DE2738550C2 - Erhitzter Ionenkammerdetektor für dynamoelektrische Maschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Detektorvorrichtung zum Feststellen von Submikronpartikelchen in einem gasförmigen Träger. Insbesondere ist die Erfindung brauchbar zum Feststellen lokalisierter Überhitzungen innerhalb des Kerns einer gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine.

In dem Statorkern einer großen gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine kann eine lokalisierte Überhitzung auftreten, die eine Beschädigung des Kernes bewirkt, die zu einem weitgehenden Ausfall der Maschine und kostspielige Reparaturen führen kann. Einer der Wege, auf denen eine lokalisierte Erhitzung auftreten kann, ist die Beschädigung der Oberfläche der Statorzähne, so daß zwischen den Kernblechen ein elektrischer Kontakt auftreten kann, der zu einem elektrischen Stromfluß und zu einer Widerstandsheizung führt, wenn die Maschine belastet ist. Eine lokalisierte Überhitzung dieser Art kann genügend Wärme erzeugen, um die Kernlamellen zu schmelzen. Es ist deshalb höchst erstrebenswert, eine Vorrichtung zum frühzeitigen Feststellen einer lokalisierten Überhitzung in einer dynamoelektrischen Maschine zu schaffen, so daß die Maschinenlast verkleinert und eine Korrekturwirkung vorgenommen werden kann, bevor eine ernsthafte Beschädigung auftritt

In der US-PS 35 73 460 ist eine Vorrichtung beschrieben, die das Auftreten von Submikron-Partikelchea in einem gasförmigen Träger feststellt Diese bekannte Vorrichtung weist einen Ionisationsabschnitt mit einer damit in Verbindung stehenden radioaktiven Quelle und einen Detektorabschnitt mit einer damit verbundenen Spannungsquelle auf. Der Gasträger wird ionisiert und über dem ionisierten Gas, das zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden fließt, wird eine Strommessung vorgenommen, um das Vorhandensein von Submikron-Partikelchen festzustellen. Die elektrische Leitfähigkeit des ionisierten Gases ändert SiCh₁ wenn Submikron-Partikelchen in dem Trägergas mitgerissen werden, und somit nimmt der festgestellte Strom ab aufgrund der Kollision von Ionen in dem Gas mit irgendwelchen Submikron-Partikelchen, da diese Ionen sich an diesen Partikelchen festhalten und somit nicht zum lonenstrom beitragen. Die bekannte Vorrichtung wird allgemein als lonenkammerdetektor bezeichnet

Gemäß der US-PS 34 27 880 werden Teile einer gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine mit einem gewählten Polymermaterial überzogen, das sich bei einer relativ sicheren Temperatur zersef.t, um Submikron-Pyrclysat-Partikelchen zu erzeugen. Diese Pyrolysate können in einer Vorrichtung wie dem lonenkammerdetektor festgestellt werden, und somit kann eine frühzeitige Warnung einer lokalisierten Überhitzung erhalten werden, wenn der lonenkammerdetektor in Verbindung mit einer gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine verwendet wird. Ein Beispiel für ein Überzugsmaterial ist ein Polyalphamethylstyrolpolymer, das Zersetzungs- Partikelchen (Pyrolysate) bei etwa 185° C (365° F) in einer unter Druck stehenden Wasserstoffatmosphäre abzugeben beginnt, wie es in einem Experiment unter Verwendung eines Ionenkammerdetektors gemessen wurde.

In der Umgebung einer gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine können auch Nicht-Pyrolysat-Partikelchen in dem Kühlgas der Maschine mitgerissen werden. Derartige Nicht-Pyrolysat-Partikelchen treten nicht aufgrund einer Maschinenüberhitzung auf, sondern können beispielsweise von Ölnebel-Partikelchen herrühren, die von dem bei den Maschinenwellendichtungen verwendeten öl abgegeben werden. Während das Vorhandensein von Ölnebel-Partikelchen durchaus von Interesse sein kann, kann deren Gegenwart den gewünschten Betrieb des Ionenkammerdetektors bei der Identifizierung von Pyrolysaten aufgrund einer lokalisierten Überhitzung nachteilig beeinflussen. Die Ölnebel-Partikelchen können auch Ionen in dem lonenkammerdetektor bei Kollision mit diesen anlagern und somit verhindern, daß diese zum lonenstrom beitragen und, in ähnlicher Weise wie bei Pyrolysaten, einen Abfall im lonenstrom und ein falsches Signal bewirken, das zu einer vorzeitigen oder unnötigen Maschinenstillsetzung führen könnte. Andererseits kann das Vorhandensein von Ölnebeldampf in dem lonenkammerdetektor falsche Anzeigen in den lonenkammerdetektor bewirken, die ein wahres, eine lokalisierte Überhitzung anzeigendes Signal überdekken.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Detektorvorrichtung zu schaffen, die nur bestimmte Typen von Submikron-Partikelchen

