JPWO2008044263A1 - 回転電機監視装置および回転電機監視方法 - Google Patents
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- G01J2005/0077—Imaging
Abstract
光を透過しない筐体で覆われた回転電機を監視する回転電機監視装置であって、筐体の一部を貫通するように設けられて、光を透過しガスを透過しない監視窓と、監視窓の外側に配置されて、筐体の内側で発生して監視窓を透過する輻射光を受光して画像データを生成するカメラと、画像データを処理する演算装置と、を有する。演算装置は、筐体内の基準状態の黒体輻射による画像データを基準画像データとして保存する基準画像データ保存手段と、画像データを基準画像データと比較することによって筐体内の温度を求める温度演算手段と、を有する。
Description
この発明は、光を透過しない筐体で覆われた回転電機の筐体内の温度などを監視する装置および方法に関する。
従来、電動機などの回転電機のコイルの温度の異常を監視する方法として、コイルの抵抗値によって温度を評価する方法が知られている。また、コイルの近傍に測温抵抗体や熱電対などのセンサを設置して温度を測定する方法も知られている。
また、回転電機の固定子の絶縁状態の診断のために、固定子に生じている部分放電パルスの大きさと頻度を評価することが行なわれている。このために、特定の１相の静電結合により部分放電信号を検知する方法と、パルス性電流の信号を高周波変流器によって検知する方法が知られている。
また、回転電機の筐体内のガスの異常発生を検知する方法として、筐体内のガスを抽出してマクロ分析装置などにかけて分析する方法が知られている。
なお、分光分析方法として、特許文献１〜３の文献が知られている。
特開平６−２８８９２２号公報
特開平７−１９８６１２号公報
特開平８−２０１３６１号公報
コイルの抵抗値によって温度を評価する方法では、コイル全体の平均温度を評価することはできるが、局所的な温度上昇を検出することができない。
また、コイルの近傍に測温抵抗体や熱電対などのセンサを設置して温度を測定する方法によると、局所的な温度を検出できるが、温度測定位置が特定の点に限られるので、それ以外の位置で異常高温になった場合にこれを検出できない。この温度測定位置を増やすためにはその数のセンサが必要となり、コストがかさむという課題がある。
また、固定子の特定の１相の静電結合により部分放電信号を検知する方法や、パルス性電流の信号を高周波変流器によって検知する方法では、外部ノイズの影響が大きく、リアルタイムの監視が困難である。
また、回転電機の筐体内のガスを抽出してマクロ分析装置などにかけて分析する方法ではリアルタイムの監視が困難である。
さらに、従来の技術では、回転電機の温度、部分放電、筐体内のガス分析にはそれぞれ別個のセンサが必要である。
この発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであって、その目的は、少なくとも回転電機の温度の異常を簡単に検出することにある。
また、この発明の他の目的は、回転電機の部分放電異常をほぼリアルタイムで簡単に検知することにある。さらに、この発明の他の目的は、回転電機の筐体内のガスの分析を簡単に行なうことにある。さらに、この発明の他の目的は、回転電機に関する上記種々の状態検出を一つの装置で行なうことにある。
上記目的を達成するために、この発明に係る回転電機監視装置は、光を透過しない筐体で覆われた回転電機を監視する回転電機監視装置であって、前記筐体の一部を貫通するように設けられて、光を透過しガスを透過しない監視窓と、前記監視窓の外側に配置されて、前記筐体の内側で発生して前記監視窓を透過する輻射光を受光して画像データを生成するカメラと、前記画像データを処理する演算装置と、を有し、前記演算装置は、前記筐体内の基準状態の黒体輻射による画像データを基準画像データとして保存する基準画像データ保存手段と、前記画像データを前記基準画像データと比較することによって前記筐体内の温度を求める温度演算手段と、を有すること、を特徴とする。
