JP3281333B2 - 軸ねじれ振動監視保護装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸ねじれ振動を検
出するタービン発電機の軸ねじれ振動監視保護装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図１９は、タービン発電装置１の有効電
力を直流送電システム５を介して相手交流系６へ送電す
る場合の構成図を示している。この図において、タービ
ン発電装置１はタービン２及び発電機３と両者を繋ぐ回
転軸から構成されており、発電機３の電気出力が変圧器
４を介して直流送電システム５に供給されるようになっ
ている。

【０００３】直流送電システム５は変換器用変圧器５１
と５４、サイリスタ素子を利用したサイリスタ変換器５
２と５３及び変換器制御装置５５とサイリスタ変換器５
２と５３を繋ぐ直流送電線で構成されており、変換器用
変圧器５１からの交流有効電力が、サイリスタ変換器５
２，直流送電線，サイリスタ変換器５３，変換器用変圧
器５４を順に介して相手交流系６に供給されるようにな
っている。なお、７は他の交流電源装置のタービン発電
装置である。一般に、タービン発電装置は単独で使用さ
れることはなく、複数のタービン発電装置の並列運転に
より需要家に対する電力供給が行なわれている。

【０００４】次に、図１９に示すシステムの動作につい
て説明する。タービン発電装置１はタービン２の機械出
力を発電機３により電気出力に変換し、これを変圧器４
を介して直流送電システム５に供給する。直流送電シス
テム５に供給された交流電力は、まず、変換器用変圧器
５１を介してサイリスタ変換器５２に送られ、交流電力
から直流電力へ変換される。

【０００５】この直流電力は直流送電線を介してサイリ
スタ変換器５３へ送電され、直流電力から交流電力へ変
換される。そして、その交流電力は変換器用変圧器５４
を介して相手交流系６へ供給される。変換器制御装置５
５はサイリスタ変換器５２からサイリスタ変換器５３へ
流れる直流電流や直流電力と交流の電気情報を取り込ん
でサイリスタの点弧位相を決定し、サイリスタ変換器の
制御を行なっている。

【０００６】上述したように、タービン発電装置の有効
電力出力を直流送電システムを介して送電しようとする
場合、直流送電システムが受け取る有効電力の変動周波
数と、タービン発電機の軸系のねじれ振動の周波数とが
近いと、両者の間に共振現象が発生して軸ねじれ振動が
時間とともに拡大していく現象がある。

【０００７】これは軸ねじれ共振現象（以下、ＳＳＲ：
Subsynchronous Resonanceと称す）と呼ばれている。こ
の現象が発生するとタービン発電機の軸の寿命が消費さ
れ、短くなる可能性がある。この現象はタービン発電装
置のタービン軸系と直流送電システムの変換器制御装置
の点弧角制御ループの一部が、系統条件によっては正帰
還結合となるために発生する。

【０００８】つまり、直流送電システムを含む電気回路
（電気系）と発電機タービン軸系（機械系）の相互作用
による共振現象である。これは、電源周波数（５０Ｈｚ
又は６０Ｈｚ）よりも低い、発電機のタービン軸系の固
有振動数（５Ｈｚ〜４０Ｈｚ）で共振するため、低周波
数共振現象とも呼ばれる。

【０００９】実際にＳＳＲが発生し問題となった例は、
１９７７年１０月、ミネソタ州と北ダコタ州を７５０ｋ
ｍの直流送電線で結ぶＳｑｕａｒｅ Ｂｕｔｔｅ直流送
電システム（５００ＭＷ，±２５０ｋＶ）のフィールド
試験で、北ダコタ側の変換所に近接するＭＩＬＴＯＮ
ＹＯＵＮＧ発電所の２号発電機のタービン軸固有振動モ
ード（１１．５Ｈｚ）の周波数成分が進展する現象が観
測された例である。

【００１０】その後の検討で、これは直流送電と発電機
軸系との相互作用で発生する現象であることが判明し、
その対策を直流送電システムの変換器制御装置に施し現
在に至っている。この実例については下記の文献にあ
る。[1] M.Bahman et al:EXPERIENCE WITH HVDC - TURB
INE-GENERATOR TORSIONAL INTERACTION AT SQUARE BUTT
E, IEEE Transactions on Power Apparatus and Syste
ms, Vol.PAS-99,No.3, May/June 1980

【００１１】このような軸ねじれ共振現象の対策として
は、上述した直流送電側の対策とは別に発電機側でも対
策装置が提案されている。図２０は従来技術の軸ねじれ
共振検出装置の構成図である。タービン発電機の回転子
の回転数を検出する回路１０と、回転数に含まれる軸ね
じれ振動成分を分離する回路１１と、この軸ねじれ振動
成分の振幅値の傾き、即ち、単位時間あたりの振幅の極
値の増加を検出する回路１２，１３と、この傾きがある
閾値を越したことを判定する回路１４とで構成され、タ
ービン発電機の回転子の回転数を検出し、この回転数信
号から発電機の軸ねじれ振動毎に成分を分離し、この軸
ねじれ振動成分の振幅値の傾きを検出し、これがある閾
値を越したことで振動発散を判定して、軸ねじれ共振を
検出する発電機の軸ねじれ共振監視装置が知られてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、軸ねじれ共振
検出を振動成分の振幅の傾きがある閾値を超えたことを
もって軸ねじれ振動の発散を検出する方法では、振幅の
大きさには材料強度上の上限があるが振幅の傾きに物理
的な制限が有るわけではないため、その傾きの閾値を定
めるのが困難である。又、対象とする発電所に複数台の
タービン発電装置がある場合には、検出される軸ねじれ
振動信号にうなりが生ずるため、その場合には、傾きだ
けでは正確な判断ができない可能性が高い。