feststellt

Erfindungsgemäß weist ein Ionenkammerdetektor eJAen Misch- und Ionisierungsabschnitt und einen Detektorabschnitt auf. Um den Misch- und Ionisierungsabschnitt herum ist ein Heizband gelegt, um die Temperatur des darin befindlichen Gasträgers zu erhöhen, damit leichter verdampfbare Partikelchen vergast werden, die in dem gasförmigen Träger mitgerissen werden. Derartige Partikelchen können beispielsweise Ölnebel-Partikelchen innerhalb der Umgebung einer gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine sein. Während die leichter verdampfbaren Partikelchen in den gasförmigen Zustand übergeführt werden, beeinflußt die vorliegende Erfindung die weniger verdampfbaren Pyrolysat-Partikelchen nicht in signifikanter Weise, die eine Anzeige bzw. ein Maß für eine lokalisierte Überhitzung innerhalb der dynamoelektrischen Maschine sein können. Demzufolge bleibt ■ die Empfindlichkeit der Detektorvorrichtung gegen-[ über Pyrolysaten die gleiche, während die erfinJungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit verhindert, daß entweder ein falsches Signal oder ein irrtümlicher Betrieb auftritt Zusätzlich wird eine neue Strahlungsquelle in der Form eines Zylinders mit Thoriumoxid-Keramikelementen geschaffen, um eine Strahlungsquelle zu bilden, die in Gegenwart des erhitzten Trägergases stabil ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung bei Anwendung auf eine dynamoelektrische Maschine, die teilweise im Schnitt gezeigt ist.

F i g. 2 ist eine vergrößerte Seitenschnittansicht von einem erhitzten Ionenkammerdetektor gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein wasserstoffgekühlter Generator 11 gezeigt, der typisch für eine gasgekühlte dynamoelektrische Maschine ist, in deren Verbindung die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um eine lokalisierte Überhitzung festzustellen, die innerhalb der dynamoelektrischen Maschine auftreten kann. Der Generator 11 umfaßt einen Stator 13, einen Rotor 15, und eine Statorwicklung 17, von der Teile sich in bekannter Weise axial durch den Stator hindurch erstrecken. Der Stator, der Rotor und die Statorwicklungen sind alle in gasdichten Gehäuse 19 eingeschlossen, das mi*, einem gasförmigen Kühlmittel, wie beispielsweise Wasserstoff, gefüllt ist. Die Statorwicklung kann ihrerseits zusätzlich mit einer Flüssigkeits-lnnenkühlung gekühlt werden. Ein auf dem Rotor befestigter Lüfter 21 wälzt das Kühlgas zu geeignet angeordneten Kanälen innerhalb des gasdichten Gehäuses um, die beispielsweise radiale Kanäle 23 umfassen können, die zwischen den Blechpakten 25 ausgebildet sind. Das Gas wird in einem Wärmetaucher 27 gekühlt und zur Ansaugseite des Lüfters 21 zurückgeleitet.

Eine Probe des gasförmigen Kühlmittels wird von dem Generatorgehäuse mittels einer Leitung 29 abgezogen, die zweckmäßigerweise an der Hochdruckseite des Generators befestigt sein kann. Das Probengas kann zum Maschinengehäuse über eine Leitung 31 zurückgeleitet werden, die auf der Niederdruckseite des Generators befestigt ist. Alternativ kann das Probengas b5 zu einer von der Maschine entfernten Ablaßöffnung geleitet werden. Die Leitung 29 und die Leitung 31 sind durch einen erhitzten Ionenkammerdetektor 33 gemäß einem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung miteinander verbunden, der anhand von Fig.2 beschrieben wird. Der erhitzte Ionenkammerdetektor 33 liefert über einen Signalverstärker 37 ein Ausgangssignal an einen Rekorder bzw. ein Anzeigegerät 35.

