DE4231713C2 - Auskopplung hochfrequenter Fehlersignale aus einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen Großmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auskopplung hochfrequenter Fehlersignale aus einer elektrischen Großmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und eine Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die betriebliche Überwachung einer elektrischen Großmaschine, vor allem auf die Erkennung und Lokalisierung von Schäden aufgrund von Störungen, die mit der Erzeugung hochfrequenter elektromag­ netischer Felder verbunden sind. Im Einzelnen wird Bezug genommen auf Störungen beim Betrieb einer elektrischen Groß­ maschine, bei denen im Rahmen von Teilentladungen oder der­ gleichen Funken entstehen.

Unter "elektrischen Großmaschinen" werden im vorliegenden Zusammenhang insbesondere Großgeneratoren wie z. B. Turbo­ generatoren mit elektrischen Leistungen von 50 MVA und mehr verstanden; speziell wird Bezug genommen auf wassergekühl­ te Turbogeneratoren mit Leistungen im Bereich von 1000 MVA.

Die Erkennung und Lokalisierung von Schäden in Anlagen mit elektrischen Großmaschinen findet ein ständig wachsendes Interesse im Bestreben, die Verfügbarkeit der Anlagen zu erhöhen und Schäden möglichst frühzeitig, womöglich sogar vorausschauend und vorzugsweise während des regulären Be­ triebs der Anlagen, zu erkennen. Dabei ist auch von Bedeu­ tung, daß digitale Rechenanlagen zur Auswertung der Signale aus komplexen Überwachungssystemen in zunehmendem Umfang kostengünstig zur Verfügung stehen.

Verfahren und Vorrichtungen zur Erkennung und Lokalisierung von Schäden in Anlagen mit elektrischen Großmaschinen gehen hervor aus der DE 34 08 256 C2, der DE 35 26 149 A1, der DE 39 18 116 A1, der EP 0 228 613 B1, der EP 0 241 764 B1 sowie dem US-Patent 4,949,001. Aus diesen Schriften sind sowohl ganze Systeme zur Erkennung und Lokalisierung von Schäden in Anlagen mit elektrischen Großmaschinen mit Auswertungen von hochfrequenten Fehlersignalen als auch Ein­ zelheiten zur Auskopplung hochfrequenten Fehlersignale aus elektrischen Anlagen erkennbar. Auf den Inhalt dieser Schriften wird zur Vermeidung weiterer Wiederholungen aus­ drücklich Bezug genommen.

In den Artikeln "Partial Discharges-Part XII: Partial dis­ charge Detection in Rotating Electrical Machines" von Wilfried Hutter in IEEE Electrical Insulation Magazine, May/June 1992 - Volume 8, Nr. 3 sowie "Turbine-Generator on­ line Diagnostics using RF Monitoring" von F. T. Emmery, B.N. Lenderking, R.D. Couch in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Volume PAS-100, Nr. 12, December 1981, ist jeweils eine Auskopplung hochfrequenter Fehlersignale aus einer elektrischen Großmaschine mit einer elektrischen Wicklung, welche entlang einer Achse gestreckt und entlang der Achse von zwei Wickelköpfen begrenzt ist, dargestellt. Hierin erfolgt die Auskopplung hochfrequenter Signale unmittelbar aus der Wicklung, d. h. aus einem Sternpunkt der dreiphasigen Wicklung bzw. an einem Sternpunkt oder einer Ableitung der dreiphasigen Wicklung.

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auskopplung hochfre­ quenter Fehlersignale aus einer elektrischen Großmaschine ist die bestmögliche Ausnutzung ohnehin vorhandener Bau­ elemente und Einrichtungen, um die von Betriebsstörungen und dergleichen verursachten hochfrequenten elektromagne­ tischen Felder sicher nachzuweisen, ohne sie zu beein­ trächtigen oder gar abzuschirmen; darüberhinaus sind auch ökonomische Gesichtspunkte wichtig, da diese allzu komplexe Systeme von Sensoren zur Betriebsüberwachung elektrischer Großmaschinen unvorteilhaft erscheinen lassen können. Schließlich sprechen auch Erwägungen zur Belastbarkeit und zum Wirkungsgrad der elektrischen Großmaschinen gegen eine allzu großzügige Gewährung von Platz für Systeme zur Be­ triebsüberwachung.

