JPS6031179B2 - 水素冷却発電機の初期故障の検知方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発電機、特にタービン発電機などの水素冷却発
電機機械の初期故障を検知する方法に関するものである
。

発電機に起こる種々の故障または異常な状態としては固
定子コア等の機械の金属部分の局所過熱、導体の一部ま
たは完全破壊、絶縁体の一部または完全破壊などがある
。

もし完全損傷または他の重大な損傷が起こるまでこのよ
うな異常な状態が検知されなければ、機械は過度の温度
、アークまたはフラッシュオーバーによってひどく損傷
し、機械は完全なまたは破壊的故障を起こす。重大な故
障が起こると、少くとも機械の一部を再建したり、一部
または完全な巻き換えを行ったりして高価な修理を必要
とし、その結果機械を長期間停止し、大変な費用がかか
る。従って完全な破壊にまで発展する前に初期故障を検
知することが望ましく、それによって重大な損害を起こ
す前に故障を治すことができる。

この種の故障の大半は過熱と関連があり、その異常な温
度上昇は故障その他の欠陥の指摘に利用されて来た。長
年の間、固定子スロットまたは大型機械においては温度
検知器が過度の温度を検知するのに使用されて来たが、
このような検知器は通風機横の故障または過度の導体電
流などによって起こされるような導体自身の過熱だけに
しか応答しなかつた。近年になっては、機械の循環水素
雰囲気中における粒子の濃度の変化を計測することによ
る初期熱的故障検知器が使用されるようになった。

これらの装置は大型発電機などに使用される大半の有機
絶縁物質は加熱されると粒状物を放出する事実に基いて
おり、従って粒状物の濃度の増加は過熱が起こっている
ことを示すことになる。しかしながらこのタイプの装置
もいくつかの欠点を有する。多くの有機絶縁物質は温度
が約２００℃に達した時に初めて粒子を発生する。これ
に対して運転中の発電機における代表的な水素ガス温度
は約６０℃である。従って厚い高電圧用絶縁体を通じて
充分な熱が伝達して絶縁体の表面が検出可能の必要な温
度にまで達するまでに導体自身の温度は非常に高くなっ
てしまう。実験によると、たとえば通常の絶縁体を有す
る銅導体の場合には絶縁体の表面における粒子の発生が
起こる前に導体の温度は６００ｑｏに達する。従ってよ
り低い導体温度でも応答し得る故障検知器の出現が非常
に望まれている。また粒子の濃度によって故障を検知す
る方法は導体の絶縁体の表面層のような有機成分の過熱
しか検知できず、固定子コアを含む発電機の金属部分の
ような有機絶縁体以外の過熱された成分または導体の温
度については何ら直接的応答はない。このような検知器
は温度に対してのみ応答するもので、導体のような金属
部分の非常に局部的部分だけを加熱するコロナ及びアー
クなどを検知するのには通さない。熱的故障を検知する
のに有機物の粒子発生を利用する方法の別の欠点は一定
の温度における有機物の粒子発生期間が限られているこ
とである。

実験によると、粒子が発生する温度は粒子発生時間の経
過とともに高くなり、一定の温度下にある時間保つと粒
子の発生が停止することがわかった。従って実際の使用
条件下では持続した再現し得る信号を得ることは難かし
い。この問題を克服するために通常に使用される物質よ
り粒子発生温度が低くなるようなコーティングを有機絶
縁体の表面上に施す試みが成された。しかしがらこのよ
うなコーティングは費用がかかるだけでなく、一定の温
度下での粒子発生時間が限られていた。本発明の方法は
１０％以下の空気を含有する水酸を含む冷却ガスで充満
された囲いを有する発電機の初期故障を検知する方法で
、前記冷却ガスの遊離酸素含有率を測定し、前記遊離酸
素と他の元素との組合わせにおいて酸素濃度が通常の範
囲の値より低くなったことを検知することから成る方法
である。

