Ємнісний сенсор для вимірювання повітряного зазору в генераторах

Реферат: Винахід належить до пристроїв контролю статичних та динамічних змін зазорів між двома металевими об'єктами, пов'язаними як з рухом об'єктів щодо один одного, так і з їх деформацією і коливаннями (вібрацією) в процесі експлуатації. Винахід може бути застосований в електроенергетиці для вимірювання зазорів між статором і ротором в потужних генераторах. Задача винаходу - підвищення точності вимірювання. Ємнісний сенсор містить високопотенційний електрод, низькопотенційний електрод та додатковий електрод. Додатковий електрод розташований навколо високопотенційного та низькопотенційного електродів. Ширина високопотенційного електрода дорівнює ширині низькопотенційного електрода. Низькопотенційний електрод по довжині розташований симетрично відносно поперечної осі високопотенційного електрода, при цьому довжина низькопотенційного електрода з кожного боку менша довжини високопотенційного електрода на величину, що більше або дорівнює максимальному зазору між розточенням осердя статора та полюсом ротора. Всі електроди розташовані в одній площині і закріплені на розточенні осердя статорі через діелектричну підкладку. Вимірюється електрична ємність між високопотенційним та низькопотенційним електродами, яка функціонально залежить від відстані між загальною поверхнею електродів та полюсом ротора. За допомогою додаткового електрода забезпечується зменшення впливу крайових ефектів. UA 115924 C2 (12) UA 115924 C2 UA 115924 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв контролю статичних та динамічних змін зазорів між двома металевими об'єктами, пов'язаними як з рухом об'єктів щодо один одного, так і з їх деформацією і коливаннями (вібрацією) у процесі експлуатації. Винахід може бути застосований в електроенергетиці для вимірювання зазорів між статором і ротором в потужних генераторах, де зазор є одним із найважливіших параметрів, який значною мірою визначає характеристики машини та її поведінку в процесі експлуатації. Повітряні зазори між ротором та статором генератора в діаметрально протилежних точках повинні відрізнятися один від одного не більше, чим на ±5 % їх середнього значення (рівного їх напівсумі) для ТΓ з безпосереднім охолодженням провідників потужністю 150 МВт і більше; ±10 % - у інших ТГ; ±20 % - у ГГ, якщо заводськими інструкціями не передбачені більш жорсткі норми [1]. Для контролю повітряного зазору в потужних генераторах необхідні високоефективні прилади, розроблені з урахуванням конструктивних особливостей машини. Відомий механічний спосіб вимірювання зазору [2]. При цьому способі вимірювання проводяться клиновим розсувним вимірювачем. Недоліком цього способу є його велика трудомісткість. До того ж, слід зазначити, що механічний спосіб вимірювання повітряного зазору розсувним вимірювачем не може забезпечити високу точність вимірювання, оскільки активне залізо статора і полюс ротора мають криволінійну форму з різними радіусами кривизни. Відома волоконно-оптична система вимірювання зазору з пасивним відбивальним волоконно-оптичним сенсором, яка призначена для точних вимірювань та аналізу динамічних змін повітряного зазору у великих гідрогенераторах [3]. У системі використано пасивний волоконно-оптичний сенсор, в якому зі зміною зазору пучок світлових променів волокон переривається спеціальною непрозорою пластиною. Зміна загальної інтенсивності світла слугує інформацією про зміну величини зазору. До недоліків варто віднести складність монтажу системи на роторі та складність виведення сигналу від рухомого ротора. Окрім того, при роботі системи неприпустимою є наявність пилу та абразивних часток зношення в головці сенсора, що викликає необхідність її періодичного очищення. У [4, 5] запропоновано ультразвуковий метод вимірювання зазору. Суть методу полягає в тому, що зі встановленого на роторі (або на статорі) випромінювача в напрямку статора (або ротора) подається ультразвуковий сигнал, який відбивається від статора (або ротора) і фіксується приймачем, що розміщується в одному блоці з випромінювальним пристроєм. Далі вимірюється сумарний час проходження "вперед-назад" звукового сигналу, а потім, з урахуванням швидкості звуку та швидкості обертання ротора, вираховується значення зазору між ротором та статором. Недоліки - низька точність вимірювання (2-3 %) через спотворення звукового сигналу в працюючій машині, а також складність знімання сигналу з ротора, який обертається. Відомий ємнісний спосіб вимірювання повітряного зазору, в якомувимірювання інформативної ємності здійснюється між високопотенційним електродом сенсора, розміщеним