CN101101320B - 发电机多功能传感器系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于发电机(12)的多功能传感器系统(10)包含压电振荡传感器(16)，电阻温度和部分放电传感器(16)(可能与压电振荡传感器集成在一起)，以及包围振荡、电阻温度和部分放电传感器的封装。

Description

发电机多功能传感器系统
技术领域
这个发明一般涉及状态评估，尤其涉及发电机(electricalmachine)的状态评估。 
背景技术
许多不同类型的发电机使用绝缘的电导体。例如电动机和发生器通常包含绕线转子和定子或可能包含预成型的绕组和线圈。导体典型用来传送电流或者是利用这些电流的流动产生磁场。绝缘系统把导体和绕组彼此隔离，以及与组装系统中其它相邻部件隔开。这样的绝缘系统可能包含各种绝缘漆系统、胶带、涂层和套管。绝缘系统的完整性对装有它们的电气设备的可靠性和寿命预期而言很重要。 
评估绝缘状态的离线方法包括过电压、高电位、高电压斜坡测试，绝缘电阻或极化指数测试、电涌测试、耗散因数测试、以及被称为“介损(tan delta)”或叫做功率因子测试，和离线部分放电测试。传统的离线技术可能是侵入式和代价昂贵的，因为发电机必须关闭并且停止服务来进行必需的诊断测试。 
也存在几个在线测量技术可以用于监视绕组绝缘状态。像振动测量和温度测量技术只是在故障发生之后才能检测到严重的故障情况，导致主动维护和管理工作存在困难。部分放电分析检测技术能够检测到早期绝缘退化的症状，但需要昂贵的专门设备。典型的在线测量技术是组合的，因此不同的灵敏元件和封装用于评估不同的参数。特别地，电阻温度传感器(resistive temperature sensor)通常包括在绝缘基上缠绕的导线，该绝缘基被缠绕然后被模压(mold)。这导致了其封装庞大并且和其它传感器封装不容易集成在一起。 
发明内容
希望提供一种评估发电机状态的多功能传感器系统。 
简要来说，依照一个实施例，用于发电机的多功能传感器系统包含：压电振荡传感器、电阻温度和部分放电传感器以及包围这些传感器的封装。 
依照另一个实施例，用于发电机的多功能传感器系统包含：集成 的压电振荡、部分放电和电阻温度传感器，其包括包含两个相反面的压电基片、覆盖第一相反面的第一侧电极、覆盖第二相反面的第二侧电极；选择性地耦接第一和第二侧电极的电缆；以及包围传感器的封装。 
依照另一个实施例，发电机包含：定子，包括定子槽和位于定子槽中的定子线棒；位于定子槽内的传感器系统，其包含压电振荡传感器、电阻温度和部分放电传感器，以及包围压电振荡传感器、电阻温度和部分放电传感器的封装。 
附图说明
通过参考附图阅读后面的详细说明，可以更好的理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，贯穿附图相似的标号表示相似的部件： 
图1是依照本发明的一个实施例的多功能传感器系统的框图。 
图2和图3分别是依照本发明的另外一个实施例的多功能传感器系统的侧视图和透视图。 
图4到图8是不同电极结构的示意图。 
图9是依照本发明的另外一个实施例的多功能传感器系统的透视图。 
图10是依照本发明的另外一个实施例的多功能传感器系统的侧视图。 
图11和12是依照本发明的其它实施例的发电机定子的侧视截面图。 
具体实施方式
图1是依照本发明的一个实施例的多功能传感器系统10的框图。传感器系统10相对于发电机12定位，通常通过电缆30和32将信号发送到处理器14。传感器系统10可以通过插入或者安装定位到机器12上的一个指定位置以便机器运作时进行感测。 
传感器系统10被配置为对机器进行振动、温度和部分放电感测。在一个实施例中，传感器系统10的厚度为小于或等于10毫米。在其它或者替代实施例中，可使用一个集成的传感器来感测振动、温度和部分放电。 
图2和图3分别是依照本发明的一个特定实施例的多功能传感器系统的侧视图和透视图，其中传感器系统10包含压电振荡传感器16、 电阻温度和部分放电传感器16和包围这些传感器的封装18。 
封装18可由任何一种结构上合适的电绝缘材料组成，例如包含玻璃和环氧树脂或聚酯的一种合成物。封装18的高度随将插入该传感器系统的空间的不同而变化，一般厚度小于或等于10毫米。对于一些应用而言，封装18的厚度小于或等于5毫米。在一个例子中，封装的长度至少是30厘米而宽度属于从1厘米到10厘米的范围。 