通常ガスを遮断する囲いの中に水素を満たし、機械の運
転中水素を循環させる。

実際の使用においては、機械の中のガス混合物において
常に１０％までの量の空気が水素と混合して存在する。
このようにかなりの量の遊離酸素がガスの一成分として
存在する。機械中の水素及び酸素は１０ぴ○程度の温度
でも反応して水蒸気を形成し、この反応は前記機械中に
存在する銅及び酸化鋼によって触媒作用を受ける。また
加熱された銅及び金属並びに有機物質も比較的低温で酸
素と反応し、それらの酸化物及び他の化合物を生成する
。従って機械のいずれの部分で高温が生じても絶縁成分
または金属成分のいずれかが酸化または他の反応を起こ
すことによって機械中のガス混合物から遊離酸素の一部
が除去される。従って酸素濃度を計測することによって
酸素濃度が実質的に減少することがわかることによって
このような温度の発生が検知でき、初期故障の存在を知
ることができる。機械中の空気は囲いの中に漏出するた
めに存在し、水素と混合される空気の量はその時によっ
て変わる。

従って遊離酸素の量を直接に測定する代わりに、窒素と
酸素との比を測定する方が好ましく、酸化反応が起こら
ない限り窒素と酸素との比は空気の量に関係なく実質的
に一定である。窒素／酸素の比が実質的に増加すること
は酸素の量が減少したことを意味し、従って過熱の発生
を意味する。窒素／酸素の比は直接に測定することがで
き、あるいは通常の条件下では一定の比を有する酸素の
濃度と機械中の空気の濃度とを測定することによって計
測しても良い。第２図の機械は機械を完全に囲むガス遮
断性外側囲い１０を有する。

発電機は電機子巻線１４を支えているラミネートされた
固定子コア１２を有し、界磁巻線を支えている回転子１
６は囲い１０の末端においてベアリングで支持されてい
る。巻線１４は一般に適当な有機樹脂で含浸させた雲母
またはガラステープから成る比較的厚い高電圧絶緑体で
包まれた撚線の銅導体から成る。囲い１０は機械中に発
生する熱を除去するための冷却ガスとして働く水素で満
たされており、水素ガスは機械の操作中囲い及び冷却器
中を連続的に循環する。このような機械はいるいるなタ
イプの故障、たとえば絶縁破壊、固定子コアのスロット
中または巻線の絶縁体中の空隙におけるコロナ放電、種
々の理由による機械の特定部村の過熱、導体の振動に伴
なう連続的または間欠的アークによる銅導体の撚線の破
壊、及びその他いろいろな故障を受け易い。

故障の大半はある程度初期の段階における過熱と関連が
ある。すなわち故障の性質は欠陥のある場所において過
度のまたは異常な加熱が生じることによるものである。
本発明はこの事実を利用して従来の方式より正確で信頼
性の高い感度の良い正確な熱的欠陥の検出装置を提供す
るものである。囲いに充填される水素はできるだけ純粋
に保たれるが、実際上はある量の空気が水素と常に混合
される。

これは必ず生じる漏れ、シールオイルまたはベアリング
潤滑油に溶解して機械に運ばれる空気の放出及びその他
の原因によるものである。このように水素と混合される
空気の量は安全のために】０％以下に保たれ、多くの場
合空気の公称％は５％程度である。空気の通常の組成は
Ｎ２７８．０３％ ０２ ２０．９９％ ＡＯ．９４％
及びＣ０２ ０．０３％であり、従って空気の濃度が５
％以下の程度でもかなりの量の遊離酸素が発電機中のガ
ス混合物中に存在することになる。水素と酸素とは反応
して水蒸気を生成し、銅及び酸化鋼は１００〜２０００
０程度でもこの反応の触媒作用を働くことが知られてい
る。他のある種の金属、たとえばニッケル及び白金など
も同様な触媒特性を示し、多くの金属酸化物もこの特性
を有する。銅及びステイールなどの加熱された金属は酸
素と直接に反応して酸化物を生成する。発電機中に存在
する多くの有機物質も１５０〜１７５こ○程度の比較的
低い温度で酸素と反応して酸化物及び他の化合物を生成
する。従って発電機中の金属部分または有機絶縁材にお
いて異常な温度が発生すると酸素と酸化反応または他の
反応を起こし、発電機中のガス混合物中の遊離酸素の量
を減少させる。従って発電機のいずれかの部分において
１００〜２００００の範囲の過熱を生じさせるような初
期故障の存在は発電機中のガス混合物中の酸素の量を測
定することによって検知できる。これは酸素濃度を測定
する公知の手段によって成され、このように酸素濃度の
実質的減少は初期故障の発生を示すものである。従って
この結果重大な故障に発展する前に適切な処理を施すこ
とができる。発電機の雰囲気中に含まれる空気は漏れの
結果として存在し、従って空気の童、すなわち酸素の濃
度は時としてさらに漏れることにより、または空気の％
を減少させるために純粋な水素を添加することにより変
わる。