【００１３】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、整定が容易で、かつ、軸ねじれ振動信号
にうなり成分があっても正確に軸ねじれ振動の評価がで
き、軸ねじれ共振の検出ができる軸ねじれ振動監視保護
装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、［請求項１］記載の発電機の軸ねじれ振動監視保
護装置は、タービン又はこのタービンに連結された発電
機の回転軸の回転数を検出する信号検出手段と、前記信
号検出手段の出力信号をもとに当該信号の振幅を検出す
る手段と、前記検出した振幅の傾きを検出する手段と、
前記検出した振幅及び振幅の傾きから将来の振幅を予測
する手段と、前記予測した振幅値が所定の閾値に達した
ことを判定する手段とから構成されていることを特徴と
する。

【００１５】［請求項２］記載の発電機の軸ねじれ振動
監視保護装置は、［請求項１］において、軸ねじれ振動
信号の振幅の傾きを検出する手段が、前記振幅の傾きの
１次微分及び２次微分を検出する手段で構成されること
を特徴としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態） 図１は本発明の第１の実施の形態の軸ねじれ振動監視保
護装置の構成図である。同図において、既に説明した図
１９と同一の機能の要素には同一符号を付してその説明
を省略する。図１において、軸ねじれ振動監視保護装置
８は、発電機又はタービン又は回転軸に取り付けた歯車
と電磁ピックアップの出力などから回転数を検出する信
号検出手段８１、信号検出手段８１の出力信号から発電
機軸系の各固有振動周波数の振動成分信号を分離して出
力する軸ねじれ振動成分分離手段８２、軸ねじれ振動成
分分離手段８２の出力信号である軸系の固有振動周波数
の振動成分信号を入力として、軸ねじれ振動信号の振幅
を取り出す軸ねじれ振動信号前処理手段８３、軸ねじれ
振動信号前処理手段８３の出力信号を入力とし、前記発
電機の軸ねじれ振動の発生又は傾向を演算し、軸ねじれ
振動が異常又は発散傾向である場合には異常判定信号を
出力する軸ねじれ振動評価手段８４から構成される。

【００１７】図２は第１の実施の形態の信号検出手段の
構成図である。信号検出手段８１は定格回転数から回転
数の偏差を検出する回転数偏差検出回路８１１で構成さ
れる。回転数偏差検出回路８１１は検出点数だけ用意さ
れる。

【００１８】図３は第１の実施の形態の軸ねじれ振動成
分分離手段８２の構成図である。軸ねじれ振動成分分離
手段８２は、タービン発電機軸系がｍ個の固有振動周波
数を持つ場合には、入力信号からそれぞれの固有振動周
波数成分を分離・抽出して増幅する第１モード成分増幅
回路８２１，第２モード成分増幅回路８２２，…，第ｍ
モード成分増幅回路８２ｍから構成される。

【００１９】図４は第１の実施の形態の軸ねじれ振動信
号前処理手段の構成図である。軸ねじれ振動信号前処理
手段８３は、軸ねじれ振動成分分離手段８２で分離され
た軸ねじれ振動モード成分を入力信号として、夫々のモ
ード成分について軸ねじれ振動の発散あるいは異常判定
をする前の演算処理を行う第１モード成分信号前処理回
路８３１，第２モード成分信号前処理回路８３２，…，
第ｍモード成分信号前処理回路８３ｍから構成される。

【００２０】図５は第１モード成分信号前処理回路８３
１の構成図である。第１モード成分信号前処理回路８３
１は、第１モード成分の振動ピーク値を検出するピーク
値検出回路８３１ａと振動ボトム値を検出するボトム値
検出回路８３１ｂ，第１モード成分の一周期だけ信号を
保持する１周期信号保持回路８３１ｃ及び演算回路８３
１ｄから構成される。他のモード成分の信号前処理回路
も対象とする振動モードが異なるだけで第１モード成分
信号前処理回路と同一の構成である。

【００２１】図６は第１の実施の形態の軸ねじれ振動評
価手段の構成図である。軸ねじれ振動評価手段８４は、
軸ねじれ振動信号前処理手段８３の出力信号を入力とし
て軸ねじれ振動モード成分毎に発散や異常を判別する第
１モード発散判定回路８４１，第２モード発散判定回路
８４２，…，第ｍモード発散判定回路８４ｍ及び論理和
回路８４ｎから構成される。

【００２２】図７は第１モード発散判定回路８４１の構
成図である。第１モード発散判定回路８４１は信号サン
プリング回路８４１ａ，信号レベル比較回路８４１ｂ，
連続増加回数カウント回路８４１ｃ，回数比較回路８４
１ｄ，検出周期設定器８４１ｅ，レベル設定器８４１
ｆ、回数設定器８４１ｇから構成される。他のモード成
分の信号前処理回路も対象とする振動モードが異なるだ
けで第１モード発散判定回路と同一の構成である。

【００２３】次に第１の実施の形態の作用について説明
する。信号検出手段８１は発電機又はタービン又は回転
軸に取り付けた歯車と電磁ピックアップの出力信号を入
力とし、回転数偏差検出回路８１１にて、夫々の検出点
から得られた回転数の定格回転数からの偏差を求め出力
する。

【００２４】軸ねじれ振動成分分離手段８２は信号検出
手段８１の出力信号を入力として、第１モード成分増幅
回路８２１，第２モード成分増幅回路８２２，…，第ｍ
モード成分増幅回路８２ｍにより、タービン発電機軸系
が持つｍ個の固有振動周波数毎に、振動モード成分を分
離・抽出して増幅して出力する。

【００２５】軸ねじれ振動信号前処理手段８３は、図８
に示すように軸ねじれ振動成分分離手段８２の出力信号
である軸系の固有振動周波数の振動成分信号を入力とし
て、夫々の振動モード成分の一周期の正の極値をピーク
値検出回路８３１ａで検出し、一周期の負の極値をボト
ム値検出回路８３１ｂで検出して、両者の出力の差を演
算回路８３１ｄで算出し出力する。

