专利名称：发电机和测量发电机电压的方法
技术领域：
本发明涉及一种发电机和测量发电机电压的方法。
在SEV(瑞士电工联合会)/VSE(瑞士发电厂联合会)学报第82期(1991年)第27至32页中由Klaus Bohnert撰写的文章“纤维光学传感器”中的第三段纤维光学电压测量中描述了，如何能够在充分利用不同光学效应的情况下实现电压测量。这些效应详述如下1.线性电光学效应(泡克尔斯效应)。泡克尔斯效应出现在非同心对称的晶体结构材料上。外部电场可以在这种材料上产生光学双折射。如果圆形偏振光入射在这种双折射材料上，在通常情况下则转变为椭圆形偏振光。借助检偏振器这种转变可以作为光强变化在接收器上测量并由此确定施加的外部电场。
2.平方电光学效应(克尔效应)。在同心对称材料以及非晶体结构(例如玻璃)中折射指数与外部电场强度成平方关系变化。这种克尔效应同样导致材料的双折射。电场被类似于泡克尔斯效应的测量技术所确定。
3.压电效应。压电材料在外部电场的影响下产生长度变化。通过例如光波导体被卷绕在由压电晶体，例如石英所构成的圆柱体上，通过电场由压电效应所产生的圆柱体圆周的变化可以通过光程在光导纤维中的变化来确定。这种长度变化在干涉仪上被十分灵敏地确定。由这个长度变化可以反推算出电场。
在上述文章中已经阐明，如何借助压电电压传感器来测量高压。其中描述了一个由数个串联的石英片构成的传感装置，该传感装置尤其可在变化的环境条件(如湿度、温度)下，通过电场的测量，以如上所述的压电效应为基础来确定高压。
在由A.Gonzales，M.S.Baldwin和J.Stein在新泽西的Englewood Cliffs，初学者会堂1995年出版的“涡轮发电机的监测与诊断”一书中阐述到，在发电机，尤其是大功率涡轮机驱动的发电机(下面称作涡轮发电机)的运转过程中，需要获得监测值，以检查发电机的运转状态。这个监测值可以是出现在发电机内部或上面的发电机电压。
US-PS 4 994 684涉及一种在各种旋转速度情况下控制旋转能转换成电能的能量转换控制装置和方法。此外存在一个电压传感器，该传感器测量由定子绕组产生的发电机电压。这篇文献中没有谈到这种电压传感器的具体的实施形式。
本发明的目的在于提供一种发电机，在这种发电机上发电机电压的测量以简便的方式实现。本发明的另外一个目的在于提供一种测量发电机电压的方法。
本发明有关提供发电机的目的是这样来实现的，该发电机带有电绕组和一根与电绕组连接的电引线，其中一个光学装置用于测量可由电绕组所产生的发电机电压，它包括a.一个具有光学特性的传感元件，通过这些特性可以确定作用于传感元件上的电场。
b.一根与传感元件(5)连接的光导纤维(6)。
这样的发电机可以通过光学电压测量确定在发电机内或上产生的发电机电压。这样的发电机电压可以例如出现在转子上、定子上或发电机的励磁装置上。光学测量电压的装置可以牢固、耐高压、简单并且价廉地实现。尤其是目前在涡轮发电机上通常所出现的高压迄今一直要求进行工作量很大且昂贵的电压测量。对于这种发电机的特殊技术条件已证明在充分利用光学效应的情况下来测量电场电压是特别适合的。
光导纤维的一部分优选作为传感元件。因此不必为了测量电场而采用适当的部件，因为通过光导纤维的光学特性本身就能确定发电机电压。
光学特性优选是一种由于被称作泡克尔斯效应的线性电光学效应而通过电场产生的双折射。光学特性还优选是一种由于被称作克尔效应的平方电光学效应而通过电场产生的双折射。
在测量中光射线不仅借助于泡克尔斯效应而且借助于克尔效应通过光导纤维被输送给传感元件。如前所述，这种光射线的特性，尤其是在线性偏振光射线或圆形偏振光射线的线性分量相位移动的情况下，其偏振面的偏转由传感元件通过电场而改变。这种变化了的光射线由传感元件再通过光导纤维输送给一个计算单元。在计算单元里，通过光射线特性的改变来确定电场。由这个电场再确定待测的电压。
