專利名稱：利用轉(zhuǎn)子軸電壓的鐵芯監(jiān)測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能使發(fā)電機(jī)在出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞前將其從運(yùn)行中切除的發(fā)電機(jī)鐵芯監(jiān)測器，更專門地，是涉及利用監(jiān)測跨在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)的電壓來檢測鐵芯熱點(diǎn)區(qū)的發(fā)展。
一種現(xiàn)代發(fā)電機(jī)8包括在鐵芯12內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子14，而在鐵芯12上澆制了鐵芯的繞組13，如

圖1所示。大發(fā)電機(jī)的疊片鐵芯12是使用鐵磁材料受絕緣處理的薄片被加壓固定在一起的。該鐵磁材料板表面的絕緣避免了大的環(huán)流的渦流電流的形成，它是由于在鐵芯12中由轉(zhuǎn)子14產(chǎn)生的磁通的急劇變化可能產(chǎn)生出來的。當(dāng)這種絕緣損壞并使絕緣著的鐵磁材料片形成短路時(shí)，就在鐵芯12中感應(yīng)出大的環(huán)流的渦流電流。結(jié)果產(chǎn)生的熱I2R又加迅了該絕緣的損壞，反過來它又導(dǎo)致了更大的渦流。由于鐵芯12的熔化就迅速造成了發(fā)電機(jī)鐵芯12的嚴(yán)重?fù)p壞。該熔化的鐵芯12也就能損及繞組13，就造成了非常大代價(jià)的發(fā)電機(jī)損壞。如果在轉(zhuǎn)子14與鐵芯12之間形成電弧，轉(zhuǎn)子14也可能遇到嚴(yán)重?fù)p壞。
現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)電機(jī)鐵芯監(jiān)測器在監(jiān)測發(fā)電機(jī)鐵芯損壞上效率低，因?yàn)槠浔O(jiān)測機(jī)構(gòu)是基于檢測在通過鐵芯與繞組、循環(huán)的氫冷卻劑的循環(huán)氣體中特殊物質(zhì)的出現(xiàn)構(gòu)成的。一個(gè)現(xiàn)代的鐵芯包括無機(jī)的絕緣層，當(dāng)其損壞或過熱時(shí)只產(chǎn)生少量的特殊物質(zhì)。在現(xiàn)代發(fā)電機(jī)中的特殊物質(zhì)，當(dāng)其產(chǎn)生時(shí)，僅在一個(gè)短暫時(shí)間中出現(xiàn)，它與氫氣不規(guī)則地混合在一起并且僅以很小的濃度出現(xiàn)，故可靠地測量它是困難的。檢測到的特殊物質(zhì)的量級(jí)與鐵芯損壞的嚴(yán)重程度之間的關(guān)系一般地說還未弄清，因而使得電網(wǎng)運(yùn)行的損壞實(shí)際上無法評(píng)價(jià)。
另一種現(xiàn)有技術(shù)利用對(duì)發(fā)電機(jī)的溫度測量來確定鐵芯的問題。由于發(fā)電機(jī)溫度的變化慢，甚至在鐵芯具有熔化的熱點(diǎn)區(qū)時(shí)也是如此，這種技術(shù)也不可能快速地識(shí)別故障問題。
堅(jiān)實(shí)的鐵芯的損壞的修理是非常昂貴的，因?yàn)殍F芯需重繞繞組，總之故障的早期檢測是必須的。
本發(fā)明的目的在于在發(fā)電機(jī)鐵芯嚴(yán)重?fù)p壞形成前可靠地檢測絕緣損壞的發(fā)展，并允許當(dāng)發(fā)電機(jī)在線運(yùn)行時(shí)，及其損壞正在發(fā)生時(shí)估價(jià)由于鐵芯破損造成的鐵芯的損壞情況，以便在鐵芯熱點(diǎn)區(qū)正在發(fā)展時(shí)能預(yù)報(bào)其損壞程度及預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)災(zāi)難性的損壞。
鑒于這個(gè)發(fā)明目的，本發(fā)明涉及的是具有轉(zhuǎn)子軸及機(jī)座的發(fā)電機(jī)使用的發(fā)電機(jī)鐵芯監(jiān)控器，它包括與轉(zhuǎn)子軸的第一及第二端接觸的第一及第二軸刷;其特征為一個(gè)與所述第一及第二軸刷相連接的主差分放大器;一個(gè)與所述差分放大器相連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器;及一個(gè)與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接的計(jì)算機(jī)，以便產(chǎn)生由所述第一及第二軸刷和機(jī)座上相鄰的部件形成的電壓之間的電壓差的一個(gè)現(xiàn)時(shí)電壓信號(hào)，并計(jì)算現(xiàn)時(shí)電壓信號(hào)與在先的電壓信號(hào)的之間的差及當(dāng)該差值超過一閾值電壓時(shí)發(fā)出一個(gè)警報(bào)。
