回転電機の内部電流監視装置および内部電流監視方法、回転電機
【課題】内部電流の監視が可能な回転電機の内部電流監視装置および内部電流監視方法、回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機１００の固定子２内に設けられた固定子コイル１４ａの電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所Ａ、Ｂ（またはＣ、Ｄ）に各々配置された光ファイバ電流センサ５１、その光ファイバ電流センサ５１の一端にレーザ光を入射し、同光ファイバ電流センサ５１の他端から出射したレーザ光の旋光角から電流計測箇所の電流値を反映した信号を得る光学処理部６１、この光学処理部６１から出力された信号を入力し、２カ所の電流計測箇所Ａ、Ｂ（またはＣ、Ｄ）の電流値の差から電流監視領域の状態を判定する判定部８を備えた電流監視部９１ａを、巻線毎に対応して設けた内部電流監視装置９１とする。
【解決手段】回転電機１００の固定子２内に設けられた固定子コイル１４ａの電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所Ａ、Ｂ（またはＣ、Ｄ）に各々配置された光ファイバ電流センサ５１、その光ファイバ電流センサ５１の一端にレーザ光を入射し、同光ファイバ電流センサ５１の他端から出射したレーザ光の旋光角から電流計測箇所の電流値を反映した信号を得る光学処理部６１、この光学処理部６１から出力された信号を入力し、２カ所の電流計測箇所Ａ、Ｂ（またはＣ、Ｄ）の電流値の差から電流監視領域の状態を判定する判定部８を備えた電流監視部９１ａを、巻線毎に対応して設けた内部電流監視装置９１とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを使用して発電機内部電流を監視する回転電機の内部電流監視装置および内部電流監視方法、ならびに回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のタービン発電機における電流測定方法においては、変流器を発電機ハウジング内部に設け、発電機出力の相電流を測定できるように構成している。電流を計測する変流器として、ファラデー効果を利用したファイバオプティクス形電流センサを用いることで、発電機ハウジング内部への収納スペースを減量している（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０００−５００３１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のファイバオプティクス形電流センサを変流器として用いたタービン発電機における電流計測方法としては、発電機出力電流が計測の対象であり、発電機内部事故発生時においては、発電機内部の固定子コイルのどの部分に事故が発生したかを検知することが不可能であった。また、測定対象は、発電機出力電流、すなわち、発電機固定子コイル出力電流のみであり、発電機回転子に流れる界磁電流の測定はできないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、光ファイバ電流センサを用いて、運転中の回転電機内部の固定子または回転子の巻線自体の内部電流を常時監視することにより、内部放電等の異常検出および異常発生箇所の特定を容易とする回転電機の内部電流監視装置および内部電流監視方法、並びに回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる回転電機の内部電流監視装置は、回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所に各々配置された光ファイバ電流センサ、上記光ファイバ電流センサの一端にレーザ光を入射し、上記光ファイバ電流センサの他端から出射した上記レーザ光の旋光角から上記電流計測箇所の電流値を反映した信号を得る光学処理部、上記光学処理部から出力された上記信号を入力し、２カ所の上記電流計測箇所の電流値の差から上記電流監視領域の状態を判定する判定部を備えたものである。
【０００７】
この発明に係わる回転電機の内部電流監視方法は、回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所に、光ファイバ電流センサを各々巻き付けて電流値を計測するステップ、上記巻線の２カ所の上記電流計測箇所で計測した電流値の差から上記電流監視領域の状態を判定するステップを含むものである。
【０００８】
この発明に係わる回転電機は、上記のような回転電機の内部電流監視装置を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の回転電機の内部電流監視装置によれば、光ファイバ電流センサを用いて、回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟む２カ所の電流計測箇所の電流値の差を反映した信号を得ることができ、その信号を基に電流監視領域における異常の有無を判定することができる。
【００１０】
この発明の回転電機の内部電流監視方法によれば、光ファイバ電流センサを用いて、電流監視領域を挟んだ２カ所を電流計測箇所として、それらの電流値の差を求め、測定差を比較して電流監視領域における異常の有無を判定することが可能である。
【００１１】
この発明の回転電機によれば、内部電流監視装置によって、巻線上に設定した電流監視領域毎の状態を監視できるため、運転時の異常発生の有無の検出および異常発生箇所の特定が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１の回転電機の要部断面構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２の回転電機の要部断面構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３の回転電機の光ファイバ電流センサ配置例を示した構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４の回転電機の光ファイバ電流センサ配置例を示した構成図である。
【図５】本発明の実施の形態５の回転電機の光ファイバ電流センサ配置例を示した構成図である。
【図６】本発明の実施の形態６の回転電機の要部断面構成図である。
【図７】本発明の実施の形態７の回転電機の要部断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。図１は、回転電機の回転軸方向に沿った要部断面構成図であり、回転電機は、例えばタービン発電機である。
図１に示すように、回転電機１００は、回転軸方向に伸びる略円柱形状の回転子１の周囲に、同軸に略円筒形状の固定子２が配置されている。固定子２と回転子１は、それぞれコア（固定子コアを符号１１で示す。）によって主な形状が形作られており、固定子２と回転子１が対向するそれぞれの面部には、周方向に等間隔で、かつ軸方向に沿って伸びる溝状の固定子スロット部（スロット）１１ａ、…、１１ｘ、…が形成されている。
【００１４】
固定子２は、固定子コア１１とコア内のスロットに挿入された固定子コイル（巻線）１４ａ、…、１４ｘを含み、固定子スロット部１１ａ内には導線が巻回し形成された略角柱状の固定子コイル１４ａが、スロット全長にわたって嵌合して配置され、さらに、固定子コア１１の両端から外側にコイルエンドが突出した状態となっている。
図１の例では、固定子コイル１４ａは、スロット内の底部側に配置される下口コイル１３ａと、スロット内の開口部側に配置される上口コイル１２ａが重ね合わせられた構成であり、それらの断面は略矩形状であり、固定子コア１１外に突き出し、外部に露出したコイルエンドの部分にて各々、別のスロット内に配置されたコイルと繋げられた状態となっている。固定子コイル１４ｘについても同様に、上口コイル１２ｘおよび下口コイル１３ｘよりなり、全スロットが同様の構成となっている。
なお、この例では一つのスロット内に上口、下口の二つのコイルが配置された場合を示したが、コイルの分割数は、製造する回転電機に応じて決められ、この数に限定されるものではない。
