JP2008148549A

JP2008148549A - 発電電動機の短絡状態を検出するための装置、システム及び方法

Info

Publication number: JP2008148549A
Application number: JP2007315324A
Authority: JP
Inventors: Sudhanshu Rai; スッダンシュ・ライ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-06-26
Also published as: EP1930738A3; CN101196549A; EP1930738A2; US7411404B2; CN101196549B; US20080136360A1

Abstract

【課題】発電電動機の電気的短絡状態を検出するためのシステム、装置及び方法である。
【解決手段】発電電動機の少なくとも１つの出力信号に応答する発電電動機１４の作動パラメータを求める段階と、発電電動機の界磁電流を予測するための伝達関数を準備する段階とを含む。更にまた、伝達関数及び作動パラメータから発電電動機の予測界磁電流値１８を取得する段階と、発電電動機械２４の予測界磁電流値と実際の界磁電流値との間の差に応答して発電電動機の短絡巻線状態を識別する段階とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明の開示は、一般に発電電動機に関し、より詳細には直流（ＤＣ）電圧により励磁される発電電動機の巻線の短絡状態を検出することに関する。

ＤＣ機械又は同期機械のような特定のタイプの発電電動機は、ＤＣ電圧により励磁される界磁巻線を含むことができる。同期機械は、回転子がＤＣ源により励磁される界磁巻線を保持する二重励磁発電電動機である。界磁巻線における電流、すなわち界磁電流は、電機子電流及びグリッド電圧に依存する。励磁制御装置は、界磁巻線にわたる電圧を制御することにより界磁電流を制御する。界磁電流の目的は、電力を発生させる起電力（ｅｍｆ）を誘起するために、固定子巻線に結合する磁束を生成することである。

図１は、典型的な突極同期機械のフェーザ図を示しており、ここで、Ｖｔ及びＩａは、それぞれ作動中の固定子電圧及び固定子電流を表し、δは電力角、及びψは力率角を表す。Ｉｄ及びＩｑは、直軸（ｄ軸）及び横軸（ｑ軸）に沿ったそれぞれの電流成分を表す。Ｘｄ及びＸｑは、ｄ軸及びｑ軸に沿った同期リアクタンスを表す。Ｘ１は漏れリアクタンスを表し、Ｅｍは漏れリアクタンス背後合計ｅｍｆを表し、Ｅは、特定動作条件で誘起される合計ｅｍｆを表す。

電気を発生させるのに使用される発電機などの発電電動機は、時間の経過に伴って次第に、機械の作動に悪影響を及ぼす短絡巻線などの界磁巻線短絡状態を起こしやすくなる可能性がある。従来、短絡巻線は、異なる負荷で作動させながら発電機の定期試験を実施することによって識別される。しかしながら、このような試験は、発電機を次善モードで作動させるか、試験を実施している間は、完全にオフラインにすることが必要とされる場合がある。短絡巻線に対するオンライン試験は、発電機の回転子と電機子との間のエアギャップに挿入される磁束プローブにより与えられる磁束密度をモニターすることにより実施することができる。磁束プローブ試験は、発電機を長時間にわたり且つ多様な負荷範囲にわたってモニターすることを必要とする場合がある。しかしながら、磁束プローブモニターシステムは、極めて高価なものとなる可能性があり、結果として得られる磁束密度データの解釈は比較的主観的なものである。
米国特許第６，７９８，２１０号公報米国特許第６，４８３，３１９号公報米国特許第５，４７７，１６３号公報米国特許出願公開第２００５／００６８０５８号公報米国特許第６，８８２，１７３号公報米国特許第６，９１１，８３８号公報米国特許出願公開第２００５／００６８０５８号公報米国特許出願公開第２００５／００６８０５８号公報米国特許出願公開第２００４／０１８９２７９号公報 The New Method On Rotor Winding Inter Turn Short-Circuit fault Measure of Turbine Generator, LI YONGGANG; ZHAO HUA; LI HEMING; Electric Matchines and Drives Conference, 2003. IEMDC'03. IEEE International, Volume 3, 1-4 June 2003; Pages 1483-1487 vol. 3. The Diagnosis Method of Generator Rotor Winding Inter Turn Short Circuit Fault Based On Excitation Current Harmonics, WAN SHUTING; LI HEMING; LI YONGGANG; WANG YI; Power Electronics and Drive Systems, 2003. PEDS 2003. The Fifth International Conf on Volume 2, 17-20 Nov. 2003, Pages 1669-1673, Vol. 2. Inter Turn short Circuit Fault Research on Generator Rotor Windings, LI YONGGANG; LI HEMING; ZHU LING; ZHAO HUA; Electrical Machines and Systems, 2001. ICEMS 2001. Proceeding of the Fifth International Conference on Volume 1, 18-20 August 2001, Pages 357-360, vol. 1.

