JPWO2020183610A1 - 短絡検知装置及び短絡検知方法 - Google Patents

Abstract

短絡検知装置は、回転電機の回転子において複数の回転子スロットに巻かれた界磁巻線の短絡を検知する短絡検知装置であって、回転子の磁束の周方向分布が検出された検出信号を、回転子の磁気エネルギーの周方向分布に相当するエネルギー換算信号に変換する信号変換部と、エネルギー換算信号を用いて、短絡が生じた回転子スロットを検知する短絡検知部と、を備える。

Description

本発明は、回転電機の回転子における界磁巻線の短絡を検知する短絡検知装置及び短絡検知方法に関する。

特許文献１には、回転電機の回転子巻線異常検出装置が記載されている。この回転子巻線異常検出装置は、回転子の外周面に近接して静止状態に保持される磁束検出素子と、磁束検出素子から得られる回転子巻線の電流による脈動磁束に応じた脈動信号波形により回転子巻線の異常の有無を判定する判定装置と、を備えている。

特開昭５８−００５６８２号公報

上記のような回転子巻線異常検出装置において、磁束検出素子では、回転子スロットで発生する界磁磁束が検知される。界磁磁束とは、隣り合う回転子スロット間で生じる漏れ磁束のことである。磁束検出素子には、界磁磁束の他に、固定子の多相巻線から発生する電機子反作用磁束と上記の界磁磁束との相互作用で生じる主磁束が鎖交する。

主磁束の大きさ及び位相は、回転電機の運転条件によって変化する。一方、界磁磁束の大きさ及び位相は、界磁巻線の短絡が生じた回転子スロットの位置とその回転子スロットでの短絡ターン数によって変動する。つまり、界磁巻線の短絡が生じた回転子スロットの位置によっては、界磁磁束の変動が主磁束の大きさに対して相対的に小さくなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう場合がある。このため、上記のような回転子巻線異常検出装置には、界磁巻線の短絡が生じた回転子スロットを精度良く特定できない場合があるという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、界磁巻線の短絡が生じた回転子スロットをより精度良く特定できる短絡検知装置及び短絡検知方法を提供することを目的とする。

本発明に係る短絡検知装置は、回転電機の回転子において複数の回転子スロットに巻かれた界磁巻線の短絡を検知する短絡検知装置であって、前記回転子の磁束の周方向分布が検出された検出信号を、前記回転子の磁気エネルギーの周方向分布に相当するエネルギー換算信号に変換する信号変換部と、前記エネルギー換算信号を用いて、前記短絡が生じた回転子スロットを検知する短絡検知部と、を備える。
本発明に係る短絡検知方法は、回転電機の回転子において複数の回転子スロットに巻かれた界磁巻線の短絡を検知する短絡検知方法であって、前記回転子の磁束の周方向分布が検出された検出信号を、前記回転子の磁気エネルギーの周方向分布に相当するエネルギー換算信号に変換し、前記エネルギー換算信号を用いて、前記短絡が生じた回転子スロットを検知するものである。

本発明によれば、界磁巻線の短絡が生じた回転子スロットをより精度良く特定できる。

本発明の実施の形態１に係る短絡検知装置の構成を示すブロック図である。 タービン発電機の運転条件が条件１である場合のサーチコイル電圧信号の波形を示すグラフである。 タービン発電機の運転条件が条件２である場合のサーチコイル電圧信号の波形を示すグラフである。 タービン発電機の運転条件が条件１である場合における短絡時のサーチコイル電圧信号と健全時のサーチコイル電圧信号との差分の電圧波形を示すグラフである。 タービン発電機の運転条件が条件２である場合における短絡時のサーチコイル電圧信号と健全時のサーチコイル電圧信号との差分の電圧波形を示すグラフである。 タービン発電機の運転条件が条件１である場合におけるエネルギー換算信号の波形を示すグラフである。 タービン発電機の運転条件が条件２である場合におけるエネルギー換算信号の波形を示すグラフである。 タービン発電機の運転条件が条件１である場合における短絡時のエネルギー換算信号と健全時のエネルギー換算信号との差分の波形を示すグラフである。 タービン発電機の運転条件が条件２である場合における短絡時のエネルギー換算信号と健全時のエネルギー換算信号との差分の波形を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る短絡検知装置における短絡検知処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る短絡検知装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る短絡検知装置における短絡検知処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る短絡検知装置における短絡検知処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４に係る短絡検知装置における短絡検知処理の流れを示すフローチャートである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る短絡検知装置及び短絡検知方法について説明する。図１は、本実施の形態に係る短絡検知装置の構成を示すブロック図である。図１では、短絡検知装置の検知対象となる回転電機を軸方向に沿って見た構成を併せて示している。本実施の形態では、回転電機としてタービン発電機を例示している。