【００２６】次に、軸ねじれ振動評価手段８４は、軸ね
じれ振動信号前処理手段８３の出力信号（図９（２））
を入力として、夫々の振動モード成分毎に、図９に示す
ように予め検出周期設定器８４１ｅで設定された検出周
期Ｔで、信号の大きさを信号サンプリング回路８４１ａ
でサンプリングし（図９（３））、その信号レベルと予
めレベル設定器８４１ｆで設定したレベル値Ａとを信号
レベル比較回路８４１ｂにて比較し（図９（４））、信
号レベルがレベルＡ以上の場合にはその信号の大きさ
を、信号レベルがレベルＡ未満の場合には「０」を連続
増加回数カウント回路８４１ｃへ送る（図９（５））。

【００２７】連続増加回数カウント回路８４１ｃは今回
入力信号と前回入力信号とを比較して今回入力値が前回
入力値以下の場合にはカウンターの数値を零リセットし
て信号「０」を出力する。一方、今回入力値が前回入力
値を越えている場合にはカウンターを１カウントアップ
して、その結果を回数比較回路８４１ｄへ出力する（図
９（６））。回数比較回路８４１ｄは予め回数設定器８
４１ｇで設定された回数と入力信号を比較して入力信号
の方が小さい場合には「０」を出力し、設定された回数
と入力信号が同じか、入力信号の方が大きい場合には、
連続的に振動成分が拡大していると判断して信号「１」
を出力する（図９（７））。

【００２８】夫々のモード成分毎に発散あるいは異常の
判定が行なわれ、それらの結果は全て論理和回路８４ｎ
に送られる。論理和回路８４ｎでは、軸ねじれ振動モー
ド成分の１つでも発散あるいは異常である場合には「軸
ねじれ振動発散又は異常」の判定結果を出力する。

【００２９】なお、対象とする発電機に隣接する発電機
がある場合には、隣接発電機の軸系固有振動周波数と対
象とする発電機の軸系固有振動周波数との間のうなり現
象が発生するので、前記信号サンプリング回路８４１ａ
に与える検出周期Ｔはうなり周期Ｔｕを設定する。

【００３０】本実施の形態によれば、一定の検出周期で
軸ねじれ振動の振動振幅の大きさを検出し、その増加傾
向を連続的に振幅が拡大することをもって軸ねじれ振動
の発散あるいは異常を判断することで、軸材料の強度に
密接に関係する軸ねじれ振動の振幅から装置の整定が容
易にでき、かつ、検出周期をうなり周期とすることで軸
ねじれ振動信号にうなり成分があっても正確に軸ねじれ
振動の評価ができ、軸ねじれ共振の検出ができる軸ねじ
れ振動監視保護装置を提供することができる。

【００３１】なお、上記説明では信号レベル比較回路８
４１ｂから連続増加回数カウント回路８４１ｃへは、信
号レベルで受渡すこととしたが、これを信号レベル比較
回路８４１ｂは、今回入力値が前回入力値を超えている
場合にパルスを出力するようにし、連続増加回数カウン
ト回路８４１ｃは、このパルスが連続して何回来たかを
カウントするようにしても良い。

【００３２】（第２の実施の形態） 第２の実施の形態では、上記信号検出手段が、発電機の
回転軸に貼り付けたストレインゲージなどで、軸系の機
械トルク信号を検出する手段であること以外は第１の実
施の形態と同じである。本実施の形態によれば、軸伝達
トルクの軸ねじれ振動成分は、軸の振動発散・減衰の傾
向をそのまま評価・判断できる計測量であり、又、軸の
寿命に直接関わる量であるのでより精度の良い判断が可
能となる。

【００３３】（第３の実施の形態） 第３の実施の形態では、上記信号検出手段が、発電機の
出力端子で測定できる発電機電流と発電機端子電圧から
発電機の有効電力出力を検出する手段であること以外は
第１の実施の形態と同じである。本実施の形態によれ
ば、角速度計測手段や、軸ねじれ振動計測手段がとれな
いようなタービン発電機であっても、発電機の出力有効
電力ならば電圧と電流の計測値から計算できる。

【００３４】（第４の実施の形態） 第４の実施の形態では、上記信号検出手段が、発電機の
出力端子で測定できる発電機端子電圧から周波数を検出
する手段であること以外は第１の実施の形態と同じであ
る。本実施の形態によれば、端子電圧の周波数は、角速
度とほぼ同等と捉えることができるため、第３の実施の
形態と同様に、角速度計測手段や軸ねじれ振動計測手段
がとれないようなタービン発電機であっても、軸ねじれ
振動の監視ができる。

【００３５】（第５の実施の形態） 第５の実施の形態では、上記軸ねじれ振動成分分離手段
が、発電機の回転軸系の固有振動周波数を中心周波数と
するバンドパスフィルターであること以外は第１の実施
の形態と同じである。本実施の形態によれば、計測した
信号から簡単に軸ねじれ振動成分を抽出することができ
る。

【００３６】（第６の実施の形態） 第６の実施の形態では、上記軸ねじれ振動成分分離手段
が、図１０に示す２次の振動系で構成される軸系モデル
に有効電力出力信号を入力して軸ねじれ振動を励振し、
回転数の推定信号と回転数の測定信号の誤差を増幅して
軸系モデルに入力するオブザーバーであること以外は第
１の実施の形態と同じである。本実施の形態によれば、
対象となるタービン発電機の軸系モデルに多少の差異が
あっても、軸系の回転数と有効電力から補正がかかるの
で、常に精度良く軸ねじれ振動成分の抽出ができる。

【００３７】（第７の実施の形態） 第７の実施の形態では、上記軸ねじれ振動信号前処理手
段が、前記軸ねじれ振動成分分離手段の出力信号を入力
して、軸ねじれ振動信号の一周期中の正の極値と負の極
値の差の大きさを連続して取り出し、直前の検出値との
差を積算する手段であること以外は第１の実施の形態と
同じである。

