JPH0246149A - 同期機界磁巻線の断線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は回転界磁形同期機の界磁巻線の断線を検出する
同期機の異常検出装置に関するものである。

（従来の技術） 従来は、同期機の回転子側である界磁巻線の断線を直接
検出することは行われていなかった。系統に並列されて
運転している同期機では、界磁巻線の断線や励磁装置の
故障により発生する界磁喪失の現象を電機子側に設けた
インピーダンスリレーで検出しで同期機の運転を停止す
る等の保護が行われていた。また単独運転する同期発電
機の場合は界磁電流の異常減少等で発電機を停止するこ
とで保護が行われていた。

これら従来の保護方式では電規的にほぼ完全な断線状態
に達して始めて保護操作が行われることとなる。

（発明が解決しようとする課題） しかし、界磁電流が流れている状態で界磁巻線に機械的
な断線が発生しても、界磁巻線の大きなインダクタンス
の作用によりそれまで流れていた電流が流れ続ける力が
働く、そこで、機械的には断線した箇所もアークでつな
がり電気的には容易に断線状態にはならない、このよう
な状態（以下半断線状態と呼ぶ）が長時間継続するとア
ーク発生箇所の周辺はこのアークにより焼損してしまう
。

そして回転子の構造によっては、部分的な補修が出来ず
回転子全体を新製しなければならないようなことに至る
こともある。特に、単一の鋼塊から切削加工されている
鉄心に界磁巻線を装荷した円筒界磁形の回転子で１部分
的な補修が出来ない損傷を受けることが多い。

ところで、界磁巻線は一般的には鋼材を加工したもので
あり、その電気抵抗の温度係数が大きく安定しているの
で、その性質を利用して回転子側にある界磁巻線の温度
を界磁電圧と界磁電流より検出するローター温度計が使
用されている。これは、界磁電圧をＶｆ、界磁電流をＩ
ｆ、界磁巻線抵抗をＲｆとする、定常状態においては、
Ｒｆ　＝　Ｖｆ／Ｉｆで界磁巻線抵抗が与えられるので
そのＲｆより巻線材の温度係数から界磁巻線の温度をも
とめるものである。前述の半断線状態では同じ電流を流
すに必要な電圧はアーク電圧の分だけ高くなるので、こ
のローター温度計は界磁巻線温度が上昇したと指示する
ことになる。よってこの温度指示より半断線状態を検出
することも考えられる。しかし、その温度指示は高負荷
運転で起り得る正常な温度上昇とあまり変わらず、その
温度指示のみから半断線状態が発生していることを適確
に検出することは出来ない０本発明の目的は、従来技術
では固壁であった半断線状態を含む同期機界磁巻線の断
線を迅速に検出する装置を提供しようとするものである
。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 同期機界磁巻線の中間点（以下Ａ点と呼ぶ）の電圧をス
リップリングとブラシにより、静止部に取出し、その電
圧と界磁巻線の両端に加わる電圧を分圧器により分圧し
た点（以下Ｂ点と呼ぶ）の電圧を比較し、そこに差電圧
が発生したことで半断線状態を含む同期機界磁巻線の断
線を検出するものである。

（作　用） 半断線状態を含む同期機界磁巻線の断線がなければ、Ａ
点の電圧は、界磁巻線の両端に加わる電圧をＡ点の前後
（ＰＡ間及びＡＮ間）の抵抗で決まる分圧比で分圧した
ものとなる０分圧器の分圧比をＡ点の分圧比と同じに選
んでおけば、Ｂ点の電圧はＡ点の電圧と等しくなる。半
断線状態が発生すれば、そのアーク電圧により分圧比が
変化しＡ点の電圧が変化するが１分圧器の分圧比は変化
しないのでＢ点の電圧はもとのままである。従って、半
断線状態が発生した時にはＡ点とＢ点の間に電圧差が発
生する。よって、ＡＢ間の電圧を監視すれば半断線状態
の発生が検出できる。完全な断線に至った時にはＡ点の
電圧変化は非常に大きく、これも検出できることは明白
である。

