JPH0427364B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は概して回転機械に関し、特に使用中
その回転機械の部分を電気的に接地するための動
作シヤフトの接地装置に関するものである。

従来技術 蒸気タービンのような或る種の回転機械の動作
は、軸受によつて離間された場所に支持されてい
る回転子もしくはシヤフト上に電荷の増加もしく
は増強をもたらす。シヤフトは実際軸受における
潤滑油の薄膜上にあり、従つて接地電位から電気
的に絶縁されている。シヤフト上の過度の電荷の
増加は潤滑油の膜を通して放電を生じ、結局は軸
受を損傷する。

このような放電を避けるために、電荷の増加に
対する接地への放電路を供給するために、回転す
る時シヤフトと接触する接地装置が提供される。
接地装置の動作寿命の間、膜の増加が生じ、それ
により電荷に対する接地への連続路がしや断され
る。それにより電圧がシヤフト上で或る臨界値ま
で増加され、油膜を通る放電が生じ軸受の損傷を
もたらす。

発明の目的 この発明はシヤフト上のいかなる電荷の増加を
も阻止するかもしくは最小にしてかかる軸受の損
傷を避けるようにした装置を提供することにあ
る。

発明の構成 この発明によれば、(A)固定組立体と相対的に回
転可能でかつ回転中電荷の増加を受けるシヤフト
を有する回転組立体と、(B)離間された軸受から電
気的に絶縁されかつそれによつて支持されている
前記シヤフトと、(C)前記シヤフトと接触する第１
の電気導通接触装置と、(D)前記シヤフトと接触す
る第２の電気導通接触装置と、(E)前記第１および
第２の接触装置間に接続され、前記第２の接触装
置を通して前記シヤフトに中性電流を提供して前
記第１の接触装置における電圧の関数として前記
電荷の増加を禁止するよう動作可能のフイードバ
ツク回路手段と、を備えたことを特徴とする動作
シヤフトの接地装置が提供される。

作用効果 フイードバツク回路手段は、第１の接触装置に
おける電圧の関数として電荷の増加を禁止するよ
う第２の接触装置を通してシヤフトに中性電流を
供給する。すなわち、第１の接触装置は、シヤフ
トに存在する電荷に関係した電圧を取り込み、フ
イードバツク回路手段は、該電圧の関数として電
荷の増加を禁止するようシヤフトに中性電流を供
給する。これにより、シヤフトに存在する電荷の
増加はなくなり、シヤフトの電位が臨界電圧に達
することはなく放電及びアークは阻止される。

本発明によれば、このように放電及びアークが
阻止されるので、軸受もしくはシヤフトの損傷を
避けることができるという効果がある。

実施例 第１図は回転電機の一例を、その内部構造が良
く知られている蒸気タービン１０として示してい
る。かかる構造は固定羽根と、１つまたは２つ以
上の固定ケーシング内に配置された回転羽根との
双方を含んでおり、該回転羽根は回転子もしくは
シヤフト１２に接続されている。

シヤフト１２は、このシヤフトを支持する型の
それぞれの軸受１４および１５によつて、離間さ
れた第１および第２の場所に支持されており、軸
受１４においては数字１６によつて示されている
薄い油膜上で、軸受１５においては数字１７によ
つて示されている薄い油膜上で回転する。この油
膜はシヤフトと軸受との間に電気絶縁を提供す
る。軸受自体はそれぞれの軸受台構造１８および
１９上に支持され、それら構造１８および１９は
電気的観点から接地電位にある。

その動作状況により、シヤフト１２は静電荷を
作る傾向にあり、その静電荷は蒸気タービンの場
合には、動作中シヤフトに衝突する水滴からの電
子沈積によるものと信じられている。回転シヤフ
ト１２は機械の固定部分から電気的に絶縁されて
いるので、潜在的に危険な電位差が油膜１６，１
７を横切つて作られ得る。もし薄い油膜の電気的
定格を越えたならば電気放電がそれらを通して生
じてアークオーバすなわち弧絡を生じ、もしそれ
が続くならば潤滑油の焼失、点食、撹乱運動、お
よび結果としての軸受の故障となり得る。

