JPS6026470B2 - ブラシレス回転電機の地絡故障検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はブラシレス回転電機において、その界磁回路の
接地故障の検出、及びその後地抵抗（絶縁抵抗）測定に
よる接地箇所の評定を非接触状態で行なえるようにした
ブラシレス回転電機の地絡故障検出装置に関する。

従釆、ブラシレス回転電機のニーズが益々増加しつつあ
り、それに伴ってその回転子部分の故障の検出及び保護
に対する要求が強まっている。

例えば、ブラシレスタービン発電機等の同期機における
界磁回路の接地故障は、最終的には重大事故に継がる危
険性が大きい。そのため、このような接地故障を早期に
検出してそれに見合った対策を講じることは、経済的に
も時間的にも非常に有利となりまたプラントの稼動率の
上昇にも継がる。ところで、従来のようなタービン発電
機等の同期機における界磁回路の接地故障の検出は、同
期機の運転を一旦停止させて界磁回路とシャフト間の絶
縁抵抗を測定することにより行なわれていた。また、ブ
ラシレス回転電機においては停止後その絶縁抵抗を測定
することは比較的容易に行なうことができるが、運転、
状態にあっての接地故障有無の検出は比較的困難で、例
えその故障の有無が検出できても故障箇所や故障程度ま
でも検出することは皆無に近いのが現状である。本発明
の上記のような事情を考慮して成されたもので、ブラシ
レス回転電機における界磁回路の接地故障の検出、及び
その接地抵抗測定を非接触にて行なえるようにすること
により、運転中においても接地故障の検出や可能になる
と共に、接地箇所の評定をも行なうことが可能なブラシ
レス回転電機の地絡故障検出装置を提供することを目的
とする。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明による池絡故障検出装贋を、ブラシレス
同期発電機に適用した場合の構成例を示すもである。第
１図において、１は界磁巻線１１を備えた同期発電機で
ある。２は同期発電機１の回転軸と同一軸上に取付けら
れた電機子巻線２１と、励磁用電源２３に接続された界
磁巻線２２とを備えた交流励磁機で、その交流出力を同
期発電機１の回転軸上に取付けられた回転整流装燈３に
て整流して界磁巻線１ １へ供孫合するようにしてある
。

また、４は回転変圧器で、その１次側巻線４２には可変
電源４１が接続され２次側巻線４３は整流装置５の交流
側端子に接続している。

また、この整流装置３の直流側ｅ端子は回転軸に接地し
てあり、更に直流側■端子は非接触検出装置６の一構成
要素である回転子側励磁コイル６１及び抵抗７を直列に
介して、上記界磁主回路の由側の図示Ｂ点に接続して補
助回路を構成している。この場合、上記回転変圧器４の
２次側巻線４３、整流装置５及び励磁コイル６１、抵抗
７は、同期発電機１の回転軸と同一軸上に夫々取付けら
れている。上記非接触検出装置６は、その固定子側に上
記回転子側励磁コイル６１と所定の空隙を介して、電磁
的に結合して回転子側励磁コイル６１を流れる電流、つ
まり接地電流ｉｄを検出し、それに比例した信号を発生
する検出器６２を備えている。一方、８は上記回転変圧
器４の１次側電圧信号ｖ，、交流励磁機２の励磁電流信
号ｉｆ及び検出器６２の出力電流信号ｉｄ′を夫々入力
とする詳細を後述する絶縁抵抗測定器で、その出力を指
示器、警報器、継電器等の表示装置９へ送出するように
している。第２図は、上記絶縁抵抗測定器８の詳細な構
成例を示すものである。

８１は、上記１次側電圧信号Ｖ，、励磁電流信号ｉｆ、
出力電流信号ｉｄ′を、夫々ある鮫正値によって鮫正し
た信号を発生する信号変換装鷹である。

すなわち、１次側電圧信号ｖ，は整流装置６の対地電圧
に鮫正された電圧信号Ｖｄ、また励磁電流信号ｉｆは回
転整流装置３の世力電圧に鮫正された電圧信号Ｖｒ、更
に出力電流信号ｉｄ′は接地電流に鮫正された電流信号
ｊｄとして送出するようにしている。また、８２は接地
電流急増点検出器で、電流信号ｉｄの急増時それを検出
してその常開接点８２ａを豚時閉成するようにしている
。

