具体实施方式

实施方式1.

说明本发明的实施方式1的短路探测装置以及短路探测方法。图1是示出本实施方式的短路探测装置的结构的框图。在图1中一并示出沿着轴向观察作为短路探测装置的探测对象的旋转电机的结构。在本实施方式中例示出涡轮发电机作为旋转电机。

首先，说明涡轮发电机的结构。如图1所示，涡轮发电机具备旋转自如地设置的转子10和设置于转子10的外侧的定子20。转子10的外周部与定子20的内周部隔着空隙30相对置。在转子10的转子铁芯11形成有多个转子槽12。在多个转子槽12处卷绕有串联连接的励磁绕组13。励磁绕组13以使转子铁芯11被励磁成2极的方式从外部电源被直流励磁。由此，在转子铁芯11形成两个磁极14。在图1中示出了通过转子10的中心轴和各磁极14的中心的磁极中心方向41和通过转子10的中心轴和在周向上相邻的两个磁极14之间的中心的极间中心方向42。

在定子20的定子铁芯21形成有多个定子槽22。在多个定子槽22处卷绕有多相绕组23。多相绕组23以在空隙30处产生旋转磁场的方式被交流励磁。图1所示的涡轮发电机是具有32个转子槽12和72个定子槽22的2极的发电机。图1中的粗箭头表示涡轮发电机以额定负荷运转时的主磁通的方向。另外，图1中的逆时针旋转方向的箭头表示转子10的旋转方向。

在定子20中的与空隙30相对的部分处设置有搜索线圈24作为探测该空隙30处的转子10的磁通的磁检测器。转子10的励磁磁通以及主磁通与搜索线圈24交链。因此，在搜索线圈24的两端的端子间产生与和搜索线圈24交链的磁通相应的电压。与搜索线圈24交链的磁通与转子10的旋转相伴地变动。因此，与转子10的旋转相伴地，从搜索线圈24输出与沿着转子10的周向的磁通密度的变动相应的搜索线圈电压信号。搜索线圈电压信号成为检测到转子10的磁通的周向分布的检测信号。此外，在本实施方式中，使用探测空隙30处的转子10的半径方向的磁通密度的搜索线圈24，但也可以使用探测空隙30处的转子10的周向的磁通密度的搜索线圈。

短路探测装置100根据需要而连接于搜索线圈24。短路探测装置100作为硬件结构而具备处理器、存储装置、输入输出接口电路等。另外，短路探测装置100具有磁检测部101、信号变换部102以及短路探测部103。磁检测部101构成为从搜索线圈24接收搜索线圈电压信号。信号变换部102构成为将由磁检测部101接收到的搜索线圈电压信号变换为后述能量换算信号。短路探测部103构成为使用能量换算信号来探测发生励磁绕组13的短路的转子槽12。以下，有时将发生励磁绕组13的短路的转子槽12称为“短路槽”。磁检测部101、信号变换部102以及短路探测部103是通过由处理器执行存储于存储装置的程序而实现的功能块。例如，磁检测部101是与后述图10的步骤S1对应的功能块，信号变换部102是与该图的步骤S2对应的功能块，短路探测部103是与该图的步骤S3对应的功能块。

接下来，作为本实施方式的前提，说明直接使用搜索线圈电压信号的短路探测方法。图2以及图3分别是示出在模拟涡轮发电机的实际的运转的两个运转条件下通过电磁场解析得到的搜索线圈电压信号的波形的曲线图。图2以及图3的横轴表示转子10的旋转角度[度]，图2以及图3的纵轴表示搜索线圈电压[V]。在此，设为在从励磁磁极中心起第7个转子槽12处发生励磁绕组13的1匝量的短路。在图2以及图3中，旋转角度θ0相当于发生励磁绕组13的短路的一侧的磁极中心方向。如图2以及图3所示，每个磁极的搜索线圈电压信号的波形大致反转对称。另外，在图2以及图3中旋转角度θ1以及θ2相当于短路槽的位置。旋转角度θ1相当于短路槽中的以转子10的中心轴为起点的远离主磁通方向的一侧的短路槽的位置。即，旋转角度θ1相当于短路槽中的在转子10的旋转方向上超前侧的短路槽的位置。旋转角度θ2相当于短路槽中的以转子10的中心轴为起点的靠近主磁通方向的一侧的短路槽的位置。即，旋转角度θ2相当于短路槽中的在转子10的旋转方向上滞后侧的短路槽的位置。

