鉄心と固定子フレームとの間にばね板やばね棒のような弾性体などを介して固定子鉄心を支持することによって、固定子の外側に磁気振動が伝播することを抑制している。
図12は、従来技術によるタービン発電機における回転子の外周側にある固定子の特に固定子鉄心の支持機構の一例を示すものである。
回転子1の外周側にある固定子2側には、固定子鉄心3、鉄心押え板4、リブ5、鉄心押えリング6、締め付け部材7、固定子フレーム8、隔板9、ばね板10、鉄心支え板11等がある。
固定子フレーム8は、円筒形状の外周板とこの外周板の内部に溶接された円環形状の隔板9によって形成される。一方、固定子鉄心3は、円環形状の鉄心支え板11の内部に設けられたリブ5に円環形状の積層鉄心を嵌合することによって形成される。
上記積層鉄心は、外周部に設けられるダブテール状のキー溝にリブ5を挿通させ、軸両端部に配置される鉄心押え板4により挟持し、締め付け部材7で一体的に締め付ける構成となっている。なお、大型の回転電機では、固定子鉄心3の形状が大きく円環状の抜板を1枚で形成することが困難であるため、抜板を円周方向に小さい角度で分割した扇形に成形し、扇形の内角の半角ずつずらして軸方向に積層することによって積層鉄心が構成されている。
また、固定子鉄心3の中心軸が固定子フレーム8の中心軸に一致するように配置されており、隔板9と鉄心支え板11とは、円周方向に複数配置された板状部材であるばね板10を用いて連結されている。隔板9と鉄心支え板11とは固定子フレーム8の軸方向に交互に配置されているので、ばね板10は両端を隔板9に固定され、ばね板10の中央に鉄心支え板11が接続される形になっている。このため、鉄心支え板11の半径方向の変位に対してばね板10がたわむことによって固定子鉄心3は固定子フレーム8に対して弾性的に支持される。
このような構造の回転電機においては、固定子鉄心3の中に回転子1の界磁より発生した主磁束が通るが、図13に示すように、この主磁束の一部が固定子鉄心3の背面(外周部)にもれて背面もれ磁束Φが生じ、これが固定子鉄心3の支持構造物(リブ5、鉄心押えリング6等)で構成される電気回路に鎖交する。固定子鉄心3の支持構造物は機械的強度が必要なことから金属製のものが使用されるため、この背面もれ磁束Φにより固定子鉄心3の支持構造物内に渦電流などの電流Cが流れる。
また、回転電機の固定子鉄心3は、図14に示すように、ワニスを表面に焼き付けることによる絶縁被膜を有する抜板12を積層して成り、軸方向のある間隔ごとに冷却用の通風ダクト(図示せず)を有し、また固定子コイル(図示せず)を納める固定子スロット13を有している。抜板12の外径部にはダブテール状のキー溝14があり、これをリブ5に嵌め込むことにより固定子鉄心3の固定がなされる。
抜板12の表面には絶縁被膜があるが、リブ5への嵌め込み時、または積層途中の鉄心締め付け作業等により、抜板12のキー溝14では絶縁被膜がはがれる。このため、各抜板12の外径側はリブ5により短絡された状態となっている。これは固定子鉄心3の組立て上、避けることのできない抜板12の短絡であり、これを第1の短絡SC1とする。
固定子コイル(図示せず)に電圧を発生するため固定子鉄心3内では図14に示すように円周方向に磁束Φが流れる。これにより各抜板12間には電圧が誘起されるが、鉄心外径部の第1の短絡SC1以外は、抜板12が短絡していない状態では抜板12間を循環する短絡電流は流れず、これが固定子鉄心3の正常な状態である。しかし何らかの原因で、例えば鉄心内周面が傷付けられ、第2の短絡SC2が形成されると、抜板12間に循環電流が流れる短絡回路SCが形成される。
この短絡回路SCを流れる循環電流により、第2の短絡SC2が形成された箇所の接触抵抗でそこに発生するジュール熱や放電によるアーク熱によって、固定子鉄心3の損傷がさらに拡大し固定子鉄心3の溶損や固定子コイル(図示せず)の絶縁の損傷を引き起こし、大事故に至る可能性がある。
従来、このような固定子鉄心の抜板間の短絡を運転中に監視する技術として、通風ダクトで分割される複数個の鉄心ブロックを囲む磁束検出コイルを配置し、各磁束検出コイルに誘起された電圧を検出、設定値を越えると警報を出力する警報装置や、鉄心短絡時に発生するアークによる磁束の変化をリブに流れる電流を監視することにより検出する監視装置がある。
特許第3456824号公報 特開2011-250626号公報 特許第3270105号公報 特開2017-153344号公報
