(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁が現位置にある状態で、電動機または発電機内の固定子バー上の絶縁体の静電容量を測定するための装置において、
伸縮部、および該伸縮部に対して先端部が種々の曲がった形状に維持される曲げ可能な端部を持つ細長い支持棒、及び
前記支持アームの前記端部の前記先端部に取り付けられた静電容量測定プローブ
を備え、
前記プローブは、
前記絶縁体の面に接触するのに適した第１の面を持っている導電性電極パッドと、
前記電極パッドの第２の面に取り付けられていて、流体で満たされたときに膨張するブラダと、
前記電極パッドとは反対側にある、前記ブラダの外側面に取り付けられているプローブ支持板であって、前記プローブにおける前記プローブ支持板の部分が曲げ可能な前記端部の前記先端部に取り付けられているプローブ支持板と、
前記支持板に取外し可能に固定された少なくとも１つのスペーサ板と
を含み、
前記スペーサ板は所定の厚さを有し、１以上の前記スペーサ板が前記支持板に取り付けられることにより、前記プローブの幅が効果的となるよう選択的に変更され、隣り合う固定子バー間で前記電極パッドを前記固定子バーの面に一様に接触させる
ことを特徴とする、固定子バー絶縁体の静電容量測定装置。
【請求項２】
前記支持棒の曲げ可能な端部は、手動で形状変更されるまで特定の曲げ状態に維持されることを特徴とする請求項１に記載の静電容量測定装置。
【請求項３】
界磁が現位置にある状態で、電動機または発電機内の固定子バー上の絶縁体の静電容量を測定するための携帯型測定装置において、
膨張式ブラダに固定された導電性電極を持つ静電容量測定プローブ部、
前記膨張式ブラダを遠隔で膨張又は収縮させる圧力アクチュエータスイッチ箱と、
支持アームと曲げ可能な先端部とを有する静電容量測定プローブ位置決めツール部とを備え、
該支持アームが伸縮部を備え、前記静電容量測定プローブ位置決めツール部は取り外し可能に前記先端部に取り付けられており、
前記携帯型測定装置はさらに、前記先端部に前記静電容量測定プローブ位置決めツール部を取り付けるための、前記先端部に取り外し可能に取り付けられるプローブ支持部を有し、
前記プローブ支持部は、ブラダ支持板と、取り外し可能に取り付けられる所定の厚さの１以上のスペーサ板とを備え、前記１以上のスペーサ板によって前記プローブ部の厚さの変更を可能とする、
ことを特徴とする携帯型測定装置。
【請求項４】
静電容量メータを更に備える、請求項３に記載の携帯型測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に水が接地壁（ｇｒｏｕｎｄｗａｌｌ）絶縁体中に浸入する恐れのある水冷式固定子巻線を検査し評価する方法および装置に関するものであり、更に詳しくは電動機または発電機内の固定子巻線（バー）上の絶縁体の静電容量を、界磁が「現位置」にある状態で（すなわち、電動機または発電機の界磁発生部品を分解し又は取り外すことなく）測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大型の産業用または事業用電動機および発電機では、固定子巻線（これは、電機子巻線としても知られている）は絶縁の完全さを確かめるために時々検査される。各々の固定子巻線は、絶縁層内に包まれた導電性のバーを含む。絶縁体はバー中の電流をバーに閉じこめて、巻線間に電流のアークが発生するのを防止し、また固定子バーを電気的に短絡する恐れのある漂遊物に対して遮蔽を行って、人および装置を保護する。産業用の電動機または発電機に流れる大電流レベルでは、固定子バー上の絶縁体は固定子バーの周りに有効で完全な障壁を提供しなければならない。もし絶縁体が湿気を含むこと等によってその絶縁特性が劣化した場合、電圧アークが固定子バーから絶縁体の劣化した領域を介してジャンプして、人や装置に損傷を与え得る電気的短絡を生じることがある。
【０００３】
