CN1013152B - 利用转子轴电压的铁芯监测器 - Google Patents

Abstract

该监测器利用监测在转子(14)两端的差分轴电压产生代表铁芯(12)故障变化的电压信号，检测铁芯中铁磁材料叠片绝缘正在损坏处的热点区，利用随时的信号采样，铁芯的损坏就能被检测出来。

Description

本发明涉及一种能使发电机在出现严重损坏前将其从运行中切除的发电机铁芯监测器，更专门地，是涉及利用监测跨在发电机转子上出现的电压来检测铁芯热点区的发展。

一种现代发电机8包括在铁芯12内部转动的转子14，而在铁芯12上浇制了铁芯的绕组13，如图1所示，大发电机的叠片铁芯12是使用铁磁材料受绝缘处理的薄片被加压固定在一起的。该铁磁材料板表面的绝缘避免了大的环流的涡流电流的形成，它是由于在铁芯12中由转子14产生的磁通的急剧变化可能产生出来的。当这种绝缘损坏并使绝缘着的铁磁材料片形成短路时，就在铁芯12中感应出大的环流的涡流电流。结果产生的热I²R又加迅了该绝缘的损坏，反过来它又导致了更大的涡流。由于铁芯12的熔化就迅速造成了发电机铁芯12的严重损坏。该熔化的铁芯12也就能损及绕组13，就造成了非常大代价的发电机损坏。如果在转子14与铁芯12之间形成电弧，转子14也可能遇到严重损坏。

现有技术中的发电机铁芯监测器在监测发电机铁芯损坏上效率低，因为其监测机构是基于检测在通过铁芯与绕组、循环的氢冷却剂的循环气体中特殊物质的出现构成的，一个现代的铁芯包括无机的绝缘层，当其损坏或过热时只产生少量的特殊物质。在现代发电机中的特殊物质，当其产生时，仅在一个短暂时间中出现，它与氢气不规则地混合在一起并且仅以很小的浓度出现，故可靠地测量它是困难的。检测到的特殊物质的量级与铁芯损坏的严重程度之间的关系一般地说还未弄清，因而使得电网运行的损坏实际上无法评价。

另一种现有技术利用对发电机的温度测量来确定铁芯的问题。由于发电机温度的变化慢，甚至在铁芯具有熔化的热点区时也是如此，这种技术也不可能快速地识别故障问题。

坚实的铁芯的损坏的修理是非常昂贵的，因为铁芯需重绕绕组，总之故障的早期检测是必须的。

本发明的目的在于：在发电机铁芯严重损坏形成前可靠地检测绝缘损坏的发展，并允许当发电机在线运行时，及其损坏正在发生时估价由于铁芯破损造成的铁芯的损坏情况，以便在铁芯热点区正在发展时能预报其损坏程度及预报可能出现灾难性的损坏。

鉴于这个发明目的，本发明涉及的是具有转子轴及机座的发电机使用的发电机铁芯监控器，它包括：与转子轴和第一及第二端接触的第一及第二轴刷;其特征为一个与所述第一及第二轴刷相连接的主差分放大器;一个与所述差分放大器相连接的模数转换器;及一个与所述模数转换器相连接的计算机，以便产生由所述第一及第二轴刷和机座上相邻的部件形成的电压之间的电压差的一个现时电压信号，并计算现时电压信号与在先的电压信号的之间的差及当该差值超过一阈值电压时发出一个警报。该差值轴电压由数模转换器变成一个电压频率 波谱，并被计算机执行富利埃（Fourier）变换的程序。该计算机随时地监控该波谱中这两个分量的变化并在该变化超过一个或多个阈值时产生一个警报。当在转子每一转中差值电压信号时基的不同部分均超过一个阈值电压时该差值电压信号也可用来提供警报。

本发明通过以上对附图中所示最佳实施例（仅作为例子）的描述将会变得更容易理解。其附图为：

图1：发电机8的部件图;

图2：本发明部件的框图;

图3A：在转子轴10的二端之间检测到的实数轴电压的波谱图;

图3B：在转子轴10二端之间检测到的虚数轴电压的波谱图;

图3C：轴10差值电压的时域图;及

图4：本发明的另一实施例。

在大型涡轮发电机中轴电位有四种来源：1）在发电机中转移的静电电荷;2）激磁机部件及轴之间的电容耦合电压;3）沿轴集合在一起的正常磁场分量引起的同极电压;4）由于发电机铁芯12的轻微不对称或不整齐形成的不对称电压，前二种轴电压来源能够用与轴串联的高阻抗电压源表示。在有效的轴接地的系统上，非常低的轴电抗使得这两种电压在沿整个轴的长度上减少至零。即使它们不下降到零，利用本发明的差分电压测量也可消除它们。第三及第四种轴电压源是低阻抗源，它们不能在沿整个轴的长度上减少至零，而仅仅在单电刷或铜编织成的轴接地点上才为零。利用在转子14安装到发电机中以前对转子14去磁可使同极电压沿轴向下降到非常低的数值。