（実施例） 本発明の１実施例を第１図に示し、その構成を説明する
。１は同期機の電機子、２はその界磁巻線でこれが回転
子側となる。３と４は回転子上にある界磁巻線に界磁電
流を伝達するためのスリップリングとブラシであり、添
字Ｐは正極側のものを、添字Ｎは負極側のものを表す。

５は界磁巻線に界磁電流を給電する励磁装置であり、説
明の便のためその出力端子をＰ（正極側）、Ｎ（負極側
）と呼ぶことにする。

以下に述べる部分が１本発明により設けたものであり、
６と７が界磁巻線の中間点（Ａで表す）を回転子から静
止部に電気的に接続するためのスリップリングとブラシ
であり便宜上、中間点スリップリング及び中間点ブラシ
と呼ぶことにする。

８は励磁装置５より界磁巻線２に印加される電圧を分圧
する分圧器で分圧出力端子をＢで表す、９はＡＢ間の電
圧を監視するための電圧検出器である。９Ａ、９Ｂ、９
Ｃは電圧検出器９の内部の詳細な１実施例を示す回路機
能であり、　９Ａはローパスフィルター、９Ｂは絶縁増
幅回路、９Ｃは絶対値コンパレータ回路である。

前述の中間点スリップリング６を接続する界磁巻線２の
中間点Ａは、界磁巻線２の構造上引出し可能な中間近傍
の一点であれば厳密な中間点でなくても良＜、ＰＮＮ低
抵抗対するＡＮＮ低抵抗比と分圧器の分圧比（ＢＮ間抵
抗／ＰＮ間抵抗）を一致させておけば良い。

尚、その電圧分担（ＡＮ間電圧／ＰＮ間電圧）は定常的
には抵抗値で支配され、励磁装置５の出力電圧Ｖｆの変
化時の過渡的な電圧分担はインダクタンスにより支配さ
れる。この両方が等しくなる可能性は厳密な中間点に近
い点はど高い、しかし、例え厳密な中間点を選択できて
も、実際には製作誤差による構造の非対称性等のため、
それ（定常的電圧分担と過渡的電圧分担が等しくなる）
を厳密に満足することは殆ど不可能である。このため、
電圧検出器９は過渡的な電圧には応答しないようにした
ものでなければならない。

ＰＡ間の抵抗をＲｆｌ、ＮＡ間の抵抗をＩｆ２とすると
、ＡＮ間の電圧はＶｆ　Ｘ　Ｒｆ２／（Ｒｆｌ＋Ｒｆ２
）となる。

ＢＮ間の電圧も１分圧器の分圧比をＲｆ２／（Ｒｆｌ＋
Ｒｆ２）にしているので同じ電圧になる。また、通常の
温度変化による界磁巻線抵抗の変化では、　ＲｆｌとＩ
ｆ２とが同じ比率で変化するので、ＡＢ間電圧は発生し
ない。よって、半断線状態が発生していない状態ではＡ
Ｂ間電圧は、原理的には零である。現実には、各部の誤
差により多少の電圧が発生するがほぼ零となる。ＢＮＮ
雷電圧半断線状態が発生しても、同じＶｆに対しては同
じ電圧のままであるがＡＮ間電圧は半断線状態が発生す
ると変化するので、ＡＢ間に電圧が発生する。

Ａ点と正極スリップリング３Ｐとの間で半断線状態が発
生した場合を例にとり具体的に発生電圧を数式で説明す
る。その時のアーク電圧をＶａｒとし、その時の界磁電
流をＩｆとすると、ＰＡ間電圧はＲｆＩ　Ｘ　Ｉｆ　＋
　ＶａｒとなりＡＮ間電圧はＩｆ２　Ｘ　Ｉｆとなる。