まず、タービン発電機の構成について説明する。図１に示すように、タービン発電機は、回転自在に設けられた回転子１０と、回転子１０の外側に設けられた固定子２０と、を備えている。回転子１０の外周部と固定子２０の内周部とは、空隙３０を介して対向している。回転子１０の回転子鉄心１１には、複数の回転子スロット１２が形成されている。複数の回転子スロット１２には、直列接続された界磁巻線１３が巻かれている。界磁巻線１３は、回転子鉄心１１が２極に励磁されるように外部電源から直流励磁されている。これにより、回転子鉄心１１には２つの磁極１４が形成されている。図１では、回転子１０の中心軸と各磁極１４の中心とを通る磁極中心方向４１と、回転子１０の中心軸と周方向で隣り合う２つの磁極１４の間の中心とを通る極間中心方向４２と、が示されている。

固定子２０の固定子鉄心２１には、複数の固定子スロット２２が形成されている。複数の固定子スロット２２には、多相巻線２３が巻かれている。多相巻線２３は、空隙３０に回転磁界が生じるように交流励磁されている。図１に示すタービン発電機は、３２個の回転子スロット１２と７２個の固定子スロット２２とを有する２極の発電機である。図１中の太矢印は、タービン発電機が定格負荷で運転する際の主磁束の方向を表している。また、図１中の反時計回り方向の矢印は、回転子１０の回転方向を表している。

固定子２０のうち空隙３０に面した部分には、当該空隙３０での回転子１０の磁束を検知する磁気検出器として、サーチコイル２４が設けられている。サーチコイル２４には、回転子１０の界磁磁束及び主磁束が鎖交する。このため、サーチコイル２４の両端の端子間には、サーチコイル２４に鎖交する磁束に応じた電圧が発生する。サーチコイル２４に鎖交する磁束は、回転子１０の回転に伴って変動する。このため、回転子１０の回転に伴い、サーチコイル２４からは、回転子１０の周方向に沿った磁束密度の変動に応じたサーチコイル電圧信号が出力される。サーチコイル電圧信号は、回転子１０の磁束の周方向分布が検出された検出信号となる。なお、本実施の形態では、空隙３０での回転子１０の半径方向の磁束密度を検知するサーチコイル２４が用いられているが、空隙３０での回転子１０の周方向の磁束密度を検知するサーチコイルが用いられてもよい。

サーチコイル２４には、短絡検知装置１００が必要に応じて接続される。短絡検知装置１００は、プロセッサ、記憶装置、入出力インターフェース回路などをハードウェア構成として備えている。また、短絡検知装置１００は、磁気検出部１０１、信号変換部１０２及び短絡検知部１０３を有している。磁気検出部１０１は、サーチコイル２４からサーチコイル電圧信号を受信するように構成されている。信号変換部１０２は、磁気検出部１０１で受信したサーチコイル電圧信号を、後述するエネルギー換算信号に変換するように構成されている。短絡検知部１０３は、エネルギー換算信号を用いて、界磁巻線１３の短絡が生じた回転子スロット１２を検知するように構成されている。以下、界磁巻線１３の短絡が生じた回転子スロット１２のことを「短絡スロット」という場合がある。磁気検出部１０１、信号変換部１０２及び短絡検知部１０３は、記憶装置に記憶されているプログラムをプロセッサが実行することにより実現される機能ブロックである。例えば、磁気検出部１０１は、後述する図１０のステップＳ１に対応する機能ブロックであり、信号変換部１０２は、同図のステップＳ２に対応する機能ブロックであり、短絡検知部１０３は、同図のステップＳ３に対応する機能ブロックである。