Der in F i g. 2 gezeigte erhitzte Ionenkammerdetektor 33 umfaßt einen Außenmantel, der durch das Zusammenschrauben eines ersten Abschnittes 41 und eines zweiten Abschnittes 43 gebildet ist Die zwei Abschnitte sind relativ zueinander wärmeisoliert durch eine Isoliermanschette 45. Der erste Abschnitt schließt die Gasmisch- und Ionisierungskammer 49 ein, wogegen der zweite Abschnitt eine Detektorvorrichtung enthält die allgemein bei 51 gezeigt ist Der die Gasmisch- und lonisierungskammer 49 enthaltende erste Abschnitt ist an dem Auslaßende der Leitung 29 befestigt um die zu untersuchende eintretende Gasprobe aufzunehmen. Die Gasmisch- und lonisierungskammer wird durch einen am Ende offenen Zylinder 52 gebildet, an dem eine Strahlungsquelle in der Form diskreter Strahlung emittierender Elemente 55 befestigt ist Das stromaufwärtige Ende des Zylinders ist von der Leitung 29 durch eine Endwand mit einer Einlaßdüse 59 getrennt die darin ausgebildet ist um der einströmenden Gasprobe beim Eintritt in die Kammer 49 eine turbulente Strömung zu geben.

Der Detektorabschnitt 43 weist eine zylinderförmige Kollektorelektrode 41 mit öffnungen 63 an ihrem einen Ende auf, damit ionisiertes Gas eintreten kann. An eine Mittelelektrode 65 ist von einer geeigneten Spannungsquelle 67 eine Spannung angelegt um einen Gradienten zu erzeugen, der bewirkt, daß sich das Gasion in Richtung auf die Kollektorelektrode 61 bewegt und somit einen Strom erzeugt, der durch einen Elektrometerverstärker 37 gemessen wird. Das Gas strömt durch einen Auslaß 71 und dann zur Leitung 31, woraufhin es entweder in die dynamoelektrische Maschine zurückgeleitet oder zu einer geeigneten Ablaßöffnung geschickt wird. Eine Wand 73 trennt die Misch- und lonisierungskammer 49 von dem Detektorabschnitt 43, abgesehen von der Kollektorelektrode 61. Bezüglich einer näheren Erläuterung des Ionenkammerdetektors wird auf die US-PS 35 73 460 verwiesen.

Erfindungsgemäß wird der Ionenkammerdetektor zum großen Vorteil für den Betrieb in Verbindung mit einer großen dynamoelektrischen Maschine dadurch verbessert, daß eine Heizeinrichtung in Verbindung mit dem Ionenkammerdetektor geschaffen wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Heizeinrichtung auf das Gehäuse des ersten Abschnittes der Gasmisch- und lonisierungskammer aufgebracht, um das ionisierende Gas auf eine Temperatur aufzuheizen, die mehr verdampfbare Nicht-Pyrolysat-Partikelchen vergast, wie beispielsweise Ölnebelpartikelchen. Die Heizeinrichtung kann die Form eines Heizbandes 81 haben, das auf den ausseitigen Umfang des ersten Abschnittes 41 aufgebracht ist. Ein derartiges Bandheizelement ist von der Odgen Company mit der Bezeichnung HB455L50X (120 Volt, 890 Watt) erhältlich. Eine Wärmesteuerung des Bandheizelementes wird durch einen Thermostaten 87 erreicht, der eine Oberflächentemperatur-Rückkopplung zum Thermostaten entlang der Leitung 87 von einem Thermoelement 80 aufweisen kann.

Während der vorstehend beschriebene Aufbau ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, können im Rahmen der Offenbarung auch weitere Alternativen verwendet werden. Eine derartige Alter-

native besteht darin, die einströmende Gasprobe stromaufwärts von dem lonenkammerdetektor zu erhitzen, indem beispielsweise ein Bandheizelement um die Leitung 29 herum angeordnet wird. Dieser Aufbau ist weniger vorteilhaft, da die vergasten Nicht-Pyroly- ^r> sat-Partikelchen kondensieren können, wenn sie den lonenkammerdetektor erreichen, wenn dieser sich auf Umgebungstemperatur befindet. Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel besteht darin, eine Wärmequelle innerhalb des lonenkammerdetektors zu schaffen, ι ο aber dies wird für weniger attraktiv im Hinblick auf die Einfachheit des Aufbaues gemäß der vorliegenden Erfindung gehalten.