在图2和图3的实施例中，压电振荡传感器和电阻温度、部分放电传感器集成在一起，组成一个集成的传感器16。更详细地说，该集成的传感器包括包含两个相反面26和28的压电基片20、覆盖第一相反面26的第一侧电极22、覆盖第二相反面28的第二侧电极24。 
压电基片20可以包含任何适当的压电材料，在一个实施例中，包含嵌入在介电材料中的压电纤维21。在一个特定的实施例中，压电纤维21包括陶瓷纤维或者单晶体纤维，或者它们的混合体，基片20的介电薄膜材料由就像聚酰亚胺这样的聚合体组成。在一个可选的实施例中，就像图9中表示的那样，压电基片120包含一个单片基片。在任一个实施例中，任何适当的压电材料都可以使用，例如聚偏二氟乙烯和锆钛酸铅。在一个实施例中，压电基片的厚度在100微米到500微米之间。在一个更加特定的实例中，压电基片的厚度在200微米到300微米之间。 
电极22和24包括任何适当的电导体材料，在一个实施例中包括铜。在一个实例中，电极的厚度在5微米到200微米之间。在一个更加特定的例子中，电极的厚度在10到15微米之间。电极22(如果需要的话以及电极24)可以是未构图的(unpatterned)(一张薄片)或者可参考图4到图8的许多非限制性例子的多种变化的其中任何一种构图。 
传感器系统10可能还包含同轴电缆。在图2的实施例中，第一同轴电缆30和第二侧电极24以及第一侧电极22的第一端34相连，第二根同轴电缆32和第二侧电极24以及第一侧电极22的第二端36相连。使用同轴电缆时，这些电缆一般有一个中心导体，与外部导体通过绝缘分离。尽管为了举例而示出两根同轴电缆，但是同轴电缆不是必需的。在另外一个例子中(没有示出)，可以选用3到4根不连续的电缆替代。 
读取多种参数可同时或者并行地通过多路复用或者过滤获得。对于温度感测而言，相应的信号线是连接到第一侧电极22的第一端34和第2端36的电缆。在测量结果直流(DC)电压(是温度的函数)之前，电流(毫安级的)被注入到电缆中。对于振动感测，相应的信号线是连接到第一侧电极22和第二侧电极24的电缆。压电材料中的应变(strain)使在电极中与振动成比例地产生了电荷，并且在从10Hz到10MHz的频谱可见，但是通常情况下是在从100Hz到10kHz的范围内变化。振动可能是一个低频也可能是一个高频振动，取决于是否振动是常规类型的振动(低频)或者是碰撞或是震动类型的震动(高频)。对于部分放电的分析，相应的信号线是连接第一侧电极22的第一端34和第二端36的电缆。部分放电关注的通常是MHz到数十MHz的频谱。 
图4到图8是不同电板结构的示意图。期望但是不要求至少一个电极(为了举例在第一侧电极22中示出的)被构图。另一个用作接地面的电极，也是可能构图或未构图的。图5示出了一个可能补充图4中的实施例的，拥有第一侧和第二侧电极平行设置的第二侧电极124的电位模式。 
在一个更加特定的实施例中，第一侧电极可能由一个蜿蜒形状组成。在这里，“蜿蜒形状”是意指摆动穿过压电纤维21的形状。例如，图4中示出的方波电极122，图6中示出的三角波形电极222，图7中示出的正弦波形电极322。在使用压电纤维的时候，如果通过电极的电流是用来制造被测量的应变，即使不使用蜿蜒的电极形状，至少电极的一部分需要穿过它们。 
上述的例子是用来举例说明。就像上面提到的，没有什么模式是必需的。而且，其它替代的模式也是可以使用的。在图8中示出另外一个示例电极形状，其包括交叉阴影的电极形状224。 
图9是依照本发明一个实施例的一个多功能传感器系统110的透视图，其中传感器116包含包括两个相反面的压电基片120、面向第一相反面的第一电极422、面向第二相反面的第二电极424。图9的例子进一步示出了连接到第一和第二电极的同轴电缆38、44和46，以及作为封装118保护压电基片、第一和第二电极和同轴电缆的模塑料。在一个实施例里，模塑料由环氧树脂构成。 