このように発電機の雰囲気中の酸素濃度は変わるので、
酸素含有量の実質的減少を計測するのには酸素と空気の
他の成分との比を測定するのが好ましい。この比は前述
のような反応によって酸素が除去されない限り、酸素の
実際の量と関係なく、一定に保たれる。この目的のため
には酸素と窒素またはアルゴンとの比が利用され、この
窒素またはアルゴンは発電機中に存在する条件下では比
較的不活性であるので、この比は通常の条件下では実質
的に一定に保たれる。窒素はアルゴンよりはるかに多量
に存在するので、窒素／酸素比はより容易に正確に測定
でき、この測定を行うための装置は容易に入手し得る。
過熱を示すものとしての窒素／酸素の比の効果は第１図
に示したテスト結果によって示される。この図は大気圧
で水素９６．６％及び空気３．４％の代表的な発電機雰
囲気中の窒素／酸素比の測定結果を示すものである。こ
の雰囲気中で銅サンプルを加熱し、サンプルの種々の温
度で窒素／酸素比を測定した。約１２０００でこの比は
非常に速やかに上昇し始めるが、このことはこの温度以
上では酸素は加熱された銅と反応し、その結果遊離酸素
の量は速やかに減少することを示している。このように
銅の温度は正確に感度良く示される。この効果は通常の
商業的に使用されている実際の発電機から採取した多く
のガスサンプルを観察することによって確認された。全
ての場合において、窒素／酸素比は空気についての通常
比（４．０よりわずかに低い）であるが、過熱が存在す
る場合には窒素／酸素比はこれよりはるかに高い値にな
り、質量分析の結果は酸素濃度が事実上低下したことを
示した。大きな水素冷却発電機の冷却ガス中の酸素濃度
または好ましくは窒素／酸素比は熱的または電気的初期
故障の存在を正確に示すものとして使用できる。

このような故障を検知するこの方法は有機物質の粒子発
生に基づく従来の方法よりはるかに秀れており、この従
来の方法は精度及び信頼性において劣っており、有機物
費の過熱の検知に限られている。本発明による窒素／酸
素比の変化は有機絶縁体及び金属部品の両方を含む機械
中のいずれかの物質または成分の過熱を表示するもので
あり、さらに加熱が局部に限られ過度でなし、にしても
酸化反応を起こすアークまたはコロナの故障を表示する
利点がある。このように従来の方法よりはるかに正確な
初期故障検知法が提供される。この方法はまた故障の表
示をチェックするのに簡単な方法が存在する利点がある
。これは追加の空気を発電機に供給して酸素濃度を高め
、しかる後室素／酸素比を再び増加するのに要する時間
を観測することによって容易に成し得る。これによって
初期故障の存在を検査するのに正確で容易な方法が提供
される。窒素／酸素比はいずれかの公知の方法によって
測定でき、連続的に測定しても良く、また一定の規則的
間隔で測定しても良い。