次に、本実施の形態の前提として、サーチコイル電圧信号をそのまま用いた短絡検知方法について説明する。図２及び図３はそれぞれ、タービン発電機の実際の運転を模した２つの運転条件において電磁界解析により得られたサーチコイル電圧信号の波形を示すグラフである。図２及び図３の横軸は回転子１０の回転角度［ｄｅｇ］を表しており、図２及び図３の縦軸はサーチコイル電圧［Ｖ］を表している。ここで、界磁磁極中心から７つ目の回転子スロット１２で、界磁巻線１３の１ターン分の短絡が生じているものとする。図２及び図３において、回転角度θ０は、界磁巻線１３の短絡が生じた側の磁極中心方向に相当する。図２及び図３に示すように、磁極毎のサーチコイル電圧信号の波形は、ほぼ反転対称となっている。また、図２及び図３において、回転角度θ１及びθ２は、短絡スロットの位置に相当する。回転角度θ１は、短絡スロットのうち、回転子１０の中心軸を起点とした主磁束方向から遠い側の短絡スロットの位置に相当する。すなわち、回転角度θ１は、短絡スロットのうち、回転子１０の回転方向で進み側の短絡スロットの位置に相当する。回転角度θ２は、短絡スロットのうち、回転子１０の中心軸を起点とした主磁束方向に近い側の短絡スロットの位置に相当する。すなわち、回転角度θ２は、短絡スロットのうち、回転子１０の回転方向で遅れ側の短絡スロットの位置に相当する。

図２は、タービン発電機の運転条件が条件１である場合のサーチコイル電圧信号の波形を示している。図２において、磁極中心方向に相当する回転角度θ０は、約１７０°である。図２では、主磁束方向から遠い側の短絡スロットの位置を矢印Ａで示している。図２に示すように、短絡スロットでは、短絡ターン数分の起磁力の減少により、電圧の絶対値が小さくなっている。

図３は、タービン発電機の運転条件が条件１とは異なる条件２である場合のサーチコイル電圧信号の波形を示している。図３において、磁極中心方向に相当する回転角度θ０は、約１３０°である。図３では、主磁束方向から遠い側の短絡スロットの位置を矢印Ｂで示している。図３に示すように、短絡スロットでは、短絡ターン数分の起磁力の減少により、電圧の絶対値が小さくなっている。

図４及び図５はそれぞれ、界磁巻線１３の短絡が生じている短絡時のサーチコイル電圧信号と、界磁巻線１３の短絡が生じていない健全時のサーチコイル電圧信号と、の差分をとった電圧波形を示すグラフである。図４及び図５の横軸は回転子１０の回転角度［ｄｅｇ］を表しており、図４及び図５の縦軸は、短絡時のサーチコイル電圧と健全時のサーチコイル電圧との差［Ｖ］を表している。

図４は、タービン発電機の運転条件が条件１である場合における短絡時のサーチコイル電圧信号と健全時のサーチコイル電圧信号との差分をとった電圧波形を示している。図４に示す電圧波形では、短絡の発生を示すピーク、すなわち短絡信号が回転角度θ１及びθ２の位置に出現している。図４に示す電圧波形では、短絡信号の半値幅が比較的狭くなっている。これにより、短絡信号とそれ以外のノイズ信号との区別が可能となるため、短絡スロットの位置を検知することができる。

図５は、タービン発電機の運転条件が条件２である場合における短絡時のサーチコイル電圧信号と健全時のサーチコイル電圧信号との差分の電圧波形を示している。図５に示す電圧波形においても、回転角度θ１及びθ２の位置に短絡信号が出現している。しかしながら、図５に示す電圧波形では、短絡信号以外のノイズ信号が相対的に大きくなっているため、短絡信号の半値幅が広くなっており、かつ、短絡信号の裾野が広がることにより短絡信号が複数スロットに跨がっている。具体的には、矢印Ｂの位置の短絡信号は、短絡スロットだけでなく、短絡スロットに隣接する範囲Ｃの健全な２スロットに跨がっている。このため、タービン発電機の運転条件が条件２である場合には、短絡スロットの位置を精度良く検知するのが困難となり、界磁巻線１３の短絡が３つの回転子スロット１２に生じていると誤って判断してしまうおそれがある。また、この場合、短絡スロットの位置を精度良く検知するためには、タービン発電機の運転条件を例えば条件１に変更した上で、サーチコイル電圧信号を再度取得する必要がある。したがって、サーチコイル電圧信号をそのまま用いると、短絡スロットの位置を迅速に精度良く検知するのが困難になる場合があった。