８３は、常開接点８２ａの閉成における電圧信号Ｖｄを
Ｖｄ，という一定値として記憶させておく記憶装置であ
る。

一方、８４は電圧信号ｆと記憶装置８３の出力信号Ｖｄ
，との除算（Ｖｄ，／Ｖｒ）を行なう第１の演算装置と
して除算装置で、その出力を図示しない表示装贋へ値ａ
′として送出するようにしている。

更に、８５は電圧信号Ｖｄと記憶装置８３の出力信号Ｖ
ｄ，との減算（△Ｖｄ＝Ｖｄ−Ｖの）を行なう第２の演
算装置として減算装置である。さらにまた、８６は減算
装置８５の出力信号△Ｖｄと上記電流信号ｉｄとの除算
（△Ｖｄ／ｊｄ）を行なう除算装置、８８は除算装置８
６の出力信号ＡＶｄ／ｉｄと前記補助回路の全抵抗値に
相当した値が設定してある補助回路抵抗値設定器８７の
出力信号ＲＢとの減算（△Ｖｄ／ｉｄ−Ｒ８）を行なう
減算装道で、その出力を図示しない測定装置へ値Ｒ＾Ｅ
として送出するようにしている。

次に、かかる構成の地絡故障検出装置の作用について説
明する。

まず、接地故障のない正常な場合について述べる。今、
同期発電機１が運転状態にあるものとすれば、交流励磁
機２の界滋巻線２２は電源２３から供給する励磁電流ｉ
ｆにより励磁され、その出力が電機子巻線２１より回転
整流装置３により整流されて界磁巻線１１に供給されて
いる。一方、可変電源４１より回転変圧器４の１次側巻
線４２は、可変電源４１の電源電圧ｖ，によって励磁さ
れており、その２次側巻線４３より得られる出力が整流
装贋５へ加えられている。このような状態にある時、可
変電源４１の電圧ｖ，を上昇させると、それに伴って整
流装置５の対地鰭圧Ｖｄも上昇する。しかし、この時補
助回路には接地電流ｉｄがほとんど流れず、従って非接
触検出装置６の検出器６２は電流ｉｄを検出せずその出
力信号ｉｄ′は殆んど零である。この世力信号ｉｄ′は
、可変電源４１の電圧信号ｖ，及び励磁電流信号ｉｆと
共に、絶縁抵抗測定器８内の信号変換装置８１に夫々加
えられる。ここに加えられた各信号ｉｆ，ｖ，，ｉｄ′
は、夫々ある鮫正値に基づいて鮫正される。すなわち、
電流信号ｉｒは回転整流装置３の出力電圧Ｖｆ、電圧信
号ｖ，は整流装置５の対地電圧Ｖｄ、また電流信ｉｄ′
は接地電流ｉｄに夫々鮫正される。ここで、補助回路に
流れる電流信号ｊｄはほぼ零でり、電圧信号Ｖｄが上昇
しても漏れ電流によるごく微小な増加にとどまる。従っ
て、接触電流急増点検出器８２は電流急増を検出せず、
その常開接点８２ａは閉成しないため、記憶装置８３に
は電圧信号Ｖｄは入力されず、記憶値Ｖｄ，は依然とし
て零である。また、減算装置８５では電圧信号Ｖｄと記
憶装置８３の出力信号Ｖｄ，との減算が行なわれるが、
上述したようにＶｄ，＝０であるためその出力はＶｄそ
のものとなる。更に、除算装置８６においては減算装置
８５の出力信号△Ｖｄ＝Ｖｄと電流信号ｉｄとの除算が
行なわれるが、上述の如く略ｉｄ＝０であるためその出
力は無限大のとなる。この除算装置８６の出力は、次の
減算装置８８にて補助回路抵抗値設定器８７の設定値Ｒ
Ｂと減算が行なわれるが、除算装置８６の出力の方がき
わめて大きいためその出力Ｒ＾Ｅは無限大のとして出力
される。一方、除算装置８４においては電圧信号Ｖｆと
記憶装置８３の出力信号Ｖのとの除算が行なわれるがＶ
ｄ・＝０であるためその出力信号ａ′は零となる。この
ように、接地抵抗値に相当する出力Ｒ＾Ｅが無限大めで
あるため、接地故障のないことが判定される。次に、接
地故障が生じた場合について述べる。今、第１図におけ
るＡ点に接地故障があるものとすれば、第１図に示す界
磁回路及び補助回路は等価的に第３図のように表わすこ
とができる。すなわち、界滋回路の界磁巻線１１に加え
られる直流電圧は、Ｖｆなる直流電源よりそれに直列に
挿入されたダイオード３３を通して得られる電圧と考え
ることができ、また補助回路の出力電圧も同様にＶｄの
直流電源よりそれに直列に挿入されるダイオード３５及
び抵抗ＲＢを通して得られる電圧と等価なものとして考
えることができる。尚、電源Ｖｆの内部抵抗は順方向で
は零、逆方向では無限大めである。また、界磁巻線１１
の接地故障点Ａは界磁巻線全長の由側からａパーセント
の位置、及び故障点での接地抵抗をＲ＾８オームとする
。先ず、電源Ｖｆ及びＶｄの関連機器との関係について
説明する。すなわち、Ｖｆは交流励磁機２の出力電圧を
整流したものであるから次式のように表わすことができ
る。Ｖｆニｋｌ・Ｖ餌ニｋｌ・（ｋ？・■・ｎ）＝Ｋ．
・（ｋＪ・ｋｒ・ｌｆ・ｎ）＝Ｋ耳・ｌｆ．・‐‐‐‐
【１１但し、ｖｅｘ：交流励磁機出力電圧、■：磁束、
ｎ：回転数、ｉ？：励磁電流、ｋ，，ｋ◇，ｋｒ，ＫＥ
：定数。