【００１５】
この実施の形態１で特徴となるのは、電流監視領域が一本の巻線毎に設定されていると
いうことである。回転電機の修理では、巻線の部品交換の単位は1本毎となることが想定されており、巻線一本毎に電流監視を常時行うことで、部分放電などの回転電機の内部劣化による不具合の検出、および異常箇所の検出ができ、異常が認められた巻線を1本単位で新たな巻線に交換する処置を速やかに行うことが可能となる。
【００１６】
次に、電流監視領域を一本の巻線毎とした場合の、電流計測箇所について説明する。図１に示すように、固定子コイル１４ａとなる上口コイル１２ａおよび下口コイル１３ａのそれぞれの両端部が、電流計測箇所Ａ、ＢおよびＣ、Ｄとなる。そして、軸方向に沿う一本の巻線毎、つまりＡ−Ｂ間、Ｃ−Ｄ間のそれぞれが電流監視領域となる。この電流計測箇所Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄには、各別に光ファイバ電流センサ５１が巻き付け配置される。つまり、一カ所の電流計測箇所に一本の光ファイバ電流センサ５１が配置される。
この光ファイバ電流センサ５１は、絶縁体であるために、コイルエンド近傍に配置しても磁界に影響を与えることなく、また、一本の巻線である上口コイル１２ａまたは下口コイル１３ａの周りに直に巻き付け配置できるため省スペースで安定した状態に設置することができる。
固定子コア１１内の全スロットについて、固定子コイル１４ａと同様に、電流計測箇所を設定し、各々光ファイバ電流センサ５１が配置される。
【００１７】
ここで、光ファイバ電流センサ５１は、ファラデー効果物質を用いたガラスファイバセンサ（光ファイバ）であり、固定子コア１１の外側に位置する上口コイル１２ａ、下口コイル１３ａのコイルエンド部分の周囲に、直に、コイル状に巻き付け形成される。この、巻回されてコイル状となった部分の光ファイバ電流センサ５１の軸は、巻線が延在する方向に沿っている。光ファイバ電流センサ５１の両端は光学処理部６１へそれぞれ接続され、光学処理部６１内に設置されるレーザ光源から出射する光ビーム（レーザ光）は、光学処理部６１内に設置される偏光子、レンズを通して直線偏光波となって光ファイバ電流センサ５１の一端側に入射される。この光は、固定子コア１１を流れる電流が形成する磁界によりファラデー旋回を受け、光ファイバ電流センサ５１の他端から出射される。
【００１８】
また、光ファイバ電流センサ５１の他端から出射した光は、光学処理部６１内に設置されるレンズおよび検光子に導かれ、検光子での測定により、光ファイバ電流センサ５１の他端から出射した光が受けたファラデー旋回による旋光角（偏向角）を得ることができる。ここで得られた旋光角は、電流計測箇所の電流値を反映しており、ファラデー旋回を引き起こす磁界強度に比例し、その磁界強度は固定子コア１１に流れる電流値に比例する。ここで固定子コア１１と固定子コイル１４ａに流れる電流は同一であるため、これにより固定子コイル１４ａに流れる電流値を測定することができる。
【００１９】
なお、一本の光ファイバ電流センサ５１は、光学処理部６１に繋げられた配線部の全長を、ファラデー効果物質を用いたガラスファイバセンサとする場合以外に、電流計測箇所に巻き付け配置する部分はファラデー効果物質を用いたガラスファイバセンサとし、電流計測箇所以外の導線となる部分は光ファイバケーブルを連結した構造として用いることができる。
【００２０】
この光ファイバ電流センサ５１と光学処理部６１を固定子コイル１４ａの両端に構成し、それぞれの電流計測箇所の電流値を反映した値である出力信号を得、信号線７を介してすべての信号が判定部８に入力され、Ａ−Ｂ間、Ｃ−Ｄ間での電流値の差からそれぞれ電流監視領域での異常の有無を判定する。正常運転であれば、電流監視領域の両端部で電流値の比較をずれば差は検出されないが、異常が発生した場合は、電流値の差が生じる。
また、固定子２に含まれる全ての固定子コイル１４ａ、…、１４ｘについて同様に、光ファイバ電流センサ５１と光学処理部６１を含む電流監視部９１ａ、…、９１ｘが設けられ、全ての光学処理部６１の出力信号は、信号線７を介して判定部８に統合される。ここ
で、全ての電流監視部９１ａ、…、９１ｘを総称して内部電流監視装置９１とする。
【００２１】
なお、判定部８は、音声や画像への表示で、異常が検出された電流監視領域を特定して管理者に知らせる、あるいは、回転電機の制御系統へ異常検出の信号を発信するなどして管理者に異常発生および異常箇所を通知する手段を備えていることは言うまでもない。
【００２２】
次に動作について説明する。回転電機１００が通常運転を行っているとき、固定子コイル１４ａ、…、１４ｘには回転磁界による誘導電圧に誘起され、電流が流れる。固定子コイル１４ａ、…、１４ｘに流れる電流値に従って光ファイバ電流センサ５１、光学処理部６１を経て、電流計測箇所の電流値が反映された出力信号が得られる。全ての出力信号は信号線７を経由して判定部８に入力される。
【００２３】
判定部８では、固定子コイル１４ａの異常を次のように検出する。固定子コイル１４ａ（他の固定子コイルも同様。）が正常な状態であれば、電流監視領域を挟んだ電流計測箇所ＡとＢ、またはＣとＤからの出力信号は同じ値となる。ここで、電流監視領域を挟む２カ所の出力信号に相違が見られる場合は、固定子コイル１４ａの内部（Ａ−Ｂ間、またはＣ−Ｄ間）で短絡電流などの異常電流が発生していることが推測され、異常状態が検知される。これにより、運転中の回転電機１００において、固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａ、または下口コイル１３ａに異常が発生した場合は、その異常を検知するとともに、異常の発生した固定子コイル（上口、下口の別まで。）を特定することが可能である。
【００２４】
なお、この実施の形態１のように、コイルエンドの電流計測箇所毎に各別に光ファイバ電流センサ５１を巻き付け配置する場合は、新設する回転電機に適用させられるだけでなく、既に稼働している回転電機にも適用させることができ、内部電流監視装置９１のみを後付けで設置することも可能であるという利点がある。
また、図１中にボックスで示した光学処理部６１は、一本の光ファイバ電流センサ５１に対応して一個が設けられるよう例示したが、これは一つの光ファイバ電流センサ５１のレーザ光入射・出射に必要な光学処理機能を構成図として示したものである。従って、一つの箱に収まった光学処理部が、多数の光ファイバ電流センサに対応した、多数の光学処理機能を備えている場合、実際の光学処理部の箱数はセンサ数よりも少なくなることは言うまでもない。
【００２５】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、一つの光ファイバ電流センサ５１で一カ所の電流計測箇所の電流値計測を行い、光ファイバ電流センサ５１毎に光学処理部６１を設け、巻線の異常電流を検出する場合について述べたが、この実施の形態２では、図２に示すように、一本の光ファイバ電流センサ５２ａを用いて、電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所を連結するように配線し、光学処理部６２へ導く場合について説明する。
図２のように、光ファイバ電流センサ５２ａを、電流計測箇所ＡとＢを連結するように配線した構成とし、電流監視領域を挟んだ２カ所の電流値を反映した信号（レーザ光）を光学処理部６２へ導く場合、実施の形態１では２本必要であった光ファイバ電流センサ５１が、この実施の形態２では１本の光ファイバ電流センサ５２ａでよいという利点があり、これに伴って、光学処理部６２の個数も少なくすることができる。また、ここで、光ファイバ電流センサ５２ａは、固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａ両端に位置する電流計測箇所ＡおよびＢの間の直線部分を、光ファイバケーブルで構成することができる。
【００２６】
なお、下口コイル１３ａについても同様に、一本の光ファイバ電流センサ５２ｂが、下口コイル１３ａ側の電流計測箇所ＣおよびＤを連結するように配線され、磁界強度により位相がシフトした光は、各別された光学処理部６２へ導かれる。一つのスロットに対応する一つの電流監視部９２ａには、一カ所の固定子スロット部１１ａに収納された巻線１４
