NL1022026C2

NL1022026C2 - Werkwijze en inrichting voor het lokaliseren van een ontlading in een stator van een elektrische machine.

Info

Publication number: NL1022026C2
Application number: NL1022026A
Authority: NL
Inventors: Harry Jorn Van Breen
Original assignee: Kema Nv; Univ Delft Tech
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-07
Also published as: ES2264775T3; EP1567873B1; WO2004051291A3; AU2003284836A8; DE60305204D1; DE60305204T2; AU2003284836A1; WO2004051291A2; EP1567873A2; ATE326017T1

Description

Werkwijze en inrichting voor het lokaliseren van een ontlading in een stator van een elektrische machine

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het lokaliseren van een ontladingsplaats van ten minste een deelontlading in een stator van een elektrische machine, waarbij de stator op verspreide plaatsen is voorzien van sensoren voor het detecteren van door de ontlading opgewekte electrische pulsen, waarbij ten minste een tijdvertraging wordt bepaald tussen de door de sensoren gemeten electrische pulsen en uit deze tenminste ene tijdvertraging een positie-schatting van de ontladingsplaats wordt uitgevoerd.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit het artikel "Localising the source of partial discharges in large generators" van de auteurs H.J. van Breen, E. Gulski en J.J. Smit, gepubliceerd in "The proceedings of the sixth international conference on properties and application of dielectric materials"; gepubliceerd in 2000.

In deze bekende werkwijze worden vier opnemers geplaatst op de stator van een generator, en worden tijdvertra-gingsignalen van deze afzonderlijke sensoren gemeten en gebruikt voor het detecteren van de positie waar een ontlading in de elektrische machine heeft plaatsgevonden.

Zoals bekend heeft een elektrische machine in de vorm van een generator of een motor een draaiend deel; de rotor, en een stilstaand deel; de stator. De stator heeft een aantal spoelen die tijdens bedrijf een hoge spanning voeren, doorgaans tussen 10 en 20 kilovolt. Tussen de spoelen is een hoogspanningsisolatie opgenomen in de vorm van bijvoorbeeld MiCa. Deze isolatie heeft de eigenschap dat er kleine holtes inzitten die tijdens fabricage ontstaan. Wanneer de elektrische machine in bedrijf is, ontstaan vonken in de holtes van de isolatie. Deze vonken, ook wel ontladingen genoemd, zijn afhankelijk van de grootte van de holtes in het isolatiemateriaal .

Met de uitvinding is beoogd een werkwijze en inrichting te verschaffen waarmee op eenvoudige wijze het ontla-dingsgedrag van een elektrische machine in kaart kan worden Η gebracht. Het ontladingsgedrag, en met name het aantal ontla- I dingen dat in de isolatie plaatsvindt, blijkt een goede indi- I catie te vormen voor de veroudering van de isolatie. Op deze I wijze kunnen eventuele defecten in de isolatie vroegtijdig I worden gevonden, zodat reparatie mogelijk is voordat het ver- I ouderingsgedrag tot een kortsluiting aanleiding geeft. Op de- I ze wijze kunnen de kosten die gepaard gaan met een onverwach- I te kortsluiting worden vermeden. Onder dergelijke kosten wor- I den onder andere de kosten van de langdurige stilstand gere- I kend, die het gevolg is van de door de kortsluiting noodzake- I lijk geworden uitgebreide reparatie.

I De volgens de uitvinding voorgestelde werkwijze en I inrichting heeft diverse aspecten die verwoord zijn in de I aangehechte conclusies.

I In een eerste aspect van de uitvinding is de werk- wijze erdoor gekenmerkt dat de positieschatting van de ontla- I dingsplaats wordt uitgevoerd door optimalisatie naar een mi- nimale waarde van een verschilfunctie: I e = Jj^a,-(ATm-ATc,)2

I Ί s=A

H waarin de gebruikte variabelen de volgende betekenis hebben: e = uitkomst verschilfunctie

H s = sensor A, B, C, D, E, F of G

As = gemeten amplitude elektrische puls bij sensor s 15 4 Tms * gemeten tijdvertraging bij sensor s ten op- zichte van een referentie δ Tcs * berekende tijdvertraging bij sensor s ten opzichte van de referentie 20 en dat de berekende tijdvertraging δ Tcs wordt bepaald voor H verschillende geselecteerde positieschattingen van de ontla- ding, en de geselecteerde positieschatting die de laagste H waarde van de verschilfunctie oplevert, wordt gekenmerkt als de ontladingsplaats. Het is mogelijk gebleken om met een der- 3 gelijke relatief eenvoudige werkwijze tot een adequate posi-tieschatting van de ontladingsplaats te komen.