該差值軸電壓由數(shù)模轉(zhuǎn)換器變成一個(gè)電壓頻率波譜，并被計(jì)算機(jī)執(zhí)行富利埃(Fourier)變換的程序。該計(jì)算機(jī)隨時(shí)地監(jiān)控該波譜中這兩個(gè)分量的變化并在該變化超過一個(gè)或多個(gè)閾值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)警報(bào)。當(dāng)在轉(zhuǎn)子每一轉(zhuǎn)中差值電壓信號(hào)時(shí)基的不同部分均超過一個(gè)閾值電壓時(shí)該差值電壓信號(hào)也可用來提供警報(bào)。
本發(fā)明通過以上對(duì)附圖中所示最佳實(shí)施例(僅作為例子)的描述將會(huì)變得更容易理解。其附圖為圖1發(fā)電機(jī)8的部件圖;
圖2本發(fā)明部件的框圖;
圖3A在轉(zhuǎn)子軸10的二端之間檢測到的實(shí)數(shù)軸電壓的波譜圖;
圖3B在轉(zhuǎn)子軸10二端之間檢測到的虛數(shù)軸電壓的波譜圖;
圖3C軸10差值電壓的時(shí)域圖;及圖4本發(fā)明的另一實(shí)施例。
在大型渦輪發(fā)電機(jī)中軸電位有四種來源1)在發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)移的靜電電荷;2)激磁機(jī)部件及軸之間的電容耦合電壓;3)沿軸集合在一起的正常磁場分量引起的同極電壓;4)由于發(fā)電機(jī)鐵芯12的輕微不對(duì)稱或不整齊形成的不對(duì)稱電壓。前二種軸電壓來源能夠用與軸串聯(lián)的高阻抗電壓源表示。在有效的軸接地的系統(tǒng)上，非常低的軸電抗使得這兩種電壓在沿整個(gè)軸的長度上減少至零。即使它們不下降到零，利用本發(fā)明的差分電壓測量也可消除它們。第三及第四種軸電壓源是低阻抗源，它們不能在沿整個(gè)軸的長度上減少至零，而僅僅在單電刷或銅編織成的軸接地點(diǎn)上才為零。利用在轉(zhuǎn)子14安裝到發(fā)電機(jī)中以前對(duì)轉(zhuǎn)子14去磁可使同極電壓沿軸向下降到非常低的數(shù)值。
第四種軸電壓源即不對(duì)稱電壓是由發(fā)電機(jī)鐵芯12的磁不對(duì)稱沿發(fā)電機(jī)軸及機(jī)座產(chǎn)生出來的。轉(zhuǎn)子磁場從北極離開轉(zhuǎn)子14經(jīng)過氣隙到鐵芯12上，再分成二個(gè)磁通路徑(如端部視圖中的左及右磁路)，如圖1所示。這兩個(gè)磁路繞鐵芯12經(jīng)過了180°的周界，在相反方向上，它們會(huì)合在一起，再經(jīng)過氣隙進(jìn)入到轉(zhuǎn)子14的南極。于是就形成了與轉(zhuǎn)子14轉(zhuǎn)動(dòng)的二個(gè)反向繞行的磁路環(huán)。在發(fā)電機(jī)鐵芯12中的這二個(gè)相反方向的半環(huán)形磁場對(duì)稱地圍繞著轉(zhuǎn)子14軸(該軸在圖1中未示出)。如果發(fā)電機(jī)鐵芯12在磁性上是非常均勻的，也就是說鐵芯12未包含損傷或不整齊性，則這二個(gè)磁場、當(dāng)它們與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在數(shù)值上是相等的而在方向上是相反的。在發(fā)電機(jī)鐵芯12內(nèi)部及圍繞轉(zhuǎn)子軸10的閉合環(huán)路中不存在任何磁通。右手法則的反演進(jìn)而表明沿轉(zhuǎn)子軸將不感應(yīng)出相應(yīng)的電壓。
在現(xiàn)實(shí)中，由于絕緣的鐵磁材料的設(shè)計(jì)，以及由于在允許公差中的制造偏差，通過發(fā)電機(jī)鐵芯12中二個(gè)磁路的磁阻是不同的，并且相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)的軸及相對(duì)于時(shí)間變化。在發(fā)電機(jī)鐵芯12中的來自于轉(zhuǎn)子14的磁通將不平等的分配。在發(fā)電機(jī)鐵芯12內(nèi)部及圍繞軸的閉合環(huán)路中就存在一個(gè)不為零值的剩余磁通。由右手法則反演就要求在沿軸向感應(yīng)出電流及產(chǎn)生電壓。這個(gè)差分軸電壓是一個(gè)交流信號(hào)并且由于它是被不為零的旋轉(zhuǎn)磁通產(chǎn)生的，它包含著發(fā)電機(jī)運(yùn)行速度的基波及諧波頻率。該時(shí)間域信號(hào)的復(fù)數(shù)富利埃(Fourier)變換代表了發(fā)電機(jī)鐵芯12的一個(gè)固有特性，它表征在發(fā)電機(jī)鐵芯12內(nèi)部小的物理的及磁的差異。