また、この発明に係る回転電機監視方法は、光を透過しない筐体で覆われた回転電機を監視する回転電機監視方法であって、前記筐体の一部で光を透過しガスを透過しない監視窓を設け、前記筐体の内側で発生して前記監視窓を透過する輻射光を受光して画像データを生成するカメラを前記監視窓の外側に配置し、前記筐体の基準状態の黒体輻射による画像データを基準画像データとして保存し、前記画像データを前記基準画像データと比較することによって前記筐体内の温度を求めること、を特徴とする。
この発明によれば、少なくとも回転電機の温度の異常を簡単に検出することができる。また、この発明を利用することによって、回転電機の部分放電異常をほぼリアルタイムで簡単に検知すること、回転電機の筐体内のガスの分析を簡単に行なうこと、そして、回転電機に関する上記種々の状態検出を一つの装置で行なうことができる。
１ 筐体
２ 固定子
４ 端部
５ 監視窓
６ 光処理部
７ カメラ
７ａ 第１の分光画像カメラ
７ｂ 第２の分光画像カメラ
７ｃ ２Ｄ画像カメラ
８ ケーブル
９ 演算装置
１０ 光電子増倍管
１１ 光分配器
１２ 第１の集光器
１３ 第２の集光器
１４ 第１の分光器
１５ 第２の分光器
２０ 第１の光路
２１ 第２の光路
２２ 第３の光路
２３ 第１の部分鏡
２４ 第２の部分鏡
２４ａ 開口
２５ 付着加熱器（補助材加熱装置）
２６ 電気加熱器
２７ 加熱器電源
２８ 被加熱体（補助材）
２９ 表面温度センサ
３０ 表面温度測定器
５０ 取り付け具
５１，５２，５３ 接合部保護カバー
６０ 発信機
６１ 受信機
６２ 伝送路
７０，７１ 画像
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６２ 伝送路
７０，７１ 画像
以下に、図面を参照しながら、本発明に係る回転電機監視装置およびその監視方法の一実施形態について説明する。
はじめに、図１〜図４を参照しながら、この実施形態の回転電機監視装置の構成を説明する。ここで、図１はこの回転電機監視装置を回転電機に設置した状態を示す模式的縦断面図である。また図２はこの回転電機監視装置の光処理部およびその周辺の構成を示すブロック図、図３はその光処理部およびその周辺における画像データなどを示す説明図、図４はこの回転電機監視装置における補助材加熱装置（付着加熱器）を示す拡大縦断面図である。
図１において、回転電機はたとえば電動機であって、筐体（フレーム）１内に固定子２が配置されている。筐体１は、たとえば鋼製であって、固定子２全体を覆っており、外光が内部に入らないようになっている。固定子２の端部４に近い位置の筐体１には開口が設けられ、この開口を塞ぐように監視窓５が取り付けられている。監視窓５は光を透過してガスは透過しない構造であって、筐体１内部で爆発があった場合でもそれに耐えうる構造になっている。
監視窓５の外側には光処理部６が取り付けられ、この光処理部６によって得られた情報がカメラ７に入力されて画像データが生成される。カメラ７からの信号は、ケーブル８を通じて演算装置９へ送られて処理されるように構成されている。
図２および図３に示すように、光処理部６は、受光した光電子を増やす光電子増倍管１０と、この光電子増倍管１０を出た光を第１の光路２０、第２の光路２１および第３の光路２２に分配する光分配器１１とを有する。また、光処理部６は、第１の光路２０および第２の光路２１の光をそれぞれ集光する第１の集光器１２および第２の集光器１３と、第１の集光器１２および第２の集光器１３を通った光をその波長によってそれぞれ分光する第１の分光器１４および第２の分光器１５を有する。
第１の分光器１４および第２の分光器１５を出た光はそれぞれ、第１の分光画像カメラ７ａおよび第２の分光画像カメラ７ｂにて画像化される。また、光分配器１１から第３の光路２２に分配された光は２Ｄ画像カメラ７ｃにて画像化される。なお、図１では、これらのカメラ７ａ、７ｂ、７ｃをまとめて一つのカメラ７として表示している。