图2示出了涡轮发电机的运转条件为条件1的情况下的搜索线圈电压信号的波形。在图2中，与磁极中心方向相当的旋转角度θ0约为170^°。在图2中，用箭头A表示远离主磁通方向的一侧的短路槽的位置。如图2所示，在短路槽处，由于短路匝数量的磁动势的减少，电压的绝对值变小。

图3示出了涡轮发电机的运转条件是与条件1不同的条件2的情况下的搜索线圈电压信号的波形。在图3中，与磁极中心方向相当的旋转角度θ0约为130^°。在图3中，用箭头B表示远离主磁通方向的一侧的短路槽的位置。如图3所示，在短路槽处，由于短路匝数量的磁动势的减少，电压的绝对值变小。

图4以及图5分别是示出取得了发生励磁绕组13的短路的短路时的搜索线圈电压信号与未发生励磁绕组13的短路的完好时的搜索线圈电压信号的差分的电压波形的曲线图。图4以及图5的横轴表示转子10的旋转角度[度]，图4以及图5的纵轴表示短路时的搜索线圈电压与完好时的搜索线圈电压之差[V]。

图4示出了取得了涡轮发电机的运转条件为条件1的情况下的短路时的搜索线圈电压信号与完好时的搜索线圈电压信号的差分的电压波形。在图4所示的电压波形中，表示短路的发生的波峰即短路信号出现在旋转角度θ1以及θ2的位置。在图4所示的电压波形中，短路信号的半值宽度变得比较窄。由此，能够区分短路信号与除此以外的噪声信号，所以能够探测短路槽的位置。

图5示出了涡轮发电机的运转条件为条件2的情况下的短路时的搜索线圈电压信号与完好时的搜索线圈电压信号的差分的电压波形。在图5所示的电压波形中，也在旋转角度θ1以及θ2的位置处出现了短路信号。然而，在图5所示的电压波形中，短路信号以外的噪声信号相对变大，所以短路信号的半值宽度变宽，且短路信号的平缓区域变宽，从而短路信号跨过多个槽。具体而言，箭头B的位置的短路信号不仅跨过短路槽，还跨过与短路槽邻接的范围C的完好的两个槽。因此，在涡轮发电机的运转条件为条件2的情况下，难以精度良好地探测短路槽的位置，有可能会错误地判断为在3个转子槽12处发生励磁绕组13的短路。另外，在该情况下，为了精度良好地探测短路槽的位置，需要在将涡轮发电机的运转条件例如变更为条件1的基础上，再次获取搜索线圈电压信号。因而，当直接使用搜索线圈电压信号时，有时难以迅速地精度良好地探测短路槽的位置。

接下来，说明使用了能量换算信号的短路探测方法。图6是示出涡轮发电机的运转条件为条件1的情况下的能量换算信号的波形的曲线图。图6所示的能量换算信号是从图2所示的搜索线圈电压信号变换而得到的。图7是示出涡轮发电机的运转条件为条件2的情况下的能量换算信号的波形的曲线图。图7所示的能量换算信号是从图3所示的搜索线圈电压信号变换而得到的。能量换算信号是与转子10的磁能相当的信号，使用将搜索线圈电压信号的瞬时值分别进行平方而得到的能量换算值，从搜索线圈电压信号变换。图6以及图7的横轴表示转子10的旋转角度[度]，图6以及图7的纵轴表示搜索线圈电压的平方[V²]。