第四种轴电压源即不对称电压是由发电机铁芯12的磁不对称沿发电机轴及机座产生出来的，转子磁场从北极离开转子14经过气隙到铁芯12上，再分成二个磁通路径（如端部视图中的左及右磁路），如图1所示。这两个磁路绕铁芯12经过了180°的周界，在相反方向上，它们会合在一起，再经过气隙进入到转子14的南极。于是就形成了与转子14转动的二个反向绕行的磁路环。在发电机铁芯12中的这二个相反方向的半环形磁场对称地围绕着转子14轴（该轴的图1中未示出）。如果发电机铁芯12的磁性上是非常均匀的，也就是说铁芯12未包含损伤或不整齐性，则这二个磁场、当它们与轴一起转动时在数值上是相等的而在方向上是相反的，在发电机铁芯12内部及围绕转子轴10的闭合环路中不存在任何磁通。右手法则的反演进而表明沿转子轴将不感应出相应的电压。

在现实中，由于绝缘的铁磁材料的设计，以及由于在允许公差中的制造偏差，通过发电机铁芯12中二个磁路的磁阻是不同的，并且相对于转动的轴及相对于时间变化。在发电机铁芯12中的来自于转子14的磁通将不平等的分配。在发电机铁芯12内部及围绕轴的闭合环路中就存在一个不为零值的剩余磁通。由右手法则反演就要求在沿轴向感应出电流及产生电压。这个差分轴电压是一个交流信号并且由于它是被不为零的旋转磁通产生的，它包含着发电机运行速度的基波及谐波频率。该时间域信号的复数富利埃（Fourier）变换代表了发电机铁芯12的一个固有特性，它表征在发电机铁芯12内部小的物理的及磁的差异。

当发电机铁芯12的电的（包括短路叠片感应的电流），物理的，或磁的性能由于铁芯的物理损伤变化时，轴的不对称电压的固有特性（差分轴电压的复数富利埃（Fourier）变换）的大变化将被观察到，小的（早期的）损坏将产生出比发电机铁芯制造公差引起的信号电平二倍至三倍的信号，并且这些电压的变化能够被检测出来。由于轴电压另外的源引起的轴信号在本发明的差分测量中被消除，或者由于它们与轴的转动不同步而仅被加入到富利埃（Fourier）变换的噪音中，同极信号是直流电压信号，其结果仅影响电压波谱的直流分量。铁芯损伤与轴不对称电压、完整的铁芯复盖度、及本发明的测量灵敏度之间的相互关系意味着：本发明将提供远远超过现有技术气体铁芯监测器及分布在铁芯上的温度监测技术的能力的对发电机铁芯12的在电网运行监控的有效工具。

本发明，如图2所示，使用由标准弹簧偏置的轴刷20及22对降落在转子轴两端16及18上的转子轴电压差进行测量，提供了发电机铁芯12损伤的在线及持续的检测。双重屏闭的高阻抗差分隔离放大器24及26，例如从Analog    Devices公司可购到的型号AD293的器件，它们与轴刷20及22连接并在电机座上接地。接地连接应在接近刷与轴 的接触点处以便最大程度地减少环路磁通的感应。与放大器24及26相同型号的第三个差分放大器28被用来产生轴的差分电压。放大器28的输出传送到一个模数转换器30，如从Analog    Devices公司可购到的型号AD7574的器件，它能够适于使计算机32实现差分电压的富里埃（Fourier）变换。一种IBM    AT型微计算机是合适的计算机32。富里埃（Fourier）变换的算法是可以在个人小型计算机上运算的算法，它对本技术领域的一般技术人员是有利的。如果使用以Motorola6800为基础的微计算机的话，则由罗德（Lord）公开的一种FFT程序“Fast    Fourier    For    the    6800”（Byte杂志1979年2月第108至119页）是一种合适的程序。轴不对称电压信号在时域轴不对称电压信号的持续富里埃（Fourier）变换中利用它们的谐波与发电机运行速度的关系来识别。

该富里埃（Fourier）变换代表了铁芯的一种固有特性并反映了发电机铁芯12内部的不对称程序及性质。波谱中的小峰值是与铁芯的结构有关的，而不对称度是与制造中的偏离有关的。轴电压信号的实数与虚数分量波谱的例子表示在图3A及3B上。由于故障引起的铁芯12的变化能够用这些波谱中的一个或二个发电机谐波分量的相应增长来识别。本发明持续地将一个或二个波谱中的各种频率分量的幅度及/或相对幅度进行比较，并比较新的分量，用以在故障开始时就能定质定量地检测出发电机铁芯故障来。这种故障发展或增长也可以利用对波谱变化的仪器分析或人工分析来决定。故障的检测也可以在时域中利用将轴的每一转的差分电压信号分成多个区段，如图3C中所示，并用与检测波谐变化相同的方法检测这些相对时间的时域信号的这些区段中的变化。