光分配器１１は各光電子を分解するものであって、第１の部分鏡（ハーフミラー）２３と第２の部分鏡２４とを内蔵している。第１の部分鏡２３はその全面にわたって半透明であって、入射光の一部分（半分とは限らない）が透過して第３の光路２２への光となる。第１の部分鏡２３を透過しなかった光は第１の部分鏡２３で反射して第２の部分鏡２４へ入射される。第２の部分鏡２４はその中央に開口２４ａがあり、この開口２４ａを通り抜けた中央の光は第２の光路２１を通る。一方、第２の部分鏡２４の周辺部に入射された光は開口２４ａを通らず、第２の部分鏡２４で反射されて第１の光路２０に沿って進む。
図１に示すように、回転電機監視装置にはさらに、付着加熱器２５を有する。付着加熱器２５は、監視窓５の近くで筐体１を貫通して取り付けられている。
図４に示すように、付着加熱器２５は、筐体１内に挿入されて配置された電気加熱器２６と、この電気加熱器２６に電力を送る加熱器電源２７と、電気加熱器２６によって加熱される被加熱体（補助材）２８と、被加熱体２８の表面温度を測定するための表面温度センサ２９と、表面温度センサ２９によって被加熱体２８の表面温度を測定する表面温度測定器３０とを有する。被加熱体２８は、たとえば銅やアルミニウムの金属材料である。図１に示すように、被加熱体２８は、監視窓５を通じてカメラ７に撮影される位置に配置されている。
次に、上記構成の回転電機監視装置の作用について説明する。
はじめに、付着加熱器２５を動作させない場合について説明する。この場合は、加熱器電源２７をまったく入れない場合であって、上記構成のうちの付着加熱器２５がない場合であっても同様である。
一般に、物体から放出される輻射光（電磁波）の強度は、その物体の表面温度の関数である。したがって、物体表面の各点から出る光の強度を測定し、これを、基準温度における同じ点から出る光の強度と比較することにより、その点の現在の温度を推定することができる。ここでいう光は、可視光のほか、赤外線や紫外線などの電磁波を含む。
また、回転電機の固定子コイルの絶縁不良などによる部分放電がある場合には、この放電による電磁波が発生する。この原理により、回転電機監視装置の部分放電異常を、発生する電磁波から検出することができる。
この実施形態では、かかる原理により、回転電機監視装置から放出される電磁波を測定することによって、各部の温度を測定するとともに、部分放電異常を検出するものである。
すなわち、回転電機の固定子２の端部４を軸方向から臨む向きで監視窓５を通じて黒体輻射の状況をカメラ７で撮影すると、たとえば図５のような画像７０が得られる。固定子２の端部４の高温部からの輻射が強いので、その部分が特に強い光を放射しており、この画像から、回転電機のどの部分が高温になっているかがわかる。図５の楕円Ａで囲まれた部分は、他の固定子端部に比べて極端に強い電磁波が出ており、この部分での絶縁劣化によるコロナ放電が起こっている疑いがあることがわかる。このような異常の判定は、正常時の画像データを保存しておいて、これと比較することによって容易に行なうことができる。この画像データ収集は、図３に示す第３の光路２２を通じて行なわれる。
さらに、図５の画像７０において強い電磁波を放射していて高温であると考えられる部分、たとえば楕円Ｂで囲まれた部分については、その電磁波の強さに基づいてその高温位置の温度を求める。この場合に、図３の第１の光路２０の光を第１の集光器１２で集め、第１の分光器１４で波長による分光を行ない、一つまたは複数の適当な波長を選択して、同じ波長の電磁波成分で基準温度の場合と比較するのが好ましい。
すなわち、図６に示すように、基準温度、たとえば２０℃の場合の輻射による電子数の波長分布曲線３３と、測定状態の温度（Ｎ℃）の場合の輻射による電子数の波長分布３４を得ることができる。Ｎ＞２０の場合は、図６に示すように、測定状態の温度の場合の輻射による電子数の波長分布３４の方が基準温度（２０℃）の輻射による電子数の波長分布曲線３３よりも電子数が大きくなる。ここで、ある波長Ｌ１における両電子数の差をＦ１とし、他の波長Ｌ２における両電子数の差をＦ２とする。測定状態の温度が基準状態の温度よりも高ければＦ１およびＦ２は正の値になる。
