大型三相发电机内电枢电流的监控

本发明是关于发电机，更详细地说，是关于大型三相发电机内部电枢电流的监控。

虽然本发明可适用于其它类型的发电机，但为了具体说明问题起见，下面就两极三相发电机加以介绍。

大型两极三相发电机通常包括具有若干纵向沟槽的叠片定子，导电条即装在这些沟槽中。导电条端部用端环相互连接，形成三个定子绕组，各绕组的中心在结构上和电气上彼此相隔120度。三个定子绕组各由两个相带组成，两个相带可以串联或并联，由此形成的绕组分别称为单路绕组或双路绕组。各绕组二端都引出发电机定子架外，接到与外电路联接的各端子上。六个端子个个都套上一个或多个大型铁心电流互感器，用以检测定子或定子负荷中存在的问题。

按各端子外部连接的方式，发电机可连接成星形连接发电机或三角形连接发电机。但在实用中，公用发电很少使用三角形连接。星形连接简便的连接方法是在各绕组的适当的端上跨接一个短路跳接线，这里所谓“适当”取决于所需要的它们之间的相位关系。被短接的各绕组端形成中性点，绕组可在此中性点上接地。因此，通常的作法是辨别出三个要跳接在一起并接地作为中性端的端子。其余三个端子通常叫做高压端子。

具体的试验操作，例如，各绕组的定期高压试验，需要采取将各相加以隔离的措施，方法是卸除三个绕组中连接中性端的跳接线。

安装三个高压端子和三个中性端子和容纳内部接线需要具有足够的 空间。六个端子彼此应具有足够的间距以容纳设在各端子上用以测定相应各绕组电流的体积大的普通铁芯电流互感器。要满足接头对内外空间的要求和防止干扰，通常的作法是扩大延长下部机身，使其从发电机定子架外壳下延伸出来。

发电机外壳容许的最大尺寸取决于发电机的制造地点和安装地点之间各弯道、桥梁和隧道对净空的要求。若下部机身的延伸部分是在制造过程中整体安装的，则发电机机壳尺寸及发电容量都要减少。因此通常的作法是将下部机身延伸部分与发电机分开装运，到达目的地后再装配。

下部机身延伸部分结构庞大，造价昂贵，重量达数吨之多。现场装配大大增加了发电机投入运行所需要的劳力。因此希望取消下部机身的延伸部分。

有人把中性线端子在发电机定子架外面的一个中性线盒中短接在一起。这类中性线盒可以是大到约4英尺×4英尺×8英尺的不锈钢箱。无论是中性线端子或其有关的中性线盒都是不便宜的，因此也希望不用它们。

有些发电机中把中线端连同其铁芯电流互感器从下部机身延伸部分移到发电机外壳内。这只有当发电机外壳内具有足够的内部空间可以容纳为防止相互干扰按一定间距配置的接头和电流互感器时才能这样做。这在多数发电机设计中是行不通的。

因此，本发明的目的是提供一种不需要外部中性端子的星形连接发电机。

本发明的另一个目的是提供一种用空心电流互感器来监控各绕组的中性线电流的发电机。

本发明的又一个目的是提供一种内部电流可加以监控的三相星形连接发电机，其中分开装配的下部机身延伸部分用一个永久装配式的端子板代替。

本发明的又另一个目的是提供一种带内部中性点的三相星形连接发电机，其中来自发电机各绕组的中线性接头可以拆开以便隔离各绕组。

本发明的还有一个目的是提供一种具有多路定子绕组的三相发电机，其中各绕组的每一路电流用空心电流互感器加以监控。

概括地说，本发明提供了一种发电机的各绕组的一端接到一内部中性线汇接器从而形成星形连接的三相发电机。三根通往内部中性线汇接器的各根导线上都配置有一空心电流互感器，用以监控各导线中的电流。有一相应的空心电流互感器配置在与发电机绕组其它端子相连的高压端子上。在各空心电流互感器输出端上的屏蔽式差动放大器件产生一个信号，对应于与其相联的空气电流互感器中的两个双线半绕组之间的差值，将来自各发电机绕组中的中性端和高压端的不同的电流加以比较，若其差值超过一预定的门限值，则门限电路产生一个触发信号，闩锁继电器锁住此触发信号，产生一个对发电机起保护作用的跳闸信号。有若干将发电机三个绕组中的两个与内部中性线汇接器隔离用的连接器，有了这些连接器就可以将三个绕组分开进行试验。多路定子各路的导电部分都套有一空心电流互感器。