このような測定を行うのにいずれの適当な手段を利用し
ても良い。このようなガス分析には質量分析及びガスク
ロマトグラフなどがいよいよ使用されており、利用し易
い。これらの装置のいずれを使用しても良い。第２図に
は公知の容易に入手し得る装置を使用している窒素／酸
素比の好ましい測定装置が示されている。この方法では
、水素冷却発電機に一般に使用される従来公知の純度計
量器が利用されている。この計量器は一定の速度で駆動
されるファンまたはブロワ−を有する。発電機中の水素
雰囲気は連続的にサンプルが採取され、このブロワーに
供給される。周囲の温度及び圧力の変化を補正した場合
、ブロヮーの前後の圧力上昇はガスの密度を直鞍に表示
し、従って水素−空気混合物中の空気の濃度がわかる。
水素中の空気の濃度がわかれば、水素及び酸素の燃焼を
制御して行うことによって得られるガスの熱容量からガ
ス中の酸素濃度がわかる。この熱容量は公知の容易に入
手し得る装置である従釆の触媒的または固体電解質燃焼
ゲージによって測定できる。従って発鰭機雰囲気中の窒
素／酸素比は第２図に示したように測定できる。

この図には従来の純度計量器２０が示されており、ライ
ン２１を通じて発電機からガスを受取り、ライン２２を
通じてそれを戻している。前述の様に計量器２０は一定
の速度で駆動されるブロワーを有し、ブロワーを横切る
圧力の上昇はガスの密度の尺度となり、従ってガス中の
量を測定できる。この圧力差は、直接に空気の％に目盛
られており、従来の水素制御装置の一部を成す計量器２
３に適用される。本発明の目的のためには、ガスの酸素
濃度は前述のタイプまたは他の適当なタイプのいずれで
も良い従来の燃焼ゲージ２４によって測定される。この
ゲージ２４はライン２１または２２のいずれかから少量
のガスを採取し、その熱容量を測定することによって酸
素の％を計測する。ゲージは２５に示されているように
酸素濃度の％を示すように直接に目盛られていても良い
。空気が窒素／酸素の正常の比を有する限り、ガス中に
存在する空気の絶対量が時として変わったとしても、ガ
ス中の空気の％に対するガス中の酸素の％の比は一定に
保たれる。従って正常の条件下では計量器２３及び２５
の読みの比は一定に保たれる。しかしながらこの比が著
しく減少した場合、すなわち窒素／酸素比が増加した場
合は酸素の量の減少を意味し、初期故障の条件の存在を
示すものである。この２つの計量器の読みの比は目によ
る観察によって測定でき、あるいは必要に応じて自動的
に計算していずれのタイプの視覚による表示器で示して
も良く、あるいは警報を発するように作動させたり、他
の適当な応答を生じるように作動させても良い。このよ
うに初期故障の存在を検知することによって重大な故障
に発展する前に適切な修理処置を講ずることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的な発電機雰囲気中で銅を加熱した場合の
温度と窒素／酸素比との関係を示す。 第２図は本発明の故障検知装置の説明図である。１０・
・・・・・囲い、１２・・・・・・固定子コア、１４・
・・・・・電機子巻線、１６・・・・・・回転子、２０
・・・・・・従来の純度計量器、２３・・・・・・空気
計量器、２４・・・・・・燃焼ゲージ、２６・・・・・
・酸素計量器。 斤ソＧ・／ ‘ソＧ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １０％以下の空気を含有する水素を含む冷却ガスで
   満たされた囲いを有する発電機の初期故障を検出する方
   法において、前記方法は正常状態における前記冷却ガス
   中の遊離酸素濃度を測定し、前記発電機の操作中におけ
   る前記冷却ガス中の遊離酸素濃度を測定することから成
   り、前記方法は遊離酸素濃度を前記正常状態において測
   定した値よりも低下させる遊離酸素と水素との実質的反
   応を検知し、前記冷却ガス中の遊離酸素濃度を前記冷却
   ガス中の空気の他の成分と酸素との比を計測することに
   よつて測定して前記遊離酸素濃度が正常状態における値
   より実質的に減少することを検知することを特徴とする
   発電機の初期故障の検知方法。 ２ 前記冷却ガス中の前記酸素濃度を前記冷却ガス中の
   窒素と酸素との比を計測することによつて測定する特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記冷却ガス中の空気の濃度を測定し、前記冷却ガ
   ス中の酸素の濃度を測定し、そして前記空気濃度と前記
   酸素濃度との比における実質的変化を検知することによ
   つて窒素対酸素の比を測定する特許請求の範囲第２項記
   載の方法。