固定子バー巻線の絶縁体は、それが劣化しているかどうか、もしそうであればどの程度の劣化であるのかを判定するために、時々検査される。古い水冷式発電機の固定子バーは特に水漏れを生じ易く、定期的に検査および試験を行わなければならない。劣化した接地壁絶縁体を持つ固定子バーを識別するのに非常に信頼性のあることがわかった１つの試験は、固定子バーの静電容量マッピング（ｍａｐｐｉｎｇ）である。絶縁体の誘電率は絶縁特性の目安であるので、固定子バー巻線の絶縁はその誘電率を判定することによって検査することが出来る。絶縁体の誘電率は固定子バーの絶縁体の静電容量を測定することによって算出することが出来る。誘電率は絶縁体中の湿気の量のような状態を示す。湿気を含む絶縁体は水冷式固定子内の水路における漏れを示す。湿気を含む絶縁体は水による損傷を受けていて、有効な絶縁体として機能していない。
【０００４】
全ての絶縁材料はそれぞれ誘電率を有し、その誘電率は電圧が印加されたときに絶縁材料が蓄えるエネルギ量の目安である。空気の誘電率はほぼ１．０であり、水の誘電率はほぼ８０である。ところで固定子巻線用の通常の絶縁材料であるマイカパル（Ｍｉｃａｐａｌ；登録商標）の場合、誘電率はほぼ４（損傷を受けてないとき）である。空気と水と絶縁体との混合物の場合、その測定された静電容量は異なる合成数になる。マイカパル（および他の巻線絶縁体）と水とは誘電率が大きく異なるので、巻線の絶縁体が湿気を含んだとき、その誘電率は比較的大幅に変化する。従って絶縁体の誘電率を測定することは、固定子巻線上の水が浸入した絶縁体を検出するための有効な手段となる。
【０００５】
固定子絶縁体の誘電率は、絶縁体の両面間で測定した静電容量値を使用して算出することが出来る。静電容量と誘電率とは次の式で記述されるような関係を持つ。
Ｃ＝ｋＤＡ／ｔ
ここで、Ｄは絶縁体の誘電率であり、Ａはプローブ電極の面積であり、ｔは絶縁体の厚さである。
【０００６】
プローブ電極の面積（Ａ）および絶縁体の厚さ（ｔ）が既知の量であり、絶縁体の静電容量（Ｃ）がであるので、絶縁体の誘電率（Ｄ）は上記の式から比較的容易に算出することが出来る。電極と固定子バーの導体との間の絶縁体の静電容量を測定するためにメータが使用される。巻線の各々の固定子バーが鉄心の両端部で測定され、そして統計的解析を使用して、正常な予想される静電容量よりも高い静電容量を持つ固定子バーが識別される。比較的高い静電容量は、絶縁体中に存在する湿気の良好な表示を提供する。
【０００７】
固定子バーの絶縁体の正確な静電容量測定値を得るためには、静電容量測定プローブを隣り合う固定子バーの間の適当な位置へ挿入して、測定しようとする特定の固定子バーの絶縁面に対して電極をしっかりと押し付ける必要がある。このようにして、特定の電動機または発電機について絶縁体の静電容量のマッピングを作成し、それを使用して、損傷を受けた又は欠陥のある絶縁体を持つ固定子バー識別することが可能になる。その結果、このような測定を行う際の精度および容易さを改善するために膨張式ブラダ（ｂｌａｄｄｅｒ）を備えた特別な静電容量プローブが開発された。この開発された特別な静電容量プローブは米国特許第５，５４６，００８号明細書に記載されている。残念なことに、このようなプローブを使用した静電容量マッピングには、サービス技術者がプローブを隣り合う固定子バーの間の所望の位置に挿入して適切の位置決めために固定子バーに接近できるように、発電機を分解して界磁発生部品（すなわち回転子）を取り外すことが必要であった。大型の電動機または発電機から界磁発生部品を取り外すことは経費および時間のかかる作業であるので、静電容量マッピングは通常は保守または検査の最後に行われる手順であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、発電機および電動機に対して固定子バー検査および静電容量マッピングを行う時間および経費を低減する要求を満足させるために、発電機または電動機の分解を少なくするように界磁が「現位置」の状態で（すなわち、所定の位置に配置されている状態で）固定子バーを覆う絶縁体の静電容量を測定できるように開発された改良検査方法および静電容量マッピング装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