【００３８】図１１は第７の実施の形態の軸ねじれ振動
信号前処理手段を構成する第１モード成分信号前処理回
路８３１の構成図である。又、他のモード成分の信号前
処理回路も対象とする振動モード成分が異なるだけで同
一の構成となる。図１１において、第１モード成分信号
前処理回路８２１はピーク値検出回路８３１ａ，ボトム
値検出回路８３１ｂ，演算回路８３１ｄと８３１ｉ，１
周期前値保持回路８３１ｈ及び積分回路８３１ｊから構
成される。

【００３９】次に作用について説明する。軸ねじれ振動
成分分離手段８２までの作用は、既に説明した第１〜第
６の実施の形態のいずれかと同様である。第７の実施の
形態の特徴である軸ねじれ振動信号前処理手段を構成す
る第１モード成分信号前処理回路８３１の作用を以下に
説明する。

【００４０】軸ねじれ振動成分分離手段８２の出力信号
である軸系の固有振動周波数の第１モード成分信号を入
力として、第１モード成分の一周期の正の極値をピーク
値検出回路８３１ａで検出し、一周期の負の極値をボト
ム値検出回路８３１ｂで検出して、両者の出力の差を演
算回路８３１ｄで算出する。

【００４１】演算回路８３１ｄで算出した一周期の正負
極値の差は、更に１周期前値保持回路８３１ｈで保持さ
れている一周期前の正負極値の差と演算回路８３１ｉに
て差分が取られて積分回路８３１ｊへ送られる。積分回
路８３１ｊでは入力信号を第１モード成分の一周期で積
分し、その結果を第１モード前処理済信号として出力す
る。以降の作用及び効果は第１の実施の形態と同様であ
る。又、本実施の形態によれば、振動成分の増加傾向・
減少傾向が連続的に評価できる。

【００４２】（第８の実施の形態） 第８の実施の形態では、上記軸ねじれ振動信号前処理手
段が、軸ねじれ振動成分分離手段の出力信号を入力とし
て、軸ねじれ振動信号を全波整流してローパスフィルタ
ーで平滑化する手段であること以外は第１の実施の形態
と同じである。

【００４３】図１２は第８の実施の形態の軸ねじれ振動
信号前処理手段を構成する第１モード成分信号前処理回
路８３１の構成図である。他のモード成分の信号前処理
回路も対象とする振動モード成分が異なるだけで同一の
構成となる。図１２において、第１モード成分信号前処
理回路８３１は全波整流回路８３１ｋ及びローパスフィ
ルター８３１ｌから構成される。

【００４４】次に作用について説明する。軸ねじれ振動
成分分離手段８２までの作用は、第１〜第６の実施の形
態のいずれかと同様である。第８の実施の形態の特徴で
ある軸ねじれ振動信号前処理手段を構成する第１モード
成分信号前処理回路８３１の作用を以下に説明する。軸
ねじれ振動成分分離手段８２の出力信号である軸系の固
有振動周波数の第１モード成分信号を入力として、第１
モード成分を全波整流回路８３１ｋにて全波整流信号と
し、ローパスフィルター８３１ｌにて全波整流信号の山
を平滑化し、その結果を第１モード前処理済信号として
出力する。以降の作用及び効果は第１の実施の形態と同
様である。本実施の形態によれば、簡単な回路で軸ねじ
れ振動信号前処理手段を構築できる。

【００４５】（第９の実施の形態） 第９の実施の形態では、上記軸ねじれ振動信号前処理手
段が、軸ねじれ振動成分分離手段の出力信号を入力とし
て、軸ねじれ振動信号の複数周期の実効値を計算する手
段であること以外は第１の実施の形態と同じである。

【００４６】（第１０の実施の形態） 第１０の実施の形態では、上記軸ねじれ振動評価手段
が、前記軸ねじれ振動信号前処理手段の出力信号を入力
として、予め設定した一定時間間隔で信号の大きさを取
り出し、複数点での現在値と前回値の大小関係で軸ねじ
れ振動の発散又は減衰を判定する手段であること以外は
第１の実施の形態と同じである。

【００４７】図１３は第１０の実施の形態の軸ねじれ振
動評価手段を構成する第１モード発散判定回路８４１の
構成図である。他のモード成分の発散判定回路も対象と
する振動モード成分が異なるだけで同一の構成となる。
図１３において、第１モード発散判定回路８４１は、信
号サンプリング回路８４１ａ，信号レベル比較回路８４
１ｂ，比較回路８４１ｑ，前値保持回路８４１ｐ，検出
周期設定器８４１ｅ，レベル設定器８４１ｆから構成さ
れる。

【００４８】次に作用について説明する。軸ねじれ振動
信号前処理手段８３までの作用は、第１〜第９の実施の
形態のいずれかと同様である。第１０の実施の形態の特
徴である軸ねじれ振動評価手段を構成する第１モード発
散判定回路８４１の作用を以下に説明する。

【００４９】軸ねじれ振動信号前処理手段８３の出力信
号である軸系の固有振動周波数の第１モード前処理済信
号を入力として、予め検出周期設定器８４１ｅで設定さ
れた検出周期Ｔで、信号の大きさを信号サンプリング回
路８４１ａでサンプリングし、その信号レベルを予めレ
ベル設定器８４１ｆで設定したレベル値Ａと信号レベル
比較回路８４１ｂにて比較し、信号レベルがレベルＡ以
上の場合にはその信号の大きさを、信号レベルがレベル
Ａ未満の場合には「０」を比較回路８４１ｑ及び前値保
持回路８４１ｐへ送る。

【００５０】比較回路８４１ｑでは、今回検出した信号
と一検出周期前に検出され前値保持回路８４１ｐで保持
された信号を比較して、前回値よりも今回値の方が大き
い場合には軸ねじれ振動第１モードが拡大していると判
断して「１」の信号を出力する。その逆の場合には
「０」を出力する。以降の作用及び効果は第１の実施の
形態と同様である。又、本実施の形態によれば、前回値
と現在値の大小関係で振動成分の増加・減少を判断する
ので演算部が簡単になる。更に、複数点で上記比較をし
ているので、うねり現象があっても精度良く判断でき
る。