第２図は時間の関数としての電圧状態を示して
いる。電圧は垂直メモリにプロツトされており、
電子過多によつているので負である。時刻t₀に続
いて電圧は電子沈積により臨界値V₁に立ち上る。
この臨界値は油膜を通して放電を可能とする大き
さであり、かかる放電は時刻t₁において見られる
ように電圧の急激な変化となる。その後電圧は再
び値V₁に上り、その時、時刻t₂においてもう１つ
の放電が在じる。その後に続く立ち上りは時刻t₃
においてより低い臨界電圧V₂で放電され、この
ような異つた臨界レベルでの放電は例えば潤滑油
の起り得るゴミによる汚染によつて起る。

この潜在的に危険な状態を防ぐために、一般的
にシヤフト１２を接地電位に維持するための手段
が設けられる。第１図においてはこれはシヤフト
１２を軸受台構造１９（または接地電位にあるタ
ービンの他の何らかの固定部分）に電気的に接続
する接地装置を設けることにより達成されてお
り、それ故タービンの回転部分と固定部分との間
に電流の放電路を作るようにしている。代表的な
接地装置が例として第３Ａ図および第３Ｂ図に示
されており、これからそれを参照して説明する。

第３Ａ図において接地装置はカーボングラフア
イトのような一対の導電性のブラシ３０および３
１が備えられており、それらブラシ３０および３
１は、点３４および３５のまわりに枢軸回転可能
な金属性のブラシホルダ３２および３３によつて
それぞれ担持されている。ブラシは回転している
シヤフト１２に対して偏倚されるバネであり、数
字３６で示される接地点に電気的に接続され、そ
れ故タービンシヤフトに作られるどんな静電荷も
ブラシ並びにそれらのそれぞれのホルダを通して
接地点に運ばれる。

もう１つの型の接地装置が第３Ｂ図に示されて
おり、シヤフト１２並びに数字４１で示される接
地点に電気的に接触する金属性の平ひもの接地ス
トラツプ４０を含んでいる。

示されたような接地装置ではシヤフトと導電ブ
ラシもしくはストラツプとの間に不完全な電気接
触があり、それ故静放電が生じる前に超えられな
ければならない臨界電圧を生じる。この臨界電圧
は動作および環境条件により、連続使用でブラシ
またはストラツプ上に膜が作られる結果として変
化すると信じられている。それ故、接地装置を装
備しても軸受油膜を通して周期的な電気放電およ
びアークが生じ、前述したような問題が生じる。

第４Ａ図はシヤフトを接地もしくは実質的に接
地に積極的に維持するための最も簡単な形態でこ
の発明の一実施例を示しており、シヤフトから機
械の固定部分へのアーク放電を避けるのを可能と
する。第４図の装置はブラシ４４の形態にある第
１の電気的接触装置と、ブラシ４５の形態にある
第２の電気的接触装置とを含んでおりその双方は
シヤフト１２が回転する時それと接触を成す。第
１および第２のブラシの間にフイードバツク回路
４８が接続されており、この回路４８は、ブラシ
４４に現れる電圧の関数として、シヤフト１２上
に作られたどんな電荷をも避けるかもしくは最小
にするよう、ブラシ４５に中和もしくは中性電流
を与える。

特にフイードバツク回路は演算増幅器（OPア
ンプ）５０を含んでおり、その増幅器５０はブラ
シ４４で電圧を受けるように接続された第１の入
力すなわち反転入力５１と、接地として示されて
いる基準電位に接続された第２の入力すなわち非
反転入力５２とを有している。OPアンプ５０の
出力５３は、ブラシ４４で感知されるのとは反対
の極性の中性電流を与えるようにブラシ４５に接
続される。OPアンプ５０の高い開ループ利得を
持つて、シヤフト１２は接地電位近くに維持され
る。この装置の簡単化された動作が、さらに第４
Ａ図および第４Ｂ図を参照して説明されるであろ
う。

