用于探测电机定子叠片组中的层间片短路的方法

摘要

描述了一种用于探测电机的定子叠片组(4)中的层间片短路的方法和装置，其中，该定子叠片组(4)承受从外部施加的励磁电流(2)或者激励电压(V)，并且，借助设置在机器间隙中并且扫描该间隙的传感器线圈(S1)测出该被短路电流(5)感应的短路磁场(B短)。能够更好地识别片短路，尤其是也能识别具有小短路电流的小的片短路，其方式是，施加激励电流(2)或者激励电压(V)，它们具有明显不同于正弦形的时间变化曲线，该变化曲线具有周期性特征和高频范围内的主要谐波部分。例如提出矩形曲线形的时间变化曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于探测电机、特别是大型发电机的定子叠片组中的层间片短路的方法。特别涉及装置和方法的改进，在该方法中，定子叠片组经受从外部施加的励磁电流或者激励电压，并且借助设置在机器间隙中并且探测该间隙的传感器线圈来测出由短路电流感应引起的短路磁场。

背景技术

大型发电机和电动机通常在静止状态下检查片短路。为此有不同的方法可供使用。

这些方法之一包括借助辅助线圈在电网频率下将整个叠片体磁化并且测量定子孔内表面上的泄露磁场。该磁化以相对低的磁感应值、典型地为正常工作感应的大约10％进行。该已知测量方法也被以“低感应片短路测量”的名称公知，在英语地区名称是“ELCID”(Electromagnetic Core Imperfection Detector，电磁式定子铁心缺陷探测仪)。

例如在US 4996486中描述了一种这类型的方法。背景技术是，借助辅助脉冲和在其上施加的具有电网频率的正弦形辅助电压将定子叠片组磁化到工作感应的大约十分之一。该辅助电压通常直接从电网电压引出。然后用电拾波线圈扫过定子孔表面，其中，该拾波线圈靠近叠片组表面。

由于叠片组的层间短路而流动的电流现在在拾波线圈中感应出具有标志性相位和幅值的电压。基于标志性相位和振幅位可以区分具有片短路电流的地方和无片短路电流的地方。因此可借助泄露磁场-拾波线圈来确定片短路的位置并且评价短路电流的大小。

此外，在专利文献US 6,903,556中介绍一种系统，该系统以具有比电网频率高的频率的磁化电压工作。

在所述方法中不利的是，解释测量结果常常是困难的，因为由片短路电流感应的电压大多是非常小的。特别是定子主磁场的强的泄露磁场或者例如由于短接的导体回路中的感应出的电流而产生的、有损耗的附加磁场可以遮盖由故障位置引起的真正的短路电流的作用，因此使探测困难。

特别是对于小的、只有小电流并且只有小的磁作用的片故障是这种情况。特别是在检查液力发电机时出现干扰性附加磁场，如果为了检查而没有将转子移走，使得各个极施加磁作用。

根据US 6,903,556可以提高测量的可靠性，其方式在于，定子以较高的频率被磁化。为此在磁化线圈上施加较高频率的正弦交流电压。然后根据“ELCID”测量法求得所谓“磁位差”(MPD)。这些磁位差与影响穿过测量线圈的磁场的电流成正比。因为在较高的频率下与在以较低频率磁化的情况下相比只需要较小的磁化电流来引起通过故障位置的相同短路电流，所以短路电流的相应MPD分量与激励电流的相应分量之比与在频率较低情况下相比更大，即测量更准确并且更敏感。在该测量法中不利的是，对于用于激励电流的高频发生器需要附加花费。此外不利的是，必须以定子感应的精确调节的并且已知的或者测得的值来工作，因为测量结果要与绝对边界值比较并且然后来评价。

发明内容

本发明涉及低感应测量法的改进。因此本发明还基于这样的主题：提供一种改进的方法或者也提供一种附加的装置，用于探测电机的定子叠片组中的层间片短路。在此特别涉及一种方法的改进，在该方法中，定子叠片组经受从外部施加的激励电流或者激励电压，借助设置在机器间隙中并且扫描该间隙的传感器线圈来测出由短路电流感应出的短路磁场。