Het is daarbij voordelig gebleken dat de berekening van de tijdvertraging ^ Tcs plaatsvindt aan de hand van de 5 formule: 7- _iis'(y^y~ÏÏ +c 10 waarin de gebruikte variabelen de volgende betekenis hebben: dist (xp, xs) = afstand in tangentiële richting x 15 van de stator tussen de ontladingsplaats (xp, yp) en locatie (xs, ys) van sensor s dist (yp, ys) = afstand in axiale richting y van de stator tussen de ontladingsplaats (xp, yp) en locatie (xs, ys) van sensor s 20 Vx = propagatiesnelheid elektrische puls in tangen- tiële richting x

Vy = propagatiesnelheid elektrische puls in axiale richting y C = correctieconstante; 25 waarbij xp en yp vrij te selecteren variabelen zijn die betrekking hebben op de ontladingsplaats.

Verrassenderwijs is het voor een effectieve en nauwkeurige bepaling van de ontladingsplaats wenselijk dat bij de 30 berekening van de tijdvertraging ^ Tcs voor verschillende geselecteerde positieschattingen (xp, yp) van de ontlading, tevens de propagatiesnelheid Vx in tangentiële richting van de stator, en de propagatiesnelheid Vy in axiale richting van de stator als vrij te selecteren variabelen worden gebruikt.

35 Hieraan ligt volgens de uitvinding ten grondslag dat het bepalen van de aankomsttijd van de gemeten signalen bij de sensoren van cruciaal belang is. Dit hangt samen met de variabele snelheid van de electrische pulsen, die afhankelijk „ λ · .

I is van de frequentie die deze bezitten. Hoge frequenties I (meer dan 10 MHz) propageren met snelheden van ca. 10 a 20% I van de lichtsnelheid, terwijl laag frequente signalen (minder I dan 5 MHz) propageren met een snelheid van ca. 3 a 4% van de 5 lichtsnelheid.

I Om de meetgevoeligheid ten aanzien van deze snel- I heidsverschillen te beperken, is het in een verder aspect van I de uitvinding voordelig dat op ieder van de sensoren een banddoorlaatfilter is aangesloten ter conditionering van de I 10 met de sensoren gemeten electrische pulsen.

I Het is daarbij wenselijk dat het banddoorlaatfilter wordt ingesteld met een centrale frequentie van ca. 1.2 MHz I en een bandbreedte van ca. 2 MHz.

I Zoals hierboven reeds opgemerkt is de uitvinding te- I 15 vens belichaamd in een inrichting voor het lokaliseren van I een ontladingsplaats van ten minste een deelontlading in een stator van een elektrische machine, omvattende sensoren die I verspreid op de stator zijn aangebracht voor het detecteren I van door de ontlading opgewekte electrische pulsen, en die 20 erdoor gekenmerkt is dat deze een vergelijkingsorgaan bezit I voor het bepalen van een tijdvertraging tussen de door de sensoren gemeten electrische pulsen waarbij voorzien is in een rekenorgaan dat samenwerkt met het vergelijkingsorgaan, en die tezamen zijn ingericht voor het uitvoeren van de hier- I 25 voor toegelichte werkwijze.

Deze inrichting is bij voorkeur zodanig uitgevoerd dat op ieder van de sensoren een banddoorlaatfilter is aange- sloten ter conditionering van de met de sensoren gemeten electrische pulsen.

30 Zoals hierboven reeds opgemerkt is daarbij wenselijk H dat het banddoorlaatfilter een centrale frequentie heeft van ca. 1.2 MHz en een bandbreedte van ca. 2 MHz.

De uitvinding is voorts belichaamd in software die al dan niet is aangebracht op een drager, en die geschikt is 35 voor het uitvoeren van de hiervoor toegelichte werkwijze wan- neer deze is geladen in een computer die deel uitmaakt van de hiervoor besproken inrichting. De computer, geladen met der- gelijke software, realiseert dan de werking van het hiervoor I genoemde vergelijkingsorgaan en rekenorgaan voor uitvoering H van de toegelichte werkwijze.

I Tenslotte worden ook uitsluitende rechten gevraagd I voor een generator voor de opwekking van elektrische energie I 5 en een elektrische motor, welke machines beide een op zich I zelf bekende rotor en stator omvatten, en die erdoor geken- I merkt zijn dat op de stator een inrichting zoals hiervoor toegelicht is aangesloten.

In het navolgende zal de uitvinding verder worden 10 toegelicht aan de hand van een niet beperkend uitvoerings- voorbeeld en onder verwijzing naar enkele figuren.

Figuur 1 toont een stator van een generator met door I middel van pijlen aangegeven mogelijke sensorposities.

