Magnetflödesmätningar med hallgivare på vattenkraftgeneratorer som analysverktyg för varvkortslutning i fältlindningen. Elforsk rapport 13:100

Transkript

1 Magnetflödesmätningar med hallgivare på vattenkraftgeneratorer som analysverktyg för varvkortslutning i fältlindningen Elforsk rapport 13:100 Mattias Wallin Oktober 2013

2 Magnetflödesmätningar med hallgivare på vattenkraftgeneratorer som analysverktyg för varvkortslutning i fältlindningen Elforsk rapport 13:100 Mattias Wallin Oktober 2013

3 Förord Syftet med projektet har varit att beskriva och testa en metod för att med hallgivare diagnostisera variationer i luftgapsflödet som har sitt ursprung i rotorfel, främst varvkortslutningar i fältlindningen i vattenkraftsgeneratorer. I rapporten beskrivs felsökningsmetoden från montering av givare till presentation av mätresultaten. Uppdraget genomfördes av Mattias Wallin, Uppsala universitet och har ingått i Svenskt VattenkraftCentrums verksamhet under Svenskt Vattenkraftcentrum, SVC, är ett centrum för utbildning och forskning inom vattenkraft och gruvdammar. Nuvarande etapp pågår med en budget på ca 110 miljoner kr. SVC har etablerats av Energimyndigheten, Elforsk och Svenska Kraftnät tillsammans med Luleå tekniska universitet, Kungliga Tekniska högskolan, Chalmers tekniska högskola och Uppsala universitet. Medverkande företag och branschföreningar är: Alstom Hydro Sweden, Andritz Hydro, E.ON Vattenkraft Sverige, Falu Energi & Vatten, Fortum Generation, Holmen Energi, Jämtkraft, Jönköping Energi, Karlstads Energi, Mälarenergi, Norconsult, Pöyry SwedPower, Skellefteå Kraft, Sollefteåforsens, Statkraft Sverige, Sweco Energuide, Sweco Infrastructure, SveMin, Umeå Energi, Vattenfall Research and Development, Vattenfall Vattenkraft, Voith Hydro, WSP Sverige och ÅF Industry. Ytterligare information finns på Stockholm, Januari 2014 Cristian Andersson Programområde Vattenkraft Elforsk

4 Sammanfattning En varvkortskortslutning i fältlindningen på en synkronmaskin ger upphov till en asymmetrisk flödestäthet i luftgapet vilket i sin tur leder till oscillerande krafter på både rotorlager och stator. Fel i fältlindningen kan detekteras genom mätning av flödestätheten i luftgapet. Mätmetoden som beskrivs i denna rapport använder sig av hallgivare. Fördelen med hallgivare jämfört med mätspolar är att hallgivarna visar flödestätheten medan de senare visar förändringstakten i densamma. I rapporten beskrivs felsökningsmetoden från montering av givare till presentation av mätresultaten.

5 Summary A field winding interturn short circuit a on synchronous machine gives rise to an asymmetric air gap flux density, resulting in oscillating magnetic forces on the rotor bearings and the stator. Faults in the field winding can be detected through measurements of the flux density in the air gap. The method described in this report employ hall effect sensors to measure the flux density. The benefit of hall sensors, as compared to search coils, is that the hall sensors measure the flux density directly while the search coils measure the rate of change in the flux density. This report contains a description of the measurement process from the mounting of the sensors to the presentation of the data.

6 Innehåll 1 Bakgrund 1 2 Materiel för flödesmätning i luftgap Hallgivare Matning till hallgivare Positionsreferens Datainsamlingsutrustning Montering Montering av kablar på givaren Montering av givaren på statorn Kontroller före mätning Kontroll av hallgivare med kablar Kontroll av signalen från positionsgivaren Mätning 7 5 Tolkning av resultatet Magnetisk flödestäthet Magnetiskt flöde Orsaker till reducerat flöde Känslighet A Uträkning av obalanskraften 11 B Magnetisk kretsekvivalent 12