次に、エネルギー換算信号を用いた短絡検知方法について説明する。図６は、タービン発電機の運転条件が条件１である場合におけるエネルギー換算信号の波形を示すグラフである。図６に示すエネルギー換算信号は、図２に示したサーチコイル電圧信号から変換されたものである。図７は、タービン発電機の運転条件が条件２である場合におけるエネルギー換算信号の波形を示すグラフである。図７に示すエネルギー換算信号は、図３に示したサーチコイル電圧信号から変換されたものである。エネルギー換算信号は、回転子１０の磁気エネルギーに相当する信号であり、サーチコイル電圧信号の瞬時値をそれぞれ二乗したエネルギー換算値を用いてサーチコイル電圧信号から変換される。図６及び図７の横軸は回転子１０の回転角度［ｄｅｇ］を表しており、図６及び図７の縦軸はサーチコイル電圧の二乗［Ｖ²］を表している。

図６及び図７に示すように、サーチコイル電圧信号の瞬時値が二乗されることにより、エネルギー換算信号の全ての値は０以上となる。これに伴い、界磁巻線１３の短絡による空隙３０の磁束量の変化は、全て界磁巻線１３の起磁力の減少として捉えられる。また、図６に示す波形において各回転子スロット１２に対応する高調波の変動成分は、三角関数の倍角定理に基づき、図２に示した波形と比較してそれぞれ狭い半値幅を有している。同様に、図７に示す波形において各回転子スロット１２に対応する高調波の変動成分は、三角関数の倍角定理に基づき、図３に示した波形と比較してそれぞれ狭い半値幅を有している。すなわち、図６及び図７に示す波形は、図２及び図３に示した波形と比較すると、変動が鋭く強調された波形となる。したがって、エネルギー換算信号を用いて界磁巻線１３の短絡を検知することにより、短絡スロットを特定するための空間分解能が向上する。

以下、エネルギー換算信号を用いることにより空間分解能が向上する原理について説明する。界磁巻線１３の短絡によるサーチコイル電圧信号の変動は、主に奇数次成分の減少又は偶数次成分の増加によるものであり、１次の基本波成分及び高次の高調波成分で生じる。簡略化のため、サーチコイル電圧信号の一成分であるｎ次成分をｃｏｓ（ｎθ）と表すと、エネルギー換算値である二乗値は（ｃｏｓ（ｎθ））²となる。（ｃｏｓ（ｎθ））²は、三角関数の倍角定理に基づき、０．５＋０．５×ｃｏｓ（２ｎθ）と同値である。すなわち、ｎ次の空間分解能を有するサーチコイル電圧信号は、エネルギー換算値に変換されることにより、ｎ次の２倍となる２ｎ次の空間分解能を有することがわかる。

また、０．５＋０．５×ｃｏｓ（２ｎθ）は０以上であることから、図６及び図７のそれぞれにおける縦軸の値も０以上となる。物理的には、ある回転子スロット１２で界磁巻線１３の短絡が生じると、その短絡スロットでは健全な界磁巻線１３のターン数が減少するため、界磁巻線１３の起磁力は必ず減少する。起磁力の減少は、短絡スロットに対応する位相で生じる。

一方、サーチコイル電圧信号は、ｃｏｓ（ｎθ）と表されるように正負両方の値をとる。これは、図２及び図３に示したグラフにおいてサーチコイル電圧が正負両方の値をとることからも確かめることができる。図４及び図５に示したように、短絡信号は正負両方に出現する。このため、条件２のように短絡信号以外のノイズ信号の成分が大きいと、短絡信号がノイズと重畳することにより短絡を検知できないか、又は、ノイズ信号を短絡信号として誤検知してしまう場合がある。

これに対し、本実施の形態では、回転子１０の磁気エネルギーに相当するエネルギー換算信号を用いて、短絡スロットが検知される。例えば、短絡時のエネルギー換算信号から健全時のエネルギー換算信号を減じた差分は、起磁力の減少すなわち磁気エネルギーの減少により、短絡スロットに対応する位相で必ず負の値となる。このため、閾値を負の値に設定することによって、ノイズにより上記差分に生じた正値側の変動に関わらず、短絡スロットを精度良く検知することができる。また、サーチコイル電圧信号における奇数次成分の減少又は偶数次成分の増加の比率に関わらず、短絡による磁束密度の減少を磁気エネルギーの減少として捉えるため、短絡スロットを精度良く検知することができる。

図８は、タービン発電機の運転条件が条件１である場合における短絡時のエネルギー換算信号と健全時のエネルギー換算信号との差分の波形を示すグラフである。図９は、タービン発電機の運転条件が条件２である場合における短絡時のエネルギー換算信号と健全時のエネルギー換算信号との差分の波形を示すグラフである。図８及び図９の横軸は回転子１０の回転角度［ｄｅｇ］を表しており、図８及び図９の縦軸は、短絡時のサーチコイル電圧の二乗と健全時のサーチコイル電圧の二乗との差［Ｖ²］を表している。