當(dāng)發(fā)電機(jī)鐵芯12的電的(包括短路疊片感應(yīng)的電流)，物理的，或磁的性能由于鐵芯的物理損傷變化時(shí)，軸的不對(duì)稱電壓的固有特性(差分軸電壓的復(fù)數(shù)富利埃(Fourier)變換)的大變化將被觀察到。小的(早期的)損壞將產(chǎn)生出比發(fā)電機(jī)鐵芯制造公差引起的信號(hào)電平二倍至三倍的信號(hào)，并且這些電壓的變化能夠被檢測出來。由于軸電壓另外的源引起的軸信號(hào)在本發(fā)明的差分測量中被消除，或者由于它們與軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不同步而僅被加入到富利埃(Fourier)變換的噪音中。同極信號(hào)是直流電壓信號(hào)，其結(jié)果僅影響電壓波譜的直流分量。鐵芯損傷與軸不對(duì)稱電壓、完整的鐵芯復(fù)蓋度、及本發(fā)明的測量靈敏度之間的相互關(guān)系意味著本發(fā)明將提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有技術(shù)氣體鐵芯監(jiān)測器及分布在鐵芯上的溫度監(jiān)測技術(shù)的能力的對(duì)發(fā)電機(jī)鐵芯12的在電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控的有效工具。
本發(fā)明，如圖2所示，使用由標(biāo)準(zhǔn)彈簧偏置的軸刷20及22對(duì)降落在轉(zhuǎn)子軸兩端16及18上的轉(zhuǎn)子軸電壓差進(jìn)行測量，提供了發(fā)電機(jī)鐵芯12損傷的在線及持續(xù)的檢測。雙重屏閉的高阻抗差分隔離放大器24及26，例如從AnalogDevices公司可購到的型號(hào)AD293的器件，它們與軸刷20及22連接并在電機(jī)座上接地。接地連接應(yīng)在接近刷與軸的接觸點(diǎn)處以便最大程度地減少環(huán)路磁通的感應(yīng)。與放大器24及26相同型號(hào)的第三個(gè)差分放大器28被用來產(chǎn)生軸的差分電壓。放大器28的輸出傳送到一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器30，如從AnalogDevices公司可購到的型號(hào)AD7574的器件，它能夠適于使計(jì)算機(jī)32實(shí)現(xiàn)差分電壓的富里埃(Fourier)變換。一種IBMAT型微計(jì)算機(jī)是合適的計(jì)算機(jī)32。富里埃(Fourier)變換的算法是可以在個(gè)人小型計(jì)算機(jī)上運(yùn)算的算法，它對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員是有利的。如果使用以Motorola6800為基礎(chǔ)的微計(jì)算機(jī)的話，則由羅德(Lord)公開的一種FFT程序“FastFourierForthe6800”(Byte雜志1979年2月第108至119頁)是一種合適的程序。軸不對(duì)稱電壓信號(hào)在時(shí)域軸不對(duì)稱電壓信號(hào)的持續(xù)富里埃(Fourier)變換中利用它們的諧波與發(fā)電機(jī)運(yùn)行速度的關(guān)系來識(shí)別。
該富里埃(Fourier)變換代表了鐵芯的一種固有特性并反映了發(fā)電機(jī)鐵芯12內(nèi)部的不對(duì)稱程序及性質(zhì)。波譜中的小峰值是與鐵芯的結(jié)構(gòu)有關(guān)的，而不對(duì)稱度是與制造中的偏離有關(guān)的。軸電壓信號(hào)的實(shí)數(shù)與虛數(shù)分量波譜的例子表示在圖3A及3B上。由于故障引起的鐵芯12的變化能夠用這些波譜中的一個(gè)或二個(gè)發(fā)電機(jī)諧波分量的相應(yīng)增長來識(shí)別。本發(fā)明持續(xù)地將一個(gè)或二個(gè)波譜中的各種頻率分量的幅度及/或相對(duì)幅度進(jìn)行比較，并比較新的分量，用以在故障開始時(shí)就能定質(zhì)定量地檢測出發(fā)電機(jī)鐵芯故障來。這種故障發(fā)展或增長也可以利用對(duì)波譜變化的儀器分析或人工分析來決定。故障的檢測也可以在時(shí)域中利用將軸的每一轉(zhuǎn)的差分電壓信號(hào)分成多個(gè)區(qū)段，如圖3C中所示，并用與檢測波諧變化相同的方法檢測這些相對(duì)時(shí)間的時(shí)域信號(hào)的這些區(qū)段中的變化。