従来の警報装置や監視装置は鉄心異常を監視できるものの、鉄心ブロックを囲むように磁束検出コイルを配置するには大掛かりとなり、設置に要する費用も高額となる。加えて、鉄心ブロック毎の異常を検出することは可能であるが、例えば周方向位置やその詳細な部分を判別することが難しい。
また、リブ電流の測定にはロゴスキーコイルなどが用いられるが、コイルが複雑な形状であるため、サイズも大きくスペース的な問題で設置場所が限られ、高価であるため、複数個設置することが困難である。
発明が解決しようとする課題は、簡易な構成で容易に運転中の回転電機の固定子鉄心の異常を検出することができる回転電機の異常検知システムを提供することにある。
実施形態によれば、固定子鉄心の背面において周方向もしくは軸方向に間隔をおいて複数配置される、磁束を検知する複数の磁束センサと、前記複数の磁束センサの中の少なくとも2つの磁束センサからそれぞれ出力される信号の合成信号または差分信号に現れる所定の事象から、前記固定子鉄心の異常を検知する異常検知装置とを具備する、回転電機の異常検知システムが提供される。
本発明によれば、簡易な構成で容易に運転中の回転電機における固定子鉄心の異常を検出することができる。
実施形態に係る異常検知システム及び回転電機の要部構成を示す図。 背面もれ磁束Φと磁束Φの発生を説明するための図。 背面もれ磁束Φ、リブ電流による磁束Φ、及びこれらの合成である合成磁束Φのそれぞれの信号波形の一例を示す図。 アーク(1次アーク)が発生した場合の、背面もれ磁束Φ、リブ電流による磁束Φ、及びこれらの合成である合成磁束Φのそれぞれの信号波形の一例を示す図。 磁束センサS11,S12が、リブ5を挟み込むように当該リブ5の両側に配置される場合の配置例を示す図。 図5の配置例による磁束センサS11の出力信号、磁束センサS12の出力信号、及びこれらの合成である合成信号のそれぞれの信号波形の一例を示す図。 磁束センサS13,S14が、リブ5の長手方向に沿って配列するように配置される場合の配置例を示す図。 図7の配置例による磁束センサS13の出力信号、磁束センサS14の出力信号、及びこれらの差分である差分信号のそれぞれの信号波形の一例を示す図。 磁束センサS11,S12と磁束センサS13,S14とが、互いに回転電機の磁極対称(電気角180deg)となる位置に配置される場合の配置例を示す図。 図9の配置例による磁束センサS11,S12の出力信号、磁束センサS13,S14の出力信号、及びこれらの合成である合成信号のそれぞれの信号波形の一例を示す図。 個々の磁束センサSが固定子鉄心3の軸方向の端部の領域に配置される場合の背面もれ磁束の磁束密度の高さを示す図。 従来技術によるタービン発電機における回転子の外周側にある固定子の特に固定子鉄心の支持機構の一例を示す図。 背面もれ磁束Φや電流Cの発生を説明するための図。 各抜板間に生じる短絡を説明するための図。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。以下の説明では、前述の説明で使用した図12乃至図14も適宜参照する。
<全体の構成>
図1は、実施形態に係る異常検知システム及び回転電機の要部構成を示す図である。なお、この図1中では、図12乃至図14と共通する要素には、同一の符号を付している。回転電機の基本構成は、図12乃至図14で説明した通りである。
図1に示されるように、実施形態に係る異常検知システムが適用される回転電機(発電機)は、回転子1の外周側にある固定子2側に、固定子鉄心3、鉄心押え板4、複数の軸状のリブ5、鉄心押えリング6、締め付け部材7等が設けられている。
固定子鉄心3は、複数の円環状の積層鉄心が積層されて円筒状をなしており、各積層鉄心の外周部には、ダブテール状のキー溝(図14で説明したキー溝14)が形成され、このキー溝が周方向に間隔をおいて複数形成されている。各リブ5は、対応するキー溝に嵌合して積層鉄心を保持する。また、各リブ5は、軸両端部に配置される一対の鉄心押え板4により挟持され、締め付け部材7で一体的に締め付けられている。各鉄心押えリング6は、円環状をなしており、積層鉄心を保持している各リブ5を外径側から押さえている。
<異常検知システムの構成>
本実施形態に係る異常検知システムは、固定子鉄心3の背面で生じる磁束を検知する複数の磁束センサSと、これらの磁束センサSの検知結果に基づいて固定子鉄心3の異常を検知する異常検知装置20とを含む。