на розточенні осердя статора, і поверхнею полюса ротора [6]. При цьому для отримання рівномірного електричного поля в зазорі сенсора навколо робочого високопотенційного електрода розміщується охоронний електрод з потенціалом, рівним потенціалу робочого електрода, але при цьому електроди гальванічно не з'єднані. Недоліком способу є складність схеми вимірювального вторинного перетворювача, до складу якого входить спеціальний трансформатор з обмоткою, виконаною екранованим радіочастотним кабелем, і спеціальний триаксіальний кабель. Найбільш близьким і вибраним як прототип до запропонованого технічного рішення є ємнісний сенсор для вимірювання повітряного зазору між двома металевими об'єктами (наприклад, поверхнею розточення осердя статора і полюсом ротора в генераторі), що містить передавальний (високопотенційний), приймальний (низькопотенційний) та додатковий металеві електроди, які розташовані в одній площині і закріплені через діелектричну прокладку на розточенні осердя статора Додатковий електрод розташований навколо високопотенційного та низькопотенційного електродів. Високопотенційний та низькопотенційний електроди рівні за довжиною та шириною. Потенціал додаткового електрода рівний потенціалу низькопотенційного електрода (тобто нулю) для зниження впливу крайових ефектів [7]. Пристрій працює таким чином. При зміні зазору між поверхнею розточення осердя статора і полюсом ротора змінюється електрична ємність між високопотенційним та низькопотенційним електродами. Зазор визначають, використовуючи функціональну залежність ємності від зазору. Недоліком сенсора є те, що на коротких сторонах високопотенційного та низькопотенційного електродів ємнісного сенсора має місце крайовий ефект, що вносить значну похибку в 1 UA 115924 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 результат вимірювання інформативної ємності. До того ж паразитна ємність, яка зумовлена крайовим ефектом, буде залежати від величини повітряного зазору, і складна для розрахунку. Задача винаходу є створення ємнісного сенсору для вимірювання повітряного зазору між розточення осердя статора та полюсом ротора в генераторі, який дозволяє шляхом зменшення довжини низькопотенційного електрода зменшити вплив крайових ефектів і досягти нового технічного результату, а саме підвищити точність вимірювання. Поставлена задача створення пристрою вирішується тим, що у відомому ємнісному сенсорі для вимірювання повітряного зазору між розточенням осердя статора та полюсом ротора в генераторі, що містить високопотенційний електрод, низькопотенційний електрод та додатковий електрод з нульовим потенціалом, причому ширина високопотенційного електрода рівна ширині низьпотенційного електрода, додатковий електрод розміщений навколо високопотенційного та низькопотенційного електродів, всі електроди розташовані в одній площині і закріплені на розточенні осердя статорі через діелектричну підкладку, відносно поперечної осі високопотенційного електрода низькопотенційний електрод по довжині розташований симетрично, при цьому його довжина з кожного боку менша довжини високопотенційного електрода на величину, що є більшою або дорівнює максимальному зазору між розточенням осердя статора та полюсом ротора. Для досягнення технічного результату запропонований сенсор містить високопотенційний електрод, низькопотенційний електрод та додатковий електрод. Додатковий электрод розташований навколо високопотенційного та низькопотенційного електродів. Ширина високопотенційного електрода дорівнює ширині низькопотенційного електрода. Низькопотенційний електрод по довжині розташований симетрично відносно поперечної осі високопотенційного електрода. Довжина низькопотенційного електрода менша довжини високопотенційного електрода з кожного боку на величину L3, що при цьому є більшою або дорівнює максимальному зазору dmax. між розточенням осердя статора та полюсом ротора, чим відповідно забезпечується виконання умови: 2L3≥2dmax (де dmax− максимальний зазор між загальною поверхнею електродів та полюсом ротора). Всі електроди розташовані в одній площині і закріплені на розточенні осердя статорі через діелектричну підкладку. Вимірюється електрична ємність між високопотенційним та низькопотенційним електродами, яка функціонально залежить від відстані між загальною площиною електродів та полюсом ротора. За допомогою додаткового електрода забезпечується зменшення впливу крайових ефектів по довжині низькопотенційного електрода. Виконання низькопотенційного електрода меншим по довжині від високопотенційного електрода зменшує вплив крайових ефектів в зоні їх коротких сторін. Порівняльний