例如，在一个自动分析系统中，当发电机首次投入电网运行时，铁芯12的波谱固有特性就产生出来或时域转动固有特性就产生出来。最初的固有特性曲线被例如高出百分之十的触发器阈值围绕着。对于图3A所示的固有特性曲线，其最高实数频率波谱的峰值发生在78伏左右，其中阈值中的一个将为858伏。如果这个点上采样波谱与阈值相交，则计算机32产生一个警报并向电厂操作人员告警。如果该波谱的变化大时，电厂操作人员可能立即将发电机从电网运行中切除，或者启动监控程序观察这个变化。该监控程序能够储存波谱随时间的变化并且提供出一个表示变化率的图表。由该变化率可以确定故障的增长并且能够由此作出是否将发电机从电网运行中切除的决定。用与此相同的方式，可对整个波谱设立多个阈值，则波谐任一部分中的变化将告警给操作人员。用同样的方法，图3B中的虚数的波谱或图3C中的时域信号也可使用来检测这些变化。

因为铁芯热点区可能发展相当快，故最好选几秒钟的分析周期，以保证快速检测。由于信号波谱具有从OHz到1000Hz的带宽，使用每秒钟至少采样2000次的模数转换器30是必要的。前面所述的模数转换器对于这个采样速率是足以胜任的。一个为0.0005秒的采样周期对于精确地产生发电机固有特性是足够的。

本发明的另一个实施例是较便宜的，对检测非常小的变化能力较小，但是能够监控铁芯12中的快速变化，它如图4所示。放大器28产生的差分信号传送给一组带通滤波器34，它们将固有特性中选择的峰值进行分离。适合的音频带宽滤波器可从EXAR公司得到。滤波器34的输出利用一个模拟量的多路转换器36，例如Analog    Devices公司的AD7501器件，多路传送给一模数转换器30，计算机32只需监测有限数目点的变化。就不需要相对耗时的富里埃（Fourier）变换的计算法，该模数转换器30的输出仅需与阈值进行比较。如果专门的铁芯12能仅利用非常少数目的频率分量表示的话，则可不采用计算机32而可用一模拟量阈值装置取代。

本发明不仅能够快速地及精确地检测铁芯12中的变化，而且也能够当发电机8仍然在电网运行时评价铁芯12的损坏程序，并当发电机仍保持在电网运行时能预告进一步的损坏。例如，利用对损坏的变化及进一步损坏之间的相互关系的认识，就能认识专门的损坏发展模式及如果不采取矫正行动亦可预期到后果。当本发明的输出与另外的铁芯监测技术相互联系时，在铁芯12损坏方面的控制就可获得重大的改进。也可应用本技术监控转子14，转子绕组以及定子绕组的状态。本发明也可应用于大型电动机。

根据本发明的铁芯监控技术其复杂性小，成本低，并且不界入电机内部，因为它使用了现有的轴 来监制发电机铁芯。此外也不需要使用氢气压力密封及氢气的采样装置。

Claims (4)

1、用于具有转子轴及机座的发电机的铁芯监控器，它包括：与转子轴第一端(16)及第二端(18)接触的第一及第二轴刷(20及22)；其特征在于：一个与第一及第二轴刷(20及22)相连接的主差分放大器(28)；一个与所述差分放大器(28)相连接的模数转换器(30)；一个与所述模数转换器(30)相连接的计算机，以便利用在所述第一及第二轴刷(20及22)及机座附近的部分引起的电压差产生出现时电压信号，并计算现时电压信号与在先的电压信号之间的差，当差值超过一个阈值时产生一个警报；确定第一轴刷(20)电压与附近机座部分电压之间第一电压差的第一差分装置(24)；以及确定第二轴刷(22)电压与附近机座部分电压的第二电压差的第二差分装置(26)；所述第一及第二差分装置与所述主差分放大器(28)相连接，用来确定所述第一及第二电压差之间的差别，第一差分装置(24)包括第一隔离放大器(24)，它与所述第一轴刷及机座相连接，以及第二差分装置包括第二隔离放大器(26)，它与所述第二轴刷(22)及机座相连接。

2、根据权利要求1的监控器，其特征在于：电压信号中包括一个时域信号。

3、根据权利要求1的监控器，其特征在于：电压信号中包括一个电压波谱。

4、根据权利要求1的监控器，其特征在于：所述计算机（32）还用来检测传感电压的时域信号对时间的变化。

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