ａの本数（巻線１４ａでは上口コイル１２ａと下口コイル１３ａの２本。）に相当する数の光学処理部６２が配置され、内部電流監視装置全体では、さらにスロット数を乗じた数の光学処理部６２が配置される。
【００２７】
ここで、実施の形態２の特徴として、光ファイバ電流センサ５２ａを上口コイル１２ａに巻きつける際に、電流計測箇所Ａ、Ｂで互いに逆周りに且つ、巻きつけ回数が同じとなるように配線する。他の光ファイバ電流センサ５２ｂについても巻回し手法は同様である。
これにより、上口コイル１２ａが正常な場合、電流計測箇所Ａ、Ｂの電流値は同じとなるため、ＡとＢで巻回し方を逆向きとすれば、光ファイバ電流センサ５２ａ内の旋光角が互いに打ち消しあうことにより、光学処理部６２で得られる出力信号（電流監視領域の電流値を反映した信号）はゼロとなる。一方、上口コイル１２ａに異常電流が発生した場合は、光ファイバ電流センサ５２ａにて発生する旋光角の絶対値に差が生じることとなり、出力信号はゼロとならない。これにより、上口コイル１２ａの異常の有無が検知できる。下口コイル１３ａを含め、固定子コア１１内の全ての巻線についても同様に異常検出を行うことができる。
【００２８】
なお、光ファイバ電流センサ５２を構成する電流計測箇所Ａ−Ｂ間の光ファイバケーブルの配線は、固定子コア１１の外側に配置することが可能であり、その場合は、既存の回転電機に後付けで配線することができる。また、稼働前の回転電機であれば、固定子スロット部１１ａに固定子コイル１４ａを挿入する前に、コイルが伸びる方向に沿わせてコイル表面のＡ−Ｂ間に直に光ファイバケーブルを配線することが可能であり、この場合は、光ファイバケーブルが固定子コア１１内に保護されて損傷を抑えることができる。
【００２９】
上記の例では、固定子スロット部１１ａに収納された上口コイル１２ａと下口コイル１３ａのそれぞれについて各々光ファイバ電流センサ５２ａ、５２ｂを巻き付け配置し、電流監視領域を別個に設ける例を示したが、上口コイル１２ａと下口コイル１３ａが一体に束ねられてなる固定子コイル１４ａを一本の巻線と考え、固定子コイル１４ａの周囲に巻回す要領で電流計測箇所となるコイル両端部に光ファイバ電流センサ５２を配置し、固定子コイル１４ａ他の全巻線について異常電流の監視を行うことができる。
【００３０】
実施の形態３．
上述の実施の形態１および実施の形態２では、電流計測箇所Ａ〜Ｄが固定子コア１１の外側であったため、光ファイバ電流センサ５１、５２を固定子コイル１４ａ、…、１４ｘのコイルエンド部分に巻き付け配置する構成であった。この実施の形態３では、図３の固定子２の要部側断面図に、光ファイバ電流センサ５３の配置例を示すように、固定子コア１１内部に位置する固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａ、下口コイル１３ａの両端部を、それぞれ電流計測箇所Ａ１およびＢ１、Ｃ１およびＤ１とし、Ａ１−Ｂ１間、Ｃ１−Ｄ１間を電流監視領域と設定して異常電流の監視を行う。
【００３１】
この実施の形態３のセンサ配置例では、電流監視部９３ａは、電流計測箇所毎に光ファイバ電流センサ５３を各別に配置し、各々が別個に光学処理部６３に導かれ、電流計測箇所毎に電流値を計測し、判定部８にて電流監視領域を挟んだ2カ所の電流値の差を検出して異常の有無を判定する。
ここでは、一カ所の固定子スロット部１１ａに配置される固定子コイル１４ａに対応した電流監視部９３ａのみを例示しているが、固定子コア１１内の全スロットについて電流監視部が設けられ、内部電流監視装置が構成される。
【００３２】
なお、光ファイバ電流センサ５３は、固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａまたは下口コイル１３ａの周囲に、固定子コア１１に挿入する前にあらかじめ巻き付け配置し、そ
の後、固定子コイル１４ａを固定子スロット部１１ａに挿入することで、図３に例示した電流計測箇所Ａ１〜Ｄ１に配置することができる。
【００３３】
実施の形態４．
上述の実施の形態３では、固定子コア１１内に電流計測箇所Ａ１〜Ｄ１を配置する場合に、電流計測箇所毎に、各別に光ファイバ電流センサ５３を配置し、それぞれの電流値を計測していた。この実施の形態４では、図４に固定子２の要部側断面図に光ファイバ電流センサ５４の配置例を示すように、実施の形態２と同じ要領で固定子コイル１４ａの電流計測箇所Ａ１およびＢ１に光ファイバ電流センサ５４を巻回し、光ファイバケーブルで連結し、光学処理部６４へ導くことにより、実施の形態３では２個必要であった光学処理部を１個とすることもできる。ここで、実施の形態２と同様に、光ファイバ電流センサ５４を上口コイル１２ａまたは下口コイル１３ａの巻線に巻きつける際に、互いに逆周りに且つ、巻き付け回数を同じにしておくことで、巻線が正常な場合は、光学処理部６４の出力信号はゼロとなり、巻線に異常電流が発生した場合は、出力信号はゼロにならず、巻線の異常発生を検知でき、異常発生箇所を電流監視領域単位で特定することができるという効果が得られる。
【００３４】
実施の形態５．
上述の実施の形態１〜４においては、一本のコイルのスロット全長に相当する領域（例えば、Ａ−Ｂ間またはＡ１−Ｂ１間の領域。）を一つの電流監視領域と設定していた。そのため、異常発生箇所がどの巻線であるかを特定することはできたが、巻線内のどの部分で不良が発生したのかを特定することはできなかった。この実施の形態５では、１本の巻線の直線部を複数の電流監視領域に区切って、異常電流を監視し、巻線内のどの領域で不具合が発生しているかを特定する手法について説明する。
【００３５】
実施の形態５の電流監視部９５ａでは、図５に固定子２の要部側断面図を示すように、固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａの両端に位置する電流計測箇所Ａ１、Ｂ１に加え、その中間に、さらにＥ１、Ｆ１を等間隔となるように設け、固定子スロット部１１ａに収納される上口コイル１２ａの全長を３分割したＡ１−Ｅ１間、Ｅ１−Ｆ１間、Ｆ１−Ｂ１間をそれぞれ電流監視領域とする例を示す。下口コイル１３ａも上口コイル１２ａと同様に電流計測箇所をＣ１、Ｇ１、Ｈ１、Ｄ１の順に、等間隔に、固定子スロット部１１ａの全長を電流監視領域として網羅できるように設定し、内部電流の監視を行う。なお、電流監視領域の分割数はこれに限るものではない。
【００３６】
このように、一本の巻線上に３個以上の光ファイバ電流センサ５５を配置し、固定子軸方向に伸びる巻線上に互いに離間して、３カ所以上の電流計測箇所を設け、それぞれ光学処理部６５に各別に導き、得られた出力信号を基に、判定部８において、任意に設定した電流監視領域を挟む２カ所の計測箇所で得られた値を比較することにより、固定子コイル１４ａ、…、１４ｘ内部の異常箇所をより厳密に特定することが可能になるという効果がある。なお、上記の例では隣り合う電流計測箇所間（例えばＡ１−Ｅ１間、Ｅ１−Ｆ１間等。）を電流監視領域とすることを説明したが、これに限らず、任意の２カ所で挟まれた領域を電流監視領域と設定することもできる。その場合、実施の形態３のように、固定子コイル１４ａの全長に相当するＡ１−Ｂ１間での監視結果が異常有りとなった場合、より詳細な異常発生箇所特定のために、この実施の形態５で示した要領にて、Ａ１−Ｂ１間を等分割した各領域について、それぞれ異常検出を行うことが有効である。
【００３７】
実施の形態６．
上述の実施の形態１〜５では、固定子２側での内部電流監視の例について述べたが、この実施の形態６では、回転子１の巻線について内部電流監視を行う場合について説明する。
図６は、この実施の形態６の回転電機の要部断面構成図であり、内部電流監視装置９６は、回転子１内において軸方向に伸びる回転子コイル（巻線に相当する。）１５ａ、…、１５ｘの両端部を電流計測箇所として、光ファイバ電流センサ５６を各別に設置し、光カップリング部８０を介して回転子１と外部とのレーザ光の授受を行い、回転子コイル毎に異常電流を監視する構成を示している。
【００３８】