第４Ａ図において、シヤフト１２に接触してい
る矢印５８は、シヤフトへの水滴の衝突から或る
割合で電子沈積によつて生じたシヤフト電圧すな
わち電子の蓄積を表わしている。矢印５９は、シ
ヤフト上に作られた電荷を中和するかもしくは禁
止するためにOPアンプ５０によつて与えられる
中性電流を表している。抵抗R₁はブラシ４５の
抵抗と、ブラシ上に作られた何らかの膜の抵抗
と、ワイヤの抵抗とを総括的に表す抵抗である。
電流は正から負へ流れ電子の流れは電流の流れと
逆であるという規約を使用すると、OPアンプ５
０は電流５８と等しくかつ反対の電流５９を提供
する。特に或る抵抗R₁でもつて出力５３におけ
る電圧は、シヤフト１２上での沈積電子がその沈
積とつり合つた割合で取り除かれる大きさのもの
である。もし電子の発生である電流５８が増加す
るならば、静電荷が作られ、シヤフト１２の電位
（負の向きで）を増加しようとする。ブラシ４４
によつて検出され入力５１に与えられた負の電圧
の増加は、出力５３において或る大きさの対応の
正の増加を生じ、それは電子の消失である電流５
９を増加して増加された電流５８を調節し、それ
故さらなる正味の静電荷の増加を避けるようにす
る。

例としてシヤフト電流５８は10ミリアンペア
（ma）であり、抵抗R₁が10オームでありそして
OPアンプの利得が10000であると仮定しよう。出
力５３における電圧は100ミリボルト（mv）であ
り、抵抗R₁と関連してシヤフト電流５８に等し
い10maの電流５９を提供する。10000の利得なの
で入力５１における電圧は0.01mvである。

電流５８が20maに上昇する傾向にあるならば、
入力５１に与えられるブラシ４４の電圧の増加
は、或る大きさまでOPアンプの出力電圧におけ
る対応の上昇を生じ、これにより電流５９は電流
５８と等価となり、新しい割合でシヤフトからの
電子の放出を調節する。これらの条件下で双方の
電流は20maとなり、出力５３における電圧は
200mvとなり、そして入力５１における電圧は
0.02mvとなる。

OPアンプ５０とシヤフト１２との間の全抵抗
に加わるように或る時間間隔にわたつて膜がブラ
シ上に作られたと仮定する。この状況が第４Ｂ図
に示されており、それにおいて新しくかつより高
い値の結合された抵抗がR₂として示されている。
R₂が100オームであり、第４図での先の量の10倍
であると仮定する。電流５８が10maであり、等
価の電流５９が10maである場合に出力５３にお
ける電圧は１ボルトであり、入力５１における電
圧は0.1mvである。電荷増加の割合における何ら
かの変化、もしくはOPアンプとシヤフトとの間
の抵抗における何らかの変化は、その変化を補償
するように検出されかつ使用されるシヤフト電圧
における対応の変化としてそれ自身に影響する。
もしこの装置がなければ、一例として約６ボルト
の大きさにシヤフト電圧が増加した時弧絡が出じ
る。この装置があればシヤフト電圧は１ボルトの
千分の２〜３もしくは千分の10の程度の極めて低
い電圧に維持される。理論的に無限大の開ループ
利得をもつてOPアンプ５０への２つの入力は互
いに等しく維持されるであろう。すなわちシヤフ
ト電圧は接地電位に維持されるであろう。逆にも
し開ループ利得が10000のものより小さい、例え
ば1000であるならば、シヤフト電圧は尚ミリボル
ト領域に維持され、それは弧絡を生じるようなも
のよりもはるかに低い。