例示的な実施形態において、本発明は、発電電動機の電機的短絡状態を検出する方法を含む。本方法は、発電電動機の少なくとも１つの出力信号に応答する発電電動機の作動パラメータを求める段階と、発電電動機の界磁電流を予測するための伝達関数を準備する段階とを含む。本方法はまた、伝達関数及び作動パラメータから発電電動機の予測界磁電流を取得する段階と、発電電動機の予測界磁電流値と実際の界磁電流値との差に応答して発電電動機の短絡状態を識別する段階を含む。

別の例示的な実施形態では、本発明は、発電電動機の電気的短絡状態を検出するための装置を含む。本装置は、発電電動機の少なくとも１つの出力信号及び発電電動機の実際の界磁電流を受信するためのプロセッサを含む。本装置はまた、発電電動機の少なくとも１つの出力信号に応答して、発電電動機の作動パラメータを求め、発電電動機の界磁電流を予測するための伝達関数を準備し、伝達関数及び作動パラメータから発電電動機の予測界磁電流値を取得し、発電電動機の予測電磁電流値と実際の界磁電流値との差に応答する発電電動機の短絡巻線状態を識別するためのプロセッサで動作可能なプログラムドロジックを含む。

別の例示的な実施形態では、本発明は、発電電動機の電気的短絡状態を検出するためのシステムを含む。本システムは、発電電動機の少なくとも１つの出力信号に応答して発電電動機の作動パラメータを求めるための作動パラメータ計算器と、界磁電流を発電電動機により生成される起電力と関連付ける伝達関数を提供する関数発生器とを含む。本システムはまた、伝達関数と作動パラメータから発電電動機の予測界磁電流を取得するための界磁電流予測器と、発電電動機の予測界磁電流値と実際の界磁電流値との間の差を求める残差分析器とを含む。

本発明のこれら及び他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ文字が同じ要素を表す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むとより理解できるであろう。

直流（ＤＣ）電圧により励磁される発電電動機の巻線の短絡状態を検出する本発明の方法は、機械の作動パラメータに基づいて機械の界磁電流を予測し、予測界磁電流を機械の実際の界磁電流と比較して、潜在的短絡状態を示す差を判断することを含む。図２は、同期発電機のような、直流（ＤＣ）電圧により励磁される発電電動機の短絡状態を検出するための方法１０の例示的な実施形態のフロー図を示す。方法１０は、発電電動機の少なくとも１つの出力信号に応答した発電電動機の作動パラメータを判断する段階を含むことができる。例えば、方法１０は、発電電動機の１つ又はそれ以上の有効電力出力（Ｐ）、発電電動機の無効電力出力（Ｑ）、及び発電電動機の電圧出力（Ｖ）などの出力信号１２を読み取る段階を含むことができる。例示的な実施形態では、１つ又はそれ以上の出力信号は、発電電動機の作動状態をモニターするオンラインモニターにより提供することができる。出力信号の１つ又はそれ以上に基づいて、方法１０は、固定子電流（Ｉα）、力率角（ψ）、漏れリアクタンス背後内部電圧（Ｅｍ）、電力角（δ）、及び同期リアクタンス背後総合内部電圧（Ｅ）など、発電電動機の種々の作動パラメータを算出する段階を含むことができる。作動パラメータは、図１のフェーザ図に基づいて算出することができる。例えば、Ｅは、式１を用いて算出することができる。