複数の磁束センサSは、それぞれサーチコイル等からなり、固定子鉄心3の背面において周方向もしくは軸方向に間隔をおいて複数配置される。異常検知装置20は、複数の磁束センサSの中の少なくとも2つの磁束センサSからそれぞれ出力される信号の合成信号または差分信号に現れる所定の事象から、固定子鉄心3の異常を検知するものである。
複数の磁束センサSのそれぞれの出力信号は、信号線(ケーブル)を通じて異常検知装置20に伝送される。例えば、上記少なくとも2つの磁束センサSからそれぞれ引き出されるケーブルは、図1中のケーブルCB1,CB2のように異常検知装置20のコネクタCN1,CN2に接続されて各信号が別々に入力されるように構成してもよいが、図1中のケーブルCB1,CB3のように各磁束センサSの出力信号が合成または差し引きされるように結合部JNで結線されて合成信号または差分信号が1本のケーブルを通じて異常検知装置20に入力されるように構成してもよい。
また、異常検知装置20に接続するケーブルCB1及びCB2(又はCB3)は、上記少なくとも2つの磁束センサS毎に用意してもよいが、ケーブル接続の煩雑さを避けるために、異常検知装置20に接続するケーブルCB1及びCB2(又はCB3)は1組だけとし、入力切替えを選択的に行えるスイッチを用意して、磁束センサS側の多数のケーブルが上記スイッチ経由で異常検知装置20側のケーブルに接続されるように構成してもよい。
異常検知装置20は、信号処理部21と出力部22とを備えている。信号処理部21は、入力される信号の合成、差分処理、ノイズ除去、位相の補正、閾値判定、事象検知等の各種の処理を行うものである。出力部22は、信号波形を含む各種の情報の表示や警報の発報などを行う。
上記少なくとも2つの磁束センサSは、固定子鉄心3の背面において積層鉄心を保持する個々のリブ毎に設けられる。図1の例では、上記少なくとも2つの磁束センサSが、1つのリブに対し、固定子鉄心3の周方向に当該リブを挟み込むように当該リブの両側に配置されるとともに、当該リブ5の長手方向に沿って配列するように配置される場合が例示されている。上記少なくとも2つの磁束センサSは、互いに回転電機の極対称となる位置に配置されてもよい。それらの詳細については後で説明する。
各磁束センサSは、リブ5の側面から一定距離以内に配置されていることが望ましい。このように配置すると、リブ5に流れる電流によって発生する磁束をより確実に検出することができる。また、各磁束センサSは、図1のように固定子鉄心3の軸方向の端部の領域に配置されていることが望ましい。その詳細についても後で説明する。
異常検知装置20に備えられる信号処理部21は、上記少なくとも2つの磁束センサSからそれぞれ出力される信号に対し、各磁束センサSの配置位置と回転電機の磁極の位置との位置関係に応じて生ずる位相のずれを補正し、補正したそれぞれの信号の合成信号または差分信号を出力する機能を有する。また、信号処理部21は、上述した合成信号または差分信号のいずれかの値が設定値(閾値)を越えたときに警報を発する機能や、上述した合成信号または差分信号のいずれかの値が設定値(閾値)を越えたときの回数をカウントし、カウントした回数を示す情報もしくは一定期間あたりの回数を示す情報を表示出力する機能を有する。
<背面もれ磁束Φとリブ電流による磁束Φとの合成磁束Φの検出>
運転中の回転電機においては、固定子鉄心3の中に回転子1の界磁より発生した主磁束が通るが、図2に示すように、この主磁束の一部が固定子鉄心3の背面(外周部)にもれて背面もれ磁束Φが生じ、これが固定子鉄心3の支持構造物(リブ5、鉄心押えリング6等)で構成される電気回路に鎖交する。固定子鉄心3の支持構造物は機械的強度が必要なことから金属製のものが使用されるため、この背面もれ磁束Φにより固定子鉄心3の支持構造物内に渦電流などの電流Cが流れる。リブ5に電流C(リブ電流)が流れると、このリブ電流による磁束Φも発生する。
図3(a)~(c)に、背面もれ磁束Φ、リブ電流による磁束Φ、及びこれらの合成である合成磁束Φのそれぞれの信号波形の一例を示す。
上述した各磁束センサSにおいては、このような背面もれ磁束Φとリブ電流による磁束Φとが合成された合成磁束Φが検出されることになる。
図4(a)~(c)に、アーク(1次アーク)が発生した場合の、背面もれ磁束Φ、リブ電流による磁束Φ、及びこれらの合成である合成磁束Φのそれぞれの信号波形の一例を示す。
