Устройство для контроля витковых замыканий в обмотке ротора электрической машины Советский патент 1982 года по МПК H02K11/00 G01R31/06 

1

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к устройствам для контроля ВИТКОВЫХ замыканий в роторах неявнополюсных синхронных машин, - например турбогенераторов.

С повышением единичной мошности турбогене}эаторов существенно возрастает величина тока возбуждения. Это особенно характерно для машин с водяным охлаждением обмотки ротора, в которых копи- ,Q честно витков в обмотке ротора ограничено числом водоподводов, паянных соединений и пр. Увеличение тока в обмотке возбуждения приводит к тому, что при возникновении виткового замыкания послед-)5 нее может быстро перерасти в замыкание на корпус, привести кповреждению бандажного кольца или ротора. Кроме того, появление даже одиночного ви ткового замыкания существенно ухудшает вибрацион-20 нов состояние турбоагрегата появления теп повой несимметрии в роторе. Это требует решения проблемы создания надежного и эффективного устройства для

2

коитропя и зашиты обмотки ротора от гмп-ковых замыканий, а также для применения его в эксплуатационных условиях, в автоматических схемах контроля и защиты турбогенератора.

Известно устройство контроля витковых замыканий в обмотке ротора, осно- , ванноо на измерении постоянной составляющей магнитного поля рассеяния, пронизывающего вал ротора в аксиальном направлении Ll.

Однако это устройство позволяет лишь выявить факт виткового замыкания, но не дает возможности определить, в каком месте обмотки оно произошло.

