JPH0158746B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は大容量タービン発電機等の様な回転電
機の回転子巻線異常診断装置に係り、特に回転子
巻線の層間短絡を検出するに好適な異常診断装置
に関する。

一般に大容量のタービン発電機は、第１図に示
す如く、固定子１と、この固定子１に空隙２を介
して対向配置された回転子３から構成されてい
る。前記固定子１は通風ダクト５を有する積層固
定子鉄心４に固定子巻線、つまり電機子巻線６を
巻装することによつて構成され、また前記回転子
３は軸部７と一体に形成された胴部、つまり回転
子鉄心８に回転子巻線、つまり互に層間絶縁され
た５〜10層の導体からなる界磁巻線９を巻装する
ことによつて構成されており、回転子巻線９は楔
１０でスロツト内に保持されるとともに、保持環
１１でその端部が覆われている。

ところで、回転子巻線の層間絶縁がこの巻線の
熱伸びや機械的衝撃を受けて破壊され、巻線が短
絡すると、一般に２極のタービン発電機では回転
子のＮ極側とＳ極側の起磁力アンバランスを始め
として磁気的不平衡が生じ、この結果異常振動が
発生する。異常振動が発生すると、発電機の軸受
破損や巻線の絶縁物破壊など発電機に悪影響が生
じ、ついには運転不能に到る虞れがある。そのた
め、回転子巻線の層間短絡を速やかに検出し、必
要な処置を取らねばならない。

この回転子巻線の層間短絡を検出する公知な方
法について以下述べる。

第１図において、回転子を輪切りにする面、つ
まり径方向断面を展開した面における磁束の流れ
を模式的に示したのが第２図ａである。磁束は大
きく２種類に分けられ、一方は図中実線で示す主
磁束１２で、他方は破線で示す回転子巻線を取り
巻くように通る漏れ磁束１３である。この漏れ磁
束１３を捕える目的で例えば、空隙中に静止した
サーチコイルなどの磁束検出素子１４を設置す
る。そして、回転する回転子巻線９に電流が流れ
た場合に発生する漏れ磁束１３をつかまえる。

第２図ｂはこの漏れ磁束の波形を示すが、その
大きさは、漏れ磁束が取り巻く回転子巻線導体を
流れる電流と導体本数との積、すなわちアンペア
回数と密接な関係にあり、アンペア回数が小さく
なると漏れ磁束は小さくなり、逆にアンペア回数
が大きくなるとそれに伴い漏れ磁束は大きくな
る。

したがつて、回転子巻線に層間短絡が生じる
と、その巻線の作るアンペア回数が減り、結局漏
れ磁束量も減少する。

一方、漏れ磁束検出用のサーチコイル１４に
は、第２図ｃに示すように、漏れ磁束に対応した
脈動波形の誘起電圧が発生する。回転子巻線が健
全であれば、例えば実線１５で示すような脈動波
形となる。しかし、もしも、ある回転子巻線で層
間短絡が発生して、その部分の漏れ磁束が第２図
ｂの破線で示す如く小さくなると、第２図ｃの破
線１６で示す如く、その巻線に対応した脈動波形
の波高値が小さくなる。一般に、タービン発電機
のような回転電機は、Ｎ極側とＳ極側で磁気的性
質として磁束などは大きさが等しく符号が反対と
なり、漏れ磁束や磁束検出用サーチコイルの誘起
電圧も同じ対称性を有している。

以上のことから、サーチコイルの誘起電圧波形
において、Ｎ極側とＳ極側の対応する脈動波形の
各波の波高値、例えば第２図ｃにおける波高値
P₁，Q₁を比較し、大きさに差が有るか否か調べ、
もしも有意差がある場合には、波高値の小さい方
の回転子巻線に層間短絡が発生していると分る。

そのため、従来は磁束検出用素子からの信号波
形を写真に撮り、人が逐一Ｎ極側とＳ極側の対応
する点どうしの比較をし、層間短絡の有無を調べ
ていたが、これでは手数と時間がかかり、非能率
で緊急の場合に対処するのが難かしい。

また最近、時代の要請で、タービン発電機の回
転子巻線の層間短絡の有無を常時オンラインで監
視することが望まれており、以下に述べるような
自動診断装置が考えられている。