図６に示すように、回転子１は、回転子軸を持つ略円筒形状の回転子コア１０と、回転子コア１０の固定子と対向する外周面部に、周方向に等間隔で設けられた軸方向に伸びる溝である回転子スロット部１０ａ、…、１０ｘ、その回転子スロット部１０ａに挿入配置された回転子コイル１５ａ、…、１５ｘとによって主に構成される。そして、回転子コア１０内で、回転子コイル１５ａの両端部となる電流計測箇所Ａ２、Ｂ２には、それぞれ光ファイバ電流センサ５６を巻き付け配置される。各光ファイバ電流センサ５６への入射光および出射光は回転子１に設置される回転子側光カップリング部８０ａを介して回転子外と光結合される。また、回転電機本体側に設置される回転電機本体側光カップリング部８０ｂは、回転子側光カップリング部８０ａと対向して設置され、これら回転子側光カップリング部８０ａおよび回転電機本体側光カップリング部８０ｂよりなる光カップリング部８０は、セルフォック（登録商標）レンズ等の適当なレンズを用いるなどして、光結合時の損失を抑える処置を施されている。回転電機本体側光カップリング部８０ｂから導かれたレーザ光は、光ファイバケーブル９により光学処理部６６へ導入され、光学処理部６６の出力信号は信号線７を介して判定部８に導かれる。
【００３９】
なお、回転子側光カップリング部８０ａと回転電機本体側光カップリング部８０ｂの光結合においては、回転子コイル１５ａ、…、１５ｘに設置される光ファイバ電流センサ５６と同数の回転子側光カップリング部８０ａが回転子周囲に円弧状に配列されるが、それらに対向する回転電機本体側光カップリング部８０ｂは１組のみ設置される。これは回転子１が回転している場合、円弧状に配列された回転子側光カップリング部８０ａが連続して回転電機本体側光カップリング部８０ｂと光結合する、すなわち回転子１が１回転する間に、一つの回転電機本体側光カップリング部８０ｂは全ての回転子側光カップリング部８０ａと光結合するためである。
【００４０】
なお、図６の例では、回転子コア１０内に配置された一本の回転子コイル１５ａの、両端部の電流計測箇所Ａ２、Ｂ２に対応して、２本の光ファイバ電流センサ５６が配置され、一つのスロットにつき２本の光ファイバ電流センサ５６に対応した二組の回転子側光カップリング部８０ａが設けられる。また、光カップリング部８０は、レーザ光の入射側、出射側にそれぞれ光結合部が設けられる。
【００４１】
光学処理部６６で得られた出力信号は判定部８に導かれ、図示しない回転子位置検出機構による回転子１の位置（回転角度）情報を出力信号と照合し比較することにより、時分割的に各回転子コイル１５ａ、…、１５ｘの両端部に流れる電流を検出でき、実施の形態１と同様に、回転子コイルに流れる異常電流を検出し、異常の発生している回転子コイルを特定することが可能となる。
【００４２】
実施の形態７．
上述の実施の形態６では、回転子コイル１５ａの両端部となる２カ所の電流計測箇所Ａ２、Ｂ２に、各別に光ファイバ電流センサ５６を配設する例を示したが、この実施の形態７では、上述の実施の形態２および実施の形態４と同様の要領で、光ファイバ電流センサ５７を、電流計測箇所Ａ２、Ｂ２を連結するように巻き付け配置した内部電流監視装置９７について説明する。図７に示すように、光ファイバ電流センサ５７を回転子コイル１５ａ、…、１５ｘに巻きつける際に、互いに逆周りに、且つ、巻きつけ回数を同じにしておき、２つの電流計測箇所（Ａ２−Ｂ２）間は光ファイバケーブルで連結するように構成し、回転子側光カップリング部８１ａへ導くことも可能である。回転子側光カップリング部８１ａは、各回転子コイルについて入射部・出射部よりなる１組をスロット数に応じて設ければよく、回転電機本体側光カップリング部８１ｂは一組のみ設ければよい。そのため、実施の形態６と比較して、光カップリング部８１の構成部を半減させることが可能となる。
【００４３】
図７のように構成することで、回転子コイル１５ａ、…、１５ｘが正常な場合、光ファイバ電流センサ５７の旋光角が互いに打ち消しあうことにより、光学処理部６７の出力信号はゼロとなり、回転子コイル１５ａ、…、１５ｘに異常電流が発生した場合は、光ファイバ電流センサ５７にて生ずる旋光角の絶対値に差が生じることとなり、出力信号はゼロにならない。この判定を判定部８で行い、回転子コイル１５ａ、…、１５ｘの異常の有無が検知可能となり、異常箇所の特定も可能となる。
なお、上述の実施の形態６、７では、一本の回転子コイル１５ａ、…、１５ｘのコア内の全長が一つの電流監視領域となるように、電流計測箇所を設定したが、実施の形態５の要領で、より細かく区切られた電流監視領域を設定することも可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１ 回転子
２ 固定子
７ 信号線
８ 判定部
９ 光ファイバケーブル
１０ 回転子コア（コア）
１０ａ、…、１０ｘ 回転子スロット部（スロット）
１１ 固定子コア（コア）
１１ａ、…、１１ｘ 固定子スロット部（スロット）
１２ａ、…、１２ｘ 上口コイル
１３ａ、…、１３ｘ 下口コイル
１４ａ、…、１４ｘ 固定子コイル（巻線）
１５ａ、…、１５ｘ 回転子コイル（巻線）
５１、５２、５２ａ、５２ｂ、５３、５４、 光ファイバ電流センサ
６１，６２、６３、６４、６５、６６、６７ 光学処理部
８０、８１ 光カップリング部
８０ａ、８１ａ 回転子側光カップリング部
８０ｂ、８１ｂ 回転電機本体側光カップリング部
９１ａ、…、９１ｘ、９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ 電流監視部
９１、９６、９７ 内部電流監視装置
１００ 回転電機。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを使用して発電機内部電流を監視する回転電機の内部電流監視装置および内部電流監視方法、ならびに回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のタービン発電機における電流測定方法においては、変流器を発電機ハウジング内部に設け、発電機出力の相電流を測定できるように構成している。電流を計測する変流器として、ファラデー効果を利用したファイバオプティクス形電流センサを用いることで、発電機ハウジング内部への収納スペースを減量している（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０００−５００３１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のファイバオプティクス形電流センサを変流器として用いたタービン発電機における電流計測方法としては、発電機出力電流が計測の対象であり、発電機内部事故発生時においては、発電機内部の固定子コイルのどの部分に事故が発生したかを検知することが不可能であった。また、測定対象は、発電機出力電流、すなわち、発電機固定子コイル出力電流のみであり、発電機回転子に流れる界磁電流の測定はできないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、光ファイバ電流センサを用いて、運転中の回転電機内部の固定子または回転子の巻線自体の内部電流を常時監視することにより、内部放電等の異常検出および異常発生箇所の特定を容易とする回転電機の内部電流監視装置および内部電流監視方法、並びに回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる回転電機の内部電流監視装置は、回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所に各々配置された光ファイバ電流センサ、上記光ファイバ電流センサの一端にレーザ光を入射し、上記光ファイバ電流センサの他端から出射した上記レーザ光の旋光角から上記電流計測箇所の電流値を反映した信号を得る光学処理部、上記光学処理部から出力された上記信号を入力し、２カ所の上記電流計測箇所の電流値の差から上記電流監視領域の状態を判定する判定部を備えたものである。
【０００７】