Известно также устройство для контроля виткрвых и Других замыканий в обмотке ротора, включающее две катушки, расположенные в воздущном зазоре на зубцах статора, электрически соединенные со средствами измерения четных гармоник магнитного потока, пронизывающего катушки -2. 3 Недостатком устройства является то, что появление четных гармоник может быть обусповпено не топько витковыми замыканиями, но и несимметрией резупьтируюшего магнитного поля из-за насыщения отдепьных участков магнитной цепи, что приведет к ложному срабатывани Кроме того, устройство обпадает недоста точной глубиной поиска дефекта, не может дать информацию о том, в какой каTyiUKe обмотки произошло витковое замы кание.Наиболее близким к предлагаемому яв пяется.устройство для контроля витковых зa2vlьпtaний в обмотке ротора эйектрической машины, например турбогенератора, содержащее датчик магнитной индукции, установленный в воздушном зазоре маши ны вблизи поверхности ротора, подключен ный к блоку индикации и к одному иа вх дов блока дешифрации, биок измерения углового положения ротора, подсоединенный к первому входу двоичного, счетчика выход которого соединен со вторым входом блока дешифрации, при этом выход последнего подключен к исполнительному органу защиты 3, Однако известное устройство обладает недостаточной точностью, так как фик сирует абсолютное изменение уровня индукции над ротором, а не его относительное изменение в зависимости от нали чия дефектов. Цель изобретения - повышение точнос ти фиксации дефекта. Для реализации поставленной цели уст ройство снабжено вторым датчиком магнитной индукции и блоком формирования импульсов. Второй датчик магнитной индукции смещен относительно первого по расточке машины на yronpJ/ эл. радиан (где р - целое число пар полюсов), дат чики включены последовательно - соглас но, при этом второй датчик магнитной ин дукции через блок формирования импуль™ сов подсоединен ко второму входу двоичного счетчика. Кроме того, параллельно, по крайней мере, к одному из датчиков магнитной и дукции может быть подключен блок кор рекции сигнала по амплитуде и фазе. На фиг. 1 дана блок-схема устройст ва; на фиг. 2 - развертка части активной зоны махиины с установленными датчиками магнитной индукции;на фиг. 3 диаграмма сигнала устройства при появлении виткового замыкания в обмотке ро тора. Два датчика 1 и 2 магнитной индукии установлены в активной зоне машины воздушном зазоре 3 меж,Цу статором 4 и ротором 5 вблизи поверхности ротора 5, Минимальное расстояние до поверхности ротора 5 ограничено по условиям безопасности датчиков 1 и 2 при каких-либо механических возмущениях ротора 5, учетом технологических соображений в турбогенераторах мощностью 500 МВт и ыше датчики 1 и 2 устанавливают на расстоянии 5-15 мм от поверхности ротора 5, Установка датчиков 1 и 2 на большем удалении нецелесообразна вследствие снижения чувствитепьности из-за затухания потока пазового рассеяния ротора 5. В качестве датчиков 1 я 2 магнитной индукции могут быть применены индукционные катушки или преобразоватегю Холла, Конструктивно датчики 1 и 2 могут быть закреплены различным способом, например в трубке из немагнитного материала, установленной в радиапьном вентиляционном канале статора 4 и выдвинутой в воздушный зазор 3. Датчики 1 и 2 смещены в тангенциальном направлении (по расточке воздушного зазора 3) один относительно другого на pJ/ -электрических радиан ) где р целое число пар полюсов машины). Оба датчика 1 и 2 должны быть ориентированы по отношению к одной и той же составляющей магнитного поля, например тангенциальной. Датчики 1 и 2 включены в электрйчес1сую цепь пос дедова те nbHo-cornacHOj Зта цепь подкшочены ко входу блока индикации 6, Блок индикации 6 может содержать, например, усилитель и реле пикового напряжения. Выход блока индикации 6 включен в цепи сигнализации, защиты и управления генератора. По крайней мере параллельно к одному из датчиков 1 или 2, например 1, включены блок 7коррекции сигнала по амплитуде и блок 8коррекции сигнала по фазе. Часть устройства, включающая блоки 1, 2, 6j 7f 8, обеспечивает автоматический контроль появления виткового замыкания и передачу соответствующего сигнала в цепи сигнализации, зашиты и управления генератора. Вместе с тем, достаточно эффективная работа устройства может быть обеспечена в том случае; если будет не только установлен факт появления виткового замыкания, но и определен номер 1сатушки и полюса, где про59изошпо замыкание. Ниже дано описание соответствующей части устройства. Параллельно к одному из датчиков магнитной индукции, например 2, пошито- чен блок формирования импульсов 9, Вы Ход блока 9 включен на вход двоичного счетчика 10. На шину сброса этого счетчика включен отметчик 11 углового поло жения ротора. Отметчик 11 может быть выполнен, например, на базе фотоэлемента, вырабатывающего сигнал при прохождении метки на роторе. Для лучшей привязки к нумерации катущек указанную метку предпочтительно нанести на свобод ной части вала в плоскости, проходящей через середину полюса. Выход счетчика Ю подключен ко входу блока Дешифрации 12, а второй вход блока 12 подключен к допопнитепьноМу выходу с усилителя блока 6. Выход блока дешифрации 12 включен в цепи зашиты и управления генератора, В блоке дешифрации предусмотрена логическая схема, которая позволяет произвести выборку номера катушки из числа переданных на вход блока 12 импульсов от двоичного счетчика 10 в зависимости от ха рактера сигнагта, поступившего на второй вход блока 12 с усилителя блока б, На фиг. 3 позициями 13, 14 и 15 соответственно обозначены сигналы одного из датчиков 1 иди 2, подаваемый на вход блока формирования импульсов 9, далее сигнал на выходе этого блока, и наконец, сигнал на входе блока индикации 6. При врашении ротора с поданным в об мотку током возбуждения в датчиках 1, 2 при прохождении мимо них каждого паза ротора потоком рассеяния по коронкам зубцов ротора наводится электродвижущая сила (ЭДС), значение которой зависит от объема тока в пазу, параметров преобразователя, его расположения, размеров паза и пр. Если в пазу находится проводни являющийся частью короткозамкнутого витка, по нему полностью не протекает ток, либо протекает ток меньшей вепичины, если в месте короткого замыкания витка переходное сопротивление соизмеримо с сопротивлением витка. Уменьшение объема тока в пазу приводит к умень шению потока рассеяния по коронкам смежных с пазом зубцов. Следовательно, когда датчик индукции .1 или 2 окажется в зоне этого паза, значение ЭДС на выходе преобразователя буДет меньщим. Поскольку датчики 1 и 2 смещены один относительно другого в тангенциальном на- 16 правлении ка Л эл. радиан, то в моменты времени, когда один из них находится в зоне паза с короткозамкнутым витком, датчик 2 располагается в зоне паза, в котором лежит идентичная катушка другого полюса без короткозамкнутых витков (случай одновременного появления короткозамкнутых витков в двух идентичных катушках разных полюсов практически исключен). Ток в пазах ротора, сдвинутых на JT эл. радиан находится в противофазе, поэтому при согласном последовательном включении двух датчиков 1 и 2 по.лучим разность их ЭДС. Если параметры датчиков 1 и 2, их установка полностью идентичны, то разность их ЭДС в указанные моменты времени не равна нупю. За один оборот ротора таких периодов будет четыре. В остальное время, когда оба датчика Г и 2 находятся в зоне пазов, не имеющих короткозамкнутых , разность их сигналов равна нулю. Так как идеально одинаковыми датчики 1 и 2 и их установка быть не могут, то небопыиое значение разности сигналов пол чаом при прохождении мимо датчиков 1 1 2 пазов, не имеюших короткозамкнутых витков. Это определяет уровень шумов, показанный на диаграмме. Для снижения уровня шумов подстройкой блоков 7 и 8 производят коррекцию ампгштуды и фазы сигнала одного из датчиков 1 или 2,игш каждого датчика. Блок 7 может содержать регулируемое сопротивление, а блок 8 - фазосдвигаюшую цепочку R-C. Таким образом, сигнал, с амплитудой А, пропорциональный разности ЭДС датчиков 1,2, четко выделяют над уровнем щумов и подают на вход блока индикации 6, где он поступает на вход усилителя. После :усиления сигнал поступает в цепь пикового напряжения в блоке 6 и вызывает его срабатывание. После срабатывания реле напряжения сигнал о появлении виткового замыкания с выхода блока 6 поступает в цепи сигнализации и защиты генератора. При этом зажигается сигнал Витковое замыкание в роторе генератора . В цепях зашиты, особенно ответственных генераторов, например, мощностью 500 МВт и выше, при появлении указанного сигнала может быть предусмотрена немедленная разгрузка блока и отключение машины от сети. ЭДС датчика 2 поступает на вход блока 9 формирования импупьсов. Таким образом, при прохождении мимо датчика 2 каждого паза ротора с поданным в обмотку ТОКСЖ1 возбуждения н выходе блока