【００５１】（第１１の実施の形態） 第１１の実施の形態では、上記軸ねじれ振動評価手段
が、前記軸ねじれ振動信号前処理手段の出力信号を入力
として、その信号の大きさと予め設定したしきい値との
比較により軸ねじれ振動の異常を判断する手段であるこ
と以外は第１の実施の形態と同じである。

【００５２】図１４は第１１の実施の形態の軸ねじれ振
動評価手段を構成する第１モード発散判定回路８４１の
構成図である。又、他のモード成分の発散判定回路も対
象とする振動モード成分が異なるだけで同一の構成とな
る。図１４において、第１モード発散判定回路８４１
は、信号レベル比較回路８４１ｂ，レベル設定器８４１
ｆ，タイマ回路８４１ｒ，タイマ設定器８４１ｓから構
成される。

【００５３】次に作用について説明する。軸ねじれ振動
信号前処理手段８３までの作用は、第１〜第９の実施の
形態のいずれかと同様である。第１１の実施の形態の特
徴である軸ねじれ振動評価手段を構成する第１モード発
散判定回路８４１の作用を以下に説明する。

【００５４】軸ねじれ振動信号前処理手段８３の出力信
号である軸系の固有振動周波数の第１モード前処理済信
号を入力として、予めレベル設定器８４１ｆで設定した
レベル値Ａと入力信号を信号レベル比較回路８４１ｂに
て比較し、信号レベルがレベルＡ以上の場合には「１」
が、信号レベルがレベルＡ未満の場合には「０」が信号
レベル比較回路８４１ｂから出力される。

【００５５】レベル設定器８４１ｆで設定されるレベル
Ａの値は発電機やタービンの回転軸の材料強度などから
決定される。タイマ回路８４１ｒでは、「１」の入力信
号が、予めタイマ設定器８４１ｓで設定された整定時間
Ｔｄ１の間以上続いた場合に、軸ねじれ振動第１モード
の振幅の大きさが異常継続していると判断して「１」の
信号を出力する。その逆の場合には「０」を出力する。
タイマ設定器８４１ｓで設定される整定時間Ｔｄ１は発
電機やタービンの回転軸材料の寿命消費率などから決定
される。以降の作用は第１の実施の形態と同様である。

【００５６】本実施の形態によれば、軸ねじれ振動の振
動振幅の大きさを検出し、その大きさをもって軸ねじれ
振動の異常を判断することで、軸材料の強度に密接に関
係する軸ねじれ振動の振幅から装置の整定が容易にで
き、軸ねじれ振動振幅の異常が検出ができる軸ねじれ振
動監視保護装置を提供することができる。又、軸ねじれ
振動振幅の大きさで判断しているので、うなり現象が発
生していても検出に支障はない。

【００５７】（第１２の実施の形態） 第１２の実施の形態では、上記軸ねじれ振動評価手段
が、軸ねじれ振動信号前処理手段の出力信号を入力とし
て、その信号の積算値と予め設定されたしきい値との比
較により軸ねじれ振動の異常を判断する手段であること
以外は第１の実施の形態と同じである。

【００５８】図１５は第１２の実施の形態の軸ねじれ振
動評価手段を構成する第１モード発散判定回路８４１の
構成図である。又、他のモード成分の発散判定回路も対
象とする振動モード成分が異なるだけで同一の構成とな
る。図１５において、第１モード発散判定回路８４１
は、入力される第１モード前処理済信号を軸材料強度や
寿命消費などを表す信号へ変換する信号変換回路２０
０，信号積分回路２０１，信号レベル比較回路８４１
ｂ，レベル設定器８４１ｆ，タイマ回路８４１ｒ，タイ
マ設定器８４１ｓから構成される。

【００５９】次に作用について説明する。軸ねじれ振動
信号前処理手段８３までの作用は、第１〜第９の実施の
形態のいずれかと同様である。第１２の実施の形態の特
徴である軸ねじれ振動評価手段を構成する第１モード発
散判定回路８４１の作用を以下に説明する。

【００６０】軸ねじれ振動信号前処理手段８３の出力信
号である軸系の固有振動周波数の第１モード前処理済信
号を入力として、信号変換回路２００では、例えば、軸
材料の応力−繰り返し回数曲線（Ｓ−Ｎ曲線）を近似し
た関数で信号を変換して、その結果を信号積分回路２０
１に送る。

【００６１】信号積分回路２０１では入力信号を積分し
て、その結果を信号レベル比較回路８４１ｂへ送る。信
号レベル比較回路８４１ｂでは、予めレベル設定器８４
１ｆで設定したレベル値Ａと入力信号とを比較し、信号
レベルがレベルＡ以上の場合には「１」が、信号レベル
がレベルＡ未満の場合には「０」が信号レベル比較回路
８４１ｂから出力される。

【００６２】レベル設定器８４１ｆで設定されるレベル
Ａの値は発電機やタービンの回転軸の材料強度などから
決定される。タイマ回路８４１ｒでは、「１」の入力信
号が、予めタイマ設定器８４１ｓで設定された整定時間
Ｔｄ２の間以上続いた場合に、軸ねじれ振動第１モード
の振幅の大きさが異常継続していると判断して「１」の
信号を出力する。その逆の場合には「０」を出力する。
タイマ設定器８４１ｓで設定される整定時間Ｔｄ２は発
電機やタービンの回転軸材料の寿命消費率などから決定
される。以降の作用は第１の実施の形態と同様である。

