專利名稱：監(jiān)測電動機器的軸的軸電流和/或絕緣的方法及執(zhí)行該方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動機器領(lǐng)域。具體涉及一種用于在運行期間監(jiān)測電動機器的軸的軸 電流和/或絕緣的方法。還具體涉及用于執(zhí)行所述方法的裝置以及分別涉及所述方法和裝 置的使用和應用。
背景技術(shù)：
在電動機器例如大型發(fā)電機或電動機的運行期間，在軸與殼體或地面之間會產(chǎn)生 電壓。軸通常在所述機器的一端接地。因為產(chǎn)生的電壓，所述軸因此必須在所述機器的另 一端與地面絕緣。為此，使用例如絕緣軸承。如果所述絕緣由于元件故障等等被電傳導地橋接，流動在軸中的電流能破壞軸和 鄰接元件例如軸承。因此需要檢測這種絕緣故障和電流狀況的發(fā)生，因而能通過適當?shù)氖侄伪Ｗo機器 免于更大的損壞。從現(xiàn)有技術(shù)中已知(參見文獻US-A-6，300, 701)軸電流借助于繞軸布置的羅氏線 圈(Rogowski coil)來測量，并且軸電流對于預定的最大值被監(jiān)測。如果超過此預定值，適 當?shù)木鏁挥|發(fā)?；诟袘€圈的類似解決方案能用于可商業(yè)獲得的裝置中(例如來自ABB公司的 “RARIC” 系統(tǒng)或來自 VA Tech SAT 公司的 “DRS Compact 2A” 系統(tǒng))。上述方法和裝置的缺點在于，感應線圈或羅氏線圈不能理想地運行并還產(chǎn)生并非 源自穿過軸的電流而是由其它場感應出的信號。來自機器主磁場的雜散場通常產(chǎn)生例如上 述的干擾信號。為了避免由雜散場引起的測量誤差，上述的“RARIC”裝置可以被設(shè)置成使得通過 合適的過濾保證僅有所記錄信號的第三主諧波得到評估。所述主諧波在這種情況下是其頻 率是基礎(chǔ)主頻率整數(shù)倍數(shù)的信號分量。這基于干擾場主要具有僅基礎(chǔ)諧波的假設(shè)。這些第 三諧波的量級服從于極限值評定。然而，實際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，盡管進行了過濾，所述測量仍然對誤差高度敏感。這意味 著，極限值必須設(shè)置得相對較高，以避免錯誤警報。然而為了避免軸承損壞，應當能可靠地 測定軸中的均勻小電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種方法和一種裝置，其中基于感應線圈或羅氏線圈的 軸電流測量的干擾靈敏度顯著地降低，并且其允許使用感應線圈對軸電流進行更可靠且因 此更靈敏的測量。所述目的通過權(quán)利要求1和14的特征的總體來實現(xiàn)。本發(fā)明的中心特征是測量 軸上的軸電壓和相關(guān)軸電流，根據(jù)電動機器的軸電壓和軸電流的測量結(jié)果來確定軸電壓和
4相關(guān)軸電流之間的關(guān)系，并且監(jiān)測軸電壓以監(jiān)測電動機器中的軸電流，并且基于所確定的 軸電壓和相關(guān)軸電流之間的關(guān)系，根據(jù)所監(jiān)測的軸電壓來推斷要被監(jiān)測的軸電流。在這種情況下，軸電流優(yōu)選地在軸上被感應地測量，確切地說其借助于繞軸布置 的羅氏線圈測量。根據(jù)本發(fā)明的方法的一種改進，其特征在于，測量軸電壓和相關(guān)軸電流的頻譜， 并且，可被解釋為軸接觸回路的阻抗函數(shù)的傳遞函數(shù)(transfer function) Zff (j ω)= Uw(j )/Iw(j ω)被確定為軸電壓和相關(guān)軸電流之間的關(guān)系，并且描述了在頻率域內(nèi)的軸電 壓和相關(guān)軸電流的頻譜之間的關(guān)系。