7951

9 получаем соответствуюш11й нормат зованный импупьс, который затем подас тся на вход двоичного счетчика 1О, На шину сброса счетчика 10 поступает сигнап от отметчика 11 угпового попожеиия 5 ротора. Таким образом, счетчик 10 выдает номера пазов в двоичном коде, начиная с Паза № 1, еспи метка расположена по оси первого потоса. Соответствующие сигнапы поступают на вход блока дешиф- ,о рации 12, В бпоке 12 логическая схема анализирует отстроенный от шумов сигнап, пропорциональный разности ЭДС датчиков 1 и 2, с учетом попярности контактных копец ротора. При удовпетворс - 5 НИИ заданного усповия логическая схема воздействует на однократное открытие вы хода блока 12, куда выдается поступивший в этот момент от счетчика 10 номер паза, после чего выход блока 1 2 запира- JQ ется. Повторное открытие выхода блока 12 происходит только поспе начала счета пазов с номера один. Сигнал номера паза с блока 12 поступает в устройство регистрации и управления генератором, на- 35 пример в память управляющей ЭВМ.

Предложенное устройство обеспечивает в эксплуатации сигнализацию при появлении виткового замыкания в обмотке рото- зо ра. При этом устройство может ®ь1ть настроено на опред еленную величину сигна ла на входе в блок индикации 6. Этим достигается не TonijKo отстройка сигнала от уровня помех (шумов), но может быть достигнуто автоматическое выявление более опасного, например, катушечного замыкания, и менее опасного, например, замыкания одного витка с большим переходным сопротивлением контакта в месте мыкания или неровномерности зазора.

Предложенное устройство также обеспечивает автоматическую идентификацию катушки, в которой произошло замыкание, а также полюса, вокруг которого уложе- ., на в пазах эта катушка.

Таким образом, при появлении в работающем на электростанции или испытуемом на заводе турбогенераторе виткового замыкания в обмотке возбуждения предложенноЪ устройство автоматически сигнапизирует, а также сообщает необходимую информацию о номере катушки и полюса, а в самых мощных турбогенератоpax устройство может непосредственно воздействоват.. на разгрузку и отключение машины от сети. Этим достигается существенное повышение эксплуатацион5718

, ной надежности турбогенераторов большой мощности.

Технико-экономическая эффективность разработанного устройства состоит прежде всего в том, что по сравнению с известными устройствами при работе машины обеспечивается автоматический контроль и защита обмотки ротора турбогенератора от витковых замыканий, что повышает точность фиксации дефекта. Причем эксплуатацион гая надежность турбогенераторов повьниаотся не только за счет своевремен(ого обнаружения виткового замыкания и идентификации катушки и полюса, гце оно произоглпо, но л за счет того, что устройство позволяет судить об интенсивности этого замыкания степени его опасности для работающей машины.

1 о р м у п а изобретения

1. Устройство дпя контроля витковых замыканий в обмотке ротора электрической машины, например турбогенератора, содержащее датчик магнитной индукции, установленный в воздугином зазоре машины вблизи поверхности ротора, подключенный к блоку индикации и к одному из входов блока дешифрации, блок измерения углового положения ротора, подсоединенный к первому входу двоичного счетчика, выход которого соединен с вторым входом блока дешифрации, при этом выхо последнего подключен -к исполнительному органу защиты, отличающееся тем, что, с целью повышения точности фиксации дефекта, устройство снабжено вторым датчиком магнитной индукции и блоком формирования импульсов, второй датчик магнитной индукции смещен относительно первого по расточке машины на угол pj( эл, радиан (где р - целое чис ло пар полюсов), датчики включены последовательно-согласно, при этом второй датчик магнитной индукции через блок формирования импульсов подсоединен к второму входу двоичного счетчика.

2о Устройство по п. 1, отличающееся тем, что параллельно, по крайней мере к одному из датчиков магнитной индукции подключен блок коррекции сигнала по амплитуде.

.3. Устройство по п. 1, отличают е е с я тем, что параллельно, по крайней мере, к одному из датчиков маг БИТНОЙ индукции подкшочен блок коррекции сигнала по фазе.

951571

Источники информации, принятъ1е во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетепьство СССР № 677038, кп, Н 02 К 15/ОО, 1979.

2.Патент США NO 4136312, кп. QOI R 31/02, 1979.

3.Авторское свидетельство СССР

№ 333656, кл. Н О2 К 11/ОО, 1967.

-

Риг.1

лши