第３図は自動診断装置の概略ブロツク図であ
る。図において、１７は回転電機とそれに取り付
けられた磁束検出用素子からなる回転電機部で、
磁束検出用素子で検出された脈動波形信号は信号
線１８を通して判定装置１９に送られる。判定装
置１９は大きく分けて処理装置２０と監視装置２
２で構成され、処理装置２０では信号波形の各波
の波高値をとらえたり、タービン発電機に異常が
あるか否かの異常診断処理がなされる。もしも、
タービン発電機に異常あるとの判定が出た場合、
信号線２１を通して異常を知らせる信号が監視装
置２２に伝送され、そこで信号が処理される。

第３図は、例えば第４図のように具体的に構成
されている。第４図において、磁束検出用素子１
４、例えばサーチコイルが回転子３の表面近くに
設置され、回転子巻線を流れる電流によつてこの
表面近くに発生する磁束、例えば漏れ磁束などを
この磁束検出用素子１４を用いて検出する。この
漏れ磁束の電磁誘導作用によつて磁束検出用素子
１４に発生する脈動波形信号が信号線１８を通し
て、判定装置１９中の処理装置２０へ伝送され
る。そして、信号はまず、増幅器２３で適当な大
きさとなり、信号線２４を通して波高値保持器２
５へ伝送され、比較判断器２６へ信号線２７ａを
通して伝送される。波高値保持器２５は比較判断
器２６が波高値信号を入力するのに十分な時間波
高値を保持し、さらに次の脈動波高値が来る前に
保持を自動的に解除する構成となつており、比較
判断器２６が波高値の入力を開始してよいという
入力開始信号を信号線２７ｂを通して波高値保持
器２５に出力したとき、比較判断器２６に波高値
信号を信号線２７ａを通して伝送する。

比較判断器２６では、波高値保持器２５で保持
された波高値を１周期分順次入力してそのデータ
を信号線２９ａを通して記録器２８に貯わえてお
き、他方では逐次、信号線２９ｂを通して記録器
２８から対称部の波高値データを入力して対称部
分同志の波高値データを比較し、その大きい方の
波高値に対する両者の差、つまり相対差が例えば
10％というような設定レベルを越えたかどうかチ
エツクをする。そして、設定レベルを越えた場合
には異常有りと判定し、信号線２１ａ，２１ｂを
通して監視装置２２へ異常の程度や異常発生個所
を知らせる信号を伝送する。

監視装置２２は、信号線２１ａにより伝送され
る信号で作動する警報ランプやブザーなどからな
る警報器３０と異常の発生場所や異常の程度を信
号線２１ｂの信号で表示する表示盤３１から構成
されている。

この自動診断装置によれば、タービン発電機な
どにおける回転子巻線の層間短絡の有無を自動的
に判定することができる。しかし、この例も含め
て一般に自動診断装置には次のような欠点があつ
た。

タービン発電機の回転子を気体または液体で冷
却する場合、これらの冷媒が回転子を一様に冷却
しないときには、回転子表面の熱分布が一様でな
くなり、回転子胴部で、よく冷えている所は熱膨
張が小さく、逆に冷却の悪い箇所は熱膨張が大き
くなつて、結局、回転子に曲りが生ずる。この場
合には、回転子巻線に層間短絡が無くても回転子
の振動が発生し、回転子表面と磁束検出用素子と
の間隔は回転に伴つて変動するので、磁束検出用
素子に誘起する脈動波形信号も変動し、この変動
波形信号をもとに診断をすると、誤つた判定をす
る危険性があつた。

また、磁束検出用素子は回転子表面近くに設置
されているので、漏洩磁束の脈動信号を処理装置
の所まで伝えるために、信号線を設置するが、一
般にタービン発電機の回転子や固定子付近は強磁
場であるため、信号線に雑音が誘起する可能性が
あつた。例えば、第５図に示すように波高値P₂
の所に雑音３２がのつて、比較すべき波高値Q₂
より大きくなると、小さい方の波高値Q₂に対応
したスロツ内巻線に層間短絡有りと判定してしま
う危険性があつた。

さらに、前述の如く気体冷却のタービン発電機
には、固定子鉄心や回転子を冷却するために、冷
却気体が通る固定子通風ダクトがある。先端部に
磁束検出用素子を固定した棒状プローブを、通風
ダクトに沿つて内径側に空隙中回転子表面付近ま
で挿入し、表面近くの漏れ磁束を検出する場合に
は、プローブが冷却気体にあおられて、振動が生
じ、磁束検出用素子と回転子表面との距離の変動
に伴つて、磁束検出用素子に誘起する脈動波形信
号が変動し誤診断の危険性があつた。