具體地，電阻-感應式一階低通濾波器的結(jié)構(gòu)能被用作該傳遞函數(shù)的簡單確定的 ■石出。甚至于更簡單的是將獨立于頻率的比例因數(shù)確定為傳遞函數(shù)，其描述了電動機器 的較低頻率范圍內(nèi)的軸電壓和相關(guān)軸電流的頻譜之間的關(guān)系。該方法的一種發(fā)展的顯著特征在于，根據(jù)所測量的軸電壓，借助于比例因數(shù)計算 出估算的軸電流，并且，確定以這種方式計算的軸電流的均方根值，并且，在監(jiān)測軸電流的 過程中，所確定的均方根值借助于預定的極限值被評定。然而，在監(jiān)測軸電流的過程中比例因數(shù)也能借助于預定極限值被直接評定。本發(fā)明的另一個改進特征在于，為了確定比例因數(shù)，要根據(jù)等SZw(Iico) =Uw(n ω)/Iff(ηω)通過同量級振幅劃分來確定基礎(chǔ)頻率特別是主頻率的奇數(shù)編號的諧波的、 軸電壓的和軸電流的各獨立比例因數(shù)，并且，最終的估算比例因數(shù)通過求中間值(median formation)或求平均值(mean-valueformation)由各獨立比例因數(shù)的組來獲得。優(yōu)選地，確定各獨立比例因數(shù)，直至預定的上限切斷頻率，具體大約為1000赫茲。本發(fā)明的另一個改進特征在于，確定各獨立比例因數(shù)的相位角Φ z = φυ(ηω)-φΙ(ηω),并且，在求中間值或求平均值之前，其中相位角大大不同于預期值的比 例因數(shù)基于簡單傳遞函數(shù)而被排除。本發(fā)明更進一步的改進特征在于，在軸被絕緣從而沒有軸電流流動的某一時刻， 來自為軸電流測量而設(shè)的測量線圈或羅氏線圈的信號被記錄，并且借助于頻譜分析確定從 干擾場引入的頻譜線，并且，在求中間值之前，與具有主干擾振幅值的頻率相關(guān)的各獨立比 例因數(shù)被從各獨立比例因數(shù)的組中排除。本發(fā)明的另一個改進的顯著特征在于，軸電壓的頻譜在電動機器的不同負載狀態(tài) 下(例如在監(jiān)測系統(tǒng)啟動時)在沒有干涉的情況下被測量僅僅一次，且數(shù)值被存儲，并且， 在電動機器運行期間確定其中電動機器瞬間所處于的負載狀態(tài)，并且，用各自合適的頻譜 從內(nèi)存中讀出與此負載狀態(tài)相對應的數(shù)據(jù)記錄。根據(jù)本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選的改進的特征在于，處理單元設(shè)計為根據(jù)軸電壓的測 量值來計算軸電流，并且，監(jiān)測單元被連接至處理單元的輸出端，以便評估由處理單元計算 的結(jié)果。


下面將參照示例性實施例并結(jié)合附圖來詳細描述本發(fā)明，附圖中圖1顯示了軸電壓Uw的測量頻譜，在頻率軸上的細分是200赫茲；
圖2顯示了與圖1相關(guān)的軸電流Iw的測量頻譜；和圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的監(jiān)測裝置的極其簡化的示意圖。