図８及び図９に示す波形では、回転角度θ１及びθ２のいずれの位置の短絡信号も、起磁力の減少すなわち磁気エネルギーの減少を反映して負値側に現れることが確認できる。また、図８に示す波形では、図４に示した波形と比較すると、短絡信号の半値幅が狭くなっていることがわかる。これにより、少なくとも矢印Ａで示す短絡スロットの位置を精度良く特定することができる。また、図９に示す波形では、図５に示した波形と比較すると、短絡信号の半値幅が狭くなっていることに加え、３スロット分のピークが明確に判別可能であることがわかる。これにより、少なくとも矢印Ｂで示す短絡スロットの位置を精度良く特定することができる。

図１０は、本実施の形態に係る短絡検知装置１００における短絡検知処理の流れを示すフローチャートである。図１０に示す処理は、短絡検知装置１００の記憶装置に記憶されているプログラムを短絡検知装置１００のプロセッサが実行することによって行われる。図１０に示すように、まず短絡検知装置１００は、サーチコイル２４から、検出信号としてサーチコイル電圧信号を受信する（ステップＳ１）。

次に、短絡検知装置１００は、受信したサーチコイル電圧信号の瞬時値を二乗した値を用いて、受信したサーチコイル電圧信号をエネルギー換算信号に変換する（ステップＳ２）。エネルギー換算信号は、サーチコイル電圧信号の瞬時値を二乗した値をそのまま用いて変換されるようにしてもよいし、サーチコイル電圧信号の瞬時値を二乗した値に何らかの値を加減算することによって変換されるようにしてもよい。また、エネルギー換算信号は、サーチコイル電圧信号の瞬時値を二乗した値ではなく、回転子スロット１２のピッチに対して十分小さいサンプリング時間毎のサーチコイル電圧信号の平均値を二乗した値を用いて変換されるようにしてもよい。

次に、短絡検知装置１００は、ステップＳ２で変換したエネルギー換算信号と、健全時のエネルギー換算信号である過去のエネルギー換算信号とを比較して、短絡スロットを検知する（ステップＳ３）。ここで、短絡検知装置１００は、界磁巻線１３の短絡が生じていないときに予めサーチコイル２４からサーチコイル電圧信号を受信しており、そのサーチコイル電圧信号から変換されたエネルギー換算信号を過去のエネルギー換算信号として記憶装置に記憶している。例えば、短絡検知装置１００は、ステップＳ２で変換したエネルギー換算信号と過去のエネルギー換算信号との差分の波形において、負の値に設定された閾値を下回るピークを短絡信号と判定し、当該短絡信号の位置に基づき短絡スロットを特定する。ここで、過去のエネルギー換算信号は、現在のエネルギー換算信号に対して時間的に連続していていもよいし、時間的に不連続であってもよい。

その後、短絡検知装置１００は、必要に応じて、短絡の有無を不図示の報知部で報知する。また、短絡検知装置１００は、界磁巻線１３の短絡が生じている場合には、必要に応じて、短絡スロットの位置を報知部で報知する。

以上説明したように、本実施の形態に係る短絡検知装置１００は、タービン発電機の回転子１０において複数の回転子スロット１２に巻かれた界磁巻線１３の短絡を検知する短絡検知装置である。短絡検知装置１００は、回転子１０の磁束の周方向分布が検出されたサーチコイル電圧信号を、回転子１０の磁気エネルギーの周方向分布に相当するエネルギー換算信号に変換する信号変換部１０２と、エネルギー換算信号を用いて、界磁巻線１３の短絡が生じた回転子スロット１２を検知する短絡検知部１０３と、を備える。ここで、タービン発電機は回転電機の一例である。サーチコイル電圧信号は検出信号の一例である。

この構成によれば、エネルギー換算信号を用いることにより、界磁巻線１３の短絡を高い空間分解能で検知できる。したがって、タービン発電機の運転条件、短絡が生じた回転子スロット１２の位置、サーチコイル２４の設置位置などに関わらず、短絡が生じた回転子スロット１２をより精度良く特定できる。

また、本実施の形態に係る短絡検知装置１００において、信号変換部１０２は、サーチコイル電圧信号の瞬時値を二乗した値、又はサーチコイル電圧信号のサンプリング時間毎の平均値を二乗した値を用いて、サーチコイル電圧信号をエネルギー換算信号に変換するようにしてもよい。この構成によれば、界磁巻線１３の短絡を高い空間分解能で検知できるため、界磁巻線１３の短絡が生じた回転子スロット１２をより精度良く特定できる。