一方ＢＮ間電圧は、　（ＲｆｌＸＩｆ＋Ｖａｒ＋Ｒｆ２
ＸＩｆ）　ＸＲｆ２／（Ｒｆｌ＋Ｒｆ２）となる、従っ
て、ＡＢ間には両電圧の差である、Ｖａｒ　Ｘ　Ｒｆ２
／　（Ｒｆｌ＋Ｒｆ２）なる電圧が得られる。

このように、半断線状態が発生するとＡＢ間に電圧が発
生するので、この電圧を電圧検出器９で監視することで
、半断線状態が検出できる。

次に、実施例の電圧検出器９の詳細な作用を説明する。

ＡＢ間の電圧をローパスフィルター９Ａでフィルターす
る。界磁電圧が急変した場合（正常な運転状態でも、各
種外乱に対応して界磁電圧＝励磁装置５の出力電圧は急
変する）のＡ点電圧は短時間はインダクタンスで決まる
分圧比で支配され、抵抗で決まる分圧比が現れない、そ
して、Ａ点は厳密にインダクタンス比も抵抗比も同じに
なる点に設けることは、殆ど不゛可能であることは構成
のところで述べた通りである。従って、過渡状態に於い
ては、界磁巻線２に半断線状態が発生しなくても、ＡＢ
間に電圧が発生する。このＡＢ間の過渡的な電圧を除去
するのがローパスフィルター９Ａの作用である。

フィルターされたＡＢ間電圧は絶縁増幅器回路９Ｂで絶
縁して絶対値コンパレータ回路９Ｃに伝達される。ＡＢ
間電圧がその極性を問わず大きさ（絶対値）がコンパレ
ータの設定を越えると絶対値コンパレータ回路９Ｃが動
作し信号０を出力する６即ち、半断線状態発生と判断す
べきＡＢ間電圧をローパスフィルター９Ａと絶縁増幅器
回路９Ｂの特性で絶対値コンパレータ回路９Ｃの入力電
圧に換算した値灸こ絶対値コンパレータ回路９Ｃの動作
点を設定することで、半断線状態が検出できる。完全断
線は半断線状態の極限であり、この時にはＡＢ間電圧は
極端に大きくなり、これも検出されることは勿論のこと
である。

本実施例によれば、電気現象的には界磁巻線抵抗の増加
と見れる半断線状□態を含む界磁巻線の断線を温度上昇
による界磁巻線の抵抗変化には左右されず検出できる。

・ 電圧検出器９は、本発明の構成要素の一つに過ぎずその
内部詳細構成を前記実施例の通りの構成にする必然性は
なく以下の機能を持っていれば良い、即ち、Ａ点の抵抗
比率とインダクタンス比率の差や製作誤差等によりＡ８
間の発生する直流電圧や過渡電圧には応答せず１判断線
状態発生と生新できる大きさのＡＢ間電圧に応答して、
動作信号を発生するものであれば良い、簡単なものにし
ようとすれば、動作の遅い１個の直流継電器のみですま
すこともできる。また、精度や応答を良くするために１
反限時特性をもたすようにしても良い。

前記実施例では、Ａ点のＰ側とＮ側の両方に同じアーク
電圧を発生する反断線状態が同時発生したような特殊な
場合にはＡ８間に断線による電圧が発生せず検出できな
いことがある。第２図に示す他の実施例によればこのよ
うな盲点もなくすることができる。第１図と同じ記号を
付した部分は、第１図と同じものであり、異なる部分を
説明する。