一方、補助回路の電圧Ｖｄは回転変圧器４の２次側巻線
４３の出力を直流変換したものであるから、次式のよう
に表わすことができる。

Ｖｄ＝ｋ２・ｖ２＝Ｋ．・（ｎ２／ｎ，）ｖ， ……■
但し、ｖ，及びｖ２：回転変圧器１次及び２次側電圧、
り／ｎ．：巻線比、ｋ２：定数。

これら｛１’，‘２｝式より明らかなように、Ｖｒ，Ｖ
ｄは夫々ｉｆ，ｖ，にほぼ比例することがわかる。

また、故障点Ａにおける電位Ｖａは図示Ｂ点の電位より
もＶｆ・（ａ／１００）だけ低い電位となる。そのため
、補助回路に流れる接地電流ｉｄは次のようになる。ｌ
ｄ＝（Ｖｄ−Ｖａ）／（Ｒ８十Ｒ＾８）＝｛Ｖｄ−Ｖｆ
．（ａ／１００）｝／ＲＢ＋Ｒ＾８）．・・．・・‘３
’但し、第３図よりわかるようにＶｄ＜Ｖａの場合はダ
イオード３５のために、接地電流ｉｄは流れず零である
。

また、通常励磁電圧Ｖｆは一定であると考えられるため
、補助回路電圧Ｓｄを変化させた時の接地電流ｉｄは、
第４図に示すようになる。図において、接地電流ｉｄが
流れ始める瞬間の補助回路電圧Ｖｄは、糊式より次のよ
うに表わすことができる。すなわち、Ｖｄ＝Ｖｒ・（ａ
／１００）＝Ｖａ＝Ｖｆ・ａ′ ……【４’そして、Ｖ
ｄ＞Ｖｆ・（ａ／１００）の範囲においては補助回路電
圧Ｖｄの上昇と共に、接地電流ｉｄも比例して増加し、
その夫々の増加率△Ｖｄ及び△ｉｄの比は次のように表
わすことができる。

△Ｖｄ／△ｉｄ＝ＲＢ＋Ｒ＾Ｅ ……■このよ
うに、補助回路電圧Ｖｄを変化させた時の接地電流ｉｄ
の特性を利用して、まず■式より接地故障点の位置をａ
′＝Ｖｄ／Ｖｒと知ることができる。更に、【５｝式よ
り接地点の抵抗値をＲ＾８＝△Ｖｄ／△ｉｄ−ＲＢと求
めることができる。