Ｅｍは、式２を用いて算出することができる。

δは式３を用いて算出することができる。

方法１０はまた、界磁電流を発電電動機により生成される起電力に関連付ける伝達関数などの１つ又はそれ以上の伝達関数を提供する段階を含むことができる。この段階は、発電電動機の同期リアクタンスＸｄ及びＸｑ並びに漏れリアクタンスＸＩの出力信号を読み取り、次いで、これらの出力信号１６に基づく伝達関数を生成する段階を含むことができる。同期リアクタンスＸｄ及びＸｑ並びに漏れリアクタンスＸＩのような機械出力パラメータは、様々な負荷及び力率でオンライン作動中に逸脱する可能性があるので、これらのオンライン出力パラメータは、オンライン作動状態を反映する伝達関数を生成するのに有用とすることができる。例示的な実施形態では、この伝達関数は、発電電動機及び他の同型式の発電電動機の少なくとも１つについての履歴出力パラメータデータに基づくことができる。例えば、単一の発電電動機の出力パラメータをモニターしている場合、伝達関数の生成はオフラインで実施することができる。一群の同型式の発電電動機についての出力パラメータが利用可能である場合、出力パラメータの生成はオンラインで実施することができる。

別の例示的な実施形態では、伝達関数は、それぞれ図３及び４に示されるようにエアギャップ伝達関数３０及び磁気飽和伝達関数３２を含むことができる。図３の例示的なエアギャップ伝達関数３０は、
式ｙ＝７３．３７０４＋４５６．２７６ｘ
により定められる。図４の例示的な磁気飽和伝達関数３２は、
式ｙ＝−４４４１．０８＋１９９０４．７ｘ−３１０５７．６ｘ²＋１２０８６．４３ｘ³
により定めることができる。それぞれの伝達関数式の係数の概算は、最初に発電電動機の履歴作動情報に基づいて求めることができる。本発明の別の態様においては、係数の概算値は、発電電動機の予測界磁電流と実際の界磁電流との差の誤差を最小にするように見積もることができる。

伝達関数の生成後、次いで方法１０は、伝達関数及び作動パラメータから発電電動機の界磁電流の予測値を求める段階を含むことができる。例えば、界磁電流の予測値は、エアギャップ伝達関数３０及び磁気飽和伝達関数３２に関連した所定の作動パラメータＥ及びＥｍに対応する界磁電流ベクトル成分に基づいて導出（１８）することができる。図５の図に示すように、第１界磁電流ベクトル４４は、所定のＥｍにおけるエアギャップ伝達関数の界磁電流値３６と磁気飽和伝達関数の界磁電流値３８との間の差３４に基づいて導出することができる。第２界磁電流ベクトル４６は、所定のＥにおけるエアギャップ伝達関数の界磁電流値に基づいて導出することができる。次いで、第１界磁電流ベクトル４４と第２界磁電流ベクロル４６との間の角度４２は、例えば、式４を用いて算出（２０）することができる。

第１界磁電流ベクトル４４と第２界磁電流ベクトル４６との角度４２を用いると、ベクトル加法を用いて合成ベクトル４８を算出（２２）し、予測界磁電流値を求めることができる。

予測界磁電流値を求めた後、方法１０は、発電電動機２４の予測電磁界流値と実際の界磁電流値との間の差に応答する発電電動機の短絡巻線状態を識別する段階を含むことができる。例えば、一定時間期間にわたる予測界磁電値と実際の界磁電流値との間の平均差のような統計上の残差を用いて短絡巻線状態を識別することができる。この差は、閾値２６と比較することができ、差が閾値２６を超える場合、短絡巻線警報のような短絡巻線表示２８を発生させることができる。例示的な実施形態では、短絡巻線誤差を示す閾値として、５％差を用いることができる。

本発明の別の例示的な実施形態では、方法１０は、図２のフィードバック経路２９により示されるように、予測界磁電流値と実際の界磁電流値との間の残差に応答して、エアギャップ伝達関数及び磁気飽和伝達関数の係数変更のような、１つ又はそれ以上の伝達関数を変更する段階を含むことができる。例えば、段階１６で設定したリアクタンス及び伝達関数は、より正確に予測界磁電流を求めるために、残差に基づいて変更することができる。通常、短絡巻線故障状態においては、残差は、時間の関数として単調に増加するか、又は経時的に一定であるのが一般的である。残差がこれらの動作のいずれも示さない場合、伝達関数の係数は、残差を最小限にするよう最適化することが必要となる可能性がある。

電気的短絡状態を検出する上記の方法を実施する段階は、この段階を実施するためプログラムドロジックでエンコードされるプロセッサ１１において具現化することができる。プロセッサ１１は、例えば、アナログ又はデジタルマイクロプロセッサもしくはコンピュータなど、当該技術分野で公知のあらゆる形態をとることができ、発電電動機の作動状態をモニターするためのオンラインシステムモニタに組み込み、又は組み合わせることができる。