この発明に係わる回転電機の内部電流監視方法は、回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所に、光ファイバ電流センサを各々巻き付けて電流値を計測するステップ、上記巻線の２カ所の上記電流計測箇所で計測した電流値の差から上記電流監視領域の状態を判定するステップを含むものである。
【０００８】
この発明に係わる回転電機は、上記のような回転電機の内部電流監視装置を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の回転電機の内部電流監視装置によれば、光ファイバ電流センサを用いて、回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟む２カ所の電流計測箇所の電流値の差を反映した信号を得ることができ、その信号を基に電流監視領域における異常の有無を判定することができる。
【００１０】
この発明の回転電機の内部電流監視方法によれば、光ファイバ電流センサを用いて、電流監視領域を挟んだ２カ所を電流計測箇所として、それらの電流値の差を求め、測定差を比較して電流監視領域における異常の有無を判定することが可能である。
【００１１】
この発明の回転電機によれば、内部電流監視装置によって、巻線上に設定した電流監視領域毎の状態を監視できるため、運転時の異常発生の有無の検出および異常発生箇所の特定が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１の回転電機の要部断面構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２の回転電機の要部断面構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３の回転電機の光ファイバ電流センサ配置例を示した構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４の回転電機の光ファイバ電流センサ配置例を示した構成図である。
【図５】本発明の実施の形態５の回転電機の光ファイバ電流センサ配置例を示した構成図である。
【図６】本発明の実施の形態６の回転電機の要部断面構成図である。
【図７】本発明の実施の形態７の回転電機の要部断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。図１は、回転電機の回転軸方向に沿った要部断面構成図であり、回転電機は、例えばタービン発電機である。
図１に示すように、回転電機１００は、回転軸方向に伸びる略円柱形状の回転子１の周囲に、同軸に略円筒形状の固定子２が配置されている。固定子２と回転子１は、それぞれコア（固定子コアを符号１１で示す。）によって主な形状が形作られており、固定子２と回転子１が対向するそれぞれの面部には、周方向に等間隔で、かつ軸方向に沿って伸びる溝状の固定子スロット部（スロット）１１ａ、…、１１ｘ、…が形成されている。
【００１４】
固定子２は、固定子コア１１とコア内のスロットに挿入された固定子コイル（巻線）１４ａ、…、１４ｘを含み、固定子スロット部１１ａ内には導線が巻回し形成された略角柱状の固定子コイル１４ａが、スロット全長にわたって嵌合して配置され、さらに、固定子コア１１の両端から外側にコイルエンドが突出した状態となっている。
図１の例では、固定子コイル１４ａは、スロット内の底部側に配置される下口コイル１３ａと、スロット内の開口部側に配置される上口コイル１２ａが重ね合わせられた構成であり、それらの断面は略矩形状であり、固定子コア１１外に突き出し、外部に露出したコイルエンドの部分にて各々、別のスロット内に配置されたコイルと繋げられた状態となっている。固定子コイル１４ｘについても同様に、上口コイル１２ｘおよび下口コイル１３ｘよりなり、全スロットが同様の構成となっている。
なお、この例では一つのスロット内に上口、下口の二つのコイルが配置された場合を示したが、コイルの分割数は、製造する回転電機に応じて決められ、この数に限定されるものではない。
【００１５】
この実施の形態１で特徴となるのは、電流監視領域が一本の巻線毎に設定されていると
いうことである。回転電機の修理では、巻線の部品交換の単位は1本毎となることが想定されており、巻線一本毎に電流監視を常時行うことで、部分放電などの回転電機の内部劣化による不具合の検出、および異常箇所の検出ができ、異常が認められた巻線を1本単位で新たな巻線に交換する処置を速やかに行うことが可能となる。
【００１６】
次に、電流監視領域を一本の巻線毎とした場合の、電流計測箇所について説明する。図１に示すように、固定子コイル１４ａとなる上口コイル１２ａおよび下口コイル１３ａのそれぞれの両端部が、電流計測箇所Ａ、ＢおよびＣ、Ｄとなる。そして、軸方向に沿う一本の巻線毎、つまりＡ−Ｂ間、Ｃ−Ｄ間のそれぞれが電流監視領域となる。この電流計測箇所Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄには、各別に光ファイバ電流センサ５１が巻き付け配置される。つまり、一カ所の電流計測箇所に一本の光ファイバ電流センサ５１が配置される。
この光ファイバ電流センサ５１は、絶縁体であるために、コイルエンド近傍に配置しても磁界に影響を与えることなく、また、一本の巻線である上口コイル１２ａまたは下口コイル１３ａの周りに直に巻き付け配置できるため省スペースで安定した状態に設置することができる。
固定子コア１１内の全スロットについて、固定子コイル１４ａと同様に、電流計測箇所を設定し、各々光ファイバ電流センサ５１が配置される。
【００１７】
ここで、光ファイバ電流センサ５１は、ファラデー効果物質を用いたガラスファイバセンサ（光ファイバ）であり、固定子コア１１の外側に位置する上口コイル１２ａ、下口コイル１３ａのコイルエンド部分の周囲に、直に、コイル状に巻き付け形成される。この、巻回されてコイル状となった部分の光ファイバ電流センサ５１の軸は、巻線が延在する方向に沿っている。光ファイバ電流センサ５１の両端は光学処理部６１へそれぞれ接続され、光学処理部６１内に設置されるレーザ光源から出射する光ビーム（レーザ光）は、光学処理部６１内に設置される偏光子、レンズを通して直線偏光波となって光ファイバ電流センサ５１の一端側に入射される。この光は、固定子コア１１を流れる電流が形成する磁界によりファラデー旋回を受け、光ファイバ電流センサ５１の他端から出射される。
【００１８】
また、光ファイバ電流センサ５１の他端から出射した光は、光学処理部６１内に設置されるレンズおよび検光子に導かれ、検光子での測定により、光ファイバ電流センサ５１の他端から出射した光が受けたファラデー旋回による旋光角（偏向角）を得ることができる。ここで得られた旋光角は、電流計測箇所の電流値を反映しており、ファラデー旋回を引き起こす磁界強度に比例し、その磁界強度は固定子コア１１に流れる電流値に比例する。ここで固定子コア１１と固定子コイル１４ａに流れる電流は同一であるため、これにより固定子コイル１４ａに流れる電流値を測定することができる。
【００１９】
なお、一本の光ファイバ電流センサ５１は、光学処理部６１に繋げられた配線部の全長を、ファラデー効果物質を用いたガラスファイバセンサとする場合以外に、電流計測箇所に巻き付け配置する部分はファラデー効果物質を用いたガラスファイバセンサとし、電流計測箇所以外の導線となる部分は光ファイバケーブルを連結した構造として用いることができる。
【００２０】
この光ファイバ電流センサ５１と光学処理部６１を固定子コイル１４ａの両端に構成し、それぞれの電流計測箇所の電流値を反映した値である出力信号を得、信号線７を介してすべての信号が判定部８に入力され、Ａ−Ｂ間、Ｃ−Ｄ間での電流値の差からそれぞれ電流監視領域での異常の有無を判定する。正常運転であれば、電流監視領域の両端部で電流値の比較をずれば差は検出されないが、異常が発生した場合は、電流値の差が生じる。
また、固定子２に含まれる全ての固定子コイル１４ａ、…、１４ｘについて同様に、光ファイバ電流センサ５１と光学処理部６１を含む電流監視部９１ａ、…、９１ｘが設けられ、全ての光学処理部６１の出力信号は、信号線７を介して判定部８に統合される。ここ
で、全ての電流監視部９１ａ、…、９１ｘを総称して内部電流監視装置９１とする。
【００２１】