静電容量マッピング装置は幾つかの診断用ツール（ｔｏｏｌ）を含み、その内の１つは静電容量プローブ・ツールであり、これは、（上記の米国特許明細書に記載のような形式の膨張式電極ブラダを使用する）改良された静電容量プローブ・ヘッド構造および遠隔位置からプローブ・ヘッドを固定子バー相互の間に正確に位置決めする（従って、電動機または発電機の界磁発生部品を取り除く必要性を無くす）ための融通性のあるプローブ・ヘッド支持アームを有する静電容量プローブ・ツールである。更に、静電容量マッピング装置は、１つ以上の圧力調整（降圧）弁、小型の携帯型圧力調整アクチュエータ装置（これは使用者のベルトに便利に取り付けし得る）、静電容量メータ、種々の長さの適当な電気ケーブルおよび空気ホースを含む。静電容量プローブ・ツールは、テレスコープ部すなわち伸縮部および曲げ可能で回転可能な関節連結先端部を持つ細長い棒（または支持アーム）を有する。改良された静電容量測定プローブ・ヘッド構造は、支持アームの関節連結先端部の端に取り付けられる。関節連結先端部は、手動で形状変更されるまで特定の所望の形状の曲がった状態に維持される。改良プローブ・ヘッドはブラダ支持板を含み、このブラダ支持板はスペーサとして作用し、且つ１つ以上の付加的なスペーサ板を受け入れてプローブ・ヘッド構造の全体の幅を変更できるようになっている。プローブ・ヘッド支持アームはまた、プローブ電極から遠隔の電気メータまでの電気ケーブル、およびプローブのブラダを膨張／収縮させるための遠隔流体源へつながる空気ホースを支持する。プローブ・ヘッド支持アームはまた、小型ＴＶカメラ、伸縮ミラーおよび／または照明用電気ランプに対する取付台を支持する。
【００１０】
本発明の方法によれば、プローブ・ヘッドは、本発明以前では界磁（回転子）を取り外さなければアクセスできなかった所要の測定場所の固定子バー相互の間に検査技術者によって正確に位置決めすることが出来る。このために、伸縮部を適当な長さまで動かし、且つ固定子バー相互の間の位置にプローブ・ヘッドを位置決めできる安定な形状になるように関節連結先端部を曲げおよび／または回転させることによって、静電容量プローブ・ヘッド支持アームを調節する。技術者はプローブ・ヘッドを回転子と固定子（または他の妨害物）との間の適切な測定箇所まで伸長させ、且つ適切な位置決めのためにプローブ・ヘッド組立体を固定子バーに対して適切な向きに維持することが出来る。次いで、プローブ電極ブラダを膨張させて、プローブ・ヘッド組立体を隣り合う固定子バーの間の所定の位置にしっかりと係留させ、これによりプローブ電極を固定子バー絶縁体と所望の測定点で完全に接触させる。プローブ電極ブラダを膨張および収縮させるために圧力／真空源を遠隔制御するための携帯型アクチュエータが設けられ、これにより技術者は位置を変える必要がない。このプロセスは各々の固定子バーに対して繰り返され、測定された静電容量値は記録される。静電容量値のヒストグラムが作成され、それを使用して、欠陥のある絶縁体を持つ疑いのある固定子バーを識別する。特定の電動機または発電機に対して測定した平均値よりも４標準偏差以上大きいものであると判明した静電容量値が、疑いのあるものであると見なされる。本発明の「現位置」検査装置および方法を使用すると、発電機（または電動機）の分解および検査に伴う危険およびコストが大幅に低減される。
【００１１】
本発明のこれらの及び他の特徴および利点は、添付の図面を参照した以下の説明から最も良く理解されよう。
【００１２】
【発明の好ましい実施の形態】
以下の説明においては、本発明の完全な理解が得られるようにするために、本発明を限定するのではなく説明の目的で、特定の回路、回路部品、インターフェース、技術等について詳しく述べる。しかしながら、これらの特定の細部とは異なる態様で本発明を実施し得ることは当業者には明らかであろう。また場合によっては、周知の方法、プログラミング手順、装置および回路についての詳しい説明は省略して、この不可欠でない細部によって本発明が不明瞭にならないようにする。