次に、波長Ｌ１における電子数の差Ｆ１と、測定温度と基準温度の差の関係を、たとえば、図７の実線３５のよう描くことができる。同様に、波長Ｌ２における電子数の差Ｆ２と、測定温度と基準温度の差の関係を、たとえば、図７の点線３６のよう描くことができる。実線３５、点線３６ともに、基準温度（２０℃）での電子数差は当然にゼロである。
基準温度および別途測定された複数の温度において、輻射による電子数を測定して、図６および図７をあらかじめ作成して保存しておくことができる。そして、実際の回転電機の測定の際に、電子数を測定することにより、図７の関係からそのときの温度を推定することができる。この場合に、一つの波長についての電子数に基づいて温度を推定することもできるが、複数の波長についてのデータに基づいて温度を推定し、これらの結果を比較することによって、データの信頼性を高めることができる。また、たとえばこれらのデータに基づいて推定された複数の温度を平均することによって測定精度を高めることができる。
次に、上記構成の回転電機監視装置において、付着加熱器（補助材加熱装置）２５を動作させる場合の作用について説明する。付着加熱器２５は、光処理部６やカメラ７などの回転電機監視装置の他の部分と組み合わせて、回転電機の筐体１内のガスの異常発生やそのガスの濃度を求めるためのものである。
筐体１内に挿入された電気加熱器２６に被加熱体（補助材）２８を取り付け、加熱器電源２７の電源を断続することによって、被加熱体２８の加熱と放冷を繰り返す。被加熱体２８が放冷されている間に筐体１内のガスが被加熱体２８の表面に付着し、その後の加熱によって被加熱体２８の表面に付着していた表面物質がガス化する。このときに放出される電磁波を測定することにより、この筐体１内のガスの成分と濃度を検出することができる。
図８は、付着加熱器２５の加熱を断続する場合の測定工程の例を示すタイムチャートである。この図に示すように、被加熱体２８は、たとえば５分間の加熱と５分間の放冷とからなる１０分の周期で加熱と放冷が繰り返され、加熱されている間に光電子データの採取が行なわれる。
図９は、図８の測定「オン」のときに光処理部６に入力される光電子の画像７１の例を示す。図９で、回転電機の固定子２の端部４の発熱に対応する電磁波の放出部（楕円Ｂで囲まれた部分を含む）や異常放電による電磁波の放出部（楕円Ａで囲まれた部分）については図５と同様である。図９ではさらに、楕円Ｃで囲まれた部分での電磁波の放出部が現れている。この部分は、被加熱体２８の発熱に対応する電磁波の放出に対応している。
図１０は、図９のＣ部、すなわち被加熱体２８から発する電磁波のデータについて、波長と電子数の関係を示すグラフの例である。この分布曲線は、図６の分布曲線と同様ななだらかな分布曲線部分４０と、いくつかの波長における特異的な急激な立ち上がり部分４１とからなっている。なだらかな分布曲線部分４０は、図６と同様に、温度に応じた分布曲線になっている。
一方、急激な立ち上がり部分４１は、被加熱体２８の表面に付着して加熱されて表面から放出された物質に応じた輻射による。この特異的な急激な立ち上がり部分４１の波長（固有ピーク波長）は、ガスの種類によって異なる。したがって、この立ち上がり部分４１の波長を調べることによって、ガスの種類を知ることができる。
さらに、この立ち上がり部分４１の立ち上がり高さを測定することにより、筐体１内におけるそのガス成分の濃度を求めることができる。このようすを図１１および図１２に示す。