In der Einleitung der vorliegenden Patentanmeldung wurde ausgeführt, daß gemäß der US-PS 34 27 880 gewisse Teile einer gasgekühiten dynamoelektrischen Maschine mit gewählten polymeren Zusammensetzungen überzogen sein können, die sich bei erhöhten Temperaturen zersetzen, um Zersetzungsprodukte zu erzeugen, die Pyrolysate genannt werden. Die festgestellte Zersetzung dieser gewählten Polymeren ergibt eine Vorwarnung einer lokalisierten Überhitzung innerhalb der dynamoelektrischen Maschine. Überzugspolymeren werden auf der Basis von Betriebszuständen der Maschine ausgewählt. Wenn es gewünscht wird, daß eine relativ hohe Temperatur gestattet wird, bevor eine Anzeige gegeben wird, kann es vorteilhaft sein, den normalen auf die Lamellen bzw. Bleche aufgebrachten Überzug zu verwenden, beispielsweise den Phenolformaldehydpolymer. Dieses Polymer beginnt Zersetzungs- jo partikelchen in der Nähe von 250° C in einer unter Druck stehenden Wasserstoffatmosphäre abzugeben. Tatsächlich würde eine derartige fortgesetzte Zersetzung des normalen Lamellenüberzuges zu einer Beschädigung führen, die verhindert werden soll. Deshalb können, wenn es vorgezogen wird, spezielle Polymermaterialien über den vorgenannten Überzug aufgebracht werden, die sich bei niedrigeren Temperaturen zersetzen als denjenigen, die die Isolierung oder andere interessierende Teile beschädigen würden. Diese können in Bereichen von besonderem Interesse aufgebracht werden, wie beispielsweise den Spitzen der Statorzähne oder auf der Innenseite der Nutwände oder auf den Kanalräumen. Die letzteren würden eine Anzeige einer lokalisierten hohen Temperatur in den Kühlkanälen oder um die Statorzähne herum liefern. Derartige Überzugsmaterialien, die zur Abgabe einer Vorwarnung von möglichen lokalen beschädigenden Temperaturen verwendet werden, umfassen Polyalphamethylstyrol, Polystyrol, Polymethylmethacrylat oder Cellulosepropionat Diese zersetzen sich und geben ziemlich abrupt Submikron-Zersetzungspartikelchen ab, wenn Temperaturen in dem Bereich von 165—190°C in dem unter Druck stehenden Wasserstoff erreicht werden. Es sind auch noch andere Materialien möglich, die Zersetzungspartikelchen bei sogar niedrigeren Temperaturen abgeben. Jedoch werden die erzeugten Pyrolysatpartikelchen nicht bis zu einem signifikanten Ausmaß in den Betriebstemperaturen der erhitzten Ionenkammer vergast w>