これらを具体的に説明する。今、同期発電機１が同期運
転状態にある時、界滋巻線１１に接地故障が発生すると
それ以前は補助回路に殆んど流れなかった接地電流ｉｄ
が故障発生時点を境として流れ始める。すると、補助回
路を流れる接地電流ｉｄが非接触検出装置６により検出
され、その出力信号ｉｄ′は可変電源４１の出力信号ｖ
，及び励磁電流信号ｉｒと共に絶縁抵抗測定器８内の信
号変換装置８１へ加えられる。ここに加えられた各信号
ｉｄ，ｖ，，ｉｆは、夫々その鮫正値に従って鮫正され
、すなわち信号ｉｄ′は接地電流ｉｄ、信号ｖ，は補助
回路電圧Ｖｄ、信号ｉｆは回転整流装置３の出力電圧Ｖ
ｆに夫々鮫正して出力される。ここで、上述したように
接地電流ｉｄが流れ始めるため、接地電流急増検出器８
２はこれを検出すると共にその常開接点８２ａを瞬時閉
成する。これにより、常開接点８２ａを通してその時点
における補助回路電圧Ｖｄ，が記憶装置８３へ加えられ
、以後一定値Ｖｄ，として記憶される。また、可変電源
電圧ｖ，が更に増加するとその時点における各信号ｉｆ
，ｖ，，ｉｄ′が前述同様に信号変換装置８１に加えら
れここで夫々鮫正されて出力される。まず、ここから出
力される回転整流装置出力信号Ｖｆは、除算装置８４に
おいて記憶装置８３の出力信号Ｖｄ，との間で除算が行
なわれ、その結果ａ′：Ｖｄ，／Ｖｆの値を以つて図示
しない表示装置へ出力され、その値ａ′が表示される。
従って、この値ａ′より接地故障点Ａの位置を判定する
ことがでる。一方、入力信号変換器８１より送出された
補助回路電圧信号Ｖｄは減算装置８５へ加えられる。ま
た、この減算装置８５には記憶装置８３の出力信号Ｖｄ
，が加えられ、この両信号Ｖｄ，Ｖぬとの間で減算が行
なわれその結果△Ｖｄ＝Ｖｄ−Ｖｄ．の値の出力信号が
除算装置８６へ加えられる。更に、この除算装置８６に
は接地電流信号ｉｄが加えられ、両信号△Ｖｄ，ｉｄの
間で除算が行なわれ、その結果、値△Ｖｄ／ｉｄとして
出力される。また、除算装置８６の出力信号は減算装置
８８に加えられ、補助回路抵抗値段定器８７の出力信号
ＲＢとの間で減算が行なわれ、その結果出力信号を△Ｖ
ｄ／ｉｄ−ＲＢ＝Ｒ＾８の値として図示しない測定装置
へ送出して、接地抵抗値Ｒ＾８が測定される。従って、
この値Ｒ紙より接地故障点Ａにおける接地抵抗を知るこ
とができるし、またその大きさにより故障の程度を判定
することができる。尚、本発明は上述した実施例に限定
されるものではない。

上記実施例において補助回路を界磁回路のプラス側に接
続したものであるが、例えばこの補助回路をマイナス側
に接続し更に補助回路の整流装置を逆犠牲に接続した場
合についても同様に実施できるものである。このように
本発明は、交流励磁機２の出力を整流して界磁巻線１
１に供〉給するブラシレス同期発電機１等の回転電機に
おいて、可変電源４１により１次側が励磁される回転変
位器４と、この回転変圧器４の２次側出力を直流に変換
する整流装置５と、回転子側励磁コイル６１、及びこの
回転子側励磁コイル６１と電磁的に結合し当該コイルを
流れる電流を検出する検出器６２を備えてなる非接触検
出装置６と、上記整流装置５の一方の直流側端子を接地
すると共に他方の直流側端子を上記回転子側励磁コイル
６１を介して上記ブラシレス回転電機の界磁巻線１１の
一端に接続して形成された補助回路と、上記回転変圧器
４の一次側電圧信号ｖ，、上記交流励磁機２の励磁電流
信号ｉｆ及び上記非接触検出装置６１の検出器６２の出
力電流信号ｉｄ′を夫夫入力とし、上記回転変圧器４の
１次側電圧を変化させた時の上記各信号ｖ，，ｌｆ，ｉ
ｄ′を基に所定の演算を行ない上記界磁回路の接地故障
箇所及び接地抵抗を測定する絶縁抵抗測定器８を備えて
構成するようにしたものである。

従って、回転電機の運転が行なわれているとき、その界
磁回路に接地故障が生じた場合にはその検出ができると
ともに、その接地抵抗の測定からその接地箇所の判定を
容易に行なう事ができる。