该方法的改进由此实现：使用具有明显偏离正弦形的随时间变化曲线的激励电流或者激励电压。在此将正弦形理解为一种形状，该形状基本上只由基频下的正弦构成。因此，例如两个各具有不同频率(一个基频和一个谐波)的正弦形的叠加也是明显偏离正弦形的随时间变化曲线。

新方法的基础是该认识：一个非正弦的或者非余弦的输入信号在数学上可以被描述为正弦形信号分量的和(傅立叶级数)。这些其它信号分量在周期性信号情况下被设置在基频的多倍处，它们被称作为谐波、单谐波或者谐音(Obertoene)。

新方法的另一基础是该认识：根据系统理论，一个线性系统这样响应输入信号：使得其输出信号又可以刚好被划分为这些谐波的单个分量，其中，存在所定义的传递函数(Uebertragungsfunktion)。该函数描述输入谐波和对应的输出谐波之间的相位关系和振幅关系，其中，各个谐波在线性近似中不相互影响。

此外基于这样的认识：片短路的电路直到一定的极限频率初始是电阻性的。这意味着，该电路中的短路电流很接近只取决于激励电压，而很少受到激励频率的影响。激励信号的单谐波也是这种情况。但激励电流自身在频率增加的情况下近似线性地减小。这些关联被用于识别片短路。

此外另一基础是该知识：发电机由于其铁心叠装而直到大约2kHz的中等频率仍相对低损失地工作，即作为好的变压器工作。这意味着，一方面，激励电流直到较高频率、即较高次谐波线性地变小，另一方面，由片短路电流在测量探头中感应的电压“有效电压”随着频率线性上升。因此，五次谐波例如仅需要基本谐波的电流的1/25，以产生相同的有效电压。

换句话说，本发明的核心是没有预期到的知识：使用具有曲线走向的激励电流或者激励电压可以特别好地用于所提出的方法，该曲线走向具有基本的谐波分量，即非正弦形的。在此，较高谐波分量虽然在激励谱中对于增大的频率具有减小的振幅，但由于在测量探头中感应电压的相反特性而可用于片短路的测量，用于最优地识别片短路，而不必产生明确地通过特定的频率发生器产生高频率。

相应地，本发明第一优选实施形式的特点在于，激励电流或者激励电压的时间变化曲线是具有明显较高谐波的周期性变化曲线。这样周期性变化曲线能够作为傅立叶级数展开，这就是说，激励信号可以分解为具有该周期性信号的基频的整数多倍频率(谐波)的一些正弦形分量的线性组合。在本发明范围内，原则上激励电压或者激励电流的一种形式是有利的，该形式具有基本分量，也就是说在这些谐波下的基本振幅。优选二次到十次谐波的振幅在数量级上应位于基本谐波的范围内，例如在10％到300％的范围内。例如优选一个信号，在该信号下谐波的振幅基本上随着频率增大而线性地、指数地或者近似线性地减小。

优选激励电流或者激流电压的时间变化曲线是梯形函数、锯齿形函数、矩形函数或者修正的矩形函数。如从傅立叶理论已知，特别是具有锐棱边的函数支配基本谐音。相应地，一种优选的形式例如是，激励电流或者激励电压的时间变化曲线是具有相同长度的正区段和负区段的对称矩形函数，没有其它区段，例如零区段。

本发明另一优选实施例的特点在于，激励电流或者激励电压的时间上的周期性变化曲线具有10-500Hz范围内、特别优选40-100Hz范围内的基频。典型地使用50Hz或者60Hz的电网频率。为了避免测试中的干扰，证明有利的是，该周期性变化曲线的基频与为激励所使用的电网电压同步。