例えば前述した図14中の各抜板12の外径側がリブ5により短絡した場合には、アーク(1次アーク)が発生し、リブ電流にもアークによる電流の変化Aが生じ、磁束センサSにおいては、背面もれ磁束Φとリブ電流にアークにより変化Aが生じた磁束Φとが合成された合成磁束Φが検出されることになる。
<磁束センサの配置例(その1)>
図5に、磁束センサS11,S12が、リブ5を挟み込むように当該リブ5の両側に配置される場合の配置例を示す。また、図6(a)~(c)に、磁束センサS11の出力信号、磁束センサS12の出力信号、及びこれらの合成である合成信号のそれぞれの信号波形の一例を示す。
図5のように1つのリブ5を挟み込むように配置された磁束センサS11,S12の出力信号は、リブ電流が流れる方向に対し、図5中のリブ5の左側と右側では極性が異なることから、例えば、図6(a)に示されるように片方の出力信号に故障とは異なるノイズNが生じた場合、図6(a)及び(b)に示されるそれぞれの出力信号を合成すると図6(c)に示されるようにノイズNの成分が検出される。
異常検知装置20の信号処理部21は、このようなノイズを合成信号から検出し、必要に応じてノイズの除去を行った上で、合成信号に所定の事象(例えば前述したアークに起因する変化A)が現れていないか否かを判定し、判定結果を出力する。
もし、磁束センサS11,S12のいずれかの出力信号に上記事象が現れている場合には、合成信号にもその事象が現れ、合成信号の値が予め定められた設定値を越える。これを検知した信号処理部21は、該当する磁束センサの近傍において固定子鉄心3の異常が発生していることを示す情報を表示出力したり警報を発したりする。あるいは、合成信号の値が設定値を越えたときの回数をカウントし、カウントした回数を示す情報もしくは一定期間あたりの回数を示す情報を表示出力するようにしてもよい。
<磁束センサの配置例(その2)>
図7に、磁束センサS13,S14が、リブ5の長手方向に沿って配列するように配置される場合の配置例を示す。また、図8(a)~(c)に、磁束センサS13の出力信号、磁束センサS14の出力信号、及びこれらの差分である差分信号のそれぞれの信号波形の一例を示す。
図7のようにリブ5の長手方向に沿って配置された磁束センサS13,S14の出力信号は、同一のリブ電流Cによる磁束が作用しており極性が同じであることから、例えば、図8(a)に示されるように片方の出力信号に故障とは異なるノイズNが生じた場合、図8(a)及び(b)に示されるそれぞれの出力信号の差分をとると図8(c)に示されるようにノイズNの成分が検出される。
異常検知装置20の信号処理部21は、このようなノイズを差分信号から検出し、必要に応じてノイズの除去を行った上で、差分信号に所定の事象(例えば前述したアークに起因する変化A)が現れていないか否かを判定し、判定結果を出力する。
もし、磁束センサS13,S14のいずれかの出力信号に上記事象が現れている場合には、差分信号にもその事象が現れ、差分信号の値が予め定められた設定値を越える。これを検知した信号処理部21は、該当する磁束センサの近傍において固定子鉄心3の異常が発生していることを示す情報を表示出力したり警報を発したりする。あるいは、差分信号の値が設定値を越えたときの回数をカウントし、カウントした回数を示す情報もしくは一定期間あたりの回数を示す情報を表示出力するようにしてもよい。
<磁束センサの配置例(その3)>
図9に、磁束センサS11,S12と磁束センサS13,S14とが、互いに回転電機の磁極対称(電気角180deg)となる位置に配置される場合の配置例を示す。また、図10(a)~(c)に、磁束センサS11,S12の出力信号、磁束センサS13,S14の出力信号、及びこれらの合成である合成信号のそれぞれの信号波形の一例を示す。
図9のように配置された磁束センサS11,S12の出力信号と磁束センサS13,S14の出力信号とは、磁極位置により極性が異なることから、図10(a)に示されるように所定の事象(例えば前述したアークに起因する変化A)が出力信号に現れている場合、図10(a)及び(b)に示されるそれぞれの出力信号を合成すると図10(c)に示されるように合成信号にもその事象が現れ、合成信号の値が予め定められた設定値を越える。これを検知した信号処理部21は、該当する磁束センサの近傍において固定子鉄心3の異常が発生していることを示す情報を表示出力したり警報を発したりする。あるいは、合成信号の値が設定値を越えたときの回数をカウントし、カウントした回数を示す情報もしくは一定期間あたりの回数を示す情報を表示出力するようにしてもよい。
<磁束センサの配置例(その4)>
