CN101910857B - 监测电动机器的轴的轴电流和/或绝缘的方法及执行该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于监测电动机器(12)，特别是发型发电机和电动机，的轴(13)的轴电流(IW)和/或绝缘的方法，在运行期间，对干涉的敏感度降低，其中，轴(13)上的轴电压(UW)和相关轴电流(IW)被测量，并且，轴电压(UW)和相关轴电流(IW)之间的关系根据电动机器(12)的轴电压(UW)和轴电流(IW)的测量结果来确定，并且，轴电压(UW)被监测以便监测电动机器(12)中的轴电流(IW)，并且，要被监测的轴电流(IW)基于所确定的轴电压(UW)和相关轴电流(IW)之间的关系而从被监测的轴电压(UW)推断出来。

Description

监测电动机器的轴的轴电流和/或绝缘的方法及执行该方法的装置
技术领域
本发明涉及电动机器领域。具体涉及一种用于在运行期间监测电动机器的轴的轴电流和/或绝缘的方法。还具体涉及用于执行所述方法的装置以及分别涉及所述方法和装置的使用和应用。
背景技术
在电动机器例如大型发电机或电动机的运行期间，在轴与壳体或地面之间会产生电压。轴通常在所述机器的一端接地。因为产生的电压，所述轴因此必须在所述机器的另一端与地面绝缘。为此，使用例如绝缘轴承。
如果所述绝缘由于元件故障等等被电传导地桥接，流动在轴中的电流能破坏轴和邻接元件例如轴承。
因此需要检测这种绝缘故障和电流状况的发生，因而能通过适当的手段保护机器免于更大的损坏。
从现有技术中已知(参见文献US-A-6,300,701)轴电流借助于绕轴布置的罗氏线圈(Rogowski coil)来测量，并且轴电流对于预定的最大值被监测。如果超过此预定值，适当的警告会被触发。
基于感应线圈的类似解决方案能用于可商业获得的装置中(例如来自ABB公司的“RARIC”系统或来自VA Tech SAT公司的“DRS Compact 2A”系统)。
上述方法和装置的缺点在于，感应线圈或罗氏线圈不能理想地运行并还产生并非源自穿过轴的电流而是由其它场感应出的信号。来自机器主磁场的杂散场通常产生例如上述的干扰信号。
为了避免由杂散场引起的测量误差，上述的“RARIC”装置可以被设置成使得通过合适的过滤保证仅有所记录信号的第三主谐波得到评估。所述主谐波在这种情况下是其频率是基础主频率整数倍数的信号分量。这基于干扰场主要具有仅基础谐波的假设。这些第三谐波的量级服从于极限值评定。
然而，实际上已经发现，尽管进行了过滤，所述测量仍然对误差高度敏感。这意味着，极限值必须设置得相对较高，以避免错误警报。然而为了避免轴承损坏，应当能可靠地测定轴中的均匀小电流。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种方法和一种装置，其中基于感应线圈或罗氏线圈的轴电流测量的干扰灵敏度显著地降低，并且其允许使用感应线圈对轴电流进行更可靠且因此更灵敏的测量。
所述目的通过权利要求1和14的特征的总体来实现。本发明的中心特征是测量轴上的轴电压和相关轴电流，根据电动机器的轴电压和轴电流的测量结果来确定轴电压和相关轴电流之间的关系，并且监测轴电压以监测电动机器中的轴电流，并且基于所确定的轴电压和相关轴电流之间的关系，根据所监测的轴电压来推断要被监测的轴电流。
在这种情况下，轴电流优选地在轴上被感应地测量，确切地说其借助于绕轴布置的罗氏线圈测量。
根据本发明的方法的一种改进，其特征在于，测量轴电压和相关轴电流的频谱，并且，可被解释为轴接触回路的阻抗函数的传递函数(transferfunction)ZW(jω)＝UW(jω)/IW(jω)被确定为轴电压和相关轴电流之间的关系，并且描述了在频率域内的轴电压和相关轴电流的频谱之间的关系。
具体地，电阻-感应式一阶低通滤波器的结构能被用作该传递函数的简单确定的基础。
甚至于更简单的是将独立于频率的比例因数确定为传递函数，其描述了电动机器的较低频率范围内的轴电压和相关轴电流的频谱之间的关系。