例如，在一個(gè)自動(dòng)分析系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)電機(jī)首次投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，鐵芯12的波譜固有特性就產(chǎn)生出來或時(shí)域轉(zhuǎn)動(dòng)固有特性就產(chǎn)生出來。最初的固有特性曲線被例如高出百分之十的觸發(fā)器閾值圍繞著。對(duì)于圖3A所示的固有特性曲線，其最高實(shí)數(shù)頻率波譜的峰值發(fā)生在78伏左右，其中閾值中的一個(gè)將為858伏。如果這個(gè)點(diǎn)上采樣波譜與閾值相交，則計(jì)算機(jī)32產(chǎn)生一個(gè)警報(bào)并向電廠操作人員告警。如果該波譜的變化大時(shí)，電廠操作人員可能立即將發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)運(yùn)行中切除，或者啟動(dòng)監(jiān)控程序觀察這個(gè)變化。該監(jiān)控程序能夠儲(chǔ)存波譜隨時(shí)間的變化并且提供出一個(gè)表示變化率的圖表。由該變化率可以確定故障的增長并且能夠由此作出是否將發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)運(yùn)行中切除的決定。用與此相同的方式，可對(duì)整個(gè)波譜設(shè)立多個(gè)閾值，則波諧任一部分中的變化將告警給操作人員。用同樣的方法，圖3B中的虛數(shù)的波譜或圖3C中的時(shí)域信號(hào)也可使用來檢測這些變化。
因?yàn)殍F芯熱點(diǎn)區(qū)可能發(fā)展相當(dāng)快，故最好選幾秒鐘的分析周期，以保證快速檢測。由于信號(hào)波譜具有從OHz到1000Hz的帶寬，使用每秒鐘至少采樣2000次的模數(shù)轉(zhuǎn)換器30是必要的。前面所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)于這個(gè)采樣速率是足以勝任的。一個(gè)為0.0005秒的采樣周期對(duì)于精確地產(chǎn)生發(fā)電機(jī)固有特性是足夠的。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是較便宜的，對(duì)檢測非常小的變化能力較小，但是能夠監(jiān)控鐵芯12中的快速變化，它如圖4所示。放大器28產(chǎn)生的差分信號(hào)傳送給一組帶通濾波器34，它們將固有特性中選擇的峰值進(jìn)行分離。適合的音頻帶寬濾波器可從EXAR公司得到。濾波器34的輸出利用一個(gè)模擬量的多路轉(zhuǎn)換器36，例如AnalogDevices公司的AD7501器件，多路傳送給一模數(shù)轉(zhuǎn)換器30。計(jì)算機(jī)32只需監(jiān)測有限數(shù)目點(diǎn)的變化。就不需要相對(duì)耗時(shí)的富里埃(Fourier)變換的計(jì)算法，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器30的輸出僅需與閾值進(jìn)行比較。如果專門的鐵芯12能僅利用非常少數(shù)目的頻率分量表示的話，則可不采用計(jì)算機(jī)32而可用一摸擬量閾值裝置取代。