また、本実施の形態に係る短絡検知装置１００において、短絡検知部１０３は、現在のサーチコイル電圧信号から変換されたエネルギー換算信号と、過去のサーチコイル電圧信号から変換されたエネルギー換算信号とを比較して、短絡が生じた回転子スロット１２を検知するようにしてもよい。この構成によれば、時間方向での波形比較により、界磁巻線１３の短絡が生じた回転子スロット１２を特定できる。

また、本実施の形態に係る短絡検知方法は、タービン発電機の回転子１０において複数の回転子スロット１２に巻かれた界磁巻線１３の短絡を検知する短絡検知方法であって、回転子１０の磁束の周方向分布が検出された検出信号を、回転子１０の磁気エネルギーの周方向分布に相当するエネルギー換算信号に変換し、エネルギー換算信号を用いて、短絡が生じた回転子スロット１２を検知するものである。

この構成によれば、エネルギー換算信号を用いることにより、界磁巻線１３の短絡を高い空間分解能で検知できるため、界磁巻線１３の短絡が生じた回転子スロット１２をより精度良く特定できる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る短絡検知装置及び短絡検知方法について説明する。図１１は、本実施の形態に係る短絡検知装置１００の構成を示すブロック図である。なお、実施の形態１と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態では、回転子１０の回転を利用することにより、界磁巻線１３の短絡が発生した短絡磁極のサーチコイル電圧信号と、短絡が発生していない健全磁極のサーチコイル電圧信号とを用いて、短絡スロットが検知される。

図１１に示すように、短絡検知装置１００は、磁気検出部１０１、信号変換部１０２及び短絡検知部１０３に加えて、信号遅延部１０４を有している。信号遅延部１０４は、磁気検出部１０１で受信したサーチコイル電圧信号の位相を電気角で１８０°遅らせた遅延信号を生成するように構成されている。信号遅延部１０４は、記憶装置に記憶されているプログラムをプロセッサが実行することにより実現される機能ブロックである。例えば、信号遅延部１０４は、後述する図１２のステップＳ１３に対応する機能ブロックである。

図１２は、本実施の形態に係る短絡検知装置１００における短絡検知処理の流れを示すフローチャートである。図１２に示す処理は、短絡検知装置１００の記憶装置に記憶されているプログラムを短絡検知装置１００のプロセッサが実行することによって行われる。図１２に示すように、まず短絡検知装置１００は、サーチコイル２４から、検出信号としてサーチコイル電圧信号を受信する（ステップＳ１１）。

次に、短絡検知装置１００は、受信したサーチコイル電圧信号から上記の遅延信号を生成する（ステップＳ１２）。

次に、短絡検知装置１００は、ステップＳ１１で受信したサーチコイル電圧信号と、ステップＳ１２で生成した遅延信号と、のそれぞれを実施の形態１と同様の手法によりエネルギー換算信号に変換する（ステップＳ１３）。これにより、電気角で１８０°位相の異なる２つのエネルギー換算信号が生成される。

次に、短絡検知装置１００は、サーチコイル電圧信号から変換したエネルギー換算信号と、遅延信号から変換したエネルギー換算信号とを比較して、短絡スロットを検知する（ステップＳ１４）。例えば、短絡検知装置１００は、サーチコイル電圧信号から変換したエネルギー換算信号と、遅延信号から変換したエネルギー換算信号との差分の波形に基づき、短絡スロットを特定する。これにより、界磁巻線１３の短絡が発生した短絡磁極のエネルギー換算信号と、短絡が発生していない健全磁極のエネルギー換算信号との比較により、短絡スロットを検知することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る短絡検知装置１００は、サーチコイル電圧信号の位相を電気角で１８０°遅らせた遅延信号を生成する信号遅延部１０４をさらに備えている。信号変換部１０２は、遅延信号をエネルギー換算信号に変換する。短絡検知部１０３は、サーチコイル電圧信号から変換されたエネルギー換算信号と、遅延信号から変換されたエネルギー換算信号とを比較して、短絡が生じた回転子スロット１２を検知する。この構成によれば、空間方向での波形比較により、界磁巻線１３の短絡が生じた回転子スロット１２を特定できる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態に係る短絡検知装置及び短絡検知方法について説明する。本実施の形態では、タービン発電機の固定子２０に複数のサーチコイル２４が設けられている。複数のサーチコイル２４は、電気角で１８０°以上位相の異なる位置に配置されている。一例としては、２つのサーチコイル２４が電気角で１８０°位相の異なる位置に配置されている。これにより、短絡検知装置１００の磁気検出部１０１では、界磁巻線１３の短絡が発生した短絡磁極のサーチコイル電圧信号と、短絡が発生していない健全磁極のサーチコイル電圧信号とが受信される。