図６は、発電電動機の電気的短絡状態を検出するための例示的なシステム５２の機能ブロック図である。実施形態では、このシステム５２は、前述の方法段階を実施するように構成することができる。システム５２は、発電電動機の少なくとも１つの出力信号に応答する発電電動機５４の作動パラメータを求めるための作動パラメータ計算器５８を含むことができる。作動パラメータ計算器５８は、例えば、オンラインシステムモニタ５６を介して発電電動機５４の有効電力出力、無効電力出力、及び電圧出力などの発電電動機の出力信号を受信することができる。システム５２はまた、界磁電流を発電電動機５４により発生される起電力に関連付ける伝達関数を生成するための伝達関数生成器６２を含むことができる。伝達関数生成器６２は、発電電動機の出力信号、発電電動機の作動パラメータ、及び／又は、例えば伝達関数生成器６２によりアクセス可能な設計データベース７０で利用可能な発電電動機の設計パラメータに基づいて、１つ又はそれ以上の伝達関数を提供することができる。設計データベース７０は、モニターされている発電電動機及び／又は一群の機械についての発電電動機伝達関数情報の形態で発電電動機設計パラメータを提供することができる。

システム５２は更に、例えば、作動パラメータ及び伝達関数に応答する発電電動機の予測界磁電流を求めるための界磁電流予測器６０を含むことができる。界磁電流予測器６０は、エアギャップと磁気飽和伝達関数のそれぞれの界磁電流成分ベクトルを求め、２つの成分をベクトル加法して合成予測界磁電流を求めるように構成することができる。

システム５３はまた、オンラインシステムモニタ５６などから発電電動機の予測界磁電流値と実際の界磁電流値を受信する残差分析器６４を含み、発電電動機５４の予測界磁電流値と実際の界磁電流値との間の差を求めることができる。残差分析器６４は、予測界磁電流値と実際の界磁電流値との間の平均差を求めるなど、統計上の手法を利用して差を求めることができる。この差は、差と閾値６８とを比較するための比較器６６に供給することができる。この差が閾値を超える場合、比較器６６は、短絡巻線警報のような、短絡巻線表示２８を発生するように構成することができる。

別の例示的な実施形態では、残差分析器６４は更に、予測界磁電流値の誤差を表す誤差出力を発生するように構成することができる。この誤差出力は、残差分析器６４により発生する誤差出力に応答して１つ又はそれ以上の伝達関数を修正するのに使用されることになる伝達関数生成器６２にフィードバックすることができる。

図７は、短絡巻線状態にある発電機を識別するために本発明の実施形態を利用した例示的な検証結果の表５０を示す。表５０で使用するデータは、５分間隔で１２時間にわたり収集された。表に示されているように、発電ユニット２９７３０は、本発明の実施形態により発生した予測界磁電流から実際の界磁電流偏差９．８％を提示することにより表示されるように、短絡巻線回転子であると識別された。

前述の明細書に基づいて、本発明は、コンピュータプログラミング或いは、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はこれらのあらゆる組み合わせもしくはサブセットを含むエンジニアリング技法を用いて実施することができ、ここでこの技術上の作用は、発電電動機の電気的短絡状態を検出することである。コンピュータ読み取り可能コード装置を有する、このような結果として得られるプログラムは、１つ又はそれ以上のコンピュータ読み取り可能媒体内で具現化するか、又は提供され、これにより本発明に従ってコンピュータプログラム製品すなわち製造物品を作ることができる。コンピュータ読み取り可能媒体は、例えば、固定（ハード）ドライブ、デイスケット、光ディスク、磁気テープ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などのような半導体メモリ、その他、或いはインターネット又は他の通信ネットワークもしくはリンクなどのあらゆる送受信媒体とすることができる。コンピュータコードを包含する製造物品は、１つの媒体から直接にコードを実行するか、１つの媒体から別の媒体にコードをコピーするか、或いはネットワーク上でコードを送信することによって作成及び／又は使用することができる。

情報工学の当業者であれば、上述の作成したソフトウェアをマイクロプロセッサのような適切な汎用又は専用コンピュータハードウェアと容易に組み合わせて、本発明の方法を具現化するコンピュータシステム又はコンピュータサブシステムを生成することができる。本発明を作成、使用又は販売するための装置は、限定ではないが、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、記憶デバイス、通信リンク及びデバイス、サーバ、入出力デバイス、或いは本発明を具現化するソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はその組み合わせ若しくはサブセットを含む１つ又はそれ以上の処理システムのあらゆるサブコンポーネントを含む、１つ又はそれ以上の処理システムとすることができる。