结合附图阅读下列说明，对本发明的上述目的、其它目的、特点和优点就可一目了然。其中，附图中的相同编号表示同一个元件。

图1是现有技术的一个三相发电机的简化示意图。

图2是现有技术的一个三相发电机的侧视图，有些部分局部剖开，以显示说明中有关的内部元件。

图3是根据本发明一实施例的三相发电机的侧视图。

图4是图3所示发电机的单路电枢的一个电枢和连接环的部分透视图。

图5是沿图3Ⅴ-Ⅴ线截取的剖视图。

图6是从图4Ⅵ-Ⅵ方向截取的剖视图。

图7是沿图6Ⅶ-Ⅶ线截取的剖视图。

图8是图6的中性线汇接器转过90度后的视图，其上的夹式连接器已卸掉，使发电机绕组彼此隔开。

图9是根据本发明一个实施例的空心电流互感器的侧视图。

图10是图9空心电流互感器一部分的透视图，其中各层次已剥开以显示内部各元件。

图11是T4空心电流互感器组件及其相联的监控发电机的中性线端子和高压端子有无内部故障用的有关电子设备。

图12是图11短路比较器的逻辑图。

图13是根据本发明另一个实施例的三相定子接线环的示意图。

参看图1，在10处概括地表示一个三相发电机，介绍现有技术时即参照此发电机。励磁绕组12由直流电源供电（图中未示出），在具有一套三个电枢绕组16、18和20的电枢14中转动。各电枢绕组16、18和20由两个或多个串联或并联联结的专用相带组成。励磁绕组12产生的旋转磁场在各电枢绕组16、18和20中感应出交流电流。以上各元件都装在定子架22（用虚线表示）中。

电枢绕组16的两端引出定子架外连接在端子1和4处。同样，电枢绕组18的两端引出接在端子2和5处，，电枢绕组20的两端引出接在端子3和6处。三相发电机10的星形连接是在端子4、5和6之间接上一个外部跳接线（图中未示出）实现的，因此端子4、5和6叫做中性线端子。端子1，2，3叫做高压端子。

现在参看图2，从这个三相发电机10的侧视图可以看到下部机身延伸部分24在凸缘26用螺栓密封固定到定子架22上。下部机身延伸部分24的内部28是电枢14（图1）与端子1至6（端子2和3、5和6分别在端子1和4后面，看不见）之间进行电气连接和冷却连接的空间。端子1、2和3分别套上一个或多个铁芯电流互感器30用以检测故障和计量线路 32、34和36上馈给升压变压器（图中未示出）的电流。端子4、5和6也套有一个或多个电流互感器38，用以监控该各端子上的电流。

端子4、5和6在附在下部机身延伸部分24底部的中性线盒40中用跳接线连接在一起。这样，三相发电机10就成为星形连接的发电机。接地引线42通过普通接地变压器（图中未示出）接地。在这种配置方式下，铁芯电流互感器30监控各端子1、2和3中的高压电流，而电流互感器38监控各端子4、5和6中的中性线电流。电枢14中没有故障时，各电枢绕组的高压电流和中性电流相等（图1）。在中性线盒40中的所有中性线端子短接后，接地引线42中的电流非常小。

下部机身延伸部分24允许端子1至6之间有足够的间距空间。此外，下部机身延伸部分24具有足够的内部空间进行接至端子1至6的电气连接和冷却连接。三相发电机10的内部电气连接和冷却连接采用普通的方式，这方面可以参阅编进本说明书中作为参考的4，488，072号美国专利作更仔细的研究。因此没有必要对这种内部电气连接和冷却连接作更多的介绍，在此予以省略。

如果能除去端子1、2和3附近的端子4、5和6连同其内部接线，则定子架22内就有足够的空间供接至端子1、2和3的内部接线之用，这样就不需要下部机身延伸部分24了。

现在看图3，这是本发明一个实施例的三相发电机44。定子架48的底部表面固定有永久装设的端子板46。三个端子1、2和3（端子2和3在端子1后面，看不见）排成单排将线路32、34和36上的电力馈给普通升压变压器（图中未示出）。各端子1、2和3可安装至少一个铁芯电流互感器50。此外，各端子1、2和3上还安装有空心电流互感器52。稍后将更详细介绍空心电流互感器52。

所有绕组的中性引线在定子架48中连接在一起。因此，这里无需装设三个其上个个都带多个铁芯电流互感器的大电流中性线端子，如图2 现有技术实施例所示的那样。因此，这里就不存在铁芯电流互感器30和38之间的间距引起的限制问题。这样，在端子1、2和3上的铁芯电流互感器50之间的间距问题不需要下部机身延伸部分就可以圆满解决（图2）。