Andererseits erzeugt ein typisches Wasserstoff-DichtungsöL das in großen gasgekühlten dynamoelektrischen Maschinen verwendet wird, einen ölnebel bei Temperaturen von nur 124°C. Es wurde durch Experiment gefunden, daß ein typischer ölnebel bei Temperaturen von etwa 150°C vergast werden könnte. Wenn beispielsweise die Gastemperatur in der Ionisationskammer gemäß der vorliegenden Erfindung auf den Bereich von 150—250°C erhöht wird, dann werden die leichter verdampfbaren Nicht-Pyrolysat-Ölnebelpartikelchen vergast, bevor sie in den Detektorabschnitt eintreten, und infolgedessen tritt kein falsches Signal aufgrund von Nicht-Pyrolysatorprodukten auf. Wenn die Temperatur zu stark erhöht wird, könnten einige der weniger leicht verdampfbaren Pyrolysatkomponenten zu vergasen beginnen, was von dem gewählten Polymermaterial abhängt. Deshalb werden die leichter verdampfbaren Nicht-Pyrolysatmaterialien vergast, bevor sie in den Detektorabscnnitt eintreten, wogegen die weniger leicht verdampfbaren Pyrolysate von gewählten Polymermaterialien unbeeinflußt bleiben, wodurch nur diejenigen gewählten Pyrolysate ein Signal auf dem lonenkammerdetektor bewirken, die eine genaue Warnung der Maschinenüberhitzung geben. Die vorstehenden Ausführungen geben lediglich ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform, wogegen das System innerhalb eines praktischen Bereiches aufgebaut sein kann. Es wurde ferner gefunden, daß in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Bandheizelement durch ein Rückkopplungs-Thermoelement 88 geregelt werden kann, um die Temperatur des ionisierten Gases in dem Temperaturbereich von 150° C zu halten. Diese Temperaturbereiche sind wiederum auf der Basis einer typischen gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine gewählt, die typische Polymerüberzüge und Wasserstoffdichtungsöle verwenden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde gefunden, daß bekannte Strahlungsquellen wie beispielsweise mit Thorium imprägnierte bzw. getränkte Kunstseide- bzw. Rayonmäntel brüchig und spröde werden, nachdem sie den erhöhten Temperaturen des heißen lonenkammerdetektors ausgesetzt wurden. In der Umgebung einer großen dynamoelektrischen Maschine und über eine längere Benutzungszeit bei erhöhten Temperaturen ist es möglich, daß der Rayonmantel aufgrund der rauhen Behandlung oder Schwingungen abnutzen oder in seiner Wirkung zurückgehen würde. Demzufolge wird erfindungsgemäß eine neue thermisch stabile Strahlungsquelle verwendet, wie beispielsweise radioaktives Thorium 232 in der Form von Stücken aus Thoriumoxidkeramik, die über einer metallischen Zylinderfläche verteilt sind. Gemäß F i g. 2 kann das Thoriumoxidkeramik in der Form diskreter knopfähnlicher Elemente 55 vorliegen, die über ein zyiinderförrmges Drahtrnaschcngitter verteilt sind, wobei die Knöpfe an dem Gitter durch geeignete BefestigungsgHeder 56 befestigt sind. Diese Thoriumoxidkeramikelemente werden gleichförmig über die axiale Länge der Gasmisch- und Ionisierungskammer aufgebracht Das Drahtmaschengitter kann aus rostfreiem Stahl bestehen oder es kann alternativ eine Nickel-Chrom-Metallplatte verwendet werden. Eine weitere alternative Strahlungsquelle kann die Form eines Zylinders haben, der aus einem Thoriumoxid-Yttriumoxidkeramik besteht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. lonenkammerdetektor für dynamoelektrische Maschine zum Feststellen der Gegenwart von Pyrolysaten in einem gasförmigen Träger, der eine Kühlgasprobe von einer gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine ist, wobei gewisse Maschinenteile mit gewählten Materialien überzogen sind, die sich bei einer erhöhten Temperatur zersetzen und Pyrolysate erzeugen, die eine Anzeige einer lokalisierten Überhitzung der Teile der dynamoelektrischen Maschine sind, wobei die Vorrichtung einem AuBenmantel mit einem Gasmisch- und Ionisierungsabschnitt und einem Detektorabschnitt aufweist, der die ionisierte Gasprobe von dem Gasmisch- und Ionisierungsabschnitt empfängt und im Abstand angeordnete Elektroden mit einer daran angelegten Spannung aufweist, zwischen denen ein Stromfluß aufgrund des ionisierten Gases auftritt, um ein variables Signal zu erzeugen, dessen Größe dem Stromfluß proportional ist, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (81), die auf den Gasmisch- und Ionisierungsabschnitt (41) aufgebracht ist und einen Temperaturbereich von etwa 150—250⁰C innerhalb des Gasmisch- und Ionisierungsabschnittes (41) ausbildet derart, daß ölnebel-Partikelchen aus der dynamoelektrischen Maschine ohne Beeinflussung der Pyrolysate in dem gasförmigen Träger vergasbar sind, und durch eine innerhalb des Gasmisch- und Ionisierungsabschnittes (41) angeordnete Strahlungsquelle, die zahlreiche diskrete radioaktive Keramikelemente (55) umfaßt, die auf der axialen Länge des Gasmisch- und Ionisierungsabschnittes gehalten sind.

2. lonenkammerdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zylinderförmiges Drahtmaschen-Halterungselement, das innerhalb des Außenmantels im Gasmisch- und Ionisierungsabschnitt angeordnet ist, und zahlreich.;; diskrete radioaktive Elemente aus Thorium-232-Oxidkeramik, die entlang der axialen Länge des Halterungselementes befestigt sind.