図11に、個々の磁束センサSが固定子鉄心3の軸方向の端部の領域に配置される場合の背面もれ磁束の磁束密度の高さを示す。なお、図11では、磁束センサSの図示は省略されている。
図11に示すように、固定子鉄心3の軸方向中央部よりも鉄心端部の方が、背面もれ磁束Φが大きく、その磁束密度が高いことから、リブ5に流れる電流も大きく、鉄心故障が発生しやすい。そのため、鉄心端部に配置される磁束センサSは検知感度が高く、早期に異常を検知することができる。
本実施形態によれば、固定子鉄心3の異常を精度よく検知し、また異常が発生している位置を検知することができ、信頼性の高い異常検知システムを提供することができる。
以上詳述したように、上記実施形態によれば、簡易な構成で容易に運転中の回転電機における固定子鉄心の異常を検出することができる。
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。
回転子1、固定子2、固定子鉄心3、鉄心押え板4、リブ5、鉄心押えリング6、締め付け部材7、固定子フレーム8、隔板9、ばね板(弾性部材)10、鉄心支え板11、抜板12、固定子スロット13、キー溝14、異常検知装置20、信号処理部21、出力部22、磁束センサS,S11,S12,S21,S22、コネクタCN1,CN2、結合部JN、ケーブルCB1,CB2,CB3、磁束Φ、背面もれ磁束Φ、リブ電流による磁束Φ、合成磁束Φ、変化A、電流C、短絡回路SC、第1の短絡SC1、第2の短絡SC2。

Claims (11)

  1. 固定子鉄心の背面において周方向もしくは軸方向に間隔をおいて複数配置される、磁束を検知する複数の磁束センサと、
    前記複数の磁束センサの中の少なくとも2つの磁束センサからそれぞれ出力される信号の合成信号または差分信号に現れる所定の事象から、前記固定子鉄心の異常を検知する異常検知装置と
    を具備する、回転電機の異常検知システム。
  2. 前記少なくとも2つの磁束センサが、前記固定子鉄心の背面において積層鉄心を保持する個々のリブ毎に設けられている、
    請求項1に記載の回転電機の異常検知システム。
  3. 前記少なくとも2つの磁束センサが、1つのリブに対し、前記固定子鉄心の周方向に当該リブを挟み込むように当該リブの両側に配置されている、
    請求項2に記載の回転電機の異常検知システム。
  4. 前記少なくとも2つの磁束センサが、1つのリブに対し、当該リブの長手方向に沿って配列するように配置されている、
    請求項2又は3に記載の回転電機の異常検知システム。
  5. 前記少なくとも2つの磁束センサが、互いに前記回転電機の極対称となる位置に配置されている、
    請求項1乃至4のいずれか1項に記載の回転電機の異常検知システム。
  6. 各磁束センサがリブの側面から一定距離以内に配置されている、
    請求項2乃至4のいずれか1項に記載の回転電機の異常検知システム。
  7. 各磁束センサが前記固定子鉄心の軸方向の端部の領域に配置されている、
    請求項1乃至6のいずれか1項に記載の回転電機の異常検知システム。
  8. 前記異常検知装置は、前記少なくとも2つの磁束センサからそれぞれ出力される信号に対し、各磁束センサの配置位置と前記回転電機の磁極の位置との位置関係に応じて生ずる位相のずれを補正し、補正したそれぞれの信号の合成信号または差分信号を出力する、
    請求項1乃至7のいずれか1項に記載の回転電機の異常検知システム。
  9. 前記異常検知装置は、前記合成信号または差分信号のいずれかの値が設定値を越えたときに警報を発する、
    請求項1乃至8のいずれか1項に記載の回転電機の異常検知システム。
  10. 前記異常検知装置は、前記合成信号または差分信号のいずれかの値が設定値を越えたときの回数をカウントし、カウントした回数を示す情報もしくは一定期間あたりの回数を示す情報を表示出力する、
    請求項1乃至9のいずれか1項に記載の回転電機の異常検知システム。
  11. 前記少なくとも2つの磁束センサからそれぞれ引き出されるケーブルが、それぞれの信号が合成または差し引きされるように結線されており、合成信号または差分信号が1本のケーブルを通じて前記異常検知装置に入力されるように構成されている、
    請求項1乃至6のいずれか1項に記載の回転電機の異常検知システム。
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