此外，光学特性还优选是能量位置或光谱线的分离，这可以由于斯塔尔克效应(Stark-Effekt)通过电场而改变或引起。在斯塔尔克效应中原子或分子的能位通过电场被分离或位移。因此通过具有斯塔尔克效应的传感元件而传导的适宜的光射线至少改变其光谱特性中的一种，特别是其在传感元件中被提高或减少吸收的强度。通过这种变化能够确定电场并由此确定发电机电压。
另外，还优选光学特性是通过传感元件的光射线的光程长度，这种光程长度由于压电效应可以通过电场而改变。此处，传感元件最好由压电部件和设置在这个压电部件上的光导纤维构成。在此附属于传感元件的光导纤维与压电元件连接，使得光导纤维的长度根据作用在压电部件上的压电效应而变化。外部电场由此通过传感元件导致光程的变化。由这个光程能够推算出电场并由此确定发电机电压。
此外优选传感元件设置在引线上。更加有利的是，引线由套管包围，在此传感元件设置在这个套管上或套管内。电场位于引线与包围引线的套管之间。通过在这个测量位置上的简单几何空间产生一空间恒定的电场。因此在这里用于电压测量的特别有利的位置借助一个光学测量装置来产生，因为如果一个电场在传感元件范围内是空间恒定的，那么通过这个电场进行间接的电压测量可以特别好而且可再现地进行。
这种引线优选具有一个开关，引线内的电流通过这个开关可接通或断开，在此测量装置设置在这个开关上或开关内。此外引线优选由发电机壳体通过电流绝缘套管引出，在此传感元件设置在电流绝缘套管上或其内部。
优选设置一个光学电流测量装置，该装置可以与电压测量装置结合用于光学功率测量。这种光学电流测量装置在SEV(瑞士电工联合会)/VSE(瑞士发电厂联合会)学报第82期(1991年)第21至29页由Roland Stierlin撰写的文章“纤维光学传感器”中的第二段“纤维光学电流传感器”中有所描述，在这里明确地涉及到这种光学电流测量装置。
此外优选发电机为涡轮发电机，尤其是功率大于10MVA的涡轮发电机。
本发明有关提供测量发电机电压的方法的目的是这样来实现的，即，该发电机包括一个与电引线连接的电绕组，在此发电机电压通过电场作用于一传感元件，这个传感元件在这种作用下具有光学特性，在此光射线通过光导纤维引至传感元件，改变了的光射线由传感元件发射出，由这个改变了的光射线确定传感元件的光学特性并由此确定发电机电压。
这个方法的优点对应于上面对发电机结构的描述而得出。
下面根据附图来详细描述本发明的一实施例。附图中
图1为测量原理简图，图2示出装有光学测量装置的一发电机，图3示出由发电机引出的一根引线的一部分。
相同的附图标记在不同的附图中具有相同的意义。
在图1中简略地表示出具有泡克尔斯效应或克尔效应的光学电压测量原理。沿着直线15串联有光源10，起偏振器11，λ/4波片12，传感元件5，检偏振器13和接收器14。沿着直线15非偏振光射线15A穿过起偏振器11。光线15A的各个偏振状态A，B，C平行于直线15示意性示出。穿过起偏振器11的光线15A是线性偏振的，图示为偏振状态A。这个线性偏振光15A穿进λ/4波片12。穿过λ/4波片12的光线15A是圆形偏振的。这一点图示为偏振状态B。圆形偏振状态B由两个线性偏振状态B1和B2组成，其各自的振荡平面是相互垂直的。圆形偏振光15A穿过传感元件5。如果在传感元件5上没有加外部电场，则光线15A的偏振状态B保持不变。穿过λ/4波片12的光线15A所呈现的圆形偏振状态B直接显示出这样的特性，即分量B1、B2相互间具有1/4波长λ的相位移1。如果现在在传感元件5上加上电压V，则通过这个电压V在传感元件5里面建立起一个电场。这个电场根据传感元件5的类型产生泡克尔斯或克尔效应，即出现双折射。这将导致，穿过传感元件5所呈现的偏振状态C的分量C1、C2出现λ/4的相位移2。圆形偏振光线15A由此转变为椭圆形偏振光线15A′。光线15A′接着穿过检偏振器13。穿过检偏振器13得到的光线15A′分量的光强在接收器14中被测量。根据检偏振器13的位置在接收器14中可以测得相对无电压状况时增加或减少的光强。通过这个光强变化可以反推算出作用于传感元件5上的电压V。