【００１３】
図１は、本発明に従って使用されるように現位置（ｉｎ  ｓｉｔｕ）静電容量マッピング・ツールをサービス技術者によって隣り合う発電機固定子バーの間に位置決めする例を示す。大型の発電機１００の一方の端部が図示されており、界磁発生部品すなわち回転子１０２が破線で示してある。固定子バー巻線１０３発電機１００の本体の内周面に整列している。回転子１０２が存在し且つ回転子が固定子バー巻線に接近しているので、隣り合う固定子バーの間の空間にアクセスできないことが多い。しかし、熟練した技術者は通常は発電機の回転子部品と固定子部品との間の狭い空間内を凝視することによって所望の静電容量測定点を突き止めることが出来る。本発明によれば、現場技術者１０５は、静電容量測定ツールの支持アーム１０４を適当な長さに伸ばして、該ツールのプローブ端部を回転子１０２と固定子巻線１０３との間の所望の位置まで挿入することによって、発電機１００の本体の固定子巻線と回転子との間の領域にアクセスすることが可能になる。
【００１４】
静電容量マッピング・ツールのプローブ端部は曲げ可能な関節連結部１０６を有する。この関節連結部１０６は、回転子と固定子との間に支持アーム１０４を伸ばす前に固定子バー相互間に容易に挿入するのに便利な向きにプローブ・ヘッドを揃えるために使用し得る。一旦プローブ・ヘッドを隣り合う固定子バーの間に適切に位置決めしたとき、技術者は遠隔圧力制御器／アクチュエータ箱１０７に配置した空気圧（または電気）スイッチを作動して、プローブ・ヘッドと一体の膨張式ブラダを膨らませる。膨張式ブラダの膨張により、プローブ・ヘッドが隣り合う固定子バーの間に所定位置に固定され、従って測定を行うことが出来るようになる。遠隔圧力制御器／アクチュエータ箱１０７は、適切な長さの細い配管（図示していない）を介してプローブ・ヘッドのブラダに接続された遠隔圧力／真空源を制御する。この構成により、技術者はプローブ支持アーム１０４を注意深く操作してプローブ・ヘッドを所定位置に正確に揃え、次いでプローブ・ヘッドの位置または向きを変える必要なくプローブのブラダの膨張／収縮を制御することが可能になる。更に、遠隔圧力／真空源（これは通常嵩張る傾向がある）を充分な空間がある遠隔の場所に配置することが出来る。
【００１５】
ここで図２を参照して、静電容量測定ツールについて詳しく説明する。基本的には、静電容量測定ツールは、伸縮部２０３（図には収縮した状態で示されている）を備えた支持アームまたは棒２０１、およびプローブ・ヘッド部材２０７を支持する曲げ可能で回転可能な関節連結先端部２０５を有する。膨張式ブラダ２０９がプローブ・ヘッド２０７の１つの面に固定されている。膨張式ブラダ２０９は矩形または円形であってよく、基本的にはパンケーキ形である。膨張式ブラダ２０９の開放面には導電性材料または平坦な電極２１１が設けられ、この電極２１１は電気ケーブル２１３を介して遠隔のメータに接続される。膨張式ブラダ２０９は配管２１５を介して遠隔圧力／真空源（図示していない）に結合される。ケーブル留め具２１７などによって配管２１５および電気ケーブル２１３は支持アーム２０１に沿った適当な位置で静電容量マッピング・ツールに固定される。
【００１６】
次いで図３を参照して、図２のプローブ・ヘッド２０７について詳しく説明する。図３では、隣り合う固定子バー３０１および３０２の間に位置決めしたときの、一例の静電容量測定ツールのプローブ・ヘッド３００が断面で示されている。基本的には、プローブ・ヘッドは様々の幅の１つ以上のスペーサ板３０５および３０６を持つ主支持ブロック３０４を有する。スペーサ板はネジ３０７または他の適当な手段によって主支持ブロック３０４に取外し可能に固定されている。主支持ブロック３０４は通常の手段によりプローブ支持アームの関節連結先端部３０８のネジ山付き端部３０９に固定されている。面電極３１１を取り付けた膨張式ブラダ３１０がスペーサ板３０５に取り付けた膨張させてない（収縮した）状態で図示されている。この代わりに、プローブのこのブラダ及び電極構成を主支持ブロック３０４開放面に固定してもよい。膨張式ブラダ３１０の一面をスペーサ板３０５の開放面にヴェルクロ（Ｖｅｌｃｒｏ；登録商標）により又はその他の適当な取付け法により固定し、膨張式ブラダ３１０の反対側の面に面電極３１１を接着して、膨張式ブラダ３１０が配管３１２を介して加圧流体を供給されたときに膨張できるようにする。