図１１は図１０のデータを、基準温度の固有のデータと比較して電子数と波長との関係を示すグラフの例である。この図の例では、三種類の波長Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３で固有の急激な電子数増加（立ち上がり）がある。このグラフと基準温度の固有のデータと比較することによって、各波長Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の固有の増加電子数Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を測定できる。各波長Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に対応するガスについてあらかじめ既知の多数種類の濃度の場合の固有の増加電子数を測定して、図１２に示すような濃度対電子数の関係（校正曲線）を求めて、そのデータを保存しておく。実際の回転電機での電磁波発生による電子数を測定し、これと校正曲線とを比較することにより、特定波長に対応するガスの濃度に換算することができる。
上記の構成例では、電気加熱器２６と被加熱体２８を別体としたが、被加熱体２８自体を電気抵抗体とすることにより、電気加熱器２６と被加熱体２８を同一のものとしてもよい。
以上説明したようにして、回転電機の温度の異常、放電の異常発生や筐体内でガスの異常発生などが検出された場合に、警報を発するようにしてもよい。
図１３は、図１に示した回転電機監視装置の光処理部６を監視窓５に取り付ける構造の変形例を示す。この図の例では、監視窓５に対して光処理部６が斜めの向きに取り付けられている。この場合、この取り付け部から光が洩れて入らないように、取り付け具５０が、筐体１または監視窓５に取り付けられている。図１４の例ではさらに、この監視窓５と光処理部６の接合部および光処理部６とカメラ７との接合部を覆うように接合部保護カバー５１が配置されている。図１５は図１４の構造の変形例を示すもので、監視窓５と光処理部６の接合部を覆う接合部保護カバー５２と、光処理部６とカメラ７との接合部を覆う接合部保護カバー５３とを分離したものである。さらに他の変形例として、接合部保護カバーに代えて、または、接合部保護カバーに加えて、パテ材で隙間を埋めることや、あるいは、接合部を半田付けすることなども可能である。
図１６は、カメラ７と演算装置９との間の信号経路が、図１や図１３に示す場合とは異なる例を示す。この例では、カメラ７側に発信機６０を配置し、演算装置９側に受信機６１を配置して、発信機６０と受信機６１の間を伝送路６２で結んでいる。伝送路６２は無線であってもよい。
Claims (19)
- 光を透過しない筐体で覆われた回転電機を監視する回転電機監視装置であって、
前記筐体の一部を貫通するように設けられて、光を透過しガスを透過しない監視窓と、
前記監視窓の外側に配置されて、前記筐体の内側で発生して前記監視窓を透過する輻射光を受光して画像データを生成するカメラと、
前記画像データを処理する演算装置と、
を有し、
前記演算装置は、前記筐体内の基準状態の黒体輻射による画像データを基準画像データとして保存する基準画像データ保存手段と、前記画像データを前記基準画像データと比較することによって前記筐体内の温度を求める温度演算手段と、を有すること、
を特徴とする回転電機監視装置。 - 前記監視窓を透過した輻射光を電子に変えて増倍させて前記カメラに送る光電子増倍管をさらに有すること、を特徴とする請求項１に記載の回転電機監視装置。
- 前記監視窓を透過した輻射光を波長によって分光する分光器をさらに有し、
前記温度演算手段は、少なくとも一つの特定の波長の光について、前記画像データを前記基準画像データと比較することによって前記筐体内の温度を求めるものであること、
を特徴とする請求項１に記載の回転電機監視装置。 - 前記温度演算手段は、少なくとも二つの特定の波長の光について、前記画像データを前記基準画像データと比較することによって前記筐体内の温度を求め、それによって求められた温度の平均を求める手段を含むこと、を特徴とする請求項３に記載の回転電機監視装置。
- 前記演算装置は、前記画像データを前記基準画像データと比較することによって、前記筐体内の異常電磁波の発生およびその発生位置を判定する手段をさらに含むこと、を特徴とする請求項１に記載の回転電機監視装置。