本発明の幾つかの実施形態を図示し説明してきたが、このような実施形態は単なる例証として提供される。当業者であれば、多くの変形、変更及び代替形態が本発明から逸脱することなく想起されることであろう。従って、本発明は、添付の精神及び請求項によってのみ限定されるものとする。

突極同期機械の典型的なフェーザ図である。発電電動機の電気的短絡状態を検出するための方法の例示的な実施形態のフロー図である。界磁電流を起電力に関連付ける例示的なエアギャップ伝達関数を示す図である。界磁電流を起電力に関連付ける例示的な磁気飽和伝達関数を示す図である。予測界磁電流がどのように求まるかを理解するのに有用な図である。発電電動機の電気的短絡状態を検出するための例示的なシステムの機能ブロック図である。本発明の実施形態を利用して短絡巻線状態にある発電機を識別する例示的な検証結果の表である。

符号の説明

１０方法
１１プロセッサ
１２出力信号を読み取る
１４発電電動機の種々の作動パラメータを算出する
１６出力信号に基づいて伝達関数を発生する
１８予測界磁電流値を導出する
２０角度を算出する
２２合成ベクトルを計算する
２４発電電動機の短絡巻線状態を識別する
２６閾値
２８短絡巻線表示
２９フィードバック経路
３０エアギャップ伝達関数
３２磁気飽和伝達関数
３４差
３６値
３８値
４２角度
４４第１界磁電流ベクトル
４６第２界磁電流ベクトル
４８合成ベクトル
５０表
５２例示的なシステム
５３システム
５４発電電動機械
５６オンラインシステムモニタ
５８作動パラメータ計算器
６０界磁電流予測器
６２伝達関数生成器
６４残差分析器
６６比較器
６８閾値
７０設計データベース

Claims

発電電動機（例えば５４）の電気的短絡状態を検出するための方法（１０）であって、
発電電動機の少なくとも１つの出力信号に応答する前記発電電動機（例えば５４）の作動パラメータ（１４）を求める段階と、
前記発電電動機の界磁電流を予測するための伝達関数（１６）を与える段階と、
前記伝達関数及び前記作動パラメータから前記発電電動機（例えば５４）の予測界磁電流値（１８）を取得する段階と、
前記発電電動機（例えば５４）の予測界磁電流値と実際の界磁電流値との差に応答して前記発電電動機（例えば５４）の短絡巻線状態（２４）を識別する段階と、
を含む方法。
前記出力信号は、前記発電電動機（例えば５４）の有効電力出力、前記発電電動機（例えば５４）の無効電力出力、及び前記発電電動機（例えば５４）の電圧出力のうちの少なくとも１つを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記作動パラメータは、固定子電流、力率角、漏れリアクタンス背後内部電圧、電力角、及び同期リアクタンス背後内部電圧のうちの少なくとも１つを含む、
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記伝達関数は、前記発電電動機（例えば５４）及び他の同型式の発電電動機のうちの少なくとも１つについての履歴作動パラメータデータに基づく、
ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記伝達関数は、界磁電流値と起電力との間の関係を含む、
ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記伝達関数は、エアギャップ伝達関数（３０）及び磁気飽和伝達関数（３２）を含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記予測界磁電流値（１８）を取得する段階が、漏れリアクタンス背後所定内部電圧における、前記エアギャップ伝達関数（３０）に対する界磁電流値と前記磁気飽和伝達関数（３２）に対する界磁電流値との差に応答する第１界磁電流（４４）を導出する段階を更に含む、
ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記予測界磁電流値（１８）を取得する段階が、同期リアクタンス背後所定前記内部電圧における、前記エアギャップ伝達関数（３０）に対する界磁電流値に応答する第２界磁電流ベクトルを導出する段階を更に含む、
ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記第１界磁電流ベクトル（４４）及び前記第２界磁電流ベクトル（４６）の合成ベクトル（２２）を算出して前記予測界磁電流を取得する段階を更に含む、
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記発電電動機（例えば５４）の前記予測界磁電流値と前記実際の界磁電流値との間の差に応答する予測誤差を識別する段階を更に含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。