接至定子架48中的中性导线公共点（图中未示出）的低电流接地端子54装在端子板46中。接地引线56从小电流接地端子54通过普通接地变压器接地。鉴于公共中性点是在定子架48上，因而在小电流接地端子54和接地引线性56上只需要通过很小的电流。因此小电流接地端子可采用小端子。此外，由于小电流接地端子54中的电流很小，而且由于该端子无需用电流互感器，因而该电流对铁芯电流互感器50的输出所起的影响可以忽略不计。

现在看图4。电枢14只是示意图，没有画出多余的细节部分。上面已经说过，这里介绍的是一个具有三个绕组的电枢14，该三绕组由若干装在电枢内部沟槽中彼此相互连接的导电条组成。对应于图1中的端子1-6以T1-T6表示。

电枢14的一端装有一套接线环58。这里为了容易看懂，将组成该套接线环58的各元件画成部件分解图。实用上，这些元件都是一个挨一个地靠近电枢14的端部设置的。该套接线环58各元件的轴向配置是按特定用途选择的。图示的配置方式仅仅举例而已，不应视为对本发明的限制。

在成套接线环58轴线外侧，配置有T1接线环60，T1接线环60的第一端有一个连接部分62，该连接部分62通过弧形条66与第二端的端部64相连。弧形条66延伸一个足够弧度以将连接部分62适当安置在电枢14周围上适宜与其电枢绕组（图中未示出）端连接的角位置上。

电枢14上还需要另外的接线环（图中未示出）用以将按一定角度分开配置的相带连接在一起。此另外的接线环是普通的接线环，不属于本发明创造的部分。因此，我们认为把此另外的接线环画进图中会使示图 混乱，使对本发明的介绍含糊不清，因而将它们从图4中省略掉。

现在参看图5。弧形条66所具有的弧度角的大小使端子部分64可以安置在便于与端子1相连的位置。端子部分64与端子1可用任何合适方便的装置加以连接，包括例如，参考专利中所公开的那一种一个或多个拱形软带68。

T2接线环70包括有一个连接部分72和端子部分74，两者由弧形条76连接起来。端子部分74用一个或多个拱形带78接至端子2上。

同样，T3接线环80包括有一个连接部分82、一个端子部分84和一个弧形条86，其各自的作用对应于上面谈到的那一些。端子部分84用一个或多个拱形带88接至端子3上。

在现有技术中，中性线端子4、5和6接线环的配置方式与接至端子4、5和6的T1接线环60、T2接线环70和T3接线环类似（见图2）。相反，本发明采用中性线汇接器90来进行这种连接（图4）。T6接线环92和T4接线环94分别用第一和第二夹式连接器96和98接到中性线汇接器90。T5接线环100与中性线汇接器90连接成一个整体。T4接线环94、T6接线环92和T5接线环100分别具有端子部分102、104和106，安置在适于与电枢14的各绕组的中性线端相连接的角位置上。

现在参看图6。中性线汇接器90包括有一个连接短管108，用以藉夹式连接器98与T4接线环94相连接。中性线汇接器还包括有第二个连接短管110，用以藉夹式连接器96与T6接线环92相连接。

现在参看图7。整个中性线汇接器90上，除连接短管108和110以及T5接线环100的相应部分外，都配置有绝缘层112。绝缘层112上配置有接地屏蔽层114。

再仔细地参看图6。屏蔽接地引线116从接地屏蔽层114接至发电机外壳118上的适当的接地点，例如，凸缘120上。T6空心电流互感器组件122套在中性线汇接器90的通往T6接线环92的那一部分的绝缘层112 和接地屏蔽层114上。在这个位置上，T6空心电流互感器组件122起监控T6接线环92中中性线电流的作用。同样，T5空心电流互感器组件124套在中性线汇接器90的通往T5接线环100的那一部分的绝缘层112和接地屏蔽层114上，因而起监控T5接线环100中性电流的作用。最后，T4空心电流互感器组件126套在中性线汇接器90的通往T4接线环94的那一部分的绝缘层112和接地屏蔽层114上，因而起监控T4接线环94中电流的作用。

T6空心电流互感器组件122、T5空心电流互感器器组件124和T4空心电流互感器126都完全一样，因此这里只详细介绍T6空心电流互感器组件122。T6空心电流互感器组件122包括一个在外表面带沟槽130的线圈架128。环形空心电流互感器132配置在沟槽130中。接到接地端子54的电缆99可附设在T4-T5-T6接线环体系上的任何部位，图中可以看到是接至夹式连接器98上。信号和接地电缆134从空心电流互感器132接至稍后即将介绍的信号处理设备。