在图2中示意性地示出带有一个光学测量装置5A的发电机1。发电机1具有一个发电机壳体3。在发电机壳体3里面沿着轴线17设置有转子16。这个转子被静止的电绕组2所围绕，绕组2具有电导体2D，电导体设置在一个未示出的叠片铁心上。叠片铁心和电绕组2构成定子。绕组2由三个线圈2A、2B和2C组成，三个线圈产生相互相位移120°的电流。电绕组2的电导体2D基本上沿着轴线17延伸。由每个线圈2A、2B和2C分别引出一根中点引线X、Y和Z。各中点引线X、Y和Z借助一电流绝缘套管19A由发电机壳体3引出。在零点18三个中点引线X、Y、Z被连接在一起。此外从各个线圈2A、2B和2C导出各自的引线4，4U，4，4V和4，4W。每个引线4U，4V和4W利用绝缘套管19由发电机壳体3导出。在发电机壳体3的外部在每个绝缘套管19上分别连接有包围各引线4U、4V和4W的外套管7U，7V和7W。每根引线4U，4V和4W可以通过各自的开关8U、8V和8W接通或断开。由各开关8U，8V和8W将各引线4U，4V和4W继续引至一变压器9。测量装置5A与发电机1连接。测量装置根据图1所示的测量原理构成沿着直线15设置有光源10，起偏振器11和λ/4波片12。在λ/4波片12之后沿着直线15延伸有玻璃纤维6。玻璃纤维6引入绝缘套管19中的一个。在绝缘套管19里面平行于引到那里的引线4设置一传感元件5。这个传感元件5用具有第一端51和第二端52的光导纤维材料来构成，这种材料显示出泡克尔斯效应。玻璃纤维6与第一端51连接。另一玻璃纤维6与第二端52连接并由电流绝缘套管导出。这个玻璃纤维6引至检偏振器13。在检偏振器后面设置一接收器14。该接收器14与一个计算装置20连接。
在这种发电机1运转过程中，由没有示出的涡轮机驱动转子16。电流通过转子16周边上未示出的电导体输出。电流产生磁场，磁场在电绕组2中感应出电流。这个电流作为交流电在星形连接中通过引线4和中点引线X，Y和Z从发电机1中导出。监测发电机1运转状态的重要参数是发电机电压V，尤其是出现在引线4U，4V和4W上的发电机电压V，因为其提供标准的例如馈入电网里的电压。这里所产生的发电机电压V很高，而且为了采用传统的测量技术，例如采取感应措施测量它，需要很高的设备费用。尤其是要达到的耐高压强度将导致很高的绝缘费用。与此相反通过光学测量装置5A可以更简便而且更低廉地测得电压。对于传感元件5所采用的材料其本身通常已经是耐高压的而且不需要附加的绝缘。在图示该实施例中，依照图1所示测量原理来测量电压。传感元件5也可另外分别设置在引线4U、4V和4W的外套管7U、7V和7W里面。这里面的细节在图3中示出。
图3示出一根由发电机1导出的引线4。引线4由发电机壳体3通过电流绝缘套管19导出。接着在电流绝缘套管19上引线4通过弹性的导电带32构成。在导电带上连接着一实心的、构成一直角的圆柱形导体。外套管7设置成包围引线4并随连成直角。在弹性带32区域内，外套管通过合适的措施31被设计成可弹性伸缩。这个弹性的结构以及导电带32用来平衡热应变引起的引线4长度变化。在外套管7的内壁上平行于引线4设置有一个由具有第一端51和第二端52的光导纤维所构成的传感元件5。光导纤维6引入外套管7并在那里与传感元件5的第一端51连接。