7 1 Bakgrund En varvkortslutning i fältlindningen hos en generator resulterar i en roterande asymmetri i luftgapsflödet. Denna asymmetri ger i sin tur upphov till oscillerande magnetkrafter som verkar på både rotorlager och statorinfästning. Ett asymmetrisk luftgapsflöde kan i maskiner med parallella kretsar i statorn leda till att den spänning som induceras i de olika kretsarna varierar, med cirkulerande strömmar i statorlindingen som följd. Tidigare har främst mätspolar använts vid mätning av elektriska rotorfel under drift. Till skillnad från en spole, vars signal är proportionell mot förändringstakten i flödestäthet, så mäter en hallgivare flödestätheten direkt. Detta gör att det går mäta flödestätheten i luftgapet vid låga varvtal eller till och med vid baxning eller stillastående. Figur 1 visar mätningar från en experimentgenerator där flödet framför en pol avsiktligt har minskats i två steg. Andra sätt att leta efter fel i fältlindningen är att göra isolationstester och impedansmätningar men på grund av säkerhetsskäl och problem med signalöverföring under rotation görs dessa tester normalt på stillastående maskiner. En nackdel med att göra mätningar vid stillestånd är att vissa fel endast uppstår under vid den centrifugalkraft som råder vid driftvarvtal. Nedan beskrivs en metod för att med hallgivare diagnostisera variationer i luftgapsflödet som har sitt ursprung i rotorfel, främst varvkortslutningar i fältlindningen. Mätningarna utförs med fördel vid driftvarvtal. Dynamiska rotoreccentriciteter kan också ge en signal i mätningarna. Roterande mätningar med en givare placerade på en polsko har genomförts i laboratoriemiljö. Mätningar med en roterande givare ger en bild av flödestätheten runt hela luftgapet. 2 Materiel för flödesmätning i luftgap Följande är ett exempel på utrustning som kan användas för att genomföra luftgapsmätningar i avsikt att detektera magnetiska rotorfel. De ingående delarna är lätt tillgängliga. 2.1 Hallgivare De givare som har använts för mätning av flödestätheten drar nytta av halleffekten. Halleffekten gör att elektronerna i en strömförande ledare under inverkan av ett 1

8 Air gap flux density [T] B REF 0.3 B 9.5% B 30% Position [deg] Figur 1: Uppmätt flödestäthet framför en statortand på en tolvpolig generator där flödet framför pol elva har reducerats i två steg. Enheten för flödestäthet är tesla, T. externt magnetfält böjs av och därmed skapar en potentialskillnad över ledaren vinkelrätt mot strömriktningen. I de mätningar som beskrivs här har hallgivare med benämningen HE144P från ASensor Techology AB i Kungsängen använts. Företagets hemsida finns på adressen Databladet ger ett ungefärligt värde för givarnas känslighet [1] och enligt leverantörens hemsida skall signalen vara 0,2 V/T vid matningsspänningen 1 ma. Hallgivarna ger inte 0 V i utspänning vid flödet 0 T utan de har en tomgångsspänning som måste dras bort från mätsignalen för att den verkliga flödestätheten skall kunna beräknas. 2.2 Matning till hallgivare Hallgivarens matningsström alstras med en krets baserad på konstantströmgeneratorn LM334 vilken produceras av ett flertal halvledartillverkare. Strömnivån ställs 2

9 in med hjälp av en resistor mellan benen R och V enligt kretsen i figur 2. Mer information om konstantströmgeneratorn finns i [2]. V + LM334 V 5V + R 82Ω 1000Ω U HALL HE MΩ 1mA Figur 2: Kretsen med strömkälla och hallgivare. För att underlätta inställningen av matningsströmmen väljes med fördel en flervarvig trimpotentiometer till den varierbara resistansen. Kretsen kan matas med batterier eller med ett spänningsaggregat. Används ett nätdrivet spänningsaggregat bör dess stabilitet undersökas. Vid behov monteras en kondensator parallellt med utgången på aggregatet. Det är viktigt att både plusoch minussidan på matningen kan flyta. 2.3 Positionsreferens En positionsreferens för rotorn behövs för tolkning av mätvärdena. En reflextejp på rotoraxeln och en stationär optisk givare är en lösning. Finns redan en optisk eller annan positionsgivare monteras hallgivaren med fördel på samma tangentiella position. Detta minskar risken för fel vid positionsbestämningen av eventuella defekta poler. 2.4 Datainsamlingsutrustning För att spara mätvärdena behövs en analog-till-digitalomvandlare, AD-omvandlare, med minst två kanaler. Den ena kanalen används för positionsgivarens signal och 3

10 den andra för signalen från hallgivaren. Graferna i denna rapport är gjorda utfrån data som samlats in med frekvensen 10 khz. 2.5 Montering För att underlätta arbetet på kraftverket kan en del av monteringen av givarna förberedas Montering av kablar på givaren Givaren lödes med fördel fast på experimentkort med delning 1,27 mm avsett för ytmonterade komponenter och hål för kabelanslutning. För att skydda hallgivaren och få en större vidhäftningsyta mot statorplåten kan detta kort sedan limmas fast på ett stycke kretskortslaminat utan kopparfolie. Ett exempel visas i figur 3. Figur 3: Efter att ha lötts ihop med kablarna via ett mindre kretskort så sätts givaren fast på en bit laminat som ger elektrisk isolation mot statorn och även skyddar givaren och kabelinfästningen. Med det ovan beskrivna tillvägagångssättet blir givaren med isolerande laminat ungefär 5,5 mm hög, se figur 4. 4