如图6以及图7所示，对搜索线圈电压信号的瞬时值进行平方，从而能量换算信号的所有的值为0以上。与其相伴地，励磁绕组13的短路所致的空隙30的磁通量的变化全部被理解为励磁绕组13的磁动势的减少。另外，在图6所示的波形中，与各转子槽12对应的高次谐波的变动分量根据三角函数的倍角定理，分别具有比图2所示的波形窄的半值宽度。同样地，在图7所示的波形中，与各转子槽12对应的高次谐波的变动分量根据三角函数的倍角定理，分别具有比图3所示的波形窄的半值宽度。即，图6以及图7所示的波形是与图2以及图3所示的波形相比变动被尖锐地强调了的波形。因而，通过使用能量换算信号来探测励磁绕组13的短路，用于确定短路槽的空间分辨率提高。

以下，说明通过使用能量换算信号来提高空间分辨率的原理。励磁绕组13的短路所致的搜索线圈电压信号的变动主要取决于奇数次分量的减少或者偶数次分量的增加，并且在1次的基波分量以及高次的高次谐波分量中产生。为了简化，当将作为搜索线圈电压信号的一个分量的n次分量表示为cos(nθ)时，作为能量换算值的平方值是(cos(nθ))²。根据三角函数的倍角定理，(cos(nθ))²是与0.5+0.5×cos(2nθ)相同的值。即，可知具有n次的空间分辨率的搜索线圈电压信号通过被变换为能量换算值，具有作为n次的两倍的2n次的空间分辨率。

另外，0.5+0.5×cos(2nθ)为0以上，所以图6以及图7各自的纵轴的值也为0以上。在物理上，当在某个转子槽12处发生励磁绕组13的短路时，在该短路槽处，完好的励磁绕组13的匝数减少，所以励磁绕组13的磁动势必然减少。在与短路槽对应的相位发生磁动势的减少。

另一方面，搜索线圈电压信号以表示成cos(nθ)的方式取正负两方的值。这能够从在图2以及图3所示的曲线图中搜索线圈电压取正负两方的值这一情况确认。如图4以及图5所示，短路信号在正负两方中出现。因此，当如条件2那样短路信号以外的噪声信号的分量大时，有时短路信号与噪声重叠，从而无法探测短路或者将噪声信号误探测为短路信号。

相对于此，在本实施方式中，使用与转子10的磁能相当的能量换算信号来探测短路槽。例如，从短路时的能量换算信号减去完好时的能量换算信号而得到的差分由于磁动势的减少即磁能的减少而在与短路槽对应的相位处必然成为负的值。因此，通过将阈值设定为负的值，不论由于噪声而在上述差分中产生的正值侧的变动如何，都能够精度良好地探测短路槽。另外，不论搜索线圈电压信号中的奇数次分量的减少或者偶数次分量的增加的比率如何，都将短路所致的磁通密度的减少理解为磁能的减少，所以能够精度良好地探测短路槽。

图8是示出涡轮发电机的运转条件为条件1的情况下的短路时的能量换算信号与完好时的能量换算信号的差分的波形的曲线图。图9是示出涡轮发电机的运转条件为条件2的情况下的短路时的能量换算信号与完好时的能量换算信号的差分的波形的曲线图。图8以及图9的横轴表示转子10的旋转角度[度]，图8以及图9的纵轴表示短路时的搜索线圈电压的平方与完好时的搜索线圈电压的平方之差[V²]。

在图8以及图9所示的波形中，能够确认旋转角度θ1以及θ2中的任意一方的位置的短路信号也反映磁动势的减少即磁能的减少而出现在负值侧。另外，在图8所示的波形中，当与图4所示的波形进行比较时，可知短路信号的半值宽度变窄。由此，至少能够精度良好地确定用箭头A表示的短路槽的位置。另外，在图9所示的波形中，当与图5所示的波形进行比较时，可知除了短路信号的半值宽度变窄之外，能够清楚地判别3槽量的波峰。由此，至少能够精度良好地确定用箭头B表示的短路槽的位置。

