發電機勵磁繞組的速度敏感繞組接地的檢測方法
2023-06-12 02:14:51
專利名稱：發電機勵磁繞組的速度敏感繞組接地的檢測方法
技術領域：
本發明涉及同步電機(發電機)的勵磁繞組，特別涉及到發電機勵磁繞組中電繞組接地故障的檢測。
背景技術：
常規發電機中的勵磁繞組一般是在轉子中排列的導線或導電帶。轉子中的勵磁繞組通常是排列在環繞轉子外周槽中的導電線圈帶或導電電纜(總稱為線圈帶)的環形陳列。這種線圈帶沿轉子的長度縱向延伸並在轉子的各端由端匝連接。有一激勵器電路給轉子的線圈帶施加DC(直流電流)。
分開上述類型轉子的導電帶或端匝的絕緣可能被擊穿而造成繞組的一或多個線圈之間短路，也稱作為接地狀態。轉子停轉時可以存在短路的線圈，或導電帶或是轉子端由於離心力而被向外加載時可能會發生線圈短路。當接地狀態於停轉下仍然存在時，這種狀態可以通過對轉子進行靜態試驗檢測。但當接地狀態只是在離心負載下才出現時，這種接地狀態便是速度敏感的，且只可以在轉子轉動時檢測，例如處在或接近轉子的工作速度下檢測。
在一種潛在故障的狀態下，離心力會導致轉子繞組的線圈部件與定子的繞組鍛件碰撞。當旋轉繞組線圈繞組與靜止的繞組鍛件接觸時就會導致短路，即接地狀態。這種接地狀態只當轉子旋轉時才會發生，因而此接地狀態也稱作「速度敏感的」。
當於勵磁繞組中發生速度敏感接地狀態時，探明接地位置(例如探明轉子摩擦勵磁線圈處)在過去是極其困難的。轉子摩擦發電機勵磁線圈的位置一般則必須探明，以使專業人員能校正短路而消除接地故障狀態。
為檢測發電機勵磁繞組或激勵系統中的接地故障傳統技術是將現有的測試儀表置於發電機之上，通過警報通知操作人員。這種儀表，例如接地故障檢測器，監控轉動軸上的脈衝以及連續電壓與電流，並在達到設定點時發出警報。此設定點則表徵接地故障狀態。儘管此警報告知操作者接地狀態可能存在於勵磁繞組中，但此警報卻並未指明接地是發生於轉子靜止時或是只發生於轉子在旋轉中且處於離心載荷下時。此警報也未指明接地是在發電機中何處發生。傳統的在線接地故障檢測系統，例如於美國專利No.3831160號中所公開的，既未指出接地故障在發電機的繞組或激勵系統中的位置，也未說明此接地是否是速度敏感的。
確定非速度敏感接地故障的位置是周知的。要是此接地狀態的存在與轉子是否運動無關，則當轉子停止時可以確定繞組中的接地位置。但是用於在轉子靜止時探明非速度敏感接地故障在勵磁繞組中位置的傳統技術並不適用於確定速度敏感接地故障的位置。要是不能夠確定速度敏感接地故障在勵磁繞組中的位置，專業人員就沒有可靠的方法確定接地所在的線圈帶或磁極的位置。當發生速度敏感接地故障時，傳統的修復技術則是重繞整個繞組，而重繞整個繞組是耗時與費用高的。
在勵磁繞組中確定速度敏感接地故障的測試技術是一種長期存在的但是尚未解決的需求。確定速度敏感接地故障位置的測試技術可減少發電機中勵磁繞組所需的修復費用和修復時間。
發明內容
在一實施例中本發明能檢測同步電機(發電機)中直流(DC)部件的速度敏感短路。
在另一實施例中，本發明是用於在具有轉子和勵磁電路的電磁同步電機的勵磁繞組中確定速度敏感接地狀態位置的方法，此方法包括感測此勵磁繞組所產生的磁通，同時加速轉子與起動勵磁電路；檢測轉子每一轉中發生一次的磁通周期偏差；確定對應此周期偏差的勵磁繞組中的位置並將此位置定為接地狀態的位置。