図１３は、本実施の形態に係る短絡検知装置１００における短絡検知処理の流れを示すフローチャートである。図１３に示す処理は、短絡検知装置１００の記憶装置に記憶されているプログラムを短絡検知装置１００のプロセッサが実行することによって行われる。図１３に示すように、まず短絡検知装置１００は、複数のサーチコイル２４のそれぞれから、検出信号としてサーチコイル電圧信号を受信する（ステップＳ２１）。

次に、短絡検知装置１００は、受信した複数のサーチコイル電圧信号のそれぞれをエネルギー換算信号に変換する（ステップＳ２２）。

次に、短絡検知装置１００は、複数のエネルギー換算信号同士を比較して、短絡スロットを検知する（ステップＳ２３）。これにより、界磁巻線１３の短絡が発生した短絡磁極のエネルギー換算信号と、短絡が発生していない健全磁極のエネルギー換算信号との比較により、短絡スロットを検知することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る短絡検知装置１００では、信号変換部１０２は、電気角で１８０°以上位相の異なる複数の位置のそれぞれで検出された検出信号をエネルギー換算信号に変換する。短絡検知部１０３は、エネルギー換算信号同士を比較して、短絡が生じた回転子スロット１２を検知する。この構成によれば、空間方向での波形比較により、界磁巻線１３の短絡が生じた回転子スロット１２を特定できる。

本実施の形態は、実施の形態２と組み合わせて実行することができる。この場合、回転子１０の回転を利用し、１つのサーチコイル２４からのサーチコイル電圧信号に基づいて、界磁巻線１３の短絡が発生した短絡磁極のエネルギー換算信号と、短絡が発生していない健全磁極のエネルギー換算信号とが生成される。これらのエネルギー換算信号同士を比較することにより、１つのサーチコイル２４からのサーチコイル電圧信号に基づいて、短絡スロットが検知される。また、別のサーチコイル２４からのサーチコイル電圧信号に基づいても、同様の手順で短絡スロットが検知される。これらの検知結果を照合することにより、最終的に短絡スロットが特定される。このように、本実施の形態と実施の形態２とを組み合わせて実行することにより、短絡の誤検知、及び故障等による短絡の見逃しを回避することができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る短絡検知装置及び短絡検知方法について説明する。本実施の形態では、短絡検知装置１００とは別の短絡検知装置を用いて界磁巻線１３に短絡が生じていることが検知された後に、短絡スロットを特定するために短絡検知装置１００が用いられる。

図１４は、本実施の形態に係る短絡検知装置１００における短絡検知処理の流れを示すフローチャートである。図１４に示す処理は、短絡検知装置１００の記憶装置に記憶されているプログラムを短絡検知装置１００のプロセッサが実行することによって行われる。ここで、界磁巻線１３に短絡が生じていること自体は、上記別の短絡検知装置によって既に検知されているものとする。また、上記別の短絡検知装置では、サーチコイル電圧信号を変換せずにそのまま用いて界磁巻線１３の短絡を検知するように構成されているものとする。

図１４に示すように、まず短絡検知装置１００は、上記別の短絡検知装置から、検出信号としてサーチコイル電圧信号を取得する（ステップＳ３１）。

次に、短絡検知装置１００は、取得したサーチコイル電圧信号をエネルギー換算信号に変換する（ステップＳ３２）。

次に、短絡検知装置１００は、ステップＳ３２で変換したエネルギー換算信号と、健全時のエネルギー換算信号とを比較して、短絡スロットを検知する（ステップＳ３３）。健全時のエネルギー換算信号は、例えば、上記別の短絡検知装置から取得した健全時のサーチコイル電圧信号から変換され、記憶装置に記憶されている。

以上説明したように、本実施の形態に係る短絡検知装置１００では、サーチコイル電圧信号は、短絡検知装置１００とは別の装置から取得される。この構成によれば、既存の短絡検知装置をそのまま利用することが可能である。また、既存の短絡検知装置では短絡スロットの特定が困難である場合には、本実施の形態に係る短絡検知装置１００を用いて短絡スロットをより精度良く特定することができる。