图10是示出本实施方式的短路探测装置100中的短路探测处理的流程的流程图。通过由短路探测装置100的处理器执行存储于短路探测装置100的存储装置的程序来进行图10所示的处理。如图10所示，首先短路探测装置100从搜索线圈24接收搜索线圈电压信号作为检测信号(步骤S1)。

接下来，短路探测装置100使用将接收到的搜索线圈电压信号的瞬时值进行平方而得到的值，将接收到的搜索线圈电压信号变换为能量换算信号(步骤S2)。能量换算信号既可以直接使用将搜索线圈电压信号的瞬时值进行平方而得到的值而变换得到，也可以通过对将搜索线圈电压信号的瞬时值进行平方而得到的值加上或者减去某些值而变换得到。另外，能量换算信号也可以不使用将搜索线圈电压信号的瞬时值进行平方而得到的值，而使用将相对于转子槽12的间距足够小的每采样时间的搜索线圈电压信号的平均值进行平方而得到的值来变换得到。

接下来，短路探测装置100比较在步骤S2中变换后的能量换算信号和作为完好时的能量换算信号的过去的能量换算信号来探测短路槽(步骤S3)。在此，短路探测装置100在未发生励磁绕组13的短路时预先从搜索线圈24接收搜索线圈电压信号，将从该搜索线圈电压信号变换后的能量换算信号作为过去的能量换算信号而存储于存储装置。例如，短路探测装置100将在步骤S2中变换后的能量换算信号与过去的能量换算信号的差分的波形中低于被设定为负的值的阈值的波峰判定为短路信号，根据该短路信号的位置来确定短路槽。在此，过去的能量换算信号既可以相对于当前的能量换算信号在时间上连续，也可以在时间上不连续。

之后，短路探测装置100根据需要利用未图示的报告部来报告有无短路。另外，短路探测装置100在发生励磁绕组13的短路的情况下，根据需要利用报告部来报告短路槽的位置。

如以上说明，本实施方式的短路探测装置100是探测在涡轮发电机的转子10中卷绕于多个转子槽12的励磁绕组13的短路的短路探测装置。短路探测装置100具备：信号变换部102，将检测到转子10的磁通的周向分布的搜索线圈电压信号变换为与转子10的磁能的周向分布相当的能量换算信号；以及短路探测部103，使用能量换算信号，探测发生励磁绕组13的短路的转子槽12。在此，涡轮发电机是旋转电机的一个例子。搜索线圈电压信号是检测信号的一个例子。

根据该结构，通过使用能量换算信号，能够以高的空间分辨率探测励磁绕组13的短路。因而，不论涡轮发电机的运转条件、发生短路的转子槽12的位置、搜索线圈24的设置位置等如何，都能够精度更良好地确定发生短路的转子槽12。

另外，在本实施方式的短路探测装置100中，信号变换部102也可以使用将搜索线圈电压信号的瞬时值进行平方而得到的值或者将搜索线圈电压信号的每采样时间的平均值进行平方而得到的值，将搜索线圈电压信号变换为能量换算信号。根据该结构，能够以高的空间分辨率探测励磁绕组13的短路，所以能够精度更良好地确定发生励磁绕组13的短路的转子槽12。

另外，在本实施方式的短路探测装置100中，短路探测部103也可以比较从当前的搜索线圈电压信号变换后的能量换算信号和从过去的搜索线圈电压信号变换后的能量换算信号，探测发生短路的转子槽12。根据该结构，通过时间方向上的波形比较，能够确定发生励磁绕组13的短路的转子槽12。

另外，本实施方式的短路探测方法是探测在涡轮发电机的转子10上卷绕于多个转子槽12的励磁绕组13的短路的短路探测方法，将检测到转子10的磁通的周向分布的检测信号变换为与转子10的磁能的周向分布相当的能量换算信号，使用能量换算信号来探测发生短路的转子槽12。

根据该结构，通过使用能量换算信号，能够以高的空间分辨率探测励磁绕组13的短路，所以能够精度更良好地确定发生励磁绕组13的短路的转子槽12。

实施方式2.