现在参看图8。卸下夹式连接器96和夹式连接器98，即可将T6接线环92、T4接线环94和T5接线环100在电气上彼此加以隔离，以便对各绕组进行一般过电压测试或其他测试。发电机外壳118上的第一检查孔136和第二检查孔138（图6）即为进行这些试验而设的。

现在参看图9。空心电流互感器132包括开口环140，它用于使空心电流互感器可以无需拆卸其它元件而进行安装和卸除。开口环140有一个一个横向断口141，断口的一端有一轴向孔142，另一端有一轴向杆144。轴向杆144适于插入轴向孔142中以便将开口环140在线圈架128的沟槽130中套成一个完整的圆环（见图6）。

现在参看图10。空心电流互感器是一个多层结构，中心有一个实心或空心核心146，核心上配置绕组148。在最佳实施例中，核心146是半硬质塑料（例如特氟隆）管，管中有轴向孔142。绕组148包括例如大 约一千匝的漆包铜线，紧密地绕制在核心146上。绕组148上有绝缘保护层150。绝缘保护层150可以是，例如，螺旋状包扎的玻璃纤维带，但最好是塑料热压配合层。绝缘保护层150上有金属屏蔽层152。金属屏蔽层152可以是任何适合的形式，但最好是用一面有绝缘涂层的金属箔片带螺旋重迭绕成的包层。金属屏蔽层152上又有另一层绝缘保护层154。绝缘保护层154可以是例如，另一层玻璃纤维布。最后，空心电流互感器132外表面是一层保护外皮156。保护外皮156最好是特氟隆之类的柔性塑料材料，最理想是采用市场上买得到的那一种例如加热后可适当收缩的塑料套管。

现在参看图11。T6空心电流互感器组件122（作为所有中性线端子和高压端子上所有空心电流互感器组件的典型）包括一个第一双线半绕组158，该绕组始于信号接地电缆134的信号引线160，终于中间抽头162，中间抽头162则通过接到接地屏蔽层114接地（图6）。T6空心电流互感器组件122还包括一个第二双线半绕组164，也以类似的连接方式接在中间抽头162和第二信号引线166之间。金属屏蔽层152通过与中间抽头162和接地屏蔽层114相连而接地。此外，信号引线160和信号引线166用屏蔽层168加以屏蔽，屏蔽层168也在电气上与金属屏蔽层152相连接，并通过与中间抽头162及接地屏蔽层114相连而接地。

双线半绕组158和164的连接用以向信号引线160和166加相反极性的信号。因此若接线短管110中的电流在信号引线160中产生正的电流和电压，则该信号也在信号引线166中产生相应的负的电流和电压。信号引线160和166上的信号加到保护差动放大器170的倒相和非倒相输入端。差动放大器170的保护屏蔽层接到信号和接地电缆的电缆屏蔽层168以排除信号和接地电缆134周围电场的影响。

差动放大器170放大信号引线160和166上信号之间的差值，但对二信号引线上信号的同样变化不反应。因此差动放大器170能以普通方 式起排除干扰的作用，同时能完全响应被检测信号的实际变化。由差动放大器170产生的信号在线路172上加到短路比较器174的一个输入端。

上面谈过，各高压端子和各中性线端子都配备有一个和T6空心电流互感器组件122相同的空心电流互感器组件。此外，各空心电流互感器组件都将其信号馈到与差动放大器170相同的差动放大器。例如，来自端子1的结果电流信号通过线路176加到短路比较器174。

正常工作时，来自定子绕组的高电压电流和中性线电流应大致相等。因此线路172和176上的信号差应大致等于零。在有关定子绕组发生严重短路时，线路172和176上的信号差产生显著变化，从零直至超过某一跳闸门限值。此信号差触发出一个跳闸信号，通过跳闸线路178加到普通发电机保护线路上，使三相发电机44脱离线路，直至故障加以隔离和排除为止。响应电流差值时，还可以产生另外一些信号，但这些信号不是本发明所考虑的问题。这类信号可用以保护驱动发电机的涡轮机免受负荷损失或给操作人员发出报警视听信号。

同样，线路180和182以及线路184和186上相应的电流信号也加到短路比较器174上进行比较，若其各自相应的中性线端和高压端子上电流间的差值超出跳闸门限值，则发出跳闸信号。