第５図は、変更を加えて第４図の装置を二重に
している。ブラシ４４がはずんでシヤフト１２と
一時的に接触しなくなる場合には付加的な第３の
ブラシ６０が冗長を与えるために設けられてい
る。このようにブラシ４４はブラシ６０と同様に
OPアンプ５０の入力５１に電気的に接続されて
おり、これにより一方は他方のバツクアツプとし
て働く。同様にブラシ４５に対して冗長ブラシを
設けることができる。

加うるに、フイードバツク回路４８に何らかの
故障が起きた場合にシヤフト電圧は弧絡の臨界値
に増加する傾向を有する。これを避けるために、
ダイオードの対６２および６３が、それぞれのシ
ヤフト電圧検出ブラシ４４および６０に接続され
ており、それ故その対の一方のダイオードの順方
向電圧降下に到達した時にそれは導通し、それに
よりシヤフト電圧をこのダイオードの電圧降下に
制限する。使用されるダイオードに依存して、こ
の順方向電圧降下は代表的には１ボルトの10分の
１の数倍から１ボルトまでの範囲にあり得る。フ
イードバツク回路４８が動作している時にはダイ
オードの対は導通しないであろう。何故ならばそ
の場合にはシヤフト電圧は実質的に接地電位近く
に維持され、いずれにしてもダイオードの順方向
電圧降下より低いからである。

第６図はパワープラントの蒸気タービン発電機
部分を簡単化して示す図である。システムの蒸気
部分は、高圧タービン７０と、中間圧タービン７
１と、低圧タービン７２とから成る。システムの
電気的部分は、発電機７４と、発電機の回転子コ
イルに直流電流を供給する励磁機７５とを含んで
いる。

構成部分は共通のシヤフト７６に結合され、そ
の共通シヤフト７６は蒸気部分においては先に説
明した型の軸受７８によつて支持されかつ電気的
に接地されている。電気的部分における回転子は
軸受８０によつて支持されており、その軸受８０
は電気的に接地されておらず電気絶縁８１によつ
てそれから絶縁されている。

動作シヤフトの接地装置８４はシヤフト７６と
電気的に接触しており、蒸気タービン発電機シス
テムのある動作状態に関する指示を提供するため
の診断装置８５と通信する。第７図は装置のさら
なる詳細を示す。

第７図において動作シヤフト接地装置８４は第
５図に記載されたものと同じであるが、動作中に
OPアンプ５０によつて供給される電流を示す出
力信号を与えるように動作可能な電流センサ９０
を付加されている。

蒸気タービンの分野において、低圧タービンに
存在する液体状の水に対する、ガス状の蒸気の比
は、タービンの性能すなわち効率を示すものとし
て知られている。この情報からタービンシステム
の動作は、経済的考慮に対する効率を最大にする
ように変えられ得る。電荷の増加がシヤフト上で
の水滴の衝突によるので、全電荷はそれ故水量の
指示を与え、そして中性電流はそれ故復水器内に
通過する全水量の指示を与える。従つて電流セン
サ９０の出力は、線９１上に中性電流を示す信号
を提供する。平均回路１００はその電流を示す信
号を受けその平均を出力し、かかる平均は復水器
内に通過する水を示している。

平均の読みは蒸気状態モニタ１０２に与えら
れ、そのモニタ１０２は水量に対応した読み出し
を与えるよう動作する。かかる読み出しはそれ自
体平均電流であるかまたはその平均電流は簡単な
ルツクアツプテーブルによつて対応の数値性能す
なわち効率の値に変換される。

中性電流の指示値は他の診断目的のために与え
られ得る。例えば蒸気タービンの場合には機械的
もしくは温度条件が生じ、それによりタービン部
分の歪もしくは異常動作が、タービンシヤフトに
接続された１つまたは２つ以上のタービン羽根ま
たはシールを機械の固定部分に接触させるように
し、それ故、こすりとして知られている望ましく
ない潜在的に危険な状態を作る。もしこすりがあ
るならば、シヤフトが地面に周期的に接触して、
何らかの電荷の増加に対して補助的な放電路を創
設する。

