JPS6314573B2 - - 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は積層固定子鉄心４に固定子巻
線、つまり電機子巻線５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６と一体に形
成された胴部、つまり回転子鉄心７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８を巻装することによつて構成さ
れており、回転子巻線８は楔９でスロツト内に保
持されるとともに、保持環１０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極のターピン発電機では回転
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１１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１２である。この漏れ磁
束１２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１３を設置す
る。そして、回転する回転子巻線８に電流が流れ
た場合に発生する漏れ磁束１２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
れ磁束量も減小する。

一方、漏れ磁束検出用のサーチコイル１３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１４で示すように脈動波
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１５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、人が遂一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、１６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１７を通して判定装置１８に送られる。判定装
置１８は大きく分けて処理装置１９と監視装置２
１で構成され、処理装置１９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があるとの判定が出た場
合、信号線２０を通して異常を知らせる信号が監
視装置２１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
３、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１３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
１３に発生する脈動波形信号が信号線１７を通し
て、判定装置１８中の処理装置１９へ伝送され
る。そして、信号はまず、増幅器２２で適当な大
きさとなり、信号線２３を通して波高値保持器２
４へ伝送され、比較判断器２５へ信号線２６ａを
通して伝送される。波高値保持器２４は比較判断
器２５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２５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２６ｂを通して波高値保持
器２４に出力したとき、比較判断器２５に波高値
信号を信号線２６ａを通して伝送する。

比較判断器２５では、波高値保持器２４で保持
された波高値を１周期順次入力してそのデータを
信号線２８ａを通して記録器２７に貯わえてお
き、他方では遂次、信号線２８ｂを通して記録器
２７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２０ａ，２０ｂを
通して監視装置２１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２１は、信号線２０ａ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２９と異常の発生場所や異常の程度を信
号線２０ｂの信号で表示する表示盤３０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。

第５図に示すように、タービン発電機の中に
は、回転数が定格回転数（例えば3600rpm）から
外れるのを抑えるため、磁極部３１に溝３２を設
け、その中に導体を挿入して端部で全導体を短絡
した制動巻線３３を持つものがある。このよう
に、磁極部３１に溝３２が設置されていると、こ
の部分の主磁束は第５図ａの１１ａのように磁極
部溝３２の角部３２ａ辺りで曲つて流れるので、
磁束の変化が生じ、磁束検出用素子１３には磁極
部溝３２に対応した脈動部分が発生し、磁束検出
用素子１３から得られる信号の脈動波形は第５図
ｂのようになる。自動診断装置がこの脈動波形か
ら回転子巻線溝部分３４の脈動波形を確実に見つ
け出すのは非常に難かしく、磁極部溝に基づく脈
動波形を回転子巻線溝に基づく脈動波形と見なし
て異常有無の判定をしてしまう危険性があつた。

さらに、第６図に示すように、磁極部３１に隣
接する回転子巻線溝３５ａの楔３６が磁性材の場
合、磁極部主磁束は１１ｂのように流れ、溝出口
部の磁束が磁性楔中を通り、磁極角部の磁束集中
が緩和されるため、溝の位置の磁束変化は小さく
なる（第６図ｂ）。結局、磁束検出用素子に誘起
される信号の脈動波形は第６図ｃのようになり、
磁性楔３６の入つた回転子巻線溝３５ａの位置に
おける脈動波形波高値３７は小さくなる。ところ
で、この波高値３７が非常に小さく、磁束検出用
素子で検出できない場合、自動診断装置は磁性楔
の入つていない隣りの溝３５ｂの波高値３８を第
１番目の溝の波高値と見なして判定を行なうの
で、誤診断の危険性があつた。

本発明の目的は、異常の有無を判定すべき回転
子巻線に流れる電流によつて発生する磁束による
脈動波形成分のみを正確に取り込んで、正確で確
実にかつ速やかに回転子巻線の異常の有無を判定
することのできる回転電機の回転子巻線異常診断
装置を提供するにある。

この目的を達成するため、本発明は、回転子位
置検出装置を設け、判定装置は、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異常信号を出力する
比較判断手段とを備え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７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。
図において、回転電機部１６には第４図に示した
磁束検出用素子１３の他に、回転子３の回転位置
を正確に検出するための素子３９、例えば反射形
光電式ピツクアツプなどを設置する。回転子に
は、目印し４０、例えば反射板などを付けてお
き、回転位置検出素子３９が目印し４０を検出し
たら、第８図に示すようなパルス状の位置信号４
４を発するようになつている。この位置信号は信
号線４１を通して判定装置１８中の処理装置１９
へ送られ、波形整形器４２で予め決められた大き
さと幅のパルス信号に変換し、信号線４３を通し
て比較判断器２５に送られる。