本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、回転子１０の磁束を検知する磁気検出器としてサーチコイル２４を例に挙げたが、本発明はこれに限られない。磁気検出器は、ホール効果を用いて磁束密度を測定するホール素子等の磁気センサであってもよいし、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）等の磁気抵抗効果を用いて磁束密度を測定する磁気センサであってもよい。

また、上記実施の形態では、回転子１０の磁束の周方向分布の検出信号として、サーチコイル２４から出力されるサーチコイル電圧信号を例に挙げたが、検出信号は、半導体素子から出力される電圧信号であってもよいし、電流信号であってもよい。

また、上記実施の形態では、サーチコイル電圧信号をエネルギー換算信号に変換する際に、サーチコイル電圧信号の瞬時値を二乗した値、又はサーチコイル電圧信号のサンプリング時間毎の平均値を二乗した値を用いているが、本発明はこれに限られない。上記瞬時値又は上記平均値に代えて、サーチコイル電圧信号の実効値を用いてもよい。また、二乗に代えて、二乗と同様に演算結果が必ず０以上になる数学的処理を行ってもよい。このような数学的処理によって測定周波数を高くし、空間分解能を高くしても、本発明と同様の効果が得られる。

また、界磁巻線１３の短絡の有無に関わらず、時間的に連続して又は時間的に間隔を空けて２つのエネルギー換算信号を取得し、２つのエネルギー換算信号を比較して短絡スロットを検知するようにしてもよい。

上記の各実施の形態１〜４は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

１０ 回転子、１１ 回転子鉄心、１２ 回転子スロット、１３ 界磁巻線、１４ 磁極、２０ 固定子、２１ 固定子鉄心、２２ 固定子スロット、２３ 多相巻線、２４ サーチコイル、３０ 空隙 ４１ 磁極中心方向、４２ 極間中心方向、１００ 短絡検知装置、１０１ 磁気検出部、１０２ 信号変換部、１０３ 短絡検知部、１０４ 信号遅延部。

Claims (7)

1. 回転電機の回転子において複数の回転子スロットに巻かれた界磁巻線の短絡を検知する短絡検知装置であって、
   前記回転子の磁束の周方向分布が検出された検出信号を、前記回転子の磁気エネルギーの周方向分布に相当するエネルギー換算信号に変換する信号変換部と、
   前記エネルギー換算信号を用いて、前記短絡が生じた回転子スロットを検知する短絡検知部と、
   を備える短絡検知装置。
2. 前記信号変換部は、前記検出信号の瞬時値を二乗した値、又は前記検出信号のサンプリング時間毎の平均値を二乗した値を用いて、前記検出信号を前記エネルギー換算信号に変換する請求項１に記載の短絡検知装置。
3. 前記短絡検知部は、現在の前記検出信号から変換された前記エネルギー換算信号と、過去の前記検出信号から変換された前記エネルギー換算信号とを比較して、前記短絡が生じた前記回転子スロットを検知する請求項１又は請求項２に記載の短絡検知装置。
4. 前記検出信号の位相を電気角で１８０°遅らせた遅延信号を生成する信号遅延部をさらに備え、
   前記信号変換部は、前記遅延信号を前記エネルギー換算信号に変換し、
   前記短絡検知部は、前記検出信号から変換された前記エネルギー換算信号と、前記遅延信号から変換された前記エネルギー換算信号とを比較して、前記短絡が生じた前記回転子スロットを検知する請求項１又は請求項２に記載の短絡検知装置。
5. 前記信号変換部は、電気角で１８０°以上位相の異なる位置のそれぞれで検出された前記検出信号を前記エネルギー換算信号に変換し、
   前記短絡検知部は、前記エネルギー換算信号同士を比較して、前記短絡が生じた前記回転子スロットを検知する請求項１又は請求項２に記載の短絡検知装置。
6. 前記検出信号は、前記短絡検知装置とは別の装置から取得される請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の短絡検知装置。
7. 回転電機の回転子において複数の回転子スロットに巻かれた界磁巻線の短絡を検知する短絡検知方法であって、
   前記回転子の磁束の周方向分布が検出された検出信号を、前記回転子の磁気エネルギーの周方向分布に相当するエネルギー換算信号に変換し、
   前記エネルギー換算信号を用いて、前記短絡が生じた回転子スロットを検知する短絡検知方法。

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