シヤフトが既知の定格速度で回転しているなら
ば補助の放電路が各回転に１度創設される。第７
図においてこれは、スイツチ１０６を通して接地
１０５に接続されている放電路１０４を含んだ点
線配列で示されている。スイツチ１０６は事実１
回転に１度周期的に閉じ、完全な放電路を作る。

こすりがない場合には先に説明したように動作
シヤフト接地装置８４は、OPアンプ５０によつ
て供給される電流がどんな電荷の増加の影響をも
相殺するような値のものであるように動作する。
もしこすりが生じたならば、中性電流の値は、瞬
間的な時間間隔の間、接地への交互の通路によつ
て電荷の増加がないので急に降下するであろう。
例として第８図はセンサ９０によつて検出される
代表的な電流波形を示す。正常動作の間、電流は
ある平均値i_avgの回りで変化する。時刻t₁におい
て電流は一瞬の間急に変化し、次にその正常値に
戻る。１回転後、時刻t₂において電流が再び急に
変化し、このような変化は時刻t₃，t₄，等におい
て各完全な１回転毎に生じる。もし急な変化が或
る臨界値Ｔを横切り、そして１回転毎に１度周期
的に生じるならば、おそらくはこすり状態が存在
する。

従つて第７図の診断装置８５は、こすり状態の
存在を決定するために電流信号を分折する装置を
含んでいる。これを達成するために、電流臨界回
路１１０が設けられており、それは第８図の臨界
値Ｔに対応する。この臨界値は平均電流から測定
されるので、平均回路１００は平均レベルを創設
するように臨界回路１１０への線１１１上にその
出力信号を与えるように動作する。もし急な変化
が臨界レベルを横切つたならば、一連のパルスが
比較回路１１２に与えられる。この比較回路１１
２はまた、蒸気タービン制御装置に普通設けられ
る一回転に１度（すなわち１／回転）の発生器１
１４からのパルス入力信号をも受ける。臨界回路
１１０からのいかなるパルス信号、および一回転
に１度の発生器１１４からのパルス信号が等しい
周波数でありかつ互いに相関しているならば、比
較回路１１２は線１１６上に出力を出し、そして
その出力はこすり状態の指示である。こすりモニ
タもしくは表示装置１１８はオペレータに知らせ
るために使用され、かかるこすりモニタは基本的
形体においては光および／または可聴警報であ
る。

こすり状態に加うるに、補助の放電路が、シヤ
フトを支持するために軸受けに供給される油系統
内のゴミ汚染によつて生じ得る。このような放電
はしかしながら臨界値を通過するけれどもランダ
ムであるであろう。従つてもし臨界回路１１０に
よつて与えられるパルス周波数が一回転に１度の
発生器１１４によつて与えられるパルス周波数と
等しくないならば、比較回路は、相関がない（そ
の状態はゴミ汚染を示す）と言うことを示す適当
な出力信号を線１２０上に出力するであろう。適
当なゴミ汚染モニタ１２２はこのような状態を表
示するために使用され、その表示は例えば光もし
くは可聴および／または可聴警報である。

ゴミが回転周波数と比例した周波数で補助放電
路を生ずるというありそうもない場合には、比較
回路１１２は、所定の回転数のあとだけに線１１
６上にこすりを示す出力信号を与えるように構成
され得る。乱雑なもしくはランダムなゴミ汚染が
このような状態に見合うということはおよそあり
得ないことである。

第６図の電力もしくはパワープラントの電気的
部分において、発電機７４は周囲のコア部材に電
磁束を供給する回転子を持つて構成される。その
束は回転子をＮ極から離れ、コア内で反対方向に
配分し、そして回転子のＳ極に戻る。コアは一般
に複数の部分に作られ、その配列はコア内の２つ
の束路においてわずかに異つた量の束を生じる。
この束の非対称は或る周波数E_dにおいて小さい
非対称電圧を発生し、ここにE_dはコア部分の積
層および機械の回転速度の関数である。