本发明的另一实施例的特点在于，基于相位角进行测量和求值，该相位角被定义为激励电流或者激励电压的各个谐波的输出相位角和输入相位角之间的差。即优选可以针对每个谐波对传递函数(的变化)求值，具体说在振幅以及相位方面。在此，相位角与频率之间的基本线性的关联可以被用于识别片短路。

另一优选实施例的特点在于，为了识别片短路，借助傅立叶变换对被接收在传感器线圈中的信号进行谱分析。在此优选将不同谐波的相位谱用于识别片短路。

根据另一优选实施例，首先在测量之前或者在此后借助安置在钻孔表面的导体回线以及流经该回线的、已知大小的校准电流来校准测量装置，该校准电流基本上包含与真正的测量期间的激励电流或者激励电压的时间变化曲线相同的谐波，其中，特别优选，在校准时使用与测量时相同的时间变化曲线。

为了识别片短路优选可以实施组合的电流-电压分析，优选考虑根据频率增高而特别是下降的相位角。

上面描述了激励电流或者激励电压的周期性变化曲线的应用。但也可进行非周期性的激励。如此例如根据另一实施方式，其中分别对于一个确定位置上的一次测量基本上施加一个唯一的脉冲，特别是优选矩形脉冲，作为激励电流或者激励电压的时间变化曲线，或者施加相互独立地求值并且其结果被平均的脉冲的序列。

片短路的测量和求出则可以基于各个谐波中的相位和振幅进行。为此可以借助傅立叶分析来分析谐波的相位和振幅。在此优选如此进行：将多个谐波的相位角的局部同时变化评价为对片短路的提示。

同样可以将相位角变化和谐波频率之间的基本上线性的关联评价为对片短路的提示。

本发明还涉及一种用于实施如上所述的方法的装置。该装置优选特征在于，设置有传感器线圈，以及用于在叠片组中产生激励电压或者激励电流的激励装置，其中，附加地设置用于控制激励装置的频率发生器，该频率发生器被设计用于：以具有明显偏离正弦形的时间变化曲线的激励电流或者激励电压控制激励装置。

这样的装置可以优选特点在于，该频率发生器是全电桥。

为了激励可以优选使用激励线圈，必要时与激励轭组合。

本发明的其它优选实施方式在从属权利要求中描述。

附图说明

下面根据与附图关联的实施例详细解释本发明。附图示出：

图1穿过定子叠片组的纵剖面；

图2穿过定子叠片组的横剖面；

图3不同频率条件下的矢量图；

图4用于产生激励电压的全桥；

图5不同的脉冲序列形式，其中，在a)中示出周期性对称矩形函数，在b)中示出修正的矩形函数并且在c)中示出锯齿形函数；

图6具有局部激励的情况的横剖面；

图7测量线圈和激励线圈分开布置的情况的横剖面。

具体实施方式

如开头已经解释的那样，又如常见的ELCID方法一样，该新式方法以低感应激励和用于测量泄露磁场的测量线圈工作。但其特点特别在于，该定子用非正弦形的(或者发生相位移的余弦形的)激励电压信号变化曲线来磁化。

典型地，尤其根据本发明，使用例如矩形的、梯形的、锯齿形的或者一般脉冲形的激励电压。该激励电压的周期P可以相当于电网电压的周期，或者也可以与此不同，例如更小。也可以使用非周期的电压形式，例如单脉冲，用于激励。