该方法的一种发展的显著特征在于，根据所测量的轴电压，借助于比例因数计算出估算的轴电流，并且，确定以这种方式计算的轴电流的均方根值，并且，在监测轴电流的过程中，所确定的均方根值借助于预定的极限值被评定。
然而，在监测轴电流的过程中比例因数也能借助于预定极限值被直接评定。
本发明的另一个改进特征在于，为了确定比例因数，要根据等式ZW(nω)＝UW(n ω)/IW(nω)通过同量级振幅划分来确定基础频率特别是主频率的奇数编号的谐波的、轴电压的和轴电流的各独立比例因数，并且，最终的估算比例因数通过求中间值(median formation)或求平均值(mean-valueformation)由各独立比例因数的组来获得。
优选地，确定各独立比例因数，直至预定的上限切断频率，具体大约为1000赫兹。
本发明的另一个改进特征在于，确定各独立比例因数的相位角φZ＝φU(nω)-φI(nω)，并且，在求中间值或求平均值之前，其中相位角大大不同于预期值的比例因数基于简单传递函数而被排除。
本发明更进一步的改进特征在于，在轴被绝缘从而没有轴电流流动的某一时刻，来自为轴电流测量而设的测量线圈或罗氏线圈的信号被记录，并且借助于频谱分析确定从干扰场引入的频谱线，并且，在求中间值之前，与具有主干扰振幅值的频率相关的各独立比例因数被从各独立比例因数的组中排除。
本发明的另一个改进的显著特征在于，轴电压的频谱在电动机器的不同负载状态下(例如在监测系统启动时)在没有干涉的情况下被测量仅仅一次，且数值被存储，并且，在电动机器运行期间确定其中电动机器瞬间所处于的负载状态，并且，用各自合适的频谱从内存中读出与此负载状态相对应的数据记录。
根据本发明装置的一个优选的改进的特征在于，处理单元设计为根据轴电压的测量值来计算轴电流，并且，监测单元被连接至处理单元的输出端，以便评估由处理单元计算的结果。
附图说明
下面将参照示例性实施例并结合附图来详细描述本发明，附图中：
图1显示了轴电压UW的测量频谱，在频率轴上的细分是200赫兹；
图2显示了与图1相关的轴电流IW的测量频谱；和
图3显示了根据本发明示例性实施例的监测装置的极其简化的示意图。
具体实施方式
在本发明中，原则上是通过基于轴电压的频谱来评定表征轴电流的所测量信号来实现对轴电流和绝缘的改善监测。
图3示出了所述基本布置的一种典型设计：
用于产生电能的发电机12通过它的轴13被连接至气轮机或蒸汽轮机装置的涡轮11上。轴13在其两端支承在适当的轴承14和15中，两轴承既吸收转子的重量也吸收轴向推力。整个装置放在底板16上。轴13在一端(在图3中的左边)通过接地线19接地。在另一端，该轴以绝缘的方式被支承，以避免轴电流。此绝缘和轴电流通过环绕轴13放置的罗氏(Rogowski)线圈17来监测(以检测与轴电流相关的磁场)，并设有用于使轴电压流出(tap off)的测量刷18。
本方法基于这样的认识：产生可能的轴电流的主要原因为在轴和壳体或地面之间的环路中感应出的轴电压。还已知的是，每个机器具有固有的典型轴电压，该典型轴电压具有仅在各自机器内发生并依赖于机器运行定额点的频谱结构，这就是说例如它不随着时间改变。更进一步的原理是轴电压能以尽可能小的干扰被确定。
进一步的原理基于这样的知识：轴电流在其中流动的回路在较低频率的范围内电阻相当大，并且此外被被电阻-感应地作为低通滤波器。这在测量过程中已经被确认：具体地，已经发现在较低频率范围内(到大约500赫兹)轴电流的频谱与在此负荷点感应的轴电压的频谱是成比例的(具有近似的恒定的因数)(参见图1和2)。所述比例因数可以解释为接触点、接触环路或整个环路的阻抗。
该新颖方法的基本原理是确定轴电压和所测量的轴电流之间的关系。然后能基于已经发现的关系从轴电压测量的测量结果推导出所述轴电流，该轴电压测量结果通常遭受较小的干扰。
在一个优选的实施例中，轴电压图和源自测量线圈的测量信号都要通过傅里叶变换或通过多个带通过滤器而经受频率分析，并且相关的频谱被确定。