在又一實施例中本發明是用於在具有帶線圈繞組的轉子和帶電樞繞的定子的電磁同步電機中探明速度敏感接地狀態的位置的方法，此方法包括下述步驟使轉子加速並對轉子線圈繞組進行勵磁，監測來自感測槽磁通洩漏的磁通探測儀的信號；檢測來自磁通探測儀的轉子每轉一圈發生一次的信號偏差；使來自磁通探測儀的信號偏差與轉子的位置相關聯。並確定與上述偏差相關聯的轉子位置作為速度敏感接地狀態的來源。
圖1是具有定子繞組、帶磁通探測監控器的轉子繞組的常規發電機四分之一部分的橫剖視圖。
圖2與3是示明探測接地故障所在位置的幾個典型步驟的流程圖。
圖4是轉子磁通探測信號的示例性的曲線圖，示明速度引發的接地故障的演變。
圖5是與轉子磁極和槽相關聯的歸一化磁通探測信號的示例性曲線圖。
具體實施例方式
已開發了新的試驗方法以確定發電機的勵磁繞組中速度敏感接地狀態的位置。此測試方法採用了一種標準的磁通探測器22，它既可是一種臨時性的探測器也可是永久性的固定探測器，該探測器是已安裝在或可安裝於發電機轉子14中的儀器。這種磁通探測器通常用來確定發電機勵磁繞組中線圈匝間的短路。在此方法中，磁通探測器22是用來確定發電機勵磁繞組的線圈中匝間短路的位置。
圖1是電動同步電機10，例如大型渦輪發電機，橫剖面的四分之一的視圖，這種發電機利用其轉子12與定子14中磁場的相互作用產生電功率。在起動電樞作用的定子繞組18中通常產生高的交變電流(AC)輸出功率。轉子12上的許多勵磁繞組16通常由直流(DC)電場源激勵。此DC電場源是由外部DC激勵發電機產生並通過滑環供給轉子勵磁繞組，或是產生於隨轉子轉動的無刷發電機-整流器組件中。
此電樞的各個勵磁繞組18可以包括許多相互絕緣設於定子14槽中的導電帶或導電電纜。定子的兩端設有端匝以與導電帶或電纜互連。大型渦輪發電機通常具有兩個、四個或多個極，它們由配置包含勵磁繞組16的槽以及在端匝處進行互連的方法形成。為便於說明，這裡描述的是雙極發電機，但本發明並不局限於這一實施例。轉子繞組是相對於磁極軸線對稱地排列於槽中，形成圍繞轉子的環形陣列。環形間隙20將轉子繞組與定子的電樞繞組相分開。
磁通探測器22可以沿徑向通過定子進入空氣隙。此磁通探測器可以永久性地安裝於定子中或可以臨時性地插入定子和轉子之間的空氣隙中。此磁通探測器感測勵磁繞組槽的漏磁通。此漏磁通表徵了轉子的運動，特別是表明了在探測器的整個探測磁場中轉子繞組與槽的交替通道。此磁通探測器產生一正比於隨轉子轉動而改變的磁通變化率的電壓。要是接地發生於勵磁繞組中，則此磁通量探測器信號將指示定子勵磁繞組故障所在位置。
圖2與3是探明接地狀態位置的步驟的流程圖。在步驟30中，磁通探測器信號提供定子周圍磁通量的指示。接地狀態將會造成定子周圍磁通場中的偏差。這種磁通場中的偏差由磁通探測器22感測。
當發生繞組接地狀態時，則傳統的接地探測系統在步驟32中告知發電機的操作者已然探測到繞組短路接地。由負責確定接地故障源的技術人員執行測驗過程。作為此方法的開始步驟，在步驟34中，使發電機離線，停止轉子的轉動。
當發電機達到靜止狀態，在步驟36中，可用通常的絕緣電阻測試勵磁繞組，以確定接地故障在定子勵磁繞組中的位置，由此來決定當轉子停止時勵磁繞組中是否存在繞組接地故障。如果此故障不是速度敏感的，則於步驟38，採用通常的測試方法，則時使轉子停止以確定勵磁繞組接地位置。在步驟40中，將根據轉子停止測試確定的接地狀態的位置與根據磁通探測數據確定的位置相比較，以檢查是否存在第二個速度敏感接地狀態。