Dementsprechend basiert die Erfindung auf der Aufgabe, bei einer elektrischen Großmaschine der in der Einleitung genannten Art eine Möglichkeit zur Auskopplung hochfrequenter Fehlersignale anzugeben, bei der weitestgehend ausschließlich auf ohnehin vorhandene Ele­ mente in der Großmaschine zurückgegriffen wird. Es sollen hierzu sowohl Verfahren und Vorrichtungen als auch Anwendungen der Verfahren angegeben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auskopplung hochfrequen­ ter Fehlersignale aus einer elektrischen Großmaschine mit einer elektrischen Wicklung, welche

• a) entlang einer Achse gestreckt und entlang der Achse von zwei Wickelköpfen begrenzt ist;
• b) von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbar ist, welches Kühlmittel an zumindest einem Wickelkopf aus einer vor dem Wickelkopf angeordneten, ringförmigen, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bestehenden und über eine Erdleitung an Erdpotential angeschlossenen Sammel­ kammer in die Wicklung einströmen kann;

ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Fehler­ signale über die Erdleitung der Sammelkammer ausgekoppelt werden.

Zur Auskopplung der hochfrequenten Fehlersignale wird zu­ rückgegriffen auf die ohnehin für die Zu- oder Abführung des flüssigen Kühlmittels vorhandene Sammelkammer, welche er­ findungsgemäß als wirksame Antenne zum Nachweis von hoch­ frequenten elektromagnetischen Feldern, die durch Teilent­ ladungen und andere funkenbildende Prozesse in der Groß­ maschine verursacht wurden, erkannt worden ist. Die Kopp­ lung der Sammelkammer an diese elektromagnetischen Felder ist dabei in erster Linie kapazitiv; auf diesbezügliche Einzelheiten kommt es allerdings bei der Realisierung der Erfindung nicht an.

Als flüssiges Kühlmittel kommt zur Kühlung einer elektri­ schen Großmaschine insbesondere Wasser in Frage, es ist jedoch unter anderem auch die Verwendung von Öl möglich. Wasser hat zwar eine geringe elektrische Leitfähigkeit und vermag somit zu einem gewissen Grad elektrische Verbindun­ gen zwischen einer ansonsten elektrisch isolierten Sammel­ kammer und anderen Komponenten der Großmaschine zu bilden. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch erkannt worden, daß der­ artige elektrische Verbindungen die Antennenwirkung der Sammelkammer für hochfrequente Fehlersignale nicht wesent­ lich beeinträchtigen.

Als mit einem flüssigen Kühlmittel kühlbare Wicklung einer elektrischen Großmaschine kommt in erster Linie eine räum­ lich feststehende wassergekühlte Ständerwicklung in Frage, wie sie als solche aus dem Stand der Technik hervorgeht. Eine wassergekühlte Ständerwicklung weist üblicherweise Wicklungsstäbe auf, die in Nuten eines aus geschichteten ferromagnetischen Blechen bestehenden Ständerblechpaketes eingelegt und zur Führung des Kühlmittels teilweise hohl sind. Die Wicklung endet an jedem Ende des Ständerblech­ paketes in einem sogenannten Wickelkopf, in dem die Wick­ lungsstäbe untereinander verschaltet sind. In den Wickel­ köpfen hat jeder Wicklungsstab einen Anschluß, an den ein Schlauch zur Verbindung mit der Sammelkammer für das Kühl­ mittel angeschlossen ist. Das Kühlmittel durchströmt die Wicklung üblicherweise von einem Wickelkopf zum anderen; die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf solche Wicklungen beschränkt. Ob eine Sammelkammer der Einleitung des Kühlmittels in die Wicklung oder der Abführung des Kühlmittels aus der Wicklung dient, ist für die Belange der Erfindung nicht wesentlich; es wird bemerkt, daß Kühlmittel im Sinne der Erfindung auch aus einer Sammelkammer in die Wicklung einströmen könnte, welche im Rahmen der konkreten Ausgestaltung der Abführung von Kühlmittel aus der Wicklung dient.