本發(fā)明不僅能夠快速地及精確地檢測鐵芯12中的變化，而且也能夠當(dāng)發(fā)電機(jī)8仍然在電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)評(píng)價(jià)鐵芯12的損壞程度，并當(dāng)發(fā)電機(jī)仍保持在電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能預(yù)告進(jìn)一步的損壞。例如，利用對(duì)損壞的變化及進(jìn)一步損壞之間的相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)，就能認(rèn)識(shí)專門的損壞發(fā)展模式及如果不采取矯正行動(dòng)亦可預(yù)期到后果。當(dāng)本發(fā)明的輸出與另外的鐵芯監(jiān)測技術(shù)相互聯(lián)系時(shí)，在鐵芯12損壞方面的控制就可獲得重大的改進(jìn)。也可應(yīng)用本技術(shù)監(jiān)控轉(zhuǎn)子14，轉(zhuǎn)子繞組以及定子繞組的狀態(tài)。本發(fā)明也可應(yīng)用于大型電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的鐵芯監(jiān)控技術(shù)其復(fù)雜性小，成本低，并且不界入電機(jī)內(nèi)部，因?yàn)樗褂昧爽F(xiàn)有的軸來監(jiān)制發(fā)電機(jī)鐵芯。此外也不需要使用氫氣壓力密封及氫氣的采樣裝置。
權(quán)利要求
1.用于具有轉(zhuǎn)子軸及機(jī)座的發(fā)電機(jī)的鐵芯監(jiān)控器，它包括與轉(zhuǎn)子軸第一端(16)及第二端(18)接觸的第一及第二軸刷(20及22)；其特征在于一個(gè)與第一及第二軸刷(20及22)相連接的主差分放大器(28)；一個(gè)與所述差分放大器(28)相連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(30)；一個(gè)與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(30)相連接的計(jì)算機(jī)，以便利用在所述第一及第二軸刷(20及22)及機(jī)座附近的部分引起的電壓差產(chǎn)生出現(xiàn)時(shí)電壓信號(hào)，并計(jì)算現(xiàn)時(shí)電壓信號(hào)與在先的電壓信號(hào)之間的差，當(dāng)差值超過一個(gè)閾值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)警報(bào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的監(jiān)控器，其特征在于電壓信號(hào)中包括一個(gè)時(shí)域信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的監(jiān)控器，其特征在于電壓信號(hào)中包括一個(gè)電壓波譜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的監(jiān)控器，其特征在于確定第一軸刷(20)電壓與附近機(jī)座部分電壓之間第一電壓差的第一差分裝置(24);以及確定第二軸刷(22)電壓與附近機(jī)座部分電壓的第二電壓差的第二差分裝置(26);所述第一及第二差分裝置與所述主差分放大器(28)相連接，用來確定所述第一及第二電壓差之間的差別。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中的監(jiān)控器，其特征在于第一差分裝置(24)包括第一隔離放大器(24)，它與所述第一軸刷及機(jī)座相連接，以及第二差分裝置包括第二隔離放大器(26)，它與所述第二軸刷(22)及機(jī)座相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的監(jiān)控器，其特征在于所述分析裝置(30及32/34)還包括一個(gè)與所述傳感裝置(20-28)相連接的帶通濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的監(jiān)控器，其特征在于所述計(jì)算機(jī)(32)還用來檢測傳感電壓的時(shí)域信號(hào)對(duì)時(shí)間的變化。
全文摘要
該監(jiān)測器利用監(jiān)測在轉(zhuǎn)子(14)兩端的差分軸電壓產(chǎn)生代表鐵芯(12)故障變化的電壓信號(hào)，檢測鐵芯中鐵磁材料疊片絕緣正在損壞處的熱點(diǎn)區(qū)。利用隨時(shí)的信號(hào)采樣，鐵芯的損壞就能被檢測出來。
文檔編號(hào)H02H5/04GK1035179SQ8810737
公開日1989年8月30日 申請(qǐng)日期1988年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月29日
發(fā)明者羅伯特·查爾斯·米勒, 米歇爾·特維多奇伯 申請(qǐng)人:西屋電氣公司