在步驟38，要是在轉子停止時進行的絕緣電阻試驗表明不存在接地故障(儘管磁通探測器指出有接地故障)，則此接地故障是速度敏感的或是在發電機的激勵系統之中。為了確定是否存在速度敏感接地故障，在步驟42，將此發電機磁場轉子置於轉動的齒輪上，並在轉子加速時給勵磁繞組施加磁場激勵。這種磁場激勵通常是在給定的低轉子速度下施加，並在轉子加速到其額定速度的過程中保持為常數。
在步驟43，在轉子加速過程中用磁通探測器檢查勵磁繞組。在步驟44，在低的轉子轉速下並在接地狀態未再發生時，磁通探測器信號將表明通常的線圈槽漏電壓反向。這些通常的線圈槽漏信號是孤立的。對於檢測速度引發的接地故障是可以忽視的。
要是接地為速度引發的，在步驟46，當轉子加速超過某個閥值速度時將發生接地狀態。此閥值速度可以不是預定的面，可以因不同的接地狀態和不同的發電機而變化。在閥值速度下，作用於轉子上的離心力會變大到足以在勵磁線圈中發生速度敏感接地。要是此速度引發的接地發生在勵磁線圈與轉子接觸的單一位置處，則此接地將於勵磁繞組的磁通中造成周期性偏差。這種周期性磁通偏差將在轉子的每一轉中發生一次。
但要是速度引發的接地是在轉子加速到其額定速度時發生在步驟48，則這種接地最可能發生於激勵系統中而將測試過程集中到激勵系統中。
如果接地是速度引發的，則磁通探測器於步驟46將感測轉子在每一轉中發生一次的周期性磁通偏差。將這種由磁通探測器獲得的每一轉一次的信號用於數據分析與顯示目的。當用磁通探測器信號獲得了每一轉一次的信號時，在步驟50，通過使每一轉一次的磁通探測信號的時間測定與轉子的角度位置相關聯來確定接地位置。轉動的齒輪系統便在轉子轉動時報告角度位置。例如分析每一轉一次的信號就能在發生速度引發接地情形下確定勵磁繞組中的磁極與線圈。在步驟52，在得知了故障位置的條件下修復接地故障狀態。
為了有助於磁通探測信號分析。可將具有每一轉一次特性的信號與在轉子速度低於閥值速度且在發生接地之前所取的先前的磁通探測器信號相比較。通過將此帶有每一轉一次信號的磁通探測器信號與在轉子被加速到足以導致接地之前的取自發電機的類似磁通探測器信號相比較，就能利用因每一轉一次信號造成的磁通偏差來識別接地所在位置。
圖4是磁通探測器電壓62相對於時間64而變化的典型的曲線圖60。圖中的磁通探測器數據表明了電壓曲線66中通常的槽漏電壓反向。但此磁通探測器數據的偏差68則指示接地狀態。當速度敏感故障是由於單一的接地故障狀態所造成，這種偏差就會在每一轉中發生一次。要是於轉子上存在速度敏感故障的位置多於一個時，則每一轉中產生的偏差次數可以多於一次。通過使磁通探測器信號中的偏差68時間確定與轉子角度位置相關聯，可以確定速度敏感接地故障的位置。
圖5中的曲線圖70表明了對於雙極機(x極與y極)曲線圖60(圖4)中所示數據的歸一化槽幅度磁通探測電壓測量值72。在無接地狀態下，這兩個極的歸一化電壓應該相似。但線圈6處的極y示出在槽漏磁通中的偏差，偏差表明在極y處線圈6中存在接地狀態。
通過使預接地的磁通探測器信號與具有每一轉一次的接地引發磁通信號的磁通探測器信號比較，可以隔絕接地。將每一轉一次的接地信號隔絕後，由於相對接地信號可知轉子的角度位置，故可確定接地的轉動位置。知道了由於接地所導致的每一轉一次的信號的轉子角度後，就確定與此每一轉一次的信號相應的勵磁繞組中的磁極與線圈。與此每一轉一次的信號對應的磁極與線圈是那些最可能發生速度敏感接地處的磁極與線圈。在轉子停止後可以檢查所確定的磁極與線圈以確認速度敏感接地是發生在該磁極和線圈。