特に、停止中においては接地抵抗に異常がなくても、回
転することにより遠心力等による接地抵抗の低下を期た
す場合には非常に有効なものとなる。また、運転中はほ
ぼ連続的に接地故障に対する監視を行なうことができ、
接地故障に端を発する重大事故を未然に防止することが
できる。しかも、回転子側には複雑な構造のものが不要
であり、極く単純な構成とすることができ、且つ固定子
側も減算装置及び除算装置等にて構成でき簡単な構成と
することができる。以上説明したように本発明によれば
、ブラシレス回転電機において、その界滋回路の接地故
障を非接触にて検出すると共に、その接地抵抗をも測定
可能としたので、その接地故障有無及び接地箇所の評定
を運転状態においても、簡単に行なうことが可能なブラ
シレス回転電機の地絡故障検出装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による地絡故障検出装置をブラシレス同
期発電機に適用した場合の一実施例を示す構成図、第２
図は第１図における絶縁抵抗測定器の構成例を示すブロ
ック図、第３図は接地故障における第１図の等価回路を
示す図、第４図は動作を説明するための図である。 １・・・・・・同期発電機、１１，１２…・・・界磁巻
線、２・・・・・・交流励磁機、２１・・・・・・電機
子巻線、２３，４１・・・・・・電源、３・・・・・・
回転整流装置、４・・・・・・回転変圧器、４２，４３
・・・・・・１次、２次巻線、５・・・・・・整流装置
、６・・…・非接触検出装置、６１・・・・・・回転子
側励磁コイル、６２・・・・・・検出器、７…・・・抵
抗、８・・・・・・絶縁抵抗測定器、９・・・・・・表
示装置、８１・・・・・・信号変換装置、８２・・・・
・・接地電流急増点検出器、８２ａ・・・・・・８２の
常開接地、８３・・・・・・記憶装置、８４，８６・・
・・・・除算装置、８５，８８・・・・・・減算装置、
８７・・・・・・補助回路抵抗値設定器。 第１図第２図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 交流励磁機の出力を整流して界磁巻線に供給するブ
   ラシレス回転電機において、可変電源により１次側が励
   磁される回転変圧器と、この回転変圧器の２次側出力を
   直流に変換する整流装置と、回転子側励磁コイル、及び
   この回転子側励磁コイルと電磁的に結合し当該コイルを
   流れる電流を検出する検出器を備えてなる非接触検出装
   置と、前記整流装置の一方の直流側端子を接地すると共
   に他方の直流側端子を前記回転子側励磁コイルを介して
   前記ブラシレス回転電機の界磁巻線の一端に接続して形
   成された補助回路、前記回転変圧器の一次側電圧信号ｖ
   ＿１、前記交流励磁機の励磁電流信号ｉ＿ｆ及び前記非
   接触検出装置の検出器の出力電流信号ｉ＿ｄ′を夫々入
   力とし、前記回転変圧器の１次側電圧を変化させた時の
   前記各信号ｖ＿１，ｉ＿ｆ，ｉ＿ｄ′を基に所定の演算
   を行ない前記界磁回路の接地故障箇所及び接地抵抗を測
   定する絶縁抵抗測定器とを具備して成ることを特徴とす
   るブラシレス回転電機の地絡故障検出装置。 ２ 絶縁抵抗測定器は、各信号ｖ＿１，ｉ＿ｆおよびｉ
   ＿ｄ′を補助回路電圧信号Ｖ＿ｄ、界磁回路電圧信号Ｖ
   ＿ｆ及び接地電流信号ｉ＿ｄに夫々変換する信号変換装
   置と、接地電流信号ｉ＿ｄの急増時、その時点における
   補助回路電圧信号Ｖ＿ｄ＿１と界磁電圧信号Ｖ＿ｆとの
   間でＶ＿ｄ＿１／Ｖ＿ｆなる演算を行なつて接地故障箇
   所を演算する第１の演算装置と、接地電流信号ｉ＿ｄの
   急増時その時点における補助回路電圧信号Ｖ＿ｄ＿１と
   現時点における補助回路電圧信号Ｖ＿ｄ及び接地電流ｉ
   ＿ｄとの間で（Ｖ＿ｄ−Ｖ＿ｄ＿１）／ｉ＿ｄなる演算
   を行なつて接地故障による接地抵抗を算出する第２の演
   算装置とを備えて成るものである特許請求の範囲第１項
   記載のブラシレス回転電機の地絡故障検出装置。