６−１と６−２は界磁巻線の中間部分の異なる２点（Ａ
ｔ及びＡ２で表す）を回転子から静止部に接続するため
の第１の中間点スリップリングと第２の中間点スリップ
リングであり、７−１と７−２はそれぞれ６−１と６−
２に接触して接続機能を果たす第１の中間点ブラシと第
２の中間点ブラシである。８は分圧器であるが、界磁巻
線のＡ１点及びＡ２点に対応する２つの分圧出力端子を
持つものであり、それらを第１の出力端子Ｂ１及び第２
の出力端子Ｂ２と呼ぶことにする。９−１と９−２は第
１図の電圧検出器９と同じものであるが、２つ設けるの
で記号を変え、第１の電圧検出器を９−１とし第２の電
圧検出器を９−２とした。この構成では、界磁巻線のＡ
１点のＰ側とＮ側とで同じアーク電圧を発生する半断線
状態が発生した場合には、ＡｌＩ３１間には電圧の発生
が無く、第１の電圧検出器９−１は半断線状態を検出で
きないが、Ａ２Ｂ２間には電圧が発生し第２の電圧検出
器９−２が半断線状態を検出する。逆に、界磁巻線のＡ
２点のＰ側とＮ側とで同じアーク電圧を発生する半断線
状態が発生した場合には：　Ａ２Ｂ２間には電圧の発生
が無く、第２の電圧検出器９−２は半断線状態を検出で
きないが、Ａ１８１間には電圧が発生し第１の電圧検出
器９−１が半断線状態を検出する。このように半断線状
態がどこに発生しても必ず検出でき、検出の盲点を排除
することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、中間点スリップリングと中間点ブラシ
を設けることにより１回転子内の界磁巻線の部分間の電
圧分担率の変化を監視して界磁巻線の断線を検出するの
で、温度変化による界磁巻線抵抗の変化に左右されず、
半断線状態を含めた界磁巻線の断線を検出出来る。よっ
て、従来実施されてなかった半断線状態での保護を行う
ことにより、同期機回転子の大きな損傷を未然に防止で
き、本発明の効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図、第２図は本発明の他
の実施例の構成図である。 １・・・電機子　　　　　　　　２・・・界磁巻線３Ｐ
・・・正極スリップリング　　３Ｎ・・・負極スリップ
リング４Ｐ・・・正極ブラシ　　　　　　４Ｎ・・・負
極ブラシ５・・・励磁装置 ６・・・中間点スリップリング ７・・・中間点ブラシ ９・・・電圧検出器 ９Ｂ・・・絶縁増幅器回路 ９Ｃ・・・絶対値コンパレータ回路 Ａ・・・界磁巻線の中間点 ０・・・断線発生信号 ６−１・・・第１の中間点スリップリング６−２・・・
第２の中間点スリップリング７−１・・・第１の中間点
ブラシ ７−２・・・第２の中間点ブラシ ９−１・・・第１の電圧検出器 ９−２・・・第２の電圧検出器 Ａ１・・・界磁巻線の第１の中間点 Ａ２・・・界磁巻線の第２の中間点 Ｂ１・・・分圧器の第１の出力端子 Ｂ２・・・分圧器の第２の出力端子 ０１・・・第１の断線発生信号 Ｂ・・・分圧器出力端子 ０２・・・第２の断線発生信号 ８・・・分圧器 ９Ａ・・・ローパスフィルター 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　第子丸　　　健

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転界磁形同期機の界磁巻線の断線検出装置に於
   いて、界磁巻線の中間部の一点を静止部へ接続するため
   のスリップリングとブラシを設け、回転部外に界磁巻線
   に印加される電圧を分圧する分圧器を設け、前記スリッ
   プリングとブラシを介して得た界磁巻線の中間点の電圧
   と前記分圧器の出力電圧との差電圧を検出する電圧検出
   器を設け、差電圧の発生を検出することにより界磁巻線
   の断線を検出することを特徴とする同期機界磁巻線の断
   線検出装置
2. （２）第１の請求範囲の同期機の界磁巻線の断線検出装
   置に於いと、界磁巻線の中間部の異なる二点を静止部へ
   接続するための二組のスリップリングとブラシを設け、
   かつ界磁巻線に印加される電圧を界磁巻線の前記二点に
   対応して分圧する分圧器を設け、前記二つのブラシの各
   々に対応する分圧器出力と各々ブラシとの間に発生する
   差電圧を検出する電圧検出器を二組設けたことを特徴と
   する同期機界磁巻線の断線検出装置