说明本发明的实施方式2的短路探测装置以及短路探测方法。图11是示出本实施方式的短路探测装置100的结构的框图。此外，关于具有与实施方式1相同的功能以及作用的构成要素，附加相同的符号而省略其说明。在本实施方式中，通过利用转子10的旋转，使用发生励磁绕组13的短路的短路磁极的搜索线圈电压信号和未产生短路的完好磁极的搜索线圈电压信号来探测短路槽。

如图11所示，短路探测装置100除了具有磁检测部101、信号变换部102以及短路探测部103之外，还具有信号延迟部104。信号延迟部104构成为生成使由磁检测部101接收到的搜索线圈电压信号的相位在电角度下滞后180^°的延迟信号。信号延迟部104是通过由处理器执行存储于存储装置的程序而实现的功能块。例如，信号延迟部104是与后述图12的步骤S13对应的功能块。

图12是示出本实施方式的短路探测装置100中的短路探测处理的流程的流程图。图12所示的处理通过由短路探测装置100的处理器执行存储于短路探测装置100的存储装置的程序而进行。如图12所示，首先短路探测装置100从搜索线圈24接收搜索线圈电压信号作为检测信号(步骤S11)。

接下来，短路探测装置100从接收到的搜索线圈电压信号生成上述延迟信号(步骤S12)。

接下来，短路探测装置100通过与实施方式1同样的手法将在步骤S11中接收到的搜索线圈电压信号和在步骤S12中生成的延迟信号分别变换为能量换算信号(步骤S13)。由此，生成在电角度下相位相差180^°的两个能量换算信号。

接下来，短路探测装置100比较从搜索线圈电压信号变换后的能量换算信号和从延迟信号变换后的能量换算信号来探测短路槽(步骤S14)。例如，短路探测装置100根据从搜索线圈电压信号变换后的能量换算信号与从延迟信号变换后的能量换算信号的差分的波形来确定短路槽。由此，通过发生励磁绕组13的短路的短路磁极的能量换算信号与未发生短路的完好磁极的能量换算信号的比较，能够探测短路槽。

如以上说明，本实施方式的短路探测装置100还具备信号延迟部104，该信号延迟部104生成使搜索线圈电压信号的相位在电角度下滞后180^°的延迟信号。信号变换部102将延迟信号变换为能量换算信号。短路探测部103比较从搜索线圈电压信号变换后的能量换算信号和从延迟信号变换后的能量换算信号来探测发生短路的转子槽12。根据该结构，通过空间方向上的波形比较，能够确定发生励磁绕组13的短路的转子槽12。

实施方式3.

说明本发明的实施方式的短路探测装置以及短路探测方法。在本实施方式中，在涡轮发电机的定子20设置有多个搜索线圈24。多个搜索线圈24配置于在电角度下相位相差180^°以上的位置。作为一个例子，两个搜索线圈24配置于在电角度下相位相差180^°的位置。由此，在短路探测装置100的磁检测部101中，接收发生励磁绕组13的短路的短路磁极的搜索线圈电压信号和未发生短路的完好磁极的搜索线圈电压信号。

图13是示出本实施方式的短路探测装置100中的短路探测处理的流程的流程图。图13所示的处理通过由短路探测装置100的处理器执行存储于短路探测装置100的存储装置的程序而进行。如图13所示，首先短路探测装置100从多个搜索线圈24分别接收搜索线圈电压信号作为检测信号(步骤S21)。

接下来，短路探测装置100将接收到的多个搜索线圈电压信号分别变换为能量换算信号(步骤S22)。

接下来，短路探测装置100比较多个能量换算信号彼此来探测短路槽(步骤S23)。由此，通过发生励磁绕组13的短路的短路磁极的能量换算信号与未发生短路的完好磁极的能量换算信号的比较，能够探测短路槽。