另一光导纤维6与传感元件5的第二端52连接并由外套管7导出。传感元件5和玻璃纤维6如图2所示那样被组合进一个在这里未示出的测量装置5A中。电压V位于外套管7与引线4之间，因为外套管7保持在地电位上。这个电压V在引线4与外套管7之间产生一个电场E。由于引线4和外套管7在传感元件5处相互间是不可改变设置的并具有相同的几何形状，因此等强电场E作用于传感元件5的整个长度上。由此可以保证，按照上述有关测量原理以及光学效应的方案通过作用于传感元件5上的电场E可以确定电压V。
权利要求
1.一种发电机(1)，其具有电绕组(2)和与电绕组(2)连接的电引线(4)，其特征在于，一个光学装置(5A)用于测量可由电绕组(2)产生的发电机电压(V)，它包括a)一个具有光学特性的传感元件(5)，通过这些特性可以确定作用于传感元件(5)上的电场(E)，b)一根与传感元件(5)连接的光导纤维(6)。
2.如权利要求1所述的发电机(1)，其特征在于，传感元件(5)是光导纤维(6)的一部分。
3.如权利要求1或2所述的发电机(1)，其特征在于，所述光学特性是一种由于被称作泡克尔斯效应的线性电光学效应可由电场(E)引起的双折射。
4.如权利要求1或2所述的发电机(1)，其特征在于，所述光学特性是一种由于被称作克尔效应的平方电光学效应可由电场(E)引起的双折射。
5.如权利要求1或2所述的发电机(1)，其特征在于，所述光学特性为能量位置或光谱线的分离，能量位置或光谱线的分离由于斯塔尔克效应可以通过电场(E)而改变或产生。
6.如权利要求1或2所述的发电机(1)，其特征在于，所述光学特性为穿过传感元件(5)的光射线的光程，光程由于压电效应可以通过电场(E)而改变。
7.如上述任一项权利要求所述的发电机(1)，其特征在于，所述传感元件(5)设置在引线(4)上。
8.如权利要求7所述的发电机(1)，其特征在于，引线(4)由一外套管(7)包围，在此传感元件(5)设置在这个外套管(7)上或其内部。
9.如上述任一项权利要求所述的发电机(1)，其特征在于，引线(4)具有一个开关(8)，通过该开关可以接通或断开引线(4)中的电流，在此传感元件(5)设置在这个开关上或其内部。
10.如上述任一项权利要求所述的发电机(1)，其特征在于，设有一发电机壳体(3)，引线(4)借助一电流绝缘套管(19)由该外壳导出，在此传感元件(5)设置在所述电流绝缘套管(19)上或其内部。
11.如上述任一项权利要求所述的发电机(1)，其特征在于，设有一光学电流测量装置，该装置可以与测量装置(5A)结合用于光学的功率测量。
12.如上述任一项权利要求所述的发电机(1)，其特征在于，它被设计成涡轮发电机(1)，尤其是功率大于10MVA的发电机。
13.一种用于测量发电机(1)的发电机电压(V)的方法，该发电机包括一个与电引线(4)连接的电绕组(2)，其特征在于，发电机电压(V)通过电场(E)作用于一传感元件(5)，这个传感元件(5)在这种作用下具有一光学特性，在此光射线(15A)通过光导纤维(6)引至传感元件(5)，改变了的光射线(15A′)由传感元件(5)发射出，由这个改变了的光射线确定传感元件(5)的光学特性并由此确定发电机电压(V)。
全文摘要
本发明涉及一种发电机(1),尤其是一种大功率的涡轮发电机(1)。设置一种光学测量装置(5A),通过这个装置可以由发电机电压(V)所产生的电场(E)来确定发电机电压(V)。本发明还涉及一种用于测量发电机电压(V)的相应方法。
文档编号G01R15/14GK1255199SQ98804924
公开日2000年5月31日 申请日期1998年5月4日 优先权日1997年5月13日
发明者于尔根·克拉尔 申请人:西门子公司