ところで、一般に回転子巻線に層間短絡が生ず
ると、前述の如く回転子の有効アンペア回数が減
少するので、回転子の作る磁束量が減り、結局こ
の磁束によつて固定子巻線に誘起する電圧も減少
する。普通、タービン発電機には、自動電圧調整
器がついており、固定子巻線端子電圧の減少に伴
なつて回転子電流を増大し、電圧を一定に保つよ
うになつている。したがつて、層間短絡が発生す
ると、回転子電流が増大する。そこで、固定子電
圧、固定子電流、力率が同じ過去（正常時）の回
転子電流値と現在の電流値を比較して、現在の電
流値が増大しているか否か判定し、層間短絡有無
を診断する方法も考え得る。しかし、この方法で
は、層間短絡が発生したことは分るが、回転子の
どのスロツト内巻線で起きたのか不明であり、さ
らに、１箇所で起きたのか、それとも複数箇所で
起きたのかも分らない。

本発明の目的は、回転子巻線の層間短絡の発生
箇所や程度を正確で確実にかつ速やかに判定する
ことのできる信頼性の高い回転電機の回転子巻線
異常診断装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は、固定子巻
線の電圧、電流および力率を検出する固定子電圧
検出器、固定子電流検出器および力率検出器と、
回転子巻線の電流を検出する回転子電流検出器
と、前記固定子電圧検出器、固定子電流検出器お
よび力率検出器の各検出信号からこれらの各検出
信号の値に対応する正常時における回転子巻線の
電流値を求める手段と、この手段で求められた電
流値と前記回転子電流検出器で検出された電流値
とを比較して前記回転子電流検出器で検出された
電流値が前記手段でで求められた電流値よりも大
きいとき第２の異常信号を出力する第２の比較判
断手段とを設け、この第２の比較判断手段から第
２の異常信号が出力されたとき前記第１の比較判
断手段からの第１の異常信号を有効とするように
したことを特徴とする。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に
説明する。

第６図は本発明の一実施例に係る回転子巻線異
常診断装置の全体構成を示すブロツク図である。
この図において、回転電機部１７には磁束検出用
素子１４が設置されて、回転子３表面近くの漏洩
磁束が検出される。この磁束検出用素子１４で検
出された磁束脈動信号は信号線１８を通して処理
装置２０に送られ、ここで層間短絡の有無が判定
される。そして層間短絡発生時には、短絡発生箇
所と程度を算定し、信号線２１ａを介して警報信
号を、信号線２１ｂを介して異常発生箇所や程度
を示す信号を開閉器３３へ送る。回転電機の回転
子電流は静止側から回転子巻線へ電流を送る回転
子励磁線３４ａ，３４ｂに設置された回転子電流
検出器３５で検出され、電流値は信号線３６を介
して判定器３７に送られる。一方、固定子電圧、
固定子電流、力率は、それぞれ固定子巻線に誘起
した電力を伝える電力線３８ａ〜３８ｂに設置さ
れた固定子電圧検出器３９、固定子電流検出器４
０、力率検出器４１で検出され、電圧値は信号線
４２を介し、電流値は信号線４３を介し、力率は
信号線４４を介して判定器３７に送られる。判定
器３７は記録器４５と比較制御器４６で構成さ
れ、信号線４２，４３，４４，３６の信号は記録
器４５に入力する。記録器４５は比較制御器４６
から信号線４７を介して送られてきた制御信号を
受け取ると、固定子電流、電圧、、力率、回転子
電流の値を記録する。こうして、回転電機が正常
な時の様々な条件（固定子電圧、電流、力率）に
対応した回転子電流値を、記録器に記録する。と
ころで、正常時の値を記録し終つている場合に、
比較制御器４６から信号線４８を介して制御信号
が記録器に入ると、記録器４５は現在の固定子電
圧、電流、力率に対応した正常時の回転子電流値
を信号線４９を介して比較制御器４６に送る。比
較制御器４６は、この電流値と信号線５０を介し
て回転子電流検出器３５から送られてきた現在の
回転子電流値とを比較して、値が増大しているか
否か調べる。そして、増大している時には、信号
線５１を介して比較制御器４６から開閉器３３へ
層間短絡発生信号が伝送される。開閉器３３は、
層間短絡発生信号を受信すると、信号線２１ａや
２１ｂを介して送られてくる警報信号や異常発生
箇所、程度信号を、監視装置２２へ信号線５２ａ
や５２ｂを介して伝送する。監視装置２２は信号
線５２ａや５２ｂの信号を受けると警報を発生し
たり、層間短絡線の起きた箇所や程度の表示を行
なう。