两个电压的谐波分析的基础频率在这种情况下优选地为电源电压的基础频率或转子的旋转频率，或它们的整数倍数或因数。然而，也能确定具有短线间隔的近似连续的频谱。优选地确定振幅和相位谱。
因而能执行合适的过滤和估算以得到用来表述在频率域内的轴电压频谱和轴电流频谱之间的关系的传递函数。正如公知的，该传递函数ZW(jω)＝UW(j ω)/IW(jω)表明轴电压和轴电流之间的振幅比和相位畸变，并能被解释为轴接触回路的阻抗函数。
为了估算该传递函数，使用在物理上明显的、可能的和简单的阻抗结构是很有帮助的。在一个优选的实施例中，选择电阻-感应式一阶低通滤波器的结构。
轴电压的频谱仅在通常低于低通滤波器的切断频率的较低频率范围内具有主振幅值这一点允许进一步的简化：在一个优选的实施例中，任务简化为单个的独立于频率的比例因数的估算，该独立于频率的比例因数表述了在较低频率范围内轴电压频谱和轴电流频谱的关系。
该比例因数使得根据轴电压来计算出估算轴电流成为可能，轴电压通常以较小的干扰来记录。估算的轴电流的均方根值然后通过极限值经受评定。在这种情况下，通常通过获得各独立电流谐波的振幅的平方和的平方根，来获得总电流的均方根值。
然而，有利地，所述比例因数也就是接触电阻或绝缘电阻还可被直接地评定。一旦绝缘电阻的极限值是下冲的(undershot)，将发出警告。
举例来说，通过获得轴电压和轴电流的奇数编号的主谐波的各独立比例因数直至达到由同阶振幅划分的大约1000赫兹的频率，来获得所估算的比例因数值ZW(n ω)＝UW(nω)/IW(nω)。结果，估算因数因而由各独立比例因数{ZW(nω)}的组来获得，例如通过求中间值或其他的求平均值获得。在结果方面，求中间值掩住(mask out)了来自其中在电流测定期间以放大形式出现干扰信号的频率范围的测量结果。
此外，还可能确定各独立阻抗值的相位角φZ＝φU(nω)-φI(nω)，以将它们用于干扰抑制。事实上，可以预期例如一阶低通滤波器的简单的阻抗函数。其中相位角与同此函数相应的期望值在很大程度不同的阻抗值可以被排除。然后如上所述进行求中间值过程。
此外，来自测量线圈的信号能在某时刻被记录，在该时刻已知的是轴被绝缘以便没有轴电流流动。因而频谱分析产生明显地从干扰场带入的频谱线。与具有主干扰振幅值的频率相关的阻抗值因而从各阻抗值的组中被排除。然后如上所述进行求中间值过程。
当测定轴电压的频谱时，应当注意的是，感应的轴电压的频谱只取决于各自的负载点，主要取决于机器的真实负载点，而且，在上部负载范围内的频谱甚至保持相当的恒定。还已知的是，在轴电压回路中的电压源的源阻抗是相对较低的，结果，只有较小的压降出现，直到比较高的轴电流。
该知识使得可以在不用的负载状态下仅对轴电压的频谱测量一次(例如当开启监测系统时，最佳地也就是说在没有干涉时)，并储存该数值。在运行期间，必须做的仅是将其中所述机器正瞬时被操作的负载状态传送到监测系统。所述监测系统因而能用各自可应用的频谱从内存中读出与此负载状态相对应的数据记录。
因为在频谱中较小的变化，还可能的是仅储存与多种负载状态相对应的少量的数据记录，例如一个用于空载，一个用于半有效负载，以及一个用于额定有效负载。极端地，例如，只有用于额定负载的频谱被存储。因为轴电压是在环路空载时被确定的，则所确定的阻抗与回路总阻抗相对应。
可替换地，轴电压还可连续测量或与轴电流并联地实时测量。该方法的优点在于，轴电压的连续测量结果还能用于其它的监测任务，例如匝间短路检测、振动测量等等。另外，实际的接触环路阻抗被确定，因为横跨源阻抗的压降也包括在计算结果中。当然，用于测量的附加的复杂性具有不利的影响。
如上已所述，图3显示了具有轴13的发电机12、涡轮11和两个轴承14、15。轴电流借助于罗氏线圈17被测量，轴电压在发电机12的非驱动端通过测量刷(滑动电刷)18来测量。轴13在发电机12的驱动侧接地(接地线19)。处理单元20计算轴电流和绝缘电阻，并循环地发送测量值至相连接的监测单元21，监测单元作为监测和指向(trending)系统运行。
在下述表格中的计算实施例中，在高达1350赫兹的范围内示出了电流和电压频谱的主振幅。阻抗值的中间值被计算出来，并且估算电流的均方根值也被计算出来。