儘管本發明結合當前據認為最實際的和最佳的實施例作了說明，但應認識到本發明並不限於所公開的實施例，相反，應將各種改型與等效的裝置包括於後附權利要求書的精神與範圍內。
權利要求
1.一種探明具有轉子(12)與激勵電路(48)的電磁同步電機(10)的勵磁繞組(16)中速度敏感的接地狀態的位置(38)的方法，所述方法包括a.感測所述勵磁繞組產生的磁通(30)，同時加速轉子(43)並起動所述激勵電路；b.檢測轉子轉動過程中所發生的磁通的周期性偏差(46)；以及c.測定與所述周期性偏差對應的勵磁繞組的位置(50)並將該位置確定為速度敏感的接地狀態的位置。
2.如權利要求1所述的方法，其中還包括在轉子加速到開始發生周期性偏差的閥值速度之前，確定因通常的線圈槽漏電壓導致的磁通變化(44)。
3.如權利要求1所述的方法，其中還包括在檢測所述磁通中的周期性偏差之前，在該轉子靜止時測定勵磁繞組中不存在接地狀態(38)的步驟。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述接地狀態位置的確定包括確定與該速度敏感的接地狀態對應的線圈槽與磁極位置(74)。
5.一種探明具有帶線圈繞組(16)的轉子(12)和帶電樞繞組(18)的定子(14)的電磁同步電機(10)中速度敏感的接地狀態的位置(38)的方法，所述方法包括a.通過轉動齒輪(42)加速轉子(43)並對轉子線圈繞組施加激勵；b.監控由磁通探測儀感測槽磁漏所得的信號(44)；c.檢測來自所述磁通探測儀的轉子每一轉發生一次的信號(46)；d.使所述來自磁通探測儀的信號的偏差與轉子的位置相關聯(50)；e.將與所述偏差(52)相關聯的轉子位置確定為速度敏感的接地狀態的來源。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述轉子位置是由轉子線圈與磁極位置(74)確定的。
7.如權利要求5所述的方法，其中所述信號偏差發生於該轉子加速之後，而當轉子停轉或以低轉速轉動時則不存在(38)。
8.如權利要求5所述的方法，其中還包括在加速該轉子以檢測速度敏感的接地狀態之前，測試靜止狀態的轉子的非速度敏感的接地狀態(36)。
9.如權利要求5所述的方法，其中還包括在所述電機運轉時感測接地狀態(32)；使轉子停止(34)；在執行上述步驟(a)～(e)之前檢查電樞繞組的接地狀態(36)，並在轉子靜止時確定不存在接地狀態(38)。
10.如權利要求5所述的方法，其中還包括在執行上述步驟(a)～(e)之前測試轉子激勵系統(48)以確定接地狀態。
全文摘要
本發明公開了探明具有轉子(12)與激勵電路(48)的電磁同步電機(10)的勵磁繞組中速度敏感的接地狀態(38)的位置的方法，此方法包括感測此勵磁繞組產生的磁通(30)，同時加速轉子(43)並起動激勵電路；在此轉子轉動過程中檢測所發生的磁通中的周期性偏差(46)；以及測定與此周期性偏差對應的勵磁繞組(50)中的位置並將此位置確定為速度敏感的接地狀態的位置。
文檔編號H02K33/18GK1532556SQ200310114820
公開日2004年9月29日 申請日期2003年11月7日 優先權日2002年11月7日
發明者G·J·古德裡奇, W·J·庫薩瓦, G J 古德裡奇, 庫薩瓦 申請人:通用電氣公司