具體實施例方式在本發(fā)明中，原則上是通過基于軸電壓的頻譜來評定表征軸電流的所測量信號來 實現(xiàn)對軸電流和絕緣的改善監(jiān)測。圖3示出了所述基本布置的一種典型設(shè)計用于產(chǎn)生電能的發(fā)電機12通過它的軸13被連接至氣輪機或蒸汽輪機裝置的渦輪 11上。軸13在其兩端支承在適當?shù)妮S承14和15中，兩軸承既吸收轉(zhuǎn)子的重量也吸收軸 向推力。整個裝置放在底板16上。軸13在一端(在圖3中的左邊)通過接地線19接地。 在另一端，該軸以絕緣的方式被支承，以避免軸電流。此絕緣和軸電流通過環(huán)繞軸13放置 的羅氏(Rogowski)線圈17來監(jiān)測(以檢測與軸電流相關(guān)的磁場)，并設(shè)有用于使軸電壓流 出(tap off)的測量刷18。本方法基于這樣的認識產(chǎn)生可能的軸電流的主要原因為在軸和殼體或地面之間 的環(huán)路中感應出的軸電壓。還已知的是，每個機器具有固有的典型軸電壓，該典型軸電壓具 有僅在各自機器內(nèi)發(fā)生并依賴于機器運行定額點的頻譜結(jié)構(gòu)，這就是說例如它不隨著時間 改變。更進一步的原理是軸電壓能以盡可能小的干擾被確定。進一步的原理基于這樣的知識軸電流在其中流動的回路在較低頻率的范圍內(nèi)電 阻相當大，并且此外被被電阻-感應地作為低通濾波器。這在測量過程中已經(jīng)被確認具體 地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在較低頻率范圍內(nèi)(到大約500赫茲)軸電流的頻譜與在此負荷點感應的軸 電壓的頻譜是成比例的(具有近似的恒定的因數(shù))(參見圖1和2)。所述比例因數(shù)可以解 釋為接觸點、接觸環(huán)路或整個環(huán)路的阻抗。該新穎方法的基本原理是確定軸電壓和所測量的軸電流之間的關(guān)系。然后能基于 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的關(guān)系從軸電壓測量的測量結(jié)果推導出所述軸電流，該軸電壓測量結(jié)果通常遭受 較小的干擾。在一個優(yōu)選的實施例中，軸電壓圖和源自測量線圈的測量信號都要通過傅里葉變 換或通過多個帶通過濾器而經(jīng)受頻率分析，并且相關(guān)的頻譜被確定。兩個電壓的諧波分析的基礎(chǔ)頻率在這種情況下優(yōu)選地為電源電壓的基礎(chǔ)頻率或 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率，或它們的整數(shù)倍數(shù)或因數(shù)。然而，也能確定具有短線間隔的近似連續(xù)的頻 譜。優(yōu)選地確定振幅和相位譜。因而能執(zhí)行合適的過濾和估算以得到用來表述在頻率域內(nèi)的軸電壓頻譜和軸電 流頻譜之間的關(guān)系的傳遞函數(shù)。正如公知的，該傳遞函數(shù)Zw(jco) =Uw(j ω)/Ι (」ω)表 明軸電壓和軸電流之間的振幅比和相位畸變，并能被解釋為軸接觸回路的阻抗函數(shù)。為了估算該傳遞函數(shù)，使用在物理上明顯的、可能的和簡單的阻抗結(jié)構(gòu)是很有幫 助的。在一個優(yōu)選的實施例中，選擇電阻-感應式一階低通濾波器的結(jié)構(gòu)。軸電壓的頻譜僅在通常低于低通濾波器的切斷頻率的較低頻率范圍內(nèi)具有主振 幅值這一點允許進一步的簡化在一個優(yōu)選的實施例中，任務(wù)簡化為單個的獨立于頻率的 比例因數(shù)的估算，該獨立于頻率的比例因數(shù)表述了在較低頻率范圍內(nèi)軸電壓頻譜和軸電流 頻譜的關(guān)系。