  频率   储存的轴电压   测量的轴电流   计算的电阻   估算的电流   电流的平方
  50   0.283   4.5   0.063   2.653125   7.039072
  150   0.894   9.7   0.092   8.38125   70.24535
  250   0.356   3.7   0.099   3.421875   11.70923
  350   0.077   0.9   0.086   0.721875   0.521104
  450   0.128   1.2   0.107   1.2   1.44
  550   0.208   1.3   0.160   1.95   3.8025
  650   0.017   0.1   0.170   0.159375   0.0254
  750   0.119   0.8   0.149   1.115625   1.244619
  1350   0.157   0.9   0.174   1.471875   2.166416
  98.19369
  中间值   0.107   9.909273001   A rms
总之，本发明通过下列的特征而被区分：
-借助于罗氏线圈测定的轴电流根据轴电压被评定和过滤，以便改善干扰抑制。
-所述评定借助于电流和电压频谱(振幅和相位谱)在频率域内进行，且同量级的谐波的振幅和相位角彼此相关。
-相关电压和电流振幅之间的比率和相应的相位差被解释为阻抗值。
-那些可能具有最小干涉影响的数值借助于统计评价方法从上述方式确定的阻抗值的组中被选择出来。
-在一个优选的实施例中，所确定的阻抗值的振幅中间值为此目的而被选中。
-在另一优选的实施例中，具有较大干涉影响的频率在无故障机器状态下被确定，并且相应的阻抗值从进一步的计算中被排除。举例来说，中间值从剩余的阻抗值中被选出。
-选定的阻抗值因而使得可以由轴电压频谱乘以阻抗值来计算出估算的轴电流频谱。于是能由此计算出轴电流的均方根值。
-阻抗值和轴电流均方根二者均通过与极限值相比较而被评定。
-轴电压也优选地同时被测量。
附图标记目录
10发电站
11涡轮
12  发电机
13  轴
14、15轴承
16  底板
17  罗氏线圈
18  测量刷
19  接地线
20  处理单元
21  监测单元
UW  轴电压
IW  轴电流
ω  频率。

Claims (17)

1.一种用于在运行期间监测电动机器（12）的轴（13）的轴电流（IW）的方法，其特征在于，测量轴（13）上的轴电压（UW）和相关轴电流（IW），并且，根据电动机器（12）的测量的轴电压（UW）和测量的相关轴电流（IW）来确定轴电压（UW）和相关轴电流（IW）之间的关系，并且，监测轴电压（UW）以便监测电动机器（12）中的轴电流（IW），并且基于所确定的轴电压（UW）和相关轴电流（IW）之间的关系而从所监测的轴电压（UW）推断出要被监测的轴电流（IW）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，轴电流（IW）在轴（13）上被感应地测量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，轴电流（IW）借助于绕轴（13）布置的罗氏线圈（17）来测量。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，测量轴电压（UW）和相关轴电流（IW）的频谱，并且，将能被解释为轴接触回路的阻抗函数的传递函数ZW(jω)= UW(jω)/ IW(jω)确定为轴电压（UW）和相关轴电流（IW）之间的关系，并且该传递函数表述在频率域内的轴电压（UW）和相关轴电流（IW）的频谱之间的关系。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，电阻-感应式一阶低通滤波器的结构被用作传递函数的简化确定的基础。