ところで、磁束検出用素子１３に誘起する脈動
波形とパルス位置信号との時間的関係が第８図の
ような場合、比較判断器２５はパルス位置信号を
入力してから時間間隔４５だけ待機した後、波高
値保持器２４に保持された、脈動波形の波高値を
順次入力する。

第８図に示すように、１回転を前半周期４６と
後半周期４７に分けるが、比較判断器２５は、前
半周期の１波高値データを入力する毎に信号線２
８ａを通して記録器２７に記録する。前半周期の
波高値データを全て入力し終つたら、後半周期の
波高値データを取り込む毎に、記録器２７に貯え
られている、現在取り込んだ波高値と対称位置の
波高値データを信号線２８ｂを通して取り入れ、
これらの対称位置同志の波高値データを順次比較
して、異常程度を算定し、その程度がある設定レ
ベルを越えているか否か調べ、異常有無の判定を
する。もしも異常を検出したら、信号線２０ａ，
２０ｂを通して監視装置２１へ異常の程度や、異
常発生箇所を知らせる信号を伝送する。監視装置
２１の構成は第４図と同じである。

この実施例によれば、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正確にかつ自
動的に判定できる。すなわち、タービン発電機な
どの回転電機の回転位置を検出する素子を取り付
け、この素子から得られる回転位置信号を判定装
置内に入力し、回転位置を正確にとらえて回転子
巻線溝の位置を正確に把握し、回転子表面付近に
設置した磁束検出用素子に誘起する脈動波形を入
力する。したがつて、回転子に設置された磁極部
溝によつて生ずる脈動成分や、回転子巻線溝内に
備え付けられた磁性楔によつて生ずる脈動成分の
消去などに影響されることなく、波高値を正確に
取り込めるので、確実な診断ができる。

第９図は、本発明の他の実施例を示すもので、
この実施例では、回転子に取り付ける位置検出用
目印し４０の位置を調整し、磁束検出用素子１３
に誘起する脈動波形において第１番目の回転子巻
線溝の波高値位置４８で回転位置検出素子３９か
らパルス位置信号４４が出るようになつている。
したがつて、この場合には、比較判断器２５がパ
ルス位置信号４４を取り込んでから波高値データ
を取り込むまで、待機する必要がなくなり、確実
に第１番目の回転子巻線溝の波高値データを入力
できる。

また第１０図は、磁束検出用素子３９から複数
のパルス位置信号４４が得られる実施例であり、
特に、回転子巻線溝の各波高値位置４９に対応し
て各パルス位置信号４４が出るように、複数の位
置検出用目印し４０が調整、設置されている。し
たがつて、この場合には、比較判断器２５はパル
ス位置信号を入力したら波高値データを取り込め
ばよく、正確に各波高値データを取り込めるの
で、装置の信頼性は非常に向上する。

以上説明したように、本発明によれば、回転子
位置検出装置を設け、判定装置は、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
別に第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異常信号を出力す
る比較判断手段とを備えたので、異常の有無を判
定すべき回転子巻線に流れる電流によつて発生す
る磁束による脈動波形成分のみを正確に取り込ん
で、正確で確実にかつ速かに回転子巻線の異常の
有無を判定することができる。

【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ａ，ｂおよび第６図ａ〜ｃは
回転子表面の磁束の流れとサーチコイルに発生す
る誘起電圧の各例を示す脈動波形図、第７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
ブロツク図、第８図ないし第１０図はサーチコイ
ルに発生する誘起電圧の脈動波形と位置信号との
時間的関係の各例を示すタイムチヤートである。 １……固定子、２……空隙、３……回転子、１
３……磁束検出素子、１６……回転電機部、１８
……判定装置、１９……処理装置、２１……監視
装置、２２……増幅器、２４……波高値保持器、
２５……比較判断器、２７……記録器、３９……
反射形光電式ピツクアツプ、４０……反射板、４
２……波形整形器。

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を入力して
   回転子巻線の異常の有無を判定する判定装置とを
   備えたものにおいて、回転子位置を検出する位置
   検出装置を設け、前記判定装置は、前記脈動波形
   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、前記位
   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
   して記憶する手段と、前記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前記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異常
   信号出力する比較判断手段とを備えたことを特徴
   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、前記位置検
   出装置は、前記脈動波形信号の所定の波の波高値
   位置に対して所定位相ずれた回転子位置で前記位
   置信号を発生するものであ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、前記位置検
   出装置は、前記脈動波形信号の所定の波の波高値
   位置に対応する回転子位置で前記位置信号を発生
   するものであ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、前記位置検
   出装置は、前記脈動波形信号の有効とすべきすべ
   ての波の波高値位置にそれぞれ対応する各回転子
   位置で前記位置信号を発生するものであることを
   特徴とする回転電機の回転子巻線異常診断装置。