なお、判定部８は、音声や画像への表示で、異常が検出された電流監視領域を特定して管理者に知らせる、あるいは、回転電機の制御系統へ異常検出の信号を発信するなどして管理者に異常発生および異常箇所を通知する手段を備えていることは言うまでもない。
【００２２】
次に動作について説明する。回転電機１００が通常運転を行っているとき、固定子コイル１４ａ、…、１４ｘには回転磁界による誘導電圧に誘起され、電流が流れる。固定子コイル１４ａ、…、１４ｘに流れる電流値に従って光ファイバ電流センサ５１、光学処理部６１を経て、電流計測箇所の電流値が反映された出力信号が得られる。全ての出力信号は信号線７を経由して判定部８に入力される。
【００２３】
判定部８では、固定子コイル１４ａの異常を次のように検出する。固定子コイル１４ａ（他の固定子コイルも同様。）が正常な状態であれば、電流監視領域を挟んだ電流計測箇所ＡとＢ、またはＣとＤからの出力信号は同じ値となる。ここで、電流監視領域を挟む２カ所の出力信号に相違が見られる場合は、固定子コイル１４ａの内部（Ａ−Ｂ間、またはＣ−Ｄ間）で短絡電流などの異常電流が発生していることが推測され、異常状態が検知される。これにより、運転中の回転電機１００において、固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａ、または下口コイル１３ａに異常が発生した場合は、その異常を検知するとともに、異常の発生した固定子コイル（上口、下口の別まで。）を特定することが可能である。
【００２４】
なお、この実施の形態１のように、コイルエンドの電流計測箇所毎に各別に光ファイバ電流センサ５１を巻き付け配置する場合は、新設する回転電機に適用させられるだけでなく、既に稼働している回転電機にも適用させることができ、内部電流監視装置９１のみを後付けで設置することも可能であるという利点がある。
また、図１中にボックスで示した光学処理部６１は、一本の光ファイバ電流センサ５１に対応して一個が設けられるよう例示したが、これは一つの光ファイバ電流センサ５１のレーザ光入射・出射に必要な光学処理機能を構成図として示したものである。従って、一つの箱に収まった光学処理部が、多数の光ファイバ電流センサに対応した、多数の光学処理機能を備えている場合、実際の光学処理部の箱数はセンサ数よりも少なくなることは言うまでもない。
【００２５】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、一つの光ファイバ電流センサ５１で一カ所の電流計測箇所の電流値計測を行い、光ファイバ電流センサ５１毎に光学処理部６１を設け、巻線の異常電流を検出する場合について述べたが、この実施の形態２では、図２に示すように、一本の光ファイバ電流センサ５２ａを用いて、電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所を連結するように配線し、光学処理部６２へ導く場合について説明する。
図２のように、光ファイバ電流センサ５２ａを、電流計測箇所ＡとＢを連結するように配線した構成とし、電流監視領域を挟んだ２カ所の電流値を反映した信号（レーザ光）を光学処理部６２へ導く場合、実施の形態１では２本必要であった光ファイバ電流センサ５１が、この実施の形態２では１本の光ファイバ電流センサ５２ａでよいという利点があり、これに伴って、光学処理部６２の個数も少なくすることができる。また、ここで、光ファイバ電流センサ５２ａは、固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａ両端に位置する電流計測箇所ＡおよびＢの間の直線部分を、光ファイバケーブルで構成することができる。
【００２６】
なお、下口コイル１３ａについても同様に、一本の光ファイバ電流センサ５２ｂが、下口コイル１３ａ側の電流計測箇所ＣおよびＤを連結するように配線され、磁界強度により位相がシフトした光は、各別された光学処理部６２へ導かれる。一つのスロットに対応する一つの電流監視部９２ａには、一カ所の固定子スロット部１１ａに収納された巻線１４
ａの本数（巻線１４ａでは上口コイル１２ａと下口コイル１３ａの２本。）に相当する数の光学処理部６２が配置され、内部電流監視装置全体では、さらにスロット数を乗じた数の光学処理部６２が配置される。
【００２７】
ここで、実施の形態２の特徴として、光ファイバ電流センサ５２ａを上口コイル１２ａに巻きつける際に、電流計測箇所Ａ、Ｂで互いに逆周りに且つ、巻きつけ回数が同じとなるように配線する。他の光ファイバ電流センサ５２ｂについても巻回し手法は同様である。
これにより、上口コイル１２ａが正常な場合、電流計測箇所Ａ、Ｂの電流値は同じとなるため、ＡとＢで巻回し方を逆向きとすれば、光ファイバ電流センサ５２ａ内の旋光角が互いに打ち消しあうことにより、光学処理部６２で得られる出力信号（電流監視領域の電流値を反映した信号）はゼロとなる。一方、上口コイル１２ａに異常電流が発生した場合は、光ファイバ電流センサ５２ａにて発生する旋光角の絶対値に差が生じることとなり、出力信号はゼロとならない。これにより、上口コイル１２ａの異常の有無が検知できる。下口コイル１３ａを含め、固定子コア１１内の全ての巻線についても同様に異常検出を行うことができる。
【００２８】
なお、光ファイバ電流センサ５２を構成する電流計測箇所Ａ−Ｂ間の光ファイバケーブルの配線は、固定子コア１１の外側に配置することが可能であり、その場合は、既存の回転電機に後付けで配線することができる。また、稼働前の回転電機であれば、固定子スロット部１１ａに固定子コイル１４ａを挿入する前に、コイルが伸びる方向に沿わせてコイル表面のＡ−Ｂ間に直に光ファイバケーブルを配線することが可能であり、この場合は、光ファイバケーブルが固定子コア１１内に保護されて損傷を抑えることができる。
【００２９】
上記の例では、固定子スロット部１１ａに収納された上口コイル１２ａと下口コイル１３ａのそれぞれについて各々光ファイバ電流センサ５２ａ、５２ｂを巻き付け配置し、電流監視領域を別個に設ける例を示したが、上口コイル１２ａと下口コイル１３ａが一体に束ねられてなる固定子コイル１４ａを一本の巻線と考え、固定子コイル１４ａの周囲に巻回す要領で電流計測箇所となるコイル両端部に光ファイバ電流センサ５２を配置し、固定子コイル１４ａ他の全巻線について異常電流の監視を行うことができる。
【００３０】
実施の形態３．
上述の実施の形態１および実施の形態２では、電流計測箇所Ａ〜Ｄが固定子コア１１の外側であったため、光ファイバ電流センサ５１、５２を固定子コイル１４ａ、…、１４ｘのコイルエンド部分に巻き付け配置する構成であった。この実施の形態３では、図３の固定子２の要部側断面図に、光ファイバ電流センサ５３の配置例を示すように、固定子コア１１内部に位置する固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａ、下口コイル１３ａの両端部を、それぞれ電流計測箇所Ａ１およびＢ１、Ｃ１およびＤ１とし、Ａ１−Ｂ１間、Ｃ１−Ｄ１間を電流監視領域と設定して異常電流の監視を行う。
【００３１】
この実施の形態３のセンサ配置例では、電流監視部９３ａは、電流計測箇所毎に光ファイバ電流センサ５３を各別に配置し、各々が別個に光学処理部６３に導かれ、電流計測箇所毎に電流値を計測し、判定部８にて電流監視領域を挟んだ2カ所の電流値の差を検出して異常の有無を判定する。
ここでは、一カ所の固定子スロット部１１ａに配置される固定子コイル１４ａに対応した電流監視部９３ａのみを例示しているが、固定子コア１１内の全スロットについて電流監視部が設けられ、内部電流監視装置が構成される。
【００３２】
なお、光ファイバ電流センサ５３は、固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａまたは下口コイル１３ａの周囲に、固定子コア１１に挿入する前にあらかじめ巻き付け配置し、そ
の後、固定子コイル１４ａを固定子スロット部１１ａに挿入することで、図３に例示した電流計測箇所Ａ１〜Ｄ１に配置することができる。
【００３３】
実施の形態４．