Günstig ist es, die Fehlersignale induktiv aus der Erdlei­ tung auszukoppeln, wofür beispielsweise ein für Hochfre­ quenz-Signale wirksamer, für Signale mit Frequenzen in der Größenordnung üblicher Frequenzen von Stromversorgungs­ netzen jedoch praktisch unwirksamer Transformator in die Erdleitung eingeschleift oder eingefügt werden könnte. Ein wesentlicher Vorteil davon liegt darin, daß es bei einer solchen induktiven Auskopplung nicht mehr wesentlich dar­ auf ankommt, wie die Erdleitung außerhalb der Großmaschine verschaltet ist. Es ist dabei ausreichend, die Erdleitung entsprechend üblicher Praxis über einen hinreichend kurzen Weg zu einem Erdungspunkt zu führen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer elektrischen Großmaschine, in der vor jedem Wickelkopf eine Sammelkammer mit einer zugehörigen Erdleitung angeordnet ist, von jeder Erdleitung Fehlersignale ausgekoppelt werden; mit anderen Worten werden Fehlersignale von beiden axialen Enden der Wicklung erhalten, was die Aussagekraft der ge­ winnbaren Messungen wesentlich erhöht. Insbesondere ist es möglich, die von verschiedenen Erdleitungen ausgekoppelten Fehlersignale miteinander zu vergleichen zur Ermittlung eines Bereiches in der Großmaschine, wo die Fehlersignale verursacht wurden. Ein solcher Vergleich kann sich sowohl auf die Amplituden der Fehlersignale als auch auf die Pha­ senlage der Fehlersignale relativ zueinander beziehen. Auf diese Weise kann jedenfalls eine Aussage gewonnen werden über die Positionierung der Quelle der Fehlersignale ent­ lang der Achse. Unter Berücksichtigung von Eichmessungen und/oder vorher gemachten Erfahrungen sind möglicherweise noch detailliertere aussagen ableitbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens gemäß der Erfindung weist einen Hochfrequenz-Trans­ formator auf mit einer in die Erdleitung eingeschleiften Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, von der die Fehlersignale abnehmbar sind.

Unter einem Hochfrequenz-Transformator wird im vorliegenden Zusammenhang ein Transformator verstanden, der für Signale mit Frequenzen, die in der Größenordnung der üblichen Netz­ frequenzen von 50 Hz oder 60 Hz liegen, weitgehend unwirk­ sam, für Signale mit Frequenzen oberhalb von etwa 100 KHz (diese Angabe ist nicht als Beschränkung zu verstehen) je­ doch wirksam ist. Dementsprechend wäre ein Hochfrequenz- Transformator zu charakterisieren als Transformator mit Wicklungen, deren Induktivitäten nicht oberhalb des Mikro­ henry-Bereichs liegen.

Vorteilhafterweise weist der Hochfrequenz-Transformator keine besondere Primärwicklung auf, sondern die Primärwick­ lung ist durch die Erdleitung selbst gegeben. Dies ist beispielsweise bei einem Hochfrequenz-Transformator der Fall, bei dem die Sekundärwicklung etwa toroidförmig auf­ gewickelt ist und die Erdleitung umgibt. Solches ist relativ einfach ausbildbar mittels einer auf einen Ringkern gewic­ kelten Sekundärwicklung, wobei die Erdleitung durch den Ringkern hindurchgesteckt wird. Der Ringkern besteht vor­ teilhafterweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff, vor­ zugsweise einem Ferrit oder einem anderen Werkstoff mit hoher Permeabilität. Ein mit einem solchen Ringkern gebil­ deter Hochfrequenz-Transformator wird gelegentlich auch als "Hochfrequenz-Stromwandler" bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere anwendbar zur Feststellung von Funkenbildungen in einer elektrischen Groß­ maschine, insbesondere in einem Turbogenerator, wobei aus dem Auftreten von hochfrequenten Fehlersignalen auf eine Funken­ bildung geschlossen wird.

Das Verfahren ist besonders qualifiziert zum Nachweis von hochfrequenten Fehlersignalen, welche Frequenzen oberhalb von etwa 100 kHz, insbesondere zwischen 100 kHz und 300 MHz, vorzugsweise zwischen 1 MHz und 100 MHz haben; dies insbe­ sondere deshalb, weil die Abmessungen üblicher Sammelkam­ mern in flüssigkeitsgekühlten elektrischen Großmaschinen eine wirksame Antennenwirkung vor allem in diesen Frequenz­ bereichen entfalten, und weil für diese Frequenzbereiche insbesondere Hochfrequenz-Transformatoren problemlos ver­ fügbar sind.