11 Figur 4: Tjockleken på den färdiga givaren blir med den här monteringsmetoden ungefär 5,5 mm Montering av givaren på statorn Geometrifel hos generatorn kan göra att magnetiska fel döljs men är felet tillräckligt stort så är en givare tillräckligt för att detektera ett fältlindningsfel. Flera givare på samma tangentiella position kan användas för redundans. Placeras två givare på samma tangentiella position i statorns övre och nedre ände är det möjligt att avgöra om en rotor med dynamisk excentricitet har samma rörelsemönster upptill och nedtill. Ett snabbtorkande lim underlättar monteringen av givaren på statorn. Givaren bör monteras så att de sitter mitt i en statortand tangentiellt och i möjligaste mån även mitt emellan två kylluftskanaler. Är det möjligt så bör givaren placeras ett par plåtpaket från statoränden för att minimera inverkan av ändeffekter på flödet. Figur 5 är en principskiss för hur monteringen bör göras. Den högra givaren i fotografiet i figur 6 är inte lämpligt placerad. 3 Kontroller före mätning Före det att mätningarna påbörjas bör följande kontroller göras. 5

12 Statorhärva Statortand Kylkanal Figur 5: Helst skall hallgivaren monteras mitt på en statortand mitt i plåtpaketet. 3.1 Kontroll av hallgivare med kablar Innan de fyra kablarna från hallgivaren ansluts till matningen och mätutrustningen bör resistansen mellan de olika kablarna kontrolleras för att säkerställa givaren och kablarna inte skadats under monteringen. För HE144 så bör resistansen, oavsett vilka två kablar mätningen sker emellan, vara ungefär 1 kω. Avviker någon av de uppmätta resistanserna med mer än ett par hundra ohm från detta värde är det ett tecken på fel i givaren, någon kabel eller lödningarna. Mätning mellan varje kabel och jord kan också göras för att upptäcka eventuella isolationsfel mellan kablage, givare och stator. 3.2 Kontroll av signalen från positionsgivaren Används en optisk positionsgivare kan dess signal kontrolleras vid stillastående med en bit reflextejp som förs framför givaren. En väl fungerande positionsgivare skall ge en distinkt signal en gång per rotationsvarv. 6

13 Figur 6: Givaren till vänster sitter monterad framför en statortand men hade med fördel kunnat monteras längre från kylkanalen. En del av det undre laminatet sticker ner över kylkanalen och även om det kan påverka luftflödet negativt så har det ingen inverkan på magnetfältsmätningarna. Den högra givaren sitter över en kylkanal och kommer därför inte att mäta ett korrekt flöde. 4 Mätning För att undvika effekter av statorströmmar och mättnad på luftgapsflödet bör mätningarna genomföras vid osynkroniserad drift och ungefär halv märkspänning. Mätningarna bör om möjligt ske vid nominellt varvtal då vissa lindnings- och isolationsfel endast uppstår under inverkan av centrifugalkraften. 5 Tolkning av resultatet Att rita den uppmätta signalen i en graf är ett första steg i analysen av det erhållna mätdatat. Ett exempel med tre olika mätningar visas i figur Magnetisk flödestäthet Den signal som erhålls ur hallgivarna är proportionell mot den magnetiska flödestätheten och i vissa fall går det direkt att se att någon pol är defekt. Flödet i pol elva i figur 1 har ändrats avsiktligt för att visa hur en kortslutning i fältlindningen i en pol påverkar flödestätheten i luftgapet. I många fall är felet mindre och då 7

14 underlättas en jämförelse polerna emellan om absolutvärdet av flödestätheten förs in i en graf. Absolutvärdet från figur 1 visas i figur Air gap flux density [T] B REF B 9.5% B 30% Position [deg] Figur 7: Uppmätt absolutvärde av flödestätheten framför en statortand på en generator där flödet framför pol elva har reducerats i två steg. Försummas magnetiska läckfält måste det totala positiva flödet ut ur norpolerna vara lika stor som det totala negativa flödet in i sydpolerna. För att denna jämvikt skall bestå så leder det reducerade flödet i en pol med lindningsfel till en relativ ökning av flödet i de resterande polerna med samma polaritet som den defekta polen. Effekten kan ses i figur 7 där alla udda poler, utom pol elva, vid 9,5 och 30 procents kortslutning har en högre flödestäthet än mätningen från den oskadade rotorn, den svarta grafen. På generatorer med många poler och vid mindre skador är det inte säkert att denna effekt är synlig då andra asymmetrier i rotorn också ger upphov till variationer i flödestätheten. En defekt pol leder också till att det totala flödet i luftgapet minskar och det visas av att alla poler med motsatt polaritet som den defekta polen, de med jämna nummer i figur 7, har en lägre flödestäthet än referensvärdet. 8