本発明のこの実施例によれば、タービン発電機
等における回転子巻線の層間短絡の有無を正確に
且つ自動的に判定できる。タービン発電機等の回
転電機の回転子巻線電流値を、正常な時に自動的
に固定子電圧、固定子電流、力率に対応させて貯
え、この記録してある過去の正常な時の電流値と
現在の回転子電流値とを比較し、値が増大してい
る時だけ、処理装置で回転子表面近くの磁束信号
を処理した診断結果を監視装置に伝え、異常警報
を発したり、異常発生箇所や程度を表示する。し
たがつて、磁束検出用素子から処理装置へ信号を
伝える信号線に重畳する雑音や、回転子の冷却不
均一によつて生ずる回転子の振動に影響されず
に、確実な診断ができる。

第７図は、本発明の他の実施例を示すものであ
り、第６図とは判定器３７の構成が異なる。判定
器３７は記憶器５３と比較器５４で構成され、記
憶器５３には予め様々な固定子電圧、固定子電
流、力率に対応した正常時の回転子電流を記録し
ておく。そして、現在の固定子電圧、電流、力率
に対応した正常時の回転子電流値を信号線５５を
介して比較器５４に出力し、比較器５４は、この
値と、回転子電流検出器３５で検出され信号線３
６を介して伝送されてくる電流値とを比較する。
検出された電流値が正常時の値より大きい時は、
正の信号を信号線５１を介して開閉器３３に送
り、開閉器３３は、信号線５１の信号が正の時だ
け、信号線２１ａや２１ｂの警報信号や異常発生
箇所、程度信号を、信号線５２ａや５２ｂに伝え
る。

判定器３７を以上のように構成すると、回路構
成が非常に簡単となり、装置の価格も安くなる。

第８図は、判定器３７を演算器５６と比較器５
４で構成している。演算器５６は、信号線４２，
４３，４４を介して固定子電圧、固定子電流、力
率を入力すると、予め記憶してある計算手順に従
つて自動的に正常時の回転子電流値を計算し、求
めた値を信号線５７を介して比較器５４へ送る。
比較器５４は、この値と回転子電流検出器３５で
検出され信号線３６を介して伝送されてくる電流
値とを比較し、検出された電流値が正常時の値よ
り大きい時は、正の信号を信号線５１を介して開
閉器３３に送る。

判定器３７を以上のように構成すると、次の効
果がある。一般に、記録器は様々な固定子電圧、
固定子電流および力率に対応した回転子電流の値
を記録するために大型となるが、それに比べて、
演算器は小さくできるので装置全体を小型にで
き、さらに、価格も安くなる。