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Zur Verdeutlichung der spezifischen Eigenschaften der Erfin­ dung sind die Zeichnungen teilweise schematisch und/oder leicht verzerrt gehalten; für eventuell nicht aus der Zeichnung hervorgehende übliche Merkmale einer elektrischen Großmaschine wird auf die zitierten Dokumente des Standes der Technik sowie das einschlägige allgemeine Fachwissen verwiesen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäß ertüchtigten elektrischen Großmaschine;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt wesentliche Komponenten einer elektrischen Großmaschine, die zur Realisierung der Erfindung ertüchtigt ist. Die elektrische Großmaschine weist eine elektrische Wicklung 1 auf, welche entlang der Achse 2 gestreckt ist. Die Wicklung 1 verläuft zum großen Teil innerhalb eines ebenfalls entlang der Achse 2 gestreckten Ständerblechpake­ tes 10 und ist entlang der Achse 2 begrenzt von zwei Wic­ kelköpfen 3, welche außerhalb des Ständerblechpaketes 10 liegen. Die Wicklung 1 und das Ständerblechpaket 10 bilden den Ständer der elektrischen Großmaschine; in diesem Ständer anzuordnen ist ein um die Achse 2 drehbarer Rotor, welcher der Übersicht halber nicht dargestellt ist. Die Wicklung 1 ist zum Zwecke der Kühlung von einem flüssigen Kühlmittel, insbesondere Wasser, durchströmbar. Das Kühlmittel wird aus einer Sammelkammer 5 über Kühlmittelschläuche 18 der Wicklung 1 an einem der Wickelköpfe 3 zugeführt und auf dieselbe Art an dem anderen Wickelkopf 3 von der Wicklung 1 wieder abgeführt. Weitere Rohrsysteme, Pumpen, Wärmetau­ scher und dergleichen Komponenten zur Realisierung eines vollständigen Kreislaufs für das Kühlmittel sind der Über­ sicht halber nicht dargestellt. Eine Sammelkammer 5 be­ steht üblicherweise aus einem elektrisch leitfähigen Werk­ stoff, und zwar in der Regel aus einem Metall wie z. B. einer Stahllegierung. Zur Vermeidung von elektrostati­ scher Aufladung und zur Vermeidung von Beeinträchtigungen für das in der elektrischen Großmaschine herrschende Mag­ netfeld muß eine solche Sammelkammer 5 auf Erdpotential gelegt werden, vorzugsweise über eine Erdleitung 4, wie dargestellt. Die bei Betriebsstörungen in der elektrischen Großmaschine entstehenden hochfrequenten Fehlersignale sind über die Erdleitung 4 der Sammelkammer 5 aus­ koppelbar, wofür beispielsweise, wie dargestellt, in die Erdleitung 4 die Primärwicklung 7 eines Hochfrequenz-Trans­ formators 6 eingeschleift ist. Der Hochfrequenz-Transforma­ tor 6 hat eine Sekundärwicklung 8, in die die hochfrequenten Fehlersignale durch Induktion eingekoppelt und aus der sie über ein Hochfrequenzkabel 19, insbesondere ein Koaxialkabel, abgeleitet werden. Jeder Wickelkopf 3 weist eine zugehörige Sammelkammer 5 mit jeweiliger Erdleitung 4 auf, und in jede Erdleitung 4 ist ein Hochfrequenz-Transformator 6 einge­ schleift. Auf diese Weise können hochfrequente Fehlersignale an beiden axialen Enden der elektrischen Großmaschine er­ halten und zur Ermittlung eines Ortes, an dem sie verursacht wurden, miteinander verglichen werden.