【００１７】
スペーサ及びブラダ組立体が隣り合う固定子バーの間に引きずることなくはめ込まれ且つ膨張式ブラダ３１０を（図３に破線で示すように）膨張させたときに面電極３１１の面が固定子バーの絶縁された面に完全に一様に接触するように、適当な厚さの１つ以上のスペーサ板３０６が選択されて付加される。好ましくは、膨張式ブラダ３１０は、測定が行われる度毎に制御された流体圧力源から所定の圧力まで膨張させられる。これにより、面電極３１１の全面が固定子バーの面絶縁体に対して、気球のように膨らむことなく且つ各測定の際に一貫して同じ力で押し付けられるようになる。現在好ましい実施態様では、プローブのブラダは各々の測定でほぼ５ＰＳＩの圧力まで一貫して膨張される。このようにして、ブラダは膨張したとき平坦な形に留まって（気球のように丸く膨らむことなく）、より正確で一貫した測定が行えるようにする。
【００１８】
図４は、多数の固定子巻線静電容量測定値から編集した一例のヒストグラムを示す。多数の固定子バーから取られた静電容量測定値のヒストグラムは、絶縁が損なわれた疑いのある固定子バーについての良好な表示になる。このヒストグラムでは、測定された静電容量値の種々の範囲が、各々の範囲内で生じた測定値の数に対して示されている。破線４０２は、許容可能な静電容量値の上限を表す。一般に、発電機内の殆どの固定子バーに対応する一群の測定値についての平均値よりも４標準偏差以上大きい静電容量値を生じる測定値は、絶縁体に損傷があることを表している。図４に示されている例では、一群の測定値の平均測定値はほぼ６２ピコファラッド（ｐｆ）の範囲にある、列４０１に対応する１３２ｐｆの範囲内にある測定値は、この特定の発電機での平均範囲よりも４標準偏差以上大きい。この種の異常な測定値は特定の測定場所に対して相関させることができ、これを使用して、更に詳しい検査のために疑いのある固定子バーを識別することが出来る。
【００１９】
本発明を最も実用的で好ましいと考えられる実施態様について詳述したが、本発明はこれに限定されず、むしろ特許請求の範囲の真の精神および趣旨の範囲内にある様々な変更および等価な構成を包含するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従ってサービス技術者が現位置静電容量測定装置を隣り合う発電機固定子バーの間に位置決めする様子を示す概略斜視図である。
【図２】本発明による静電容量測定ツールの支持アームの伸縮部および形状変更可能な関節連結部を詳しく示す斜視図である。
【図３】本発明による静電容量測定ツールのプローブ・ヘッド・スペーサ板および膨張式ブラダ構成を詳しく示す断面図である。
【図４】疑わしい損傷した固定子バーを明示する一例の固定子巻線静電容量ヒストグラムである。
【符号の説明】
１００    発電機
１０２    回転子
１０３    固定子巻線
１０４    支持アーム
１０６    関節連結部
１０７    遠隔圧力制御器／アクチュエータ箱
２０１    支持アーム
２０３    伸縮部
２０５    曲げ可能で回転可能な関節連結先端部
２０７    プローブ・ヘッド部材
２０９    膨張式ブラダ
２１１    電極
２１３    電気ケーブル
２１５    配管
３００    静電容量測定プローブ・ヘッド
３０１、３０３    隣り合う固定子バー
３０４    主支持ブロック
３０５、３０６    スペーサ板
３０８    関節連結先端部
３０９    ネジ山付き端部
３１０    膨張式ブラダ
３１１    面電極
【図１】
0004340815.tif 000002
【図２】
0004340815.tif 000003
【図３】
0004340815.tif 000004
【図４】
0004340815.tif 000005