【００６３】本実施の形態によれば、軸ねじれ振動の振
動振幅の大きさを積算し、その数値が軸材料強度などか
ら決定されるレベルを越えたことをもって軸ねじれ振動
の発散あるいは異常を判断することで、軸材料の強度あ
るいは寿命消費に密接に関係する軸ねじれ振動の振幅か
ら装置の整定が容易にでき、又、軸ねじれ振動の振動振
幅の大きさを積算していることで、軸ねじれ振動信号に
うなり成分があっても正確に軸ねじれ振動の評価がで
き、軸ねじれ共振の検出ができる軸ねじれ振動監視保護
装置を提供することができる。

【００６４】（第１３の実施の形態） 第１３の実施の形態では、上記軸ねじれ振動評価手段
が、軸ねじれ振動信号前処理手段の出力信号を入力とし
て、その信号の最大値を記憶し、予め設定した一定時間
の間に前に記憶された最大値を越える信号が入力された
場合には最大値を順次更新していくことで、軸ねじれ振
動の発散又は減衰傾向を判定する手段であること以外は
第１の実施の形態と同じである。

【００６５】図１６は第１３の実施の形態の軸ねじれ振
動評価手段を構成する第１モード発散判定回路８４１の
構成図である。又、他のモード成分の発散判定回路も対
象とする振動モード成分が異なるだけで同一の構成とな
る。図１６において、第１モード発散判定回路８４１
は、入力される第１モード前処理済信号の現在値と保持
している最大値を比較する信号最大値比較回路２０２，
検出した最大値を更新あるいは保持する最大値保持・更
新回路２０３，保持している最大値をリセットするため
の最大値リセット用タイマ回路２０４とそのタイマ設定
器８４１ｔ、信号レベル比較回路８４１ｂ，レベル設定
器８４１ｆ，最終段のタイマ回路８４１ｒとそのタイマ
設定器８４１ｓから構成される。

【００６６】次に作用について説明する。軸ねじれ振動
信号前処理手段８３までの作用は、第１〜第９の実施の
形態のいずれかと同様である。第１３の実施の形態の特
徴である軸ねじれ振動評価手段を構成する第１モード発
散判定回路８４１の作用を以下に説明する。

【００６７】軸ねじれ振動信号前処理手段８３の出力信
号である軸系の固有振動周波数の第１モード前処理済信
号を入力として、信号最大値比較回路２０２では最大値
保持更新回路２０３で保持された最大値Ｍ１と入力信号
を比較して、入力信号が保持された最大値Ｍ１を越えて
いる場合には、現在保持している最大値を入力信号の値
に更新するように最大値保持更新回路２０３へ通知す
る。

【００６８】逆に入力信号が現在保持している最大値以
下の場合には最大値をそのまま保持するように最大値保
持更新回路２０３へ通知する。最大値保持更新回路２０
３は、信号最大値比較回路２０２の結果に従い最大値の
保持あるいは更新を行なうが、最大値リセット用タイマ
回路２０４からの出力信号が「１」の場合には、最大値
を「０」にリセットする。又、最大値が更新された場合
には、「１」の出力信号Ｓ１を最大値リセット用タイマ
回路へ送る。

【００６９】最大値リセット用タイマ回路２０４は最大
値が保持されている継続時間をカウントする回路であ
る。時間カウントが、予めタイマ設定器８４１ｔで設定
された整定時間を越えた場合には、「１」の出力信号を
最大値保持更新回路２０３へ送る。又、最大値保持更新
回路２０３からの信号Ｓ１が「１」の場合には、最大値
が更新されたと判断して時間カウントを「０」リセット
し、再度カウントを始める。

【００７０】最大値保持更新回路２０３の出力信号Ｍ１
は信号レベル比較回路８４１ｂへ送られる。信号レベル
比較回路８４１ｂでは、予めレベル設定器８４１ｆで設
定したレベル値Ａと入力信号とを比較し、信号レベルが
レベルＡ以上の場合には「１」が、信号レベルがレベル
Ａ未満の場合には「０」が信号レベル比較回路８４１ｂ
から出力される。レベル設定器８４１ｆで設定されるレ
ベルＡの値は発電機やタービンの回転軸の材料強度など
から決定される。

【００７１】タイマ回路８４１ｒでは、「１」の入力信
号が、予めタイマ設定器８４１ｓで設定された整定時間
Ｔｄ２の間以上続いた場合に、軸ねじれ振動第１モード
の振幅の大きさが異常継続していると判断して「１」の
信号を出力する。その逆の場合には「０」を出力する。

【００７２】タイマ設定器８４１ｓで設定される整定時
間Ｔｄ２は発電機やタービンの回転軸材料の寿命消費率
などから決定される。又、タイマ設定器８４１ｔで設定
されるカウント整定時間は、隣接する発電機と対象機の
軸系固有振動周波数の間のうなり周波数よりも長い時間
で設定する。以降の作用は第１の実施の形態と同様であ
る。

【００７３】本実施の形態によれば、軸ねじれ振動の振
動振幅の最大値が現在保持している最大値を越えた場合
に順次最大値を更新し、その数値が軸材料強度などから
決定されるレベルを越えたことをもって軸ねじれ振動の
発散あるいは異常を判断することで、軸材料の強度ある
いは寿命消費に密接に関係する軸ねじれ振動の振幅から
装置の整定が容易にでき、又、軸ねじれ振動の振動振幅
の最大値更新周期をうなり周波数よりも長く設定するこ
とで、軸ねじれ振動信号にうなり成分があっても正確に
軸ねじれ振動の評価ができ、その結果、軸ねじれ共振の
検出ができる軸ねじれ振動監視保護装置を提供すること
ができる。

【００７４】（第１４の実施の形態） 第１４の実施の形態では、上記軸ねじれ振動評価手段
が、前記第１０の実施の形態から第１３の実施の形態の
複数の組み合わせで構成され、更に、前記発電機の運用
状態を示す外部信号を入力として、軸ねじれ振動の発生
信号（イベント記録起動信号）、警報信号又は前記発電
機を保護するためのトリップ信号のいずれかを任意の組
み合わせで出力することを特徴としている。