上述の実施の形態３では、固定子コア１１内に電流計測箇所Ａ１〜Ｄ１を配置する場合に、電流計測箇所毎に、各別に光ファイバ電流センサ５３を配置し、それぞれの電流値を計測していた。この実施の形態４では、図４に固定子２の要部側断面図に光ファイバ電流センサ５４の配置例を示すように、実施の形態２と同じ要領で固定子コイル１４ａの電流計測箇所Ａ１およびＢ１に光ファイバ電流センサ５４を巻回し、光ファイバケーブルで連結し、光学処理部６４へ導くことにより、実施の形態３では２個必要であった光学処理部を１個とすることもできる。ここで、実施の形態２と同様に、光ファイバ電流センサ５４を上口コイル１２ａまたは下口コイル１３ａの巻線に巻きつける際に、互いに逆周りに且つ、巻き付け回数を同じにしておくことで、巻線が正常な場合は、光学処理部６４の出力信号はゼロとなり、巻線に異常電流が発生した場合は、出力信号はゼロにならず、巻線の異常発生を検知でき、異常発生箇所を電流監視領域単位で特定することができるという効果が得られる。
【００３４】
実施の形態５．
上述の実施の形態１〜４においては、一本のコイルのスロット全長に相当する領域（例えば、Ａ−Ｂ間またはＡ１−Ｂ１間の領域。）を一つの電流監視領域と設定していた。そのため、異常発生箇所がどの巻線であるかを特定することはできたが、巻線内のどの部分で不良が発生したのかを特定することはできなかった。この実施の形態５では、１本の巻線の直線部を複数の電流監視領域に区切って、異常電流を監視し、巻線内のどの領域で不具合が発生しているかを特定する手法について説明する。
【００３５】
実施の形態５の電流監視部９５ａでは、図５に固定子２の要部側断面図を示すように、固定子コイル１４ａの上口コイル１２ａの両端に位置する電流計測箇所Ａ１、Ｂ１に加え、その中間に、さらにＥ１、Ｆ１を等間隔となるように設け、固定子スロット部１１ａに収納される上口コイル１２ａの全長を３分割したＡ１−Ｅ１間、Ｅ１−Ｆ１間、Ｆ１−Ｂ１間をそれぞれ電流監視領域とする例を示す。下口コイル１３ａも上口コイル１２ａと同様に電流計測箇所をＣ１、Ｇ１、Ｈ１、Ｄ１の順に、等間隔に、固定子スロット部１１ａの全長を電流監視領域として網羅できるように設定し、内部電流の監視を行う。なお、電流監視領域の分割数はこれに限るものではない。
【００３６】
このように、一本の巻線上に３個以上の光ファイバ電流センサ５５を配置し、固定子軸方向に伸びる巻線上に互いに離間して、３カ所以上の電流計測箇所を設け、それぞれ光学処理部６５に各別に導き、得られた出力信号を基に、判定部８において、任意に設定した電流監視領域を挟む２カ所の計測箇所で得られた値を比較することにより、固定子コイル１４ａ、…、１４ｘ内部の異常箇所をより厳密に特定することが可能になるという効果がある。なお、上記の例では隣り合う電流計測箇所間（例えばＡ１−Ｅ１間、Ｅ１−Ｆ１間等。）を電流監視領域とすることを説明したが、これに限らず、任意の２カ所で挟まれた領域を電流監視領域と設定することもできる。その場合、実施の形態３のように、固定子コイル１４ａの全長に相当するＡ１−Ｂ１間での監視結果が異常有りとなった場合、より詳細な異常発生箇所特定のために、この実施の形態５で示した要領にて、Ａ１−Ｂ１間を等分割した各領域について、それぞれ異常検出を行うことが有効である。
【００３７】
実施の形態６．
上述の実施の形態１〜５では、固定子２側での内部電流監視の例について述べたが、この実施の形態６では、回転子１の巻線について内部電流監視を行う場合について説明する。
図６は、この実施の形態６の回転電機の要部断面構成図であり、内部電流監視装置９６は、回転子１内において軸方向に伸びる回転子コイル（巻線に相当する。）１５ａ、…、１５ｘの両端部を電流計測箇所として、光ファイバ電流センサ５６を各別に設置し、光カップリング部８０を介して回転子１と外部とのレーザ光の授受を行い、回転子コイル毎に異常電流を監視する構成を示している。
【００３８】
図６に示すように、回転子１は、回転子軸を持つ略円筒形状の回転子コア１０と、回転子コア１０の固定子と対向する外周面部に、周方向に等間隔で設けられた軸方向に伸びる溝である回転子スロット部１０ａ、…、１０ｘ、その回転子スロット部１０ａに挿入配置された回転子コイル１５ａ、…、１５ｘとによって主に構成される。そして、回転子コア１０内で、回転子コイル１５ａの両端部となる電流計測箇所Ａ２、Ｂ２には、それぞれ光ファイバ電流センサ５６を巻き付け配置される。各光ファイバ電流センサ５６への入射光および出射光は回転子１に設置される回転子側光カップリング部８０ａを介して回転子外と光結合される。また、回転電機本体側に設置される回転電機本体側光カップリング部８０ｂは、回転子側光カップリング部８０ａと対向して設置され、これら回転子側光カップリング部８０ａおよび回転電機本体側光カップリング部８０ｂよりなる光カップリング部８０は、セルフォック（登録商標）レンズ等の適当なレンズを用いるなどして、光結合時の損失を抑える処置を施されている。回転電機本体側光カップリング部８０ｂから導かれたレーザ光は、光ファイバケーブル９により光学処理部６６へ導入され、光学処理部６６の出力信号は信号線７を介して判定部８に導かれる。
【００３９】
なお、回転子側光カップリング部８０ａと回転電機本体側光カップリング部８０ｂの光結合においては、回転子コイル１５ａ、…、１５ｘに設置される光ファイバ電流センサ５６と同数の回転子側光カップリング部８０ａが回転子周囲に円弧状に配列されるが、それらに対向する回転電機本体側光カップリング部８０ｂは１組のみ設置される。これは回転子１が回転している場合、円弧状に配列された回転子側光カップリング部８０ａが連続して回転電機本体側光カップリング部８０ｂと光結合する、すなわち回転子１が１回転する間に、一つの回転電機本体側光カップリング部８０ｂは全ての回転子側光カップリング部８０ａと光結合するためである。
【００４０】
なお、図６の例では、回転子コア１０内に配置された一本の回転子コイル１５ａの、両端部の電流計測箇所Ａ２、Ｂ２に対応して、２本の光ファイバ電流センサ５６が配置され、一つのスロットにつき２本の光ファイバ電流センサ５６に対応した二組の回転子側光カップリング部８０ａが設けられる。また、光カップリング部８０は、レーザ光の入射側、出射側にそれぞれ光結合部が設けられる。
【００４１】
光学処理部６６で得られた出力信号は判定部８に導かれ、図示しない回転子位置検出機構による回転子１の位置（回転角度）情報を出力信号と照合し比較することにより、時分割的に各回転子コイル１５ａ、…、１５ｘの両端部に流れる電流を検出でき、実施の形態１と同様に、回転子コイルに流れる異常電流を検出し、異常の発生している回転子コイルを特定することが可能となる。
【００４２】
実施の形態７．
上述の実施の形態６では、回転子コイル１５ａの両端部となる２カ所の電流計測箇所Ａ２、Ｂ２に、各別に光ファイバ電流センサ５６を配設する例を示したが、この実施の形態７では、上述の実施の形態２および実施の形態４と同様の要領で、光ファイバ電流センサ５７を、電流計測箇所Ａ２、Ｂ２を連結するように巻き付け配置した内部電流監視装置９７について説明する。図７に示すように、光ファイバ電流センサ５７を回転子コイル１５ａ、…、１５ｘに巻きつける際に、互いに逆周りに、且つ、巻きつけ回数を同じにしておき、２つの電流計測箇所（Ａ２−Ｂ２）間は光ファイバケーブルで連結するように構成し、回転子側光カップリング部８１ａへ導くことも可能である。回転子側光カップリング部８１ａは、各回転子コイルについて入射部・出射部よりなる１組をスロット数に応じて設ければよく、回転電機本体側光カップリング部８１ｂは一組のみ設ければよい。そのため、実施の形態６と比較して、光カップリング部８１の構成部を半減させることが可能となる。
【００４３】
図７のように構成することで、回転子コイル１５ａ、…、１５ｘが正常な場合、光ファイバ電流センサ５７の旋光角が互いに打ち消しあうことにより、光学処理部６７の出力信号はゼロとなり、回転子コイル１５ａ、…、１５ｘに異常電流が発生した場合は、光ファイバ電流センサ５７にて生ずる旋光角の絶対値に差が生じることとなり、出力信号はゼロにならない。この判定を判定部８で行い、回転子コイル１５ａ、…、１５ｘの異常の有無が検知可能となり、異常箇所の特定も可能となる。