在此一般性地将矩形的激励电压V(也参见图5a)理解为一种变化曲线，对于该变化曲线有：

V(t)＝+x，0≤t＜p/2；

V(t)＝-x，p/2≤t＜p，

将梯形的或者三角形的激励电压V(也参见图5c)例如理解为一种变化曲线，对于该变化曲线有：

V(t)＝4×t/p，0≤t＜p/4；

V(t)＝4×(1/2-1/p)，p/4≤t＜3/p/4；

V(t)＝4×(t/p-3/4)，3p/4≤t＜p

(也可是对称分布等)；

对于锯齿形的激励电压V例如理解为一种变化曲线，对于该变化曲线有：

V(t)＝2×(1/2-1/p)，0≤t＜p。

也可是这些函数的普遍化形式，例如具有零区段c的矩形函数(参见图5b)。

同样也可以是上面给出的变化曲线或者形式的混合形式，这些混合形式只基本上相当于上面所给出的列出数学公式的变化曲线(为了技术上实现而修圆的侧边沿)。

非正弦形的电压V(t)能够以相对简单的手段产生，例如通过简单地在正电平和负电平之间转换。这使得能够构造轻便的、耐用的并且可靠的激励装置。

此外新方法的特点在于，由测量线圈产生的信号的谐波主波以及谐波高次波(谐波)被求值。该求值典型地以测量信号的以及激励信号的谐波分析的形式进行。各个谐波的相位信息和振幅信息被用于探测层间短路。在此，该谐波分析利用傅立叶变换手段，例如“快速傅立叶变换/FFT”算法。

但该求值也可以在时间域中进行，其中，然后评价测量电压与激励电压相比较的曲线形式特征性变化。

新方法的特点优选还在于，传递函数、即激励信号和测量信号之间的变换函数在扩大的频率区域内也被用于可靠地识别片短路。

在灵敏度良好情况下激励功率需求小可被称为特别的优点。特别是，脉冲形的激励一方面允许对于纵向电压在数量级方面深入到正常运行电压/运行感应的区域中。

另一方面可以构造小的手持(hand held)装置，这些手持装置允许在难以靠近的位置处测量。

如已在开头描述的，新方法的基础在于该认识：非正弦形的(周期性)输入信号在数学上可以描述为一些正弦形信号分量的和(在周期性信号情况下为傅立叶级数，在非周期性信号情况下为傅立叶谱)，并且，线性系统(并且这里要分析的系统基本上作为线性系统来响应)如此响应输入信号：使得该系统的输出信号又可被恰好划分为这些谐波单个分量，其中存在所确定的传递函数。该函数描述输入谐波和对应的输出谐波(在周期性信号情况下基频的整数多倍时的部分)之间的相位关系和振幅关系，其中，在被视为线性的系统中单个谐波不相互影响。

此外，基础是该认识：片短路的电路直到一定的极限频率基本上是电阻性的。这意味着，在回路中的短路电流很接近只取决于激励电压，而只很小地受激励频率影响。激励信号的单个谐波也是这种情况。相反，激励电流本身在频率增高时近似线性地减小。这种关联被用于识别片短路。

此外另一基础是该认识：发电机由于其铁芯叠装而直到约2kHz的中等频率仍然相对低损失地、即作为好的变压器工作。这意味着一方面，激励电流直到较高频率、即较高谐波在振幅上基本线性地减小，另一方面，“有效电压”随着频率基本上线性上升，该有效电压是由片短路电流在测量探头中感应出的电压。因此，五次谐波例如需要基本谐波的电流的仅1/25，以产生相同的有效电压。

为了用图说明一般性测量法，图1以横剖面3示出传感器线圈S1并以纵剖面(沿转子轴线1)示出叠片组4，片平面位于图示平面的法向上。传感器线圈S 1在叠片组4的上方设置在机器的间隙中。在叠片组4中，由于所施加的周期性激励电流2，在片短路时感应出短路电流5。

图2示出相同的布置，但以相对于转子轴线1的横剖面示出。根据该图看出，在片短路时短路电流如何在周边区域、即在到间隙的过渡部上感应出磁场B_短，该磁场如何接着在线圈S1中感应一信号。此外从该图中看出，激励电流2如何在叠片组4中产生磁场B_片。

图3示出电流和电压的矢量图。该图示出在传感器线圈S1中感应的测量电压U_OUT(有片短路时的测量电压)的矢量划分。该电压U_OUT可以划分成三个主分量：

一个分量直接由激励电流或者由与该激励电流相关的场感应产生(UM1)，另一个分量(UM2)通过定子主场的泄露磁场产生，第三分量(UM3)由短路电流的场感应产生。

关于频率相关性可以很接近地说：

-直接由激励电流感应的UM1随着频率的上升基本保持不变。UM1直接与激励电流和频率成比例(无负载的测量线圈，即电压测量线圈)。虽然电压随着频率线性上升，但激励电流线性地下降；因此UM1基本上保持不变。为了看得清楚，在图3中将矢量描述为与频率无关。