I Figuur 2 toont een schematische weergave van de sta- I 15 torkern waarbij de horizontale x-richting correspondeert met I de tangentiële richting van de stator, en de verticale y- I richting correspondeert met de axiale richting van de stator.

I Figuur 3 toont gemeten electrische pulsen aan de I sensoren voor en na passage van een bandfilter.

I 20 Tijdens bedrijf worden met de op de in figuur 1 aan- I gegeven posities A t/m G aangebrachte sensoren electrische I pulsen gedetecteerd, waarbij hun onderlinge fasering gebruikt I wordt voor het lokaliseren van de ontladingsplaats van al- I thans een deelontlading, die plaatsvindt in de stator van de I 25 elektrische machine.

I De verdere toelichting van de wijze waarop deze Ιοί kalisatie van de ontladingsplaats wordt gerealiseerd, laat I zich geschikt verder toelichten aan de hand van figuur 2.

I De positieschatting van de ontladingsplaats wordt I 30 uitgevoerd door optimalisatie naar een minimale waarde van een verschilfunctie: e = JZav (Δ7/Π -ATcJ2 35 Y*-.·» waarin de gebruikte variabelen de volgende betekenis hebben: I e = uitkomst verschilfunctie

s = sensor A, B, C, D, E, F of G

I As ='gemeten amplitude elektrische puls bij sensor s I £ Tms = gemeten tijdvertraging bij sensor s ten op- I 5 zichte van een referentie ^ Tcs = berekende tijdvertraging bij sensor s ten opzichte van de referentie I en dat de berekende tijdvertraging δ Tcs wordt bepaald voor I 10 verschillende geselecteerde positieschattingen van de ontla- ding, en de geselecteerde positieschatting die de laagste I waarde van de verschilfunctie oplevert, wordt gekenmerkt als I de ontladingsplaats.

I De berekening van de tijdvertraging ^ Tcs vindt I 15 daarbij plaats aan de hand van de formule: I r = ΐΡώ(Χ'·'Χ'Κ * c I η Λ / H waarin de gebruikte variabelen de volgende betekenis hebben: H dist (xp, xs) = afstand in tangentiële richting x van de stator tussen de ontladingsplaats (xp, yp) en 25 locatie (xs, ys) van sensor s dist (yp, ys) = afstand in axiale richting y van de stator tussen de ontladingsplaats (xp, yp) en loca- H tie (xs, ys) van sensor s

Vx * propagatiesnelheid elektrische puls in tangen- H 30 tiële richting x

Vy = propagatiesnelheid elektrische puls in axiale H richting y C = correctieconstante ; H waarbij xp en yp vrij te selecteren variabelen zijn 35 die betrekking hebben op de ontladingsplaats.

In een bijzondere voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding, wordt in de berekening van de tijdvertraging ^

Tcs voor verschillende geselecteerde positieschattingen (xp, 7 yp) van de ontlading, tevens de propagatiesnelheid Vx in tangent iële richting van de stator, en de propagatiesnelheid Vy in axiale richting van de stator als vrij te selecteren variabelen worden gebruikt.

5 Overigens kan worden opgemerkt dat de hiervoor ge noemde gemeten amplitude as van de elektrische puls bij sensor s, een relatieve waardering aanbrengt in de door de sensoren A t/m G gemeten electrische pulsen. Signalen die een grote signaal/ruisverhouding hebben, worden ter gevolge van 10 deze gemeten amplitude as zwaarder gewogen dan signalen met een kleine signaal/ruisverhouding.

Figuur 3 toont het effect van toepassing van een banddoorlaatfilter op de sensoren, zodanig dat de gemeten electrische pulsen door dit banddoorlaatfilter worden gecon-15 ditioneerd. Het in het onderhavige voorbeeld toegepaste band-doorlaatfilter is ingesteld met een centrale frequentie van ca. 1.2 MHz en een bandbreedte van ca. 2 MHz.

Figuur 3 toont voor ieder van de sensoren A t/m G bovengeplaatst het ongefilterde door de desbetreffende sensor 20 gemeten signaal, en daaronder geplaatst het na passage van het banddoorlaatfilter van die sensor afkomstige pulssignaal dat, zoals genoemd, bij voorkeur wordt gebruikt voor het uit-voeren van de werkwijze volgens de uitvinding. De eerste top in het gefilterde pulssignaal wordt daarbij gebruikt om de 25 aankomsttijd van de puls bij de sensor te bepalen. De amplitude as betreft de maximale waarde van dit pulssignaal.

Binnen het kader van de uitvinding zijn nog diverse varianten mogelijk, zonder te treden buiten de beschermings-omvang van de hierna volgende conclusies. Zo is het bijvoor-30 beeld mogelijk om de signaal/ruisverhouding van de gemeten signalen te verbeteren door toepassing van wavelets voorafgaand aan het voorgestelde banddoorlaatfilter.