【００７５】図１７は第１４の実施の形態の軸ねじれ振
動評価手段の構成図である。同図は例として２つの軸ね
じれ振動モードを持つ発電機を対象としている。同図に
おいて、軸ねじれ振動評価手段８４は、イベント記録起
動判定部３００，第１モード振幅異常判定部３０１ａ，
第２モード振幅異常判定部３０１ｂ、第１モード軸疲労
異常判定部３０２ａ，第２モード軸疲労異常判定部３０
２ｂ，第１モード発散判定部３０３ａ，第２モード発散
判定部３０３ｂ，論理和回路３０４ａ，３０４ｂ，３０
５及び論理積回路３０６から構成される。

【００７６】次に作用について説明する。軸ねじれ振動
信号前処理手段８３からの入力信号は、イベント記録起
動判定部３００、第１モード振幅異常判定部３０１ａ，
第２モード振幅異常判定部３０１ｂ，第１モード軸疲労
異常判定部３０２ａ，第２モード軸疲労異常判定部３０
２ｂ，第１モード発散判定部３０３ａ，第２モード発散
判定部３０３ｂの夫々に入力される。

【００７７】イベント記録起動判定部３００は、第１モ
ード成分及び第２モード成分の振幅が予め設定されたレ
ベルを越えた場合にイベント記録起動信号を出力する。
第１モード振幅異常判定部３０１ａと第２モード振幅異
常判定部３０１ｂの作用は図１４に示す請求項１１の実
施の形態と同等の作用を有し、第１モード軸疲労異常判
定部３０２ａと第２モード軸疲労異常判定部３０２ｂの
作用は図１５に示す第１２の実施の形態と同等の作用を
有し、第１モード発散判定部３０３ａと第２モード発散
判定部３０３ｂの作用は図１６に示す第１３の実施の形
態と同等の作用を有する。

【００７８】第１モード振幅異常判定部３０１ａと第１
モード軸疲労異常判定部３０２ａと第１モード発散判定
部３０３ａの出力信号は論理和回路３０４ａに入力さ
れ、その出力は第１モード判定結果として論理和回路３
０５に送られる。同様に、第２モード振幅異常判定部３
０１ｂと第２モード軸疲労異常判定部３０２ｂと第２モ
ード発散判定部３０３ｂの出力信号は論理和回路３０４
ｂに入力され、その出力は第２モード判定結果として論
理和回路３０５に送られる。

【００７９】論理積回路３０６は、論理和回路３０５の
出力信号と発電機の運用状態を表す外部信号を入力とし
て、発電機が運転されている場合で、かつ、軸ねじれ振
動モードで振幅異常又は振動発散が発生している場合に
は、警報信号又は、発電機保護トリップ信号を出力す
る。

【００８０】本実施の形態によれば、複数の軸ねじれ振
動の評価を行なうことで、軸ねじれ振動の異常あるいは
発散の検出精度を高めることができ、かつ、発電機の運
用状態を表す外部信号を評価結果の使用／不使用に利用
することで、軸ねじれ共振などの異常現象が発生しない
運用条件における軸ねじれ振動監視保護装置の不要動作
を防止することができ、信頼性を高めることができる。

【００８１】（第１５の実施の形態） 図１８は第１５の実施の形態を示す構成図である。図１
８において、図２０と同一機能部分については同一符号
を付して説明を省略する。本実施の形態では軸ねじれ振
動が軸系の寿命に影響する閾値に達するのを予測するよ
うにしたものである。

【００８２】その結果、軸ねじれ共振の発生を早期に検
出し、軸に対して損傷を与えないようにしたものであ
り、そのために付加したものは将来振幅予測回路１５で
ある。そしてその他の構成は図２０と同様である。

【００８３】次に作用について説明すると、タービン発
電機軸系の軸ねじれ振動信号から軸ねじれ振動を分離
し、その振幅を検出し、更に振幅の傾きを検出し、ここ
で検出した振幅と検出した振幅の傾きとから将来の振幅
を予測して、その予測振幅が軸に損傷を与える閾値に達
したことをもって軸ねじれ共振現象を検出する。本実施
の形態によれば、軸ねじれ振動が軸系の寿命に影響する
閾値に達するのを予測して、軸ねじれ共振の発生を早期
に検出するため、軸に損傷を与えることがない。

【００８４】（第１６の実施の形態） 本実施の形態における全体構成は図１８と同じである。
しかし本実施の形態の特徴点は、軸ねじれ振動信号の振
幅の傾きを検出する手段として、振幅の傾きの１次微分
及び２次微分を検出するようにしたものであり、それ以
外は図１８と同様である。

【００８５】上記したように検出した１次微分に予測す
る将来までの時間をかけたものに、検出した現在の振幅
に加えることで、将来の振幅を１次近似で予測する。
又、上記の予測に、検出した２次微分に予測する将来ま
での時間を２回かけて２で割ったものを加えることで、
将来の振幅を２次近似で予測する。本実施の形態によれ
ば、２次近似で将来の振幅を予測するので、予測精度が
向上する。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
一定の検出周期で軸ねじれ振動の振動振幅の大きさを検
出し、その増加傾向を連続的に振幅が拡大することをも
って軸ねじれ振動の発散あるいは異常を判断すること
で、軸材料の強度に密接に関係する軸ねじれ振動の振幅
から装置の整定が容易にでき、かつ、検出周期をうなり
周期とすることで軸ねじれ振動信号にうなり成分があっ
ても正確に軸ねじれ振動の評価ができ、軸ねじれ共振の
検出ができる軸ねじれ振動監視保護装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の軸ねじれ振動監視
保護装置の全体構成図。