-UM2在激励电压不变的情况下也基本上保持不变。

-UM3基本上随着频率线性地上升。原因在于，片短路电路中的短路电流在激励电压不变的情况下近似保持不变并且测量线圈近似无负载地作为电压测量线圈运行，即它测量电流或者说场流的时间导数。

出于完整性，输入激励电压被描述为U_IN，由两个分量组成，即U_IN1和U_IN2。

相应地，对于没有片短路的情况得到测量电压U_OUT′，该测量电压在振幅方面、但特别是在相位方面与U_OUT不同。

对于较高的谐波，即较高的频率，产生用合成的U_OUT″描述的情况。

单从该矢量图中已可看到，恰恰是在基频(U_OUT)下的和在较高频率(例如双频率时的一次谐波)下的测量之间的比较不仅在振幅方面、而且特别是在相位方面很强地突显出片短路，相应地能够明确识别片短路。

综上所述这意味着，各个谐波按照输出电压谐波分析在其矢量描述中主要在分量UM3上不同，如果对振幅进行与输入谐波相关的归一化，即，如果将各个输入矢量的量值相互适应(angleichen)。现在该认识允许下面的求值方法或者为该求值方法使用的装置：

-以非正弦形输入电压、例如具有电网周期和矩形脉冲的周期性脉冲序列(或者其它的、上面说明的脉冲序列或者形式)激励定子芯。优选使脉冲与电网电压同步，以便避免测量时的干扰。脉冲序列的周期也可以与电网周期不同，例如只有电网周期的三分之一。

为了产生激励电压有利地使用装备有开关的功率级。图4中示例性示出一个这样的装置，在这里，电网电压8首先在整流器中整流并且紧接着通过可控的、全桥形式的开关元件10转换成所希望的激励电压V的形式，该激励电压然后施加到激励线圈6上。附加地设有控制部分9，该控制部分允许进行与电网电压8的电网频率的同步7。该功率级也可以以非常高的转换频率工作，其中，所希望的输出电压如通常那样借助脉冲宽度调制或者脉冲频率调制产生。图5示出不同的脉冲形式，如前面已经讨论过的那样。一方面图5a)中的矩形函数具有周期p和振幅+/-x。这里描述的矩形函数是对称的。但也可考虑非对称的形式以及例如周期不是恒定而是逐渐增大或者减小(sweep，扫频)的形式，并且一般性地可考虑具有频率调制的形式。

在图5b)中示出一般化的矩形函数，在这里该变化曲线除了分别包括一个正区段a和一个负区段b外还附加地包括一个零区段c。混合形式和变型同样是可行的，如果在这种信号中存在基本的并且可按照本发明求值的谐波，总是有意义的。

在图5c)中示出三角形函数，该三角形函数也可以变形，在可能的极限情况下直到成锯齿形函数。

-各个谐波的输出相位角和输入相位角之间的差的相位角的测量和求值：在片短路的位置处，各个谐波的相位角线性地随着频率上升。例如五次谐波(例如在50Hz基频情况下250Hz)的相位角大致具有基本谐波的相位角的五倍的值。在没有片短路的位置处，各个谐波的相位角相互略微不同。恰好是相位角与频率之间的这种近似线性关联可以被用于识别片短路。为此有利地使用FFT谱分析的通常的相位图(相位谱)。有利地使用一个电压作为用于测量和计算相位角的参考电压，该电压直接从芯感应中导出，例如借助围绕定子芯并且通过孔放置的测量回线。

-作为“走势”描述各个谐波的相位角，例如在一个唯一的图中，作为相互叠置的线系，取决于测量线圈的轴向位置。为此在测量时如通常那样使探头沿着叠片组的内表面在轴向上运动。