- 前記監視窓を通して前記カメラで監視できる位置の前記筐体内に配置された被加熱体と、
前記被加熱体を加熱する加熱器と、
前記被加熱体の温度を測定する温度計と、
をさらに有し、
前記演算装置は、前記被加熱体を前記加熱器で加熱することによって前記被加熱体に付着していた物質を気化させたときに前記カメラで得られた前記画像データの波長分布と前記基準画像データの波長分布とを比べることにより、固有ピーク波長を抽出する固有ピーク波長抽出手段をさらに含むこと、
を特徴とする請求項１に記載の回転電機監視装置。 - 前記演算装置は、前記固有ピーク波長に基づいて前記筐体内のガス成分を判定する手段を含むこと、を特徴とする請求項６に記載の回転電機監視装置。
- 前記演算装置は、前記画像データの前記固有ピーク波長における輻射光の強度に基づいて前記筐体内の特定のガス成分の濃度を求める手段をさらに含むこと、を特徴とする請求項７に記載の回転電機監視装置。
- 前記カメラと演算装置はケーブルによって接続されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機監視装置。
- 前記カメラには前記画像データを送信する発信機が取り付けられ、前記演算装置には前記カメラから送信された前記画像データを受信する受信機が取り付けられていること、を特徴とする請求項１に記載の回転電機監視装置。
- 前記監視窓と前記カメラの間で外部から光が入るのを抑制するための保護カバーをさらに有すること、を特徴とする請求項１に記載の回転電機監視装置。
- 前記演算装置は、前記画像データが前記基準画像データと比較して所定の幅を超えて相違する場合に警報を発する警報装置をさらに有すること、を特徴とする請求項１に記載の回転電機監視装置。
- 光を透過しない筐体で覆われた回転電機を監視する回転電機監視方法であって、
前記筐体の一部で光を透過しガスを透過しない監視窓を設け、
前記筐体の内側で発生して前記監視窓を透過する輻射光を受光して画像データを生成するカメラを前記監視窓の外側に配置し、
前記筐体の基準状態の黒体輻射による画像データを基準画像データとして保存し、
前記画像データを前記基準画像データと比較することによって前記筐体内の温度を求めること、
を特徴とする回転電機監視方法。 - 前記監視窓を透過した輻射光を光電子増倍管によって電子に変えて増倍させて前記カメラに送ること、を特徴とする請求項１３に記載の回転電機監視方法。
- 前記監視窓を透過した輻射光を波長によって分光し、
少なくとも一つの特定の波長の光について、前記画像データを前記基準画像データと比較することによって前記筐体内の温度を求めること、
を特徴とする請求項１３に記載の回転電機監視方法。 - 少なくとも二つの特定の波長の光について、前記画像データを前記基準画像データと比較することによって前記筐体内の温度を求め、それによって求められた温度の平均を求めること、を特徴とする請求項１５に記載の回転電機監視方法。
- 前記画像データを前記基準画像データと比較することによって、前記筐体内の異常電磁波の発生およびその発生位置を判定すること、を特徴とする請求項１３に記載の回転電機監視方法。
- 前記筐体内で前記監視窓を通して前記カメラで監視できる位置に被加熱体を配置し、
前記被加熱体を断続的に加熱し、
前記被加熱体の温度を測定し、
前記被加熱体を加熱することによって前記被加熱体に付着していた物質を気化させたときに前記カメラで得られた前記画像データの波長分布と前記基準画像データの波長分布とを比べることにより、固有ピーク波長を抽出し、
前記固有ピーク波長に基づいて前記筐体内のガス成分を判定すること、
を特徴とする請求項１３に記載の回転電機監視方法。 - 前記画像データの前記固有ピーク波長における輻射光の強度に基づいて前記筐体内の特定のガス成分の濃度を求めること、を特徴とする請求項１８に記載の回転電機監視方法。
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