【図２】本発明の第１の実施の形態の信号検出手段の構
成図。

【図３】本発明の第１の実施の形態の軸ねじれ振動成分
分離手段の構成図。

【図４】本発明の第１の実施の形態の軸ねじれ振動信号
前処理手段の構成図。

【図５】本発明の第１の実施の形態の第１モード成分信
号前処理回路の構成図。

【図６】本発明の第１の実施の形態の軸ねじれ振動評価
手段の構成図。

【図７】本発明の第１の実施の形態の第１モード発散判
定回路の構成図。

【図８】本発明の第１の実施の形態の第１モード成分信
号前処理回路の作用を説明する信号波形の図。

【図９】本発明の第１の実施の形態の第１モード発散判
定回路の作用を説明する信号波形の図。

【図１０】本発明の第６の実施の形態の軸ねじれ振動成
分分離手段のオブザーバの構成図。

【図１１】本発明の第７の実施の形態の第１モード成分
信号前処理回路の構成図。

【図１２】本発明の第８の実施の形態の第１モード成分
信号前処理回路の構成図。

【図１３】本発明の第１０の実施の形態の第１モード発
散判定回路の構成図。

【図１４】本発明の第１１の実施の形態の第１モード発
散判定回路の構成図。

【図１５】本発明の第１２の実施の形態の第１モード発
散判定回路の構成図。

【図１６】本発明の第１３の実施の形態の第１モード発
散判定回路の構成図。

【図１７】本発明の第１４の実施の形態の軸ねじれ振動
評価手段の構成図。

【図１８】本発明の第１５，第１６の実施の形態を示す
構成図。

【図１９】従来技術の発電装置から直流送電を行なうシ
ステムの構成図。

【図２０】従来技術の軸ねじれ振動検出装置の構成図。

【符号の説明】

１ タービン発電装置 ２ タービン ３ 発電機 ４ 変圧器 ５ 直流送電システム ５１，５４ 変換器用変圧器 ５２，５３ サイリスタ変換器 ５５ 変換器制御装置、 ６ 相手交流系 ７ 他の交流電源装置 ８ 軸ねじれ振動監視保護装置 １０ 回転数検出回路 １０′ 軸ねじれ信号検出回路 １１ 軸ねじれ振動成分分離回路 １２ 振動振幅検出回路 １３ 振幅傾き検出回路 １４ 傾きレベル判定回路 １４′ 振幅レベル判定回路 １５ 将来振幅予測回路 ８１ 信号検出手段 ８２ 軸ねじれ振動成分分離手段 ８３ 軸ねじれ振動信号前処理手段 ８４ 軸ねじれ振動評価手段 ８１１ 回転数偏差検出回路 ８２１ 第１モード成分増幅回路 ８２２ 第２モード増幅回路 ８２ｍ 第ｍモード増幅回路 ８３１ 第１モード成分信号前処理回路 ８３２ 第２モード成分信号前処理回路 ８３ｍ 第ｍモード成分信号前処理回路 ８３１ａ ピーク値検出回路 ８３１ｂ ボトム値検出回路 ８３１ｃ １周期信号保持回路 ８３１ｄ，８３１ｉ 演算回路 ８３１ｈ １周期前値保持回路 ８３１ｊ 積分回路 ８３１ｋ 全波整流回路 ８３１ｌ ローパスフィルター ８４１ 第１モード発散判定回路 ８４２ 第２モード発散判定回路 ８４ｍ 第ｍモード発散判定回路 ８４ｎ 論理和回路 ８４１ａ 信号サンプリング回路 ８４１ｂ 信号レベル比較回路 ８４１ｃ 連続増加回数カウント回路 ８４１ｄ 回数比較回路 ８４１ｅ 検出周期設定器 ８４１ｆ レベル設定器 ８４１ｇ 回数設定器 ８４１ｑ 比較回路 ８４１ｐ 前値保持回路 ８４１ｒ タイマ回路 ８４１ｓ，８４１ｔ タイマ設定器 ２００ 信号変換回路 ２０１ 信号積分回路 ２０２ 信号最大値比較回路 ２０３ 最大値保持更新回路 ２０４ 最大値リセット用タイマ回路 ３００ イベント記録起動判定部 ３０１ａ 第１モード振幅異常判定部 ３０１ｂ 第２モード振幅異常判定部 ３０２ａ 第１モード軸疲労異常判定部 ３０２ｂ 第２モード軸疲労異常判定部 ３０３ａ 第１モード発散判定部 ３０３ｂ 第２モード発散判定部 ３０４ａ，３０４ｂ，３０５ 論理和回路 ３０６ 論理積回路 ΔＰe 有効電力変化入力 Δωg 回転数変化入力 Δωge 回転数変化推定値 ωm1，ωm2，ωm3 軸ねじれ振動モードの固有角周
波数 Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３ 軸ねじれ振動モードの軸固有ダ
ンピング Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ 検出点におけるΔωの軸ねじれ
振動モードのΔＰ応答倍率 Kf オブザーバフィードバックゲイン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上村 洋市 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会 社東芝 本社事務所内 (56)参考文献 特開 昭63−282617（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−201030（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−117129（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−282618（ＪＰ，Ａ) 山口博章，「関西電力株式会社総研報 告」，第155−159頁 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01H 1/10 G01N 3/32 G01N 3/34 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービン又はこのタービンに連結された
   発電機の回転軸の回転数を検出する信号検出手段と、前
   記信号検出手段の出力信号をもとに当該信号の振幅を検
   出する手段と、前記検出した振幅の傾きを検出する手段
   と、前記検出した振幅及び振幅の傾きから将来の振幅を
   予測する手段と、前記予測した振幅値が所定の閾値に達
   したことを判定する手段とを備えたことを特徴とする軸
   ねじれ振動監視保護装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の軸ねじれ振動保護監視装
   置において、軸ねじれ振動信号の振幅の傾きを検出する
   手段が、前記振幅の傾きの１次微分及び２次微分を検出
   する手段で構成されることを特徴とする軸ねじれ振動監
   視保護装置。