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将独立于频率的比例因数确定为传递函数，其表述在电动机器（12）的到500Hz的较低频率范围内的轴电压（UW ）和相关轴电流（IW）的频谱之间的关系。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所测量的轴电压（UW），借助于比例因数计算出估算的轴电流，并且，确定以此方式计算的轴电流的均方根值，并且，所确定的均方根值在监测轴电流的过程中通过预定的极限值被评定。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在监测轴电流的过程中比例因数借助于预定的极限值直接被评定。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了确定比例因数，根据等式ZW(nω)= UW(nω)/ IW (nω)通过同量级轴电压和轴电流振幅划分来确定主频率的奇数编号的谐波的、轴电压的和轴电流的各独立比例因数，并且，通过求中间值或求平均值从各独立比例因数的组{ZW(nω)}来获得最终的估算比例因数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，确定各独立比例因数，直至主频率达到预定的上限切断频率，具体为1000赫兹。
11.根据权利要求9中所述的方法，其特征在于，在轴（13）被绝缘从而没有轴电流（IW）流动的时刻，记录来自为轴电流测量而设的测量线圈的信号，并且，借助于频谱分析确定从干扰场引入的频谱线，并且，在求中间值之前，与具有主干扰振幅值的频率相关的各独立比例因数从独立比例因数组{ZW(nω)}中被排除。
12.根据权利要求9中所述的方法，其特征在于，在轴（13）被绝缘从而没有轴电流（IW）流动的时刻，记录来自为轴电流测量而设的罗氏线圈（17）的信号，并且，借助于频谱分析确定从干扰场引入的频谱线，并且，在求中间值之前，与具有主干扰振幅值的频率相关的各独立比例因数从独立比例因数组{ZW(nω)}中被排除。
13.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，当监测系统启动时，轴电压（UW）的频谱在电动机器（12）的不同负载状态下在没有干涉的情况下被测量仅仅一次，且该频谱被存储，并且，在电动机器（12）运行期间确定其中电动机器（12）瞬间所处于的负载状态，并且，用各自合适的频谱从内存中读出与此负载状态相对应的数据记录。
14.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，当监测系统启动时，轴电压（UW）的频谱在电动机器（12）的不同负载状态下在没有干涉的情况下被测量至少一次，且该频谱被存储，并且，在电动机器（12）运行期间确定其中电动机器（12）瞬间所处于的负载状态，并且，用各自合适的频谱从内存中读出与此负载状态相对应的数据记录。
15.一种用于执行权利要求1-14中之一所述的方法的装置，该装置具有用于感应测量电动机器（12）的轴（13）中的轴电流（IW）的第一装置（17），所述第一装置（17）连接至处理单元（20），其特征在于，设有用于测量轴电压（UW）的第二装置（18），并且，第二装置（18）同样地也连接到处理单元（20）。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，处理单元（20）用来根据轴电压（UW）的测量值来计算轴电流（IW）。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，监测单元（21）连接至处理单元（20）的输出端，以便对由处理单元（20）计算的结果进行评估。
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