なお、上述の実施の形態６、７では、一本の回転子コイル１５ａ、…、１５ｘのコア内の全長が一つの電流監視領域となるように、電流計測箇所を設定したが、実施の形態５の要領で、より細かく区切られた電流監視領域を設定することも可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１ 回転子
２ 固定子
７ 信号線
８ 判定部
９ 光ファイバケーブル
１０ 回転子コア（コア）
１０ａ、…、１０ｘ 回転子スロット部（スロット）
１１ 固定子コア（コア）
１１ａ、…、１１ｘ 固定子スロット部（スロット）
１２ａ、…、１２ｘ 上口コイル
１３ａ、…、１３ｘ 下口コイル
１４ａ、…、１４ｘ 固定子コイル（巻線）
１５ａ、…、１５ｘ 回転子コイル（巻線）
５１、５２、５２ａ、５２ｂ、５３、５４、 光ファイバ電流センサ
６１，６２、６３、６４、６５、６６、６７ 光学処理部
８０、８１ 光カップリング部
８０ａ、８１ａ 回転子側光カップリング部
８０ｂ、８１ｂ 回転電機本体側光カップリング部
９１ａ、…、９１ｘ、９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ 電流監視部
９１、９６、９７ 内部電流監視装置
１００ 回転電機。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所に各々配置された光ファイバ電流センサ、上記光ファイバ電流センサの一端にレーザ光を入射し、上記光ファイバ電流センサの他端から出射した上記レーザ光の旋光角から上記電流計測箇所の電流値を反映した信号を得る光学処理部、上記光学処理部から出力された上記信号を入力し、２カ所の上記電流計測箇所の電流値の差から上記電流監視領域の状態を判定する判定部を備えたことを特徴とする回転電機の内部電流監視装置。
【請求項２】
回転子内の上記巻線が上記電流監視領域である場合、上記光ファイバ電流センサと上記光学処理部との間に、光結合によって上記レーザ光を導く光カップリング部を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項３】
上記電流計測箇所毎に、各別に上記光ファイバ電流センサを配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項４】
２カ所の上記電流計測箇所に、一本の上記光ファイバ電流センサを巻き付け方向が互いに逆周りとなるように、かつ、巻き付け回数が同じとなるように配置したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項５】
上記光ファイバ電流センサは、回転電機のコアの外部に位置する上記巻線に配置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項６】
上記光ファイバ電流センサは、上記回転電機のコアのスロット内部に収納される上記巻線に巻き付け配置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項７】
上記光ファイバ電流センサが配置される上記電流計測箇所は、回転電機の回転軸方向に沿って伸びる上記巻線上に互いに離間して３カ所以上の位置に設けられ、上記電流計測箇所の任意の２カ所で挟まれた領域を上記電流監視領域としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項８】
上記光ファイバ電流センサは、回転電機の回転軸を中心として周方向に等間隔で配置された全ての上記巻線の両端部に巻き付け配置されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項９】
上記光ファイバ電流センサは、ファラデー効果を利用するガラスファイバセンサであり、上記巻線の表面に直に巻き付けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項１０】
回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所に、光ファイバ電流センサを各々巻き付けて電流値を計測するステップ、上記巻線の２カ所の上記電流計測箇所で計測した電流値の差から上記電流監視領域の状態を判定するステップを含むことを特徴とする回転電機の内部電流監視方法。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置を備えた回転電機。
【請求項１】
回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所に各々配置された光ファイバ電流センサ、上記光ファイバ電流センサの一端にレーザ光を入射し、上記光ファイバ電流センサの他端から出射した上記レーザ光の旋光角から上記電流計測箇所の電流値を反映した信号を得る光学処理部、上記光学処理部から出力された上記信号を入力し、２カ所の上記電流計測箇所の電流値の差から上記電流監視領域の状態を判定する判定部を備えたことを特徴とする回転電機の内部電流監視装置。
【請求項２】
回転子内の上記巻線が上記電流監視領域である場合、上記光ファイバ電流センサと上記光学処理部との間に、光結合によって上記レーザ光を導く光カップリング部を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項３】
上記電流計測箇所毎に、各別に上記光ファイバ電流センサを配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項４】
２カ所の上記電流計測箇所に、一本の上記光ファイバ電流センサを巻き付け方向が互いに逆周りとなるように、かつ、巻き付け回数が同じとなるように配置したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項５】
上記光ファイバ電流センサは、回転電機のコアの外部に位置する上記巻線に配置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項６】
上記光ファイバ電流センサは、上記回転電機のコアのスロット内部に収納される上記巻線に巻き付け配置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項７】
上記光ファイバ電流センサが配置される上記電流計測箇所は、回転電機の回転軸方向に沿って伸びる上記巻線上に互いに離間して３カ所以上の位置に設けられ、上記電流計測箇所の任意の２カ所で挟まれた領域を上記電流監視領域としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項８】
上記光ファイバ電流センサは、回転電機の回転軸を中心として周方向に等間隔で配置された全ての上記巻線の両端部に巻き付け配置されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項９】
上記光ファイバ電流センサは、ファラデー効果を利用するガラスファイバセンサであり、上記巻線の表面に直に巻き付けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置。
【請求項１０】
回転電機の固定子または回転子内に設けられた巻線の電流監視領域を挟んだ２カ所の電流計測箇所に、光ファイバ電流センサを各々巻き付けて電流値を計測するステップ、上記巻線の２カ所の上記電流計測箇所で計測した電流値の差から上記電流監視領域の状態を判定するステップを含むことを特徴とする回転電機の内部電流監視方法。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか一項記載の回転電機の内部電流監視装置を備えた回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９３９７１（Ｐ２０１３−９３９７１Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４５１９（Ｐ２０１１−２３４５１９）
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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