在短路比较器174中比较成对的输入可采用任何适当的器件。在最佳实施例中，可采用放大器线路（图中未示出）以对各对输入信号的百分比差值响应，产生一个信号。因此可装设一个或多个普通门限电路以确定一个或多个比较过程得出的百分比差值是否超出门限值。若检测出百分比差值信号超出门限值时，一电子或机电闩锁电路（图中未示出）会被触发，在跳闸线路178上产生跳闸信号，一直持续到自动复位或人工复位为止。

现在参看图12。短路比较器174会有一个第一百分比差动电路188，该电路响应线路172和176上的信号百分比差值。百分比差值信号通过 线路190加到门限电路192上。若门限电路输入端上的百分比差值信号超出一预定的正值或负值，门限电路192就通过线路194把一触发信号加到或门196的第一输入端上。

同样，第二百分比差动电路198接收线路180和182上的电流信号。百分比差值信号通过线路200加到门限电路202上。当加到门限电路202的百分比差值信号超出一预定的正的或负的门限值时，门限电路202通过线路204将一触发信号加到或门196的第二输入端。第三百分比差动电路206监控线路184和186上各电流信号之间的百分比差值，并通过线路208将百分比差值信号加到第三门限电路210上;当百分比差值信号超出一预定的正的或负的门限值时，第三门限电路210通过线路212将一触发信号加到或门196的第三输入端。

或门196在其任一个输入端收到一个触发信号时，就通过线路214把该触发信号加到闩锁继电器216的输入端，由此，闩锁继电器216在跳闸线路178上产生一个跳闸信号，不管超过预定门限值的百分比差值信号是否下降到门限值以下，该跳闸信号一直要保持到复位为止。

空心电流互感器的信号输出与通过其中的电流对时间的导数有关。在进行下一步处理之前，可以首先把线路172、176、180、184和186上的信号在普通积分电路（图中未示出）中进行积分，从中得出与通过其中电流有关的信号。

现在参看图13。这是那种具有双路定子绕组的三相双极电枢218的接线图。为简单明了起见，省略了定子绕组。各接线环在结构上按相同的半径围绕电枢218的轴线配置，并沿轴线间隔开。为举例说明起见，接线环以不同的半径表示。

一组接线环220包括对应于图4所示的那些元件，只是各接线环由两部分组成，各部分的编号与图4中相对应的各元件编号相同，但加了后缀A和B。各接线环的两部分使各接线环可连接到两个彼此相隔一定 角度的绕组上（图中未示出）。例如，T1接线环60包括两部分：在端子T1和接头T1′之间的头半个接线环60A，和在接头T1′和接头T1″之间的次半个接线环60B。同样，中性线T4接线环94也分成两部分;在夹式连接器98和接头T4″之间的头半个接线环94A和在接头T4″和接头T4′之间的次半个接线环94B。

如图4中的实施例，T4、T5和T6空心电流互感器组件122、124和126是用以测定三相中的中性线总电流。T1、T2和T3空心电流互感器222、224和226分别用以监控高压端子T1、T2和T3中的总电流。电流可按上述方式测定。

正常工作时，与接线环相连接的两个线路中的电流应基本相等。若该两线路中的电流值差别很大，则表明电枢218中出故障，需要排除。图13所示本发明实施例的接线可以分别独立地监控通往电枢218的各电路的电流。例如，用T4空心电流互感器122测出的在头半个接线环94A中的T4中性线总电流是由流往端子T4′和T4″中性线电流的和组成。套在头半个接线环94A的空心电流互感器228只围绕端子T4′的电流。第二空心电流互感器230围绕接在T4接线环和端子T4″之间的短管232，因而只感测出流至端子T4″的电流。同样，其它各接线环也在适当位置上配备有空心电流互感器以感测流至其一个端子的电流而不对流至其别的端子的电流响应。这些空心电流互感器最好是上面的举例介绍过的那一种，并按上述方式装在其各自的接线环或短管上。

由于空心电流互感器体积小，重量轻，因而各相和各回路的电流至少有一部分，最好是全部可用装在发电机内部的空心电流互感器进行测定。

应该指出，空心电流互感器52的一般使用条件并不意味着对空气环境的限制。相反，空心电流互感器52是采用非磁性材料芯子的一种电流互感器。如上所述，空心电流互感器52系支撑在非磁性材料上，可以在 诸如氢气或氦气等以外的气体环境中工作。

上面用最佳实施例并参照附图介绍了本发明的内容。不言而喻，本发明并不因而受上述具体实施例的限制，熟悉本专业的人士，只要不超出在所附权利要求中所确定的本发明的范围和精神，是可以更改或修改本发明的。