JPH01144343A - 回転電機のコア監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、重大な損傷が発生する前に回転電機、例えば
発電機を休止する、回転電機のコア監視装置に関し、更
に詳細には回転電機のロータに生じる電圧を監視してコ
アの高温部位の発生を検知する監視装置に関する。

第１図に概念的に示すように、新型の発電機８はコア１
２の巻線１３の内側を回転するロータ１４を備えている
。大型発電機の成層コア１２は、絶縁物で被覆した強磁
性材料のシートを圧力下で成層状態に保持して形成され
る。強磁性シート上の表面絶縁体は、ロータ１４が形成
する高速度で変化する磁束によりコアに大きな循環渦電
流が発生するのを阻止する働きがある。絶縁物が絶縁破
壊を起し、絶縁されていた強磁性シートが短絡すると、
コア１２に大きな循環渦電流が誘起される。その結果、
ＩＲの加熱が起こり絶縁物の破壊が加速されて、更に大
きな循環電流が流れることになる。コア１２が溶融して
発電機のコア１２が甚大な損傷を受けることになる。コ
ア１２が溶融すると巻＆！１３もまた損傷を受けて発電
機の修理に多額の費珪１が掛る故障が生じることになる
。

従来技術の発？ｔｔ機コア監視装置は、発電機コアの故
障の検知に有効ではない、その理由は、コアと巻線の間
を循環する水素冷却ガス内の粒状物を検知してコアの故
障を検知するからである。新型のコアは、絶縁破壊或い
は過熱状態が生じてもほんの僅かしか粒状物を発生させ
ない無機絶縁材料製のシートで構成されている。新型発
１！機内において粒状物が発生したとしてもそれは非常
に短期間存在するにすぎず、水素ガスに一様に混ざらず
、またその濃度は非常に低いので、高信頼度で検知する
のが困難である。粒状物の検知レベルとコアの損傷の程
度との関係は、オンラインでの損傷の評価を可能にする
程充分に理解されていない。

従来技１１にの方法には、発電機全体の温度を測定して
コアの故障の有無を判定するものがある０発′ＩＥ機の
温度はコアに溶融高温部位がある場合でもゆっくり変動
するため２９の方法によっては故障の発生を迅速に知る
ことが出来ない。

コアの故障が軽微でない場合、コアを再び巻きなおす必
要がある為修理に多大の費用が掛る。従って故障の早期
発見が必要である。

本発明の目的は、回転電機のコアに著しい損傷が生じる
前に絶縁物の損傷の発生を高い信頼度で検知して、回転
電機がオンライン状態で故障が進行中に絶縁破壊による
コアの損傷の程度を評価し、コアに高温部位が発生して
いる際損傷の進み具合と共に破局的な故障が生じる可能
性を予測することである。

Ｌ記の目的に鑑みて、本発明は、ロータ軸及びフレーム
を有する回転電機のコア監視装置であって、ロータ軸の
第１及び第２の端部に接触する第１及び第２の軸ブラシ
と、第１及び第２の軸ブラシに接続した主差動増幅器と
、差動増幅器に接続したアナログ／デジタル変換器と、
アナログ／デジタル変換器に接続されて第１及び第２の
軸ブラシとフレームの隣接部分間の電圧の差に等しい現
時電圧信号を発生し、現時電圧信号と前の電圧信号の差
を計算して、その電圧差が閾値を超えると警報を発生す
る分析手段とよりなることを特徴とする監視装置を提供
する。

ロータ軸の差電圧は、デジタル／アナログ変換器とコン
ピューターにより実行されるフーリエ変換ルーチンによ
り電圧周波数スペクトルに変換される。コンピューター
は、スペクトルの２つの成分に時間変動があるかないか
を監視し、変動が閾値を越えると警報を発生する。ロー
タ軸の差電圧信号はまた、ロータの各回転に対応する時
間ベースの差電圧信号の異なる部分が閾値を超えるｔ警
報を発生するように利用することも可能である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

大型のターボ発電機の軸電位には４つの発生源がある。

すなわち、（１）発ＴＩ！機内を移動する静電荷、（２
）励磁機の構成部分と軸の間で容量的結合により生じる
電圧、（３）軸に沿う磁界の直角成分の積分により発生
する単極電圧、及び（４）発′ｌヒ機コア１２の僅かな
不均整或いは不整に起因する不均整電圧である。最初の
２つの軸電圧発生源は軸に直列の高インピーダンス電圧
源で表わすことが出来る。軸の電気インピーダンスは非
常に低いため、これら２つの電圧は軸を効果的に接地す
ると軸の長さ全体に沿って零になる。たとえ零にならな
くても、本発明による差電圧の測定で相殺される。軸電
圧の第３及び第４の発生源は、軸の長さ全体に沿っては
零にはならないが単一のブラシ或いは鋼装の網線により
軸を接地した所では零になる低インピーダンス源である
。単極電圧は、ロータ１４を発電機内に設置する前に消
磁を行なうと軸に沿って非常に低い値となる。