图10是依照本发明的一个实施例的包含压电基片120、第一电极422、第二电极424的多功能传感器系统210的透视图，其中第一和第二电极422和424位置与压电基片120相邻。图10的实施例还进一步包含位于第二基片220上的一个第二基片220和第三电极522。在一个更加特定的实施例中，第二电极424包括在压电基片120和第二基片220之间的接地面，压电振荡传感器216包括压电基片120以及第一和第二基片422和424，电阻温度和部分放电传感器316包括第二基片220以及第二和第三电极424、522。接地面可以应用在第二基片或者压电基片上。封装(未示出)应用在传感器周边，可由在我们讨论过在图2和图3中的封装18以及图9中的封装118的任何适合的材料组成。 
图11和图12是依照本发明另一个实施例的发电机定子的侧面截面图。在这些实施例中，一个发电机112或者212，包含包括定子槽62和位于其中的定子线棒64和66的定子，以及安装在定子槽中的传感器系统310或410。两个定子线棒在图示中位于同一个定子槽内，但是这种构造不是必需的。传感器系统包括压电振荡传感器、电阻温度和部分放电传感器和将这些传感器封在一起的封装(例如在图2、9和10中示出的)。 
在图11更加特定的例子中，定子更进一步包含放置在定子槽中的定子楔68，以及放置在定子槽中、位于定子楔和定子线棒之间的传感器系统310。在图12更加特定的例子中，传感器系统410被放置在定子槽中两个相邻的定子线棒之间。 
在此，仅仅是本发明一些特定的特征被图示和描述，对于技术人员来说还会发生一些修正或者更改的情形。因此，应理解后面附加的权利要求是为了包含所有的属于本发明精神的修正或更改。 
部件列表 
10，110，210，310，410  传感器系统 
12，112，212  发电机 
14  处理器 
16，116，216，316  传感器 
18，118  封装 
20，120，220  基片 
21  纤维 
22，122，222，322，422，522  电极 
24，124，224，424  电极 
26  表面 
28  表面 
30  电缆 
32  电缆 
34  端 
36  端 
38  电缆 
40  基片 
42  电极 
44  电缆 
46  电缆 
60  定子 
62  定子槽 
64  定子线棒 
66  定子线棒 
68  定子楔 

Claims (10)

1.一种用于发电机的多功能传感器系统，包含：
压电振荡传感器；
电阻温度和部分放电传感器，其中所述压电振荡传感器与所述电阻温度和部分放电传感器集成在一起以组成集成的传感器，所述集成的传感器包括包含两个相反面的压电基片、覆盖第一相反面的第一侧电极、覆盖第二相反面的第二侧电极；
包围压电振荡传感器、电阻温度和部分放电传感器的封装，以及
两个同轴电缆，该两个同轴电缆包括第一同轴电缆和第二同轴电缆，第一同轴电缆耦接到第二侧电极和第一侧电极的第一端，第二同轴电缆耦接到第二侧电极和第一侧电极的第二端。
2.如权利要求1所述的传感器系统，其中所述封装的厚度小于或等于10毫米。
3.如权利要求1所述的传感器系统，其中第一侧电极包括蜿蜒形状。
4.如权利要求1所述的传感器系统，其中所述压电基片包括聚偏二氟乙烯或锆钛酸铅。
5.如权利要求1所述的传感器系统，进一步包含用于保护压电基片、第一和第二电极以及同轴电缆的模塑料。
6.如权利要求1所述的传感器系统，进一步包含第二基片和位于第二基片上的第三电极。
7.一种用于发电机的多功能传感器系统，包含：
包括两个相反面的压电基片；
面向第一相反面的第一电极；
面向第二相反面的第二电极；
第二基片；
位于第二基片上的第三电极，
选择性地耦接到第一电极、第二电极和第三电极的电缆；
其中第二电极包括位于压电基片和第二基片之间的接地面，
其中压电基片以及第一电极和第二电极包括压电振荡传感器，以及
其中第二基片以及第二电极和第三电极包括电阻温度和部分放 电传感器。
8.一种用于发电机的多功能传感器系统，包含：
集成的压电振荡、电阻温度和部分放电传感器，其包含包括两个相反面的压电基片、覆盖第一相反面的第一侧电极、覆盖第二相反面的第二侧电极，其中第一侧电极包括蜿蜒形状；
选择性地耦接到第一和第二侧电极的电缆；以及
包围传感器的封装。
9.如权利要求8所述的传感器系统，其中所述蜿蜒形状包括方波、三角波、或曲形波。
10.如权利要求8所述的传感器系统，其中所述压电基片选自单片压电基片和嵌入纤维压电基片的组。 
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