以上説明したように、本発明によれば、固定子
巻線の電圧、電流および力率を検出する固定子電
圧検出器、固定子電流検出器および力率検出器
と、回転子巻線の電流を検出する回転子電流検出
器と、前記固定子電圧検出器、固定子電流検出器
および力率検出器の各検出信号からこれらの各検
出信号の値に対応する正常時における回転子巻線
の電流値を求める手段と、この手段で求められた
電流値と前記回転子電流検出器で検出された電流
値とを比較して前記回転子電流検出器で検出され
た電流値が前記手段で求められた電流値よりも大
きいとき第２の異常信号を出力する第２の比較判
断手段とを設け、この第２の比較判断手段から第
２の異常信号が出力されたとき前記第１の比較判
断手段からの第１の異常信号を有効とするように
したので、磁束検出用素子からの脈動波形信号を
伝えるリード線に重畳する雑音や回転子の振動に
影響されることなく、回転子巻線の層間短絡の発
生箇所や程度を正確で確実にかつ速やかに検出で
き、その結果、回転電機の信頼性を著しく高め得
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はタービン発電機の概略構成を示す要部
断面図、第２図ａ〜ｃは回転子表面における磁束
の流れを示す模式図、回転子表面の漏れ磁束の脈
動波形図およびサーチコイルに発生する誘起電圧
の脈動波形図、第３図および第４図は従来の回転
子巻線異常診断装置の概略ブロツク図および詳細
ブロツク図、第５図はサーチコイルに発生する誘
起電圧に雑音が重畳した場合の脈動波形図、第６
図ないし第８図は本発明の各実施例に係る回転子
巻線異常診断装置のブロツク図である。 １……固定子、２……空隙、３……回転子、１
４……磁束検出用素子、２０……処理装置（第１
の判定装置）、２２……監視装置、３３……開閉
器、３５……回転子電流検出器、３７……判定
器、３９……固定子電圧検出器、４０……固定子
電流検出器、４１……力率検出器、４５……記録
器、４６……比較制御器（第２の判定装置）、５
３……記憶器、５４……比較器（第２の判定装
置）、５６……演算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定子鉄心に固定子巻線を巻装してなる固定
   子と、この固定子に空隙を介して対向配置されか
   つ回転子鉄心に回転子巻線を巻装してなる回転子
   と、この回転子の表面近傍に配設されかつ前記回
   転子巻線に流れる電流によつて回転子表面近傍に
   発生する磁束を検出する磁束検出素子と、この磁
   束検出素子から得られる脈動波形信号における、
   回転子の第１の磁極に対応する脈動波形成分の各
   波の波高値と回転子の第１の磁極とは別の第２の
   磁極に対応する脈動波形成分の各波の波高値を順
   次入力して所定時間保持する波高値保持手段と、
   この波高値保持手段から、位置検出装置から得ら
   れる回転子の回転に同期した位置信号と所定の時
   間的関係で前記第１の磁極に対応する脈動波形成
   分の各波の波高値を順次入力して記憶する記憶手
   段と、波高値保持手段にあらたに保持された前記
   第２の磁極に対応する脈動波形成分の各波の波高
   値を前記位置信号と所定の時間的関係で順次入力
   して記憶手段で記憶された前記第１の磁極に対応
   する脈動波形成分の各波の波高値と比較しその差
   が所定値以上のとき第１の異常信号を出力する第
   １の比較判断手段とを備えたものにおいて、前記
   固定子巻線の電圧、電流および力率を検出する固
   定子電圧検出器、固定子電流検出器および力率検
   出器と、前記回転子巻線の電流を検出する回転子
   電流検出器と、前記固定子電圧検出器、固定子電
   流検出器および力率検出器の各検出信号からこれ
   らの各検出信号の値に対応する正常時における回
   転子巻線の電流値を求める手段と、この手段で求
   められた電流値と前記回転子電流検出器で検出さ
   れた電流値とを比較して前記回転子電流検出器で
   検出された電流値が前記手段で求められた電流値
   よりも大きいとき第２の異常信号を出力する第２
   の比較判断手段とを設け、この第２の比較判断手
   段から第２の異常信号が出力されたとき前記第１
   の比較判断手段からの第１の異常信号を有効とす
   るようにしたことを特徴とする回転電機の回転子
   巻線異常診断装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記回転子
   巻線電流値を求める手段は、正常時における前記
   固定子電圧検出器、固定子電流検出器および力率
   検出器からの各検出信号と前記回転子電流検出器
   からの検出信号を対応させて記録するとともに、
   前記固定子電圧検出器、固定子電流検出器および
   力率検出器の現在の各検出信号を入力して予め記
   録されている前記正常時における各検出信号の対
   応関係から入力された前記各検出信号の値に対応
   する正常時における回転子巻線電流値を読み出す
   記録器からなることを特徴とする回転電機の回転
   子巻線異常診断装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記回転子
   巻線電流値を求める手段は、前記固定子電圧検出
   器、固定子電流検出器および力率検出器の各検出
   信号を入力して予め記憶しておいた正常時におけ
   る固定子巻線の電圧、電流および力率と回転子巻
   線の電流の対応関係から入力された前記各検出信
   号の値に対応する正常時における回転子巻線電流
   値を読み出す記憶器からなることを特徴とする回
   転電機の回転子巻線異常診断装置。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前期回転子
   巻線電流値を求める手段は、前記固定子電圧検出
   器、固定子電流検出器および力率検出器の各検出
   信号を入力してその各検出信号の値からこれらに
   対応する正常時における回転子巻線電流値を演算
   する演算器からなることを特徴とする回転電機の
   回転子巻線異常診断装置。