15 5.2 Magnetiskt flöde En jämförelse polerna emellan underlättas ytterligare av att flödestätheten integreras över varje pols area så att flödet per pol erhålls. Detta flöde kan sedan visas som ett stapeldiagram. Ett exempel där flödet på en fyrtiopolig generator har integrerats per pol under tre rotorvarv visas i figur 8. Har det integrerade flödet en vågformig profil som i denna graf är det troligt att mönstret orsakas av en dynamisk rotorexcentricitet och inte något magnetiskt fel hos rotorn. Figur 8: Exempel på ett analysprogram för flöde och flödestäthet. Här visas flödet per pol för en maskin med 40 poler. Magnetiskt flöde mäts i weber, Wb. De höga staplarna visar varvmarkeringen. 5.3 Orsaker till reducerat flöde Normalt beror minskat flöde i en pol på att isolationen mellan två eller flera varv i fältlindningen är skadade. Detta leder till att strömmen tar den nya kortare vägen och inte går genom alla varv i lindningen, med ett lägre magnetisering av polen som följd. En specialvariant av isolationsfel är då strömmen tar en annan väg en den avsedda mellan två poler. 9

16 Figur 9 visar en generator där strömmen inte gick genom överkopplingen mellan pol 13 och 14 utan i stället tog vägen via ett främmande föremål som satt inkilat mellan polerna. Endast en liten del av lindningsvarven på de båda polerna ingick därför i fältlindningskretsen. Då kontakt mellan det främmande föremålet och de båda polernas lindningar enbart uppstod vid drift upptäcktes felet inte vid impedansmätning i stillestånd Flödestäthet [T] Pol Figur 9: Uppmätt absolutvärde av flödestätheten på en generator där det ett främmande föremål mellan två poler skapade en alternativ väg för fältströmmen. 5.4 Känslighet En tioprocentig varvkortslutning, till exempel en kortslutning på en pol med tio fältlindningsvarv, har både i beräkningar och mätningar visat sig ge en nästan lika stor reduktion av flödestätheten. Således bidrar de friska angränsande polerna i ytterst begränsad omfattning till att bibehålla flödet i den skadade polen. En analytisk metod för att undersöka konsekvenserna av olika grad av fältlindningsfel beskrivs i bilaga B. 10

17 Referenser [1] Hoeben Electronics. HE144 series analog hall sensors. /productdata/datasheet-he pdf, 2013, accessed 31 May [2] National Semiconductor. LM134/LM234/LM334 3-Terminal Adjustable Current Sources. Datasheet, March A Uträkning av obalanskraften Flödetstätheten, B, som visas i figur 7 kan integreras per pol för att erhålla flödet, Φ, per pol. Ett exempel på där det har gjorts, för en annan generator, visas i figur 8. Den genomsnittliga flödestätheten för en hel pol, inklusive två halva polluckor, fås genom att flödet divideras med arean för polen, inklusive de två halva polluckorna som hör till polen. B pol = Φ A pol (1) Där strecket ovanför B indikerar medelvärdet för den polen. Arean beräknas som därd är statorns innerdiameter ochlär plåtlängden. Den magnetiska kraften i en pol beräknas enligt A pol = DπL n poler (2) F pol = B 2 2µ 0 A pol. (3) därµ 0 är den magnetiska permeabiliteten i vakuum, 4π Storleken på den oscillerande kraft som en skadad pol ger upphov till fås genom att kraften för den skadade polen, uträknad enligt ovan, subtraheras från motsvarande kraft från en frisk pol. 11

18 B Magnetisk kretsekvivalent Den magnetiska kretsen för en synkrongenerator kan beskrivas analogt med en elektrisk krets där polernas fältlindingar representeras av spänningskällor och reluktansen i rotorns metall och luftgapet representeras av resistanser. De magnetiska flödena i olika delar av generatorn motsvaras av de strömmar som flyter i kretsen. En krets för en tolvpolig generator visas i figur 10. För att analysera effekten av en fältlindingsskada kan en av spänningskällorna ges en lägre spänning. Flödet i de olika polerna kan sedan beräknas analogt med hur strömmen skulle ha beräknats i en elektrisk krets. R s φ j R s φ j R s φ j R s φ j R s φ j φ 6 R δ φ 10 R δ φ 11 R δ φ 12 R δ φ 5 R δ M 6 M 10 M 11 M 12 M 5 Figur 10: Den magnetiska kretsen i en generator kan modelleras på samma sätt som en elektrisk krets. Det uträknade flödet kan sedan analyseras på samma sätt som diskuterats ovan, se figur

19 120 Flöde per pol Flöde [Wb] Pol Figur 11: Uträknat flöde på en tolvpolig generator där flödet i en pol har reducerats med 10 procent. Effekten att polerna med samma polaritet som den skadade polen, udda nummer, får ett ökat flöde syns här tydligt. Den röda linjen visar flödet per pol utan någon skadad pol. 13

20