-极坐标中描述谐波的各个矢量-按照数值和相位角的曲线图，其中也描述了多个被接受在不同位置上的测量点。有利地又实施振幅归一化，即各个矢量的长度通过合适的乘法相互适应。为了求值还可以将谐波的矢量通过旋转相互叠置。

-借助安置在钻孔表面上的导体回线和已知大小的、流过该回线的校准电流校准测量装置，该校准电流包含相应的谐波，例如使用近似三角形的校准电流。该校准电流有利地与磁化信号同步。在校准时确定，在校准电流谐波的振幅和与无校准电流地测量时相比的相位差的大小之间存在什么关系。即测量，校准电流引起什么样的相位畸变。

-在时间域中对测量信号求值：在时间域中也可以基于测量线圈与片短路电路的不同作用来区别有片短路的位置和没有片短路的位置。例如三角形脉冲序列或者斜坡脉冲序列(翻转的锯齿)作为激励电压引起在过零点处在时间上稍微超前于激励电压的测量电压，因为现在存在斜坡脉冲序列，该斜坡脉冲序列与矩形信号叠加等。

-激励也可以只局部地进行。为此根据图6例如在(空气)测量线圈S1上方设置铁轭14，该铁轭弓形地包握测量线圈S1。测量线圈S1也可以与激励线圈6同轴地卷绕在轭14上，或者可以使测量线圈和激励线圈6构造成一个唯一的线圈。在一个唯一的线圈的情况下，该线圈同时用作测量线圈和激励线圈，必须优选实施组合的电流-电压分析。在该情况下片短路的特点是附加损失，该附加损失在谐波的频率增高和振幅归一化的情况下近似保持不变，即各个谐波的输入电压和输入电流之间的相位角与没有缺陷的位置处的相应相位角相比随着频率增高而下降。激励电流的振幅当然随着频率增高而下降。为了导磁地连接到定子铁心上可以使用例如由嵌入在塑料中的铁氧体材料制成的导磁卷。

根据图7将带有激励线圈6的较宽激励轭14与窄的测量线圈S1分开布置具有的优点是，借助相对窄的测量线圈能够更好定位故障。

总之能够确定下面的一般性优点或者单个地或组合地具有发明实质的特征：

-为了定子芯的磁激励使用非正弦形的激励电压；

-该电压可以是周期性的脉冲序列或者可以由非周期性的脉冲组成；

-使用测量电压的单个谐波的相位和振幅来探测片短路；

-借助傅立叶分析确定谐波的相位和振幅；

-优选利用相位谱来求出片短路；

-将多个谐波的相位角的局部同时变化评价为对片短路的提示；

-将谐波的频率和相位角变化之间的近似线性的关联评价为对片短路的提示；

-使用电全桥来产生激励电压；

-该激励局部地借助激励轭进行；

-该激励脉冲形地借助运行纵向电压范围内的纵向电压进行。

附图标记

1转子轴线方向

2激励电流

3传感器线圈的横剖面

4定子中的叠片组

5短路电流

6激励线圈

7同步

8电网电压

9控制装置

10半导体开关元件

11整流器

12变流器

13激励线圈和传感器

14激励轭

S1传感器线圈

B_短通过5的周边延伸感应的磁场

B_片在叠片组中感应的磁场

相位角

UM1被激励电流感应的分量

UM2通过定子主场的泄露磁场感应的分量

UM3通过短路电流的场B_短感应的分量

U_OUT在传感器线圈中感应的测量电压

U_OUT′没有片故障情况下的U_OUT

U_OUT″较高频率情况下的U_OUT

U_IN输入激励电压

I_IN激励电流，也以附图标记2标记

U_IN₁ U_IN的分量，电压感应铁芯

(芯损失：涡流，反复磁化等)

U_IN₂ U_IN的分量，电压部分欧姆电缆损失和泄露磁场

V施加在激励线圈上的激励电压

p V的周期

a V的正区段

b V的负区段

c V的中性区段