如以上说明，在本实施方式的短路探测装置100中，信号变换部102将在电角度下相位相差180^°以上的多个位置处分别检测到的检测信号变换为能量换算信号。短路探测部103比较能量换算信号彼此来探测发生短路的转子槽12。根据该结构，通过空间方向上的波形比较，能够确定发生励磁绕组13的短路的转子槽12。

本实施方式能够与实施方式2组合执行。在该情况下，利用转子10的旋转，根据来自1个搜索线圈24的搜索线圈电压信号，生成发生励磁绕组13的短路的短路磁极的能量换算信号和未发生短路的完好磁极的能量换算信号。通过比较这些能量换算信号彼此，从而根据来自1个搜索线圈24的搜索线圈电压信号，探测短路槽。另外，即使根据来自其它搜索线圈24的搜索线圈电压信号，也按照同样的次序探测短路槽。通过将这些探测结果进行比对，最终确定短路槽。这样，通过将本实施方式与实施方式2组合来执行，能够避免短路的误探测以及故障等所致的短路的漏检。

实施方式4.

说明本发明的实施方式4的短路探测装置以及短路探测方法。在本实施方式中，在使用与短路探测装置100不同的短路探测装置探测到在励磁绕组13中发生短路之后，为了确定短路槽而使用短路探测装置100。

图14是示出本实施方式的短路探测装置100中的短路探测处理的流程的流程图。图14所示的处理通过由短路探测装置100的处理器执行存储于短路探测装置100的存储装置的程序而进行。在此，在励磁绕组13中发生短路自身已经由上述其它短路探测装置探测到。另外，在上述其它短路探测装置中，构成为不变换搜索线圈电压信号而直接使用其来探测励磁绕组13的短路。

如图14所示，首先短路探测装置100从上述其它短路探测装置获取搜索线圈电压信号作为检测信号(步骤S31)。

接下来，短路探测装置100将获取到的搜索线圈电压信号变换为能量换算信号(步骤S32)。

接下来，短路探测装置100比较在步骤S32中变换后的能量换算信号和完好时的能量换算信号来探测短路槽(步骤S33)。完好时的能量换算信号例如从自上述其它短路探测装置获取到的完好时的搜索线圈电压信号变换并存储于存储装置。

如以上说明，在本实施方式的短路探测装置100中，从与短路探测装置100不同的装置获取搜索线圈电压信号。根据该结构，能够直接利用现有的短路探测装置。另外，当在现有的短路探测装置中难以确定短路槽的情况下，能够使用本实施方式的短路探测装置100精度更良好地确定短路槽。

本发明不限于上述实施方式，能够进行各种变形。例如，在上述实施方式中，作为探测转子10的磁通的磁检测器而将搜索线圈24举为例子，但本发明不限于此。磁检测器既可以是使用霍尔效应来测定磁通密度的霍尔元件等磁传感器，也可以是使用GMR(GiantMagneto Resistive effect，巨磁阻效应)等磁阻效应来测定磁通密度的磁传感器。

另外，在上述实施方式中，作为转子10的磁通的周向分布的检测信号，将从搜索线圈24输出的搜索线圈电压信号举为例子，但检测信号既可以是从半导体元件输出的电压信号，也可以是电流信号。

另外，在上述实施方式中，在将搜索线圈电压信号变换为能量换算信号时，使用将搜索线圈电压信号的瞬时值进行平方而得到的值或者将搜索线圈电压信号的每采样时间的平均值进行平方而得到的值，但本发明不限于此。也可以代替上述瞬时值或者上述平均值，而使用搜索线圈电压信号的有效值。另外，也可以代替平方，而进行与平方同样地运算结果必然为0以上的数学处理。即使通过这样的数学的处理来增高测定频率，增高空间分辨率，也能够得到与本发明同样的效果。

另外，不论有无励磁绕组13的短路，都可以在时间上连续或者在时间上隔开间隔地获取两个能量换算信号，比较两个能量换算信号来探测短路槽。

上述各实施方式1～4能够相互组合实施。