第４の軸電圧発生源、即ち不均整電圧は発電機コア１２
の磁気的不均整により発電機の軸とフレームに沿って発
生する。第１図に示すように、回転磁界はロータ１４の
Ｎ極から出てエヤギャップを越えてコア１２に至り、２
つの磁束通路へ分割される。２つの磁束通路はコア１２
の周りを互いに反対の方向へ１８０度延びて再び結合し
、エアギャップを横断してロータ１４のＳ極に入る。ロ
ータ１４と共に回転する循環磁気回路の互いに反対方向
の２つのループが形成される０発電機コア１２内の２つ
の対向する半円形の磁界は、ロータ１４の軸を対称的に
囲む（第１図には図示せず）、発電機コア１２が磁気的
に完全に均一であるならば、即ちコア１２が欠陥或いは
不整部分を全く持たない場合、袖と共に回転する２つの
磁界は大きさが等しく方向が反対である０発′Ｉｆ機コ
ア１２の内部でロータｌＯを包囲する閉じた円形通路の
周りには、正味の磁束は存在しない、フレミングの右手
の法則を逆に適用すれば、ロータ軸に沿って前述の正味
の磁束に対応する電圧は誘起されない。

しかしながら実際には、絶縁した強磁性材料を用いる設
計により、また許容出来る範囲内であるが製造のばらつ
きがあるため、発電機コア１２を介する２つの磁気回路
の磁気リアクタンスは同一でなく、回転する軸及び時間
に関してばらつきがある。ロータ１４からの磁束は１発
電機コア１２内で等しく分かれない０発電機コア１２内
の、軸を囲む閉じた円形の磁気通路の周りでは、正味磁
束は零でない、従って、右手の法則を逆に適用すると、
軸に沿って電流及び電圧が誘起される。軸に発生するこ
の差電圧は交流信号であり、まだこの電圧は零でない回
転磁束により発生するため、発電機回転速度の基本波及
び高調波成分を含む。

この時間ベースの信号の複雑なフーリエ変換は、発′ｉ
ｆ機コア１２内の僅かな物理的及び磁気的なばらつきを
表わす発電機コア１２の指紋のようなものである。

発電機コア１２の物理的な破損によりコアの電気的（積
層部分の短絡により誘起された電流）、物理画成るいは
磁気的な特性が変化すると、軸の差電圧の複雑なフーリ
エ変換である軸の不均整を表わす電圧波形に大きな変化
が観察される。破損がまだ初期的段階でその程度が小さ
い場合、発電機コアの製造公差による信号レベルの２倍
或いは３倍程度の信号が発生し、この電圧変化が検知さ
れる。軸電圧の他の発生源による軸信号は１本発明の差
電圧測定により相殺されるか、或いは軸の回転と同期し
ないためフーリエ変換の雑音を増加させるだけである。

単極信号は直流電圧信号であるため、電圧スペクトルの
直流成分に影響を与えるだけである。コアの破損と軸の
不均整電圧、コアの完全な遮蔽、及び本発明の測定感度
の間に直接存在する相関関係から１本発明は従来技術の
ガスによるコア監視装置、成るいはコアの温度分布監視
技術とは比較にならない、発電機コアのオンラインによ
る監視を行うための効率的な装置を提供することがわか
る。