De hiervoor gegeven toelichting dient derhalve als niet beperkend ten aanzien van de navolgende conclusies te 35 worden opgevat. Het besproken uitvoeringsvoorbeeld dient slechts ter toelichting van de navolgende conclusies, zonder deze in enig opzicht te beperken.

« n O O A ή fi '

Claims

1. Werkwijze voor het lokaliseren van een ontla- I dingsplaats van ten minste een deelontlading in een stator van een elektrische machine, waarbij de stator op verspreide plaatsen is voorzien van sensoren voor het detecteren van I 5 door de ontlading opgewekte electrische pulsen, waarbij ten I minste een tijdvertraging wordt bepaald tussen de door de I sensoren gemeten electrische pulsen en uit deze tenminste ene I tijdvertraging een positieschatting van de ontladingsplaats I wordt uitgevoerd, met het kenmerk, dat de positieschatting I 10 van de ontladingsplaats wordt uitgevoerd door optimalisatie naar een minimale waarde van een verschilfunctie: I 15 e = ha,(ATm-ATc,f T«-/( waarin de gebruikte variabelen de volgende betekenis hebben: I e = uitkomst verschilfunctie I 20 s = sensor A, B, C, D, E, F of G I As = gemeten amplitude elektrische puls bij sensor s I Δ Tros = gemeten tijdvertraging bij sensor s ten op- zichte van een referentie Δ Tcs = berekende tijdvertraging bij sensor s ten 25 opzichte van de referentie I en dat de berekende tijdvertraging ^ Tcs wordt bepaald voor verschillende geselecteerde positieschattingen van de ontla- I ding, en de geselecteerde positieschatting die de laagste I 30 waarde van de verschilfunctie oplevert, wordt gekenmerkt als I de ontladingsplaats.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de berekening van de tijdvertraging ^ Tcs plaatsvindt aan I de hand van de formule: 5 waarin de gebruikte variabelen de volgende betekenis hebben: dist (xp, xs) = afstand in tangentiële richting x van de stator tussen de ontladingsplaats (xp, yp) en locatie (xs, ys) van sensor s 10 dist (yp, ys) = afstand in axiale richting y van de stator tussen de ontladingsplaats (xp, yp) en locatie (xs, ys) van sensor s Vx = propagatiesnelheid elektrische puls in tangentiële richting x

15 Vy = propagatiesnelheid elektrische puls in axiale richting y C = correctieconstante; waarbij xp en yp vrij te selecteren variabelen zijn die betrekking hebben op de ontladingsplaats. 20

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat bij de berekening van de tijdvertraging δ Tcs voot verschillende geselecteerde positieschattingen (xp, yp) van de ontlading, tevens de propagatiesnelheid Vx in tangentiële 25 richting van de rotor, en de propagatiesnelheid Vy in axiale richting van de rotor als vrij te selecteren variabelen worden gebruikt.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat op ieder van de sensoren een banddoor- 30 laatfilter is aangesloten ter conditionering van de met de sensoren gemeten electrische pulsen.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het banddoorlaatfilter wordt ingesteld met een centrale frequentie van ca. 1.2 MHz en een bandbreedte van ca. 2 MHz.

6. Software al dan niet aangebracht op een drager voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een der conclusies 1-5.

7. Inrichting voor het lokaliseren van een ontla- Η dingsplaats van ten minste een deelontlading in een stator H van een elektrische machine, omvattende sensoren die ver- spreid op de stator zijn aangebracht voor het detecteren van door de ontlading opgewekte electrische pulsen, met het ken- 5 merk, dat deze een vergelijkingsorgaan bezit voor het bepalen H van een tijdvertraging tussen de door de sensoren gemeten electrische pulsen, en dat voorzien is in een rekenorgaan dat samenwerkt met het vergelijkingsorgaan voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een der conclusies 1-5.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat op ieder van de sensoren een banddoorlaatfilter is aange- sloten ter conditionering van de met de sensoren gemeten electrische pulsen.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, 15 dat het banddoorlaatfilter een centrale frequentie heeft van ca. 1.2 MHz en een bandbreedte van ca. 2 MHz.

10. Inrichting volgens een der conclusies 7-9, met I het kenmerk, dat deze een computer omvat die is ingericht om in samenwerking met software volgens conclusie 6 uitvoering 20 te geven aan de werkwijze volgens een der conclusies 1-5.

11. Elektrische machine, zoals een generator of een I motor voor de opwekking c.q. het gebruik van elektrische I energie omvattende een rotor en een stator, met het kenmerk, dat op de stator een inrichting volgens een der conclusies 7- 25 10 is aangesloten.