もし前もつて絶縁されている軸受８０が絶縁８
１の故障などによつて接地されたならば、周波数
E_dにおける非対称電圧は、先の中性電流上に重
ねられる周波数E_dの電流としてそれ自身を表わ
す。従つて第７図の電流センサはフイルタ１２６
に出力信号を与え、そのフイルタ１２６は帯域フ
イルタであつて周波数E_dの波形を通すように動
作する。その周波数E_dは、もし臨界回路１２８
によつて決定されるある臨界値以上であるなら
ば、パワープラントの電気部分と関連した軸受の
絶縁故障を示すであろう。この指示は軸受絶縁モ
ニタ１３０によつて与えられ得る。軸受絶縁故障
の指示は必ずしも絶縁８１が故障したということ
を意味するものではなく例えば作業者によつて軸
受が事故的に接地されたと言うようなその絶縁関
数に支障を来たしたということをも示す。

第４Ａ図において抵抗R₁はワイヤ、ブラシお
よび膜の総合抵抗を示した。第４Ｂ図において抵
抗R₂は膜が作られたことによるより高い値を示
した。抵抗のより高い値を持つてOPアンプ５０
の出力５３における電圧の値は、同じ中性電流を
維持するために必然的により高いものでなければ
ならない。従つてOPアンプ５０の出力は膜が作
られたことの指示であり、ブラシ状態の指示を与
えるようこの電圧を監視するための手段が提供さ
れる。電圧臨界回路１３４は線１３５を経てOP
アンプ５０の出力に接続され、もしある臨界電圧
を越えたならば、ブラシ指示回路１３６は、ブラ
シがきれいにされるか取り変えられなければなら
ないということを意味する出力を与える。

シヤフト上でのどんな静電荷の増加も避けるよ
うに回転シヤフトを事実上の接地電位に自動的に
維持し、それによりある機械要素の寿命を延ばす
ようにした装置が開示されてきた。加うるにこの
接地装置は、機械の種々の動作状態を診断する主
な信号を出力し、それにより機械の全寿命に渡つ
て実質的な経済的節約をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は軸受によつて指示される回転機械を示
す横断面図、第２図は、第１図の機械のシヤフト
上に回転中現れる電圧を示す波形図、第３Ａ図お
よび第３Ｂ図は、第１図の機械のための一般的な
接地装置を示す図、第４図はこの発明の一実施例
による接地装置を示す図、第４Ａ図および第４Ｂ
図は、種々の状態下でのこの発明の動作を説明す
るための図、第５図は、第４図の変形例を示す
図、第６図は、パワープラントの代表的な蒸気タ
ービンおよび発電機部分を示す図、第７図は、こ
の発明のもう１つの実施例による、第６図の機械
の診断読出しを与えるための装置を示す回路面、
第８図は、診断されている機械の一動作状態に対
して第７図の装置において生じる波形を示す波形
図である。図において、１０は蒸気タービン、１
２はシヤフト、１４および１５は軸受、４４は第
１の電気的接触装置、４５は第２の電気的接触装
置、４８はフイードバツク回路、７６はシヤフ
ト、８０は軸受、８４は動作シヤフト接地装置、
８５は診断装置、９０は電流センサである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (A) 固定組立体と相対的に回転可能でかつ回
   転中電荷の増加を受けるシヤフトを有する回転組
   立体と、 (B) 離間された軸受から電気的に絶縁されかつそ
   れによつて支持されている前記シヤフトと、 (C) 前記シヤフトと接触する第１の電気導通接触
   装置と、 (D) 前記シヤフトと接触する第２の電気導通接触
   装置と、 (E) 前記第１および第２の接触装置間に接続さ
   れ、前記第２の接触装置を通して前記シヤフトに
   中性電流を提供して前記第１の接触装置における
   電圧の関数として前記電荷の増加を禁止するよう
   動作可能のフイードバツク回路手段と、 を備えたことを特徴とする動作シヤフトの接地装
   置。