第２図に示すように、本発明の装置は、イ準型のバネ偏
倚軸ブラシ２０及び２２を用いてロータ軸の端部１６及
び１８の間のロータ軸電圧の差を測定することにより、
発電機コア１２の故障をオンラインで連続的に検知出来
る。アナログ・デバイシズ社から購入出来るＡＤ２９３
のような、二重に遮蔽した高インビ、−ダンス隔離差動
増幅器２４及び２６がブラシ２０及び２２へ接続され１
発電機のフレームで接地される。接地を行なう点は、ル
ープ磁束を拾うのを最小限におさえるためブラシと軸の
接触点の近傍に選ぶべきである。差動増幅器２４及び２
６と同じ形の第３の差動増輻器２８を用いて軸の差電圧
を発生させる。差動増幅器２８の出力をアナログ・デバ
イシズ社から購入出来るＡＤ７５７４のようなアナログ
／デジタル変換器３０へ加え、コンピューター３２に差
電圧のフーリエ変換をさせる。コンピュータ３２として
はＩＢＭ　　ＡＴ　　マイクロコンピュータが適当であ
る。パーソナルコンピュータ上で動くフーリエ変換用ア
ルゴリズムは、当業者にとっては容易に手に入れること
が出来るであろう、モトローラ６８００を用いたマイク
ロコンピュータは、バイｈ（Ｂｙｔｅ）の１９７９年２
月号、第１０８−１１９ページのロード（Ｌｏｒｄ）著
″６８００の高速フーリエ”に記載がある。軸の不均整
電圧信号は、時間ベースの軸木均整電圧信号の連続フー
リエ変換に於る発電機回転速度と高調波の関係により識
別される。

フーリエ変換はコアのいわば指紋を表わし、発電機コア
１２内の不均整の程度及び性質を表わす。スペクトルの
小さいピークはコア１２の構造と関係があり、不均整部
分は製造のばらつきによるものである。軸電圧信号の実
及び虚成分のスペクトルの例を、第３Ａ及び第３Ｂ図に
示す。不具合により生じたコア１２の変化は、これらの
スペクトルの一方或いは両方の発電機高調波成分がそれ
に対応して増加するのを検知することにより識別【′Ｉ
ｆ能である０本発明は、スペクトルの一方或いは両方の
種々の周波数成分、及び新しい成分の振幅及び／又は相
対的な振幅を連続的に比較して、発電機コアの故障をそ
の開始時から検知し、そ、の大きさ及び性質を判定をす
る。不具合の発生成いはその成長は、スペクトルの変化
を装置により或いは人間により分析して判定することも
可能である、不具合の検知はまた、第３Ｃ図に示すよう
に軸の回転毎の差電圧信号を小部分に分割し、これらの
部分の時間ベースの波形変化をスペクトルの変化と同様
な態様で検知することにより、時間ベースで行うことが
出来る。

例えば、発電機を最初にオンライン状態に置いた時、自
動分析システムによりコア１２のスペクトル波形成いは
時間ベースの回転波形が得られる、この最初の波形は、
例えば１０％のハイトリガ闇値で囲まれている。第３Ａ
図に示した波形において、はぼ０．７８ボルトの電圧が
発生する、実周波数スペクトルの最大ピーク点では、閾
値は、０．８５８ボルトであろう、この点において、採
取したスペクトルが闇値を超えると、コンピュータ３２
は発電所のオペレーターに注意を促すための警報を発生
する０発電所のオペレーターは、もしスペクトルの変化
が大きければただちに発電機をオフラインにするか、或
いは監視プロセスを開始してその変化を見守ことが出来
る。この監視プロセスでは、スペクトルの時間関数とし
てのスペクトルの変化を記憶させて、変化率を示すグラ
フを作成する。この変化率から不具合の成長を判定し、
発電機をオフラインにするかどうかの決定が可能となる
。これと同じようにして、スペクトル全体に渡って闇値
を設定することが可能であり、スペクトルのいかなる部
分が変動してもオペレーターに注意を喚起することが出
来る。同様に、第３Ｂ図の虚成分のスペクトル、或いは
第３Ｃ図の時間ベースの信号を用いて変動を検知するこ
とが出来る。

コアの高温部位はわりと急速に広がる事があるため、迅
速確実な検知を行なえるよう分析サイクルを数秒にする
ことが好ましい。信号のスペクトルは零ヘルツないし約
手ヘルツの帯域幅を持つため、イσ秒少なくとも２００
０回のサンプリングが可能なアナログ／デジタル変換器
３０が必要である。前述したアナログ／デジタル変換器
は１、このサンプリング速度の点から見ると充分である
。発電機の指紋を正確に発生するには０．０００５秒の
サンプリング周期で充分である。

」−述した例よりは低価格で、非常に小さい変化に対す
る検知能力は落るが、コア１２の急速な変化を監視出来
る本発明、の第２の実施例を第４図に示す、差動増幅器
２８により発生した差信号が、波形の選択ピークを夫々
隔離する一群のバンドパスフィルタ３４へ加えられる。