Fig. 2 zeigt im Rahmen einer Ausgestaltung der Vorrichtung eine Möglichkeit zur Einbeziehung einer Erdleitung 4 in einen Hochfrequenz-Transformator 6. An die Sammelkammer 5 schließt sich ein Zuleitungsrohr 11 an, welches durch eine Ausnehmung in dem Maschinengehäuse 14 der elektrischen Großmaschine aus dieser herausgeführt ist. Das Zuleitungsrohr 11 stützt sich mit einem Flansch 12 ge­ gen das Maschinengehäuse 14 ab, wobei zwischen den Flansch 12 und das Maschinengehäuse 14 eine erste Isolierung 13 eingefügt ist. An das Zuleitungsrohr 11 schließt sich ein von der elektrischen Großmaschine wegführendes Ableitungs­ rohr 15 an, welches mit einem Flansch 16 gegen eine auf dem Flansch 12 des Zuleitungsrohres 11 aufliegende zweite Isolierung 17 abgestützt ist. Mittel zur Fixierung des Zuleitungsrohres 11 und des Ableitungsrohres 15 an dem Maschinengehäuse 14 sind nicht dargestellt; hierfür wird auf die einschlägigen Kenntnisse des Fachmanns verwiesen. An das wie beschrieben isoliert an dem Maschinengehäuse 14 verankerte Zuleitungsrohr 11 ist die Erdleitung 4 ange­ schlossen, z. B. angeschraubt; sie führt von dem Zuleitungs­ rohr 11 zu einem nicht dargestellten Erdungspunkt. Die Erd­ leitung 4 ist durch einen mit einer Sekundärwicklung 8 be­ wickelten Ringkern 9 hindurchgesteckt und bildet somit die Primärwicklung des Hochfrequenz-Transformators 6. An die Sekundärwicklung 8 des Hochfrequenz-Transformators 6 ange­ schlossen ist ein Hochfrequenzkabel 19, im vorliegenden Beispiel eine Doppelleitung. Selbstverständlich könnte auch ein Koaxialkabel verwendet werden.

Die Auskopplung hochfrequenter Fehlersig­ nale aus einer mit einem flüssigen Kühlmittel kühlbaren elektrischen Großmaschine greift weitgehend zurück auf Komponenten, die in der Großmaschine ohnehin vorhanden sind und nützt die Antenneneigenschaften dieser Komponenten, namentlich der Sammelkammer für das Kühlmittel, vorteil­ haft aus. Die Auskopplung ist mit rela­ tiv einfachen Mitteln realisierbar und ist qualifiziert für die betriebliche Überwachung einer elektrischen Groß­ maschine, ggf. in Verbindung mit weiteren Sensoren und Verfahren.

Claims (15)

1. Verfahren zur Auskopplung hochfrequenter Fehlersignale aus einer elektrischen Großmaschine mit einer elektrischen Wicklung (1), welche

• a) entlang einer Achse (2) gestreckt und entlang der Achse (2) von zwei Wickelköpfen (3) begrenzt ist;
• b) von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbar ist, welches an zumindest einem Wickelkopf (3) aus einer vor dem Wic­ kelkopf (3) angeordneten, ringförmigen, aus einem elek­ trisch leitfähigen Werkstoff bestehenden und über eine Erdleitung (4) an Erdpotential angeschlossenen Sammel­ kammer (5) in die Wicklung (1) einströmen kann;

dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignale über die Erdleitung (4) ausgekoppelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fehlersignale induktiv aus der Erdleitung (4) ausgekoppelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem vor jedem Wickelkopf (3) eine Sammelkammer (5) mit einer zugehörigen Erdleitung (4) angeordnet ist und von jeder Erdleitung (4) Fehlersignale ausgekoppelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die von verschiedenen Erdleitungen (4) ausgekoppelten Fehlersignale miteinander verglichen werden zur Ermittlung eines Bereiches in der Großmaschine, wo die Fehlersignale verursacht wurden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen Hochfrequenz- Transformator (6) mit einer in die Erdleitung (4) einge­ schleiften Primärwicklung (7) und einer Sekundärwicklung (8), von der die Fehlersignale abnehmbar sind, aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Erdleitung (4) selbst die Primärwicklung (7) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Sekundärwicklung (8) etwa toroidförmig aufgewickelt ist und die Erdleitung (4) umgibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Sekundärwicklung (8) auf einen Ringkern (9) aufgewickelt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Ringkern (9) aus einem ferromagnetischen Werkstoff besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der der Ringkern (9) aus einem Ferrit oder einem anderen Werkstoff mit hoher Permeabilität besteht.

11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Feststellung von Funkenbildungen in einer elektri­ schen Großmaschine, insbesondere in einem Turbogenerator, wobei aus dem Auftreten von hochfrequenten Fehlersignalen auf eine Funkenbildung in der Großmaschine geschlossen wird.

12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Nachweis von hochfrequenten Fehlersignalen, welche Frequenzen oberhalb von etwa 100 kHz haben.

13. Anwendung nach Anspruch 12, wobei die Frequenzen zwischen 100 kHz und 300 MHz liegen.

14. Anwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Frequenzen zwischen 1 MHz und 100 MHz liegen.