аналіз запропонованого сенсора з прототипом дозволяє зробити висновок, що відмітні ознаки запропонованого пристрою є новими, також необхідними та достатніми для досягнення нового технічного результату: підвищення точності вимірювання. На фіг. 1 показано схематичний розріз розміщення ємнісного сенсора на генераторі, а на фіг. 2 - схему його електродів, де: 1 - розточення статора, 2 - полюс ротора, 3 високопотенційний електрод довжиною L1, 4 - низькопотенційний електрод довжиною L2, 5 додатковий електрод, 6 - діелектрична підкладка. При зміні відстані d між загальною площиною електродів 3, 4, 5 і полюсом ротора 2 буде змінюватись електрична ємність С34 між високопотенційним електродом 3 та низькопотенційним електродом 4, тобто С34=f(d). Використовуючи дану функціональну залежність, визначають d. Тоді зазор D між поверхнею розточення осердя статора 1 та поверхнею плюса ротора 2 з рахуванням товщини dП діелектричної підкладки 6 визначиться як D=dП+d. Зменшення довжини низькопотенційного електрода в порівнянні з довжиною високопотенційного електрода з обох боків на величину L3 зробить більш рівномірним електричне поле в області їх коротких сторін, і ця рівномірність буде зростати зі зростанням L3. При L3≥dmax похибка вимірювання, зумовлена крайовим ефектом в цій зазначеній області, зменшується в декілька разів. Таким чином, запропонований пристрій у порівнянні із прототипом має більш високу точність вимірювання повітряного зазору між розточенням осердя статора та полюса тороса в генераторах, що дає можливість більш ефективно контролювати роботу електричної машини. Джерела інформації: 1. Объем и нормы испытаний электрооборудования /Под общ. ред. Б.А. Алексеева, Ф.Л. Когана, Л.Г. Мамиконянца. - 6-е изд., с изм. и доп. - М: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. Режим доступу: http://www.znaytovar.ru/gost/2/RD_34455130097_Obem_i_normy_is.html 2 UA 115924 C2 5 10 15 20 2. Федоренко Г.М. Вплив параметрів повітряного зазору на характеристики гідрогенераторів /Г.М. Федоренко, В.О. Саратов, В. В. Черниш //Гідроенергетика України. - 2005. - № 4. - С. 26-33. 3. Talas P. Dynamic measurement and analysis of air gap variations in large hydroelectric generators /P. Talas, P. Toom //IEEE Trans, on Power Apparatus and Systems. - 1983. - Vol. PAS102, No. 9, September 1983. - P. 3098-3106. 4. Pat. 4821561 United States, МКИ G01M 15/00. Method of metering an air-gap in an electric rotating machine /Keiji Takahashi (Японія), Mamoru Zennyoji (Японія); заявник і патентовласник Mitsuba Electric Mfg. Co., Ltd. (Японія). · № US 07/120618; заявл. 13.11.87; опубл. 18.04.89. 5. Pat. 4704906 United States, МКИ G01S 15/88, G01S 15/14, G01S 15/00, G01N 029/00. Dynamic air gap measuring device for use with rotating electrical machinery/ Thomas Lynn Churchill (США), James M. Ross (CILIA); заявник і патенто-власник Electric Power Research Institute (США, Каліфорнія).- № US06/850234; заявл. 10.04.86; опубл. 10.11.87. 6. Пат. 86524 Україна, МПК G01B 7/14, G01R 27/26. Спосіб вимірювання повітряного зазору між статором і ротором в гідрогенераторі та пристрій для його реалізації /Поташник С.І., Вощинський К.В., Грубой О.П., Левицький А.С., Неболюбов Є.Ю., Новік А.І., Федоренко Г.М., Шофул А.К.; заявник і патентовласник ВАТ "Укргідроенерго" (Україна). - № а200712431; заявл. 09.11.07; опубл. 27.04. 09, Бюл. № 8. 7. Патент РФ № 2318182, МПК G01B 7/14. Устройство измерения воздушного зазора /Скворцов О.Б., Радчик И.И., Тараканов В.М., Трунин Е.С., Смирнов С.И.; Заявитель и патентообладатель ООО "ДИАМЕХ-2000" (Россия). - 2006128904/28; заявл. 09.08.2006; опубл. 27.02.2008, Бюл. № 6. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Ємнісний сенсор для вимірювання повітряного зазору між розточенням осердя статора та полюсом ротора в генераторі, який містить високопотенційний електрод, низькопотенційний електрод, додатковий електрод з нульовим потенціалом, причому ширина високопотенційного електрода дорівнює ширині низькопотенційного електрода, додатковий електрод розміщений навколо високопотенційного та низькопотенційного електродів, всі електроди розташовані в одній площині і закріплені на розточенні осердя статора через діелектричну підкладку, який відрізняється тим, що відносно поперечної осі високопотенційного електрода низькопотенційний електрод по довжині розташований симетрично, при цьому його довжина з кожного боку менша довжини високопотенційного електрода на величину, що є більшою або дорівнює максимальному зазору між розточенням осердя статора та полюсом ротора. 3 UA 115924 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4