適当な音声問波数用バンドパスフィルタは、ＥＸＡＲコ
ーポレーションから手に入れることが可能である。フィ
ルタ３４の出力は、アナログ・デバイシズ社のＡＴ７５
０１のようなアナログマルチプレクサ３６により、アナ
ログ／デジタルコンバータ３０へ加えるまえに多重化さ
れる。従って、コンピュータ３２は限られた数の点にお
ける変化をモニターする必要があるにすぎない、比較的
時間を消費するフーリエ変換のアルゴリズムは必要でな
く、変換器３０の出力が閾値に対する比較を行う必要が
あるにすぎない、コア１２により非常に限られた周波数
成分の変化だけを測定すれば充分に監視の目的を達成出
来る場合、コンピータ３２を省略してその代りにアナロ
グの閾値比較回路を設ける。

本発明は、回転電機のコアに生じる変動の迅速で正確な
検知を可能にするだけでなく、回転電機がオンラインの
状態のままでコアに生じた損傷の程度を評価すると共に
、オンライン状態を続けた場合起りうる損傷の予測を行
うことが出来る０例えば、不具合の変化と損傷の進み具
合の間の相関関係を知ることにより、不具合発生の特定
モードを認定すると共に、修正処置が取られない場合に
起こる！ｌＧ　ｆ９の予測を行うことが出来る０本発明
の出力を他のコア監視装置と関連させて用いると、コア
の損傷を抑制する上で著しい改善が成される、ロータ１
４及びロータの巻線だけでなく、ステイタ巻線の状態も
この方法を用いて監視出来る。

本発明によるコアの監視法は、既にある軸を用いるため
、簡単で安価、且つ他の機能及び作用の妨げなるもので
はない、加えて、発電機に用いる水；に圧力シール及び
水素ガスサンプリング装置は必要でない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、発電機の構成要素を示す概略である第２図は
、本発明の構成要素を示すブロック図である。 第３Ａ図は、ロータの２つの端部の間で検知した軸電圧
の実成分スペクトルのグラフである。 第３Ｂ図は、ロータ１０の２つの端部の間で検知した軸
電圧の虚成分スペクトルのグラフである第３Ｃ図は、軸
１０に生じる差電圧を時間ベースで示したグラフである
。 第４図は、本発明の他の実施例の一部を示すブロック図
である。 １２Ｉ１１１・・骨充電機コア １３−・　・・巻線 魯 １４１・・・ロータ ２０．２２やＯブラシ ２４．２６．２８・・拳差動増幅器 ３０争拳番・番アナログ／デジタル変換器３２・参〇・
・コンピュータ 出願人：ウェスチングハウス拳エレクトリック・コーポ
レーション 代理人：加藤紘一部（ほか１名） ＦＩＧ、　２ 儂丘

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロータ軸及びフレームを有する回転電機のコア監
   視装置であって、ロータ軸の第１及び第２の端部に接触
   する第１及び第２の軸ブラシと、第１及び第２の軸ブラ
   シに接続した主差動増幅器と、差動増幅器に接続したア
   ナログ／デジタル変換器と、アナログ／デジタル変換器
   に接続されて第１及び第２の軸ブラシとフレームの隣接
   部分間の電圧の差に等しい現時電圧信号を発生し、現時
   電圧信号と前の電圧信号の差を計算して、その電圧差が
   値を超えると警報を発生する分析手段とよりなることを
   特徴とする監視装置。
2. （２）前記電圧信号は時間ベースの信号であることを特
   徴とする請求項第１項に記載した監視装置。
3. （３）前記電圧信号は電圧スペクトルよりなることを特
   徴とする請求項第１項に記載した監視装置。
4. （４）第１の軸ブラシとフレームの隣接部分の電圧間の
   第１の差電圧を求める第１差動手段と、第２の軸ブラシ
   とフレームの隣接部分の電圧間の第２の差電圧を求める
   第２差動手段等を含み、第１及び第２差動手段は主差動
   増幅器に接続されて第１及び第２の差電圧間の差が求め
   られることを特徴とする請求項第１項に記載の監視装置
   。
5. （５）前記第１差動手段は第１の軸ブラシとフレームに
   接続した第１の隔離増幅器よりなり、前記第２の差動手
   段は第２の軸ブラシとフレームに接続した第２の隔離増
   幅器よりなることを特徴とする請求項第４項に記載の監
   視装置。
6. （６）前記分析手段は差動増幅器に接続した帯域フィル
   タを含むことを特徴とする請求項第５項に記載の監視装
   置。
7. （７）前記分析手段は時間軸上で検知した電圧波形の変
   動を検知することを特徴とする請求項第５項に記載の監
   視装置。