該比例因數(shù)使得根據(jù)軸電壓來計算出估算軸電流成為可能，軸電壓通常以較小的 干擾來記錄。估算的軸電流的均方根值然后通過極限值經(jīng)受評定。在這種情況下，通常通 過獲得各獨立電流諧波的振幅的平方和的平方根，來獲得總電流的均方根值。然而，有利地，所述比例因數(shù)也就是接觸電阻或絕緣電阻還可被直接地評定。一旦 絕緣電阻的極限值是下沖的(undershot)，將發(fā)出警告。舉例來說，通過獲得軸電壓和軸電流的奇數(shù)編號的主諧波的各獨立比例因數(shù)直 至達到由同階振幅劃分的大約1000赫茲的頻率，來獲得所估算的比例因數(shù)值Zw(n ω)= υ (ηω)/%(ηω)。結(jié)果，估算因數(shù)因而由各獨立比例因數(shù){Ζ (ηω)}的組來獲得，例如通過 求中間值或其他的求平均值獲得。在結(jié)果方面，求中間值掩住(mask out) 了來自其中在電 流測定期間以放大形式出現(xiàn)干擾信號的頻率范圍的測量結(jié)果。此外，還可能確定各獨立阻抗值的相位角Φζ= ΦυΟ οΟ-φ^ηω)，以將它們用 于干擾抑制。事實上，可以預期例如一階低通濾波器的簡單的阻抗函數(shù)。其中相位角與同 此函數(shù)相應的期望值在很大程度不同的阻抗值可以被排除。然后如上所述進行求中間值過程。此外，來自測量線圈的信號能在某時刻被記錄，在該時刻已知的是軸被絕緣以便 沒有軸電流流動。因而頻譜分析產(chǎn)生明顯地從干擾場帶入的頻譜線。與具有主干擾振幅值 的頻率相關(guān)的阻抗值因而從各阻抗值的組中被排除。然后如上所述進行求中間值過程。當測定軸電壓的頻譜時，應當注意的是，感應的軸電壓的頻譜只取決于各自的負 載點，主要取決于機器的真實負載點，而且，在上部負載范圍內(nèi)的頻譜甚至保持相當?shù)暮?定。還已知的是，在軸電壓回路中的電壓源的源阻抗是相對較低的，結(jié)果，只有較小的壓降 出現(xiàn)，直到比較高的軸電流。該知識使得可以在不用的負載狀態(tài)下僅對軸電壓的頻譜測量一次(例如當開啟 監(jiān)測系統(tǒng)時，最佳地也就是說在沒有干涉時)，并儲存該數(shù)值。在運行期間，必須做的僅是將 其中所述機器正瞬時被操作的負載狀態(tài)傳送到監(jiān)測系統(tǒng)。所述監(jiān)測系統(tǒng)因而能用各自可應 用的頻譜從內(nèi)存中讀出與此負載狀態(tài)相對應的數(shù)據(jù)記錄。因為在頻譜中較小的變化，還可能的是僅儲存與多種負載狀態(tài)相對應的少量的數(shù) 據(jù)記錄，例如一個用于空載，一個用于半有效負載，以及一個用于額定有效負載。極端地，例 如，只有用于額定負載的頻譜被存儲。因為軸電壓是在環(huán)路空載時被確定的，則所確定的阻 抗與回路總阻抗相對應?？商鎿Q地，軸電壓還可連續(xù)測量或與軸電流并聯(lián)地實時測量。該方法的優(yōu)點在于， 軸電壓的連續(xù)測量結(jié)果還能用于其它的監(jiān)測任務(wù)，例如匝間短路檢測、振動測量等等。另 外，實際的接觸環(huán)路阻抗被確定，因為橫跨源阻抗的壓降也包括在計算結(jié)果中。當然，用于 測量的附加的復雜性具有不利的影響。如上已所述，圖3顯示了具有軸13的發(fā)電機12、渦輪11和兩個軸承14、15。軸電 流借助于羅氏線圈17被測量，軸電壓在發(fā)電機12的非驅(qū)動端通過測量刷(滑動電刷)18 來測量。軸13在發(fā)電機12的驅(qū)動側(cè)接地(接地線19)。處理單元20計算軸電流和絕緣電 阻，并循環(huán)地發(fā)送測量值至相連接的監(jiān)測單元21，監(jiān)測單元作為監(jiān)測和指向(trending)系 統(tǒng)運行。在下述表格中的計算實施例中，在高達1350赫茲的范圍內(nèi)示出了電流和電壓頻 總之，本發(fā)明通過下列的特征而被區(qū)分-借助于羅氏線圈測定的軸電流根據(jù)軸電壓被評定和過濾，以便改善干擾抑制。-所述評定借助于電流和電壓頻譜(振幅和相位譜)在頻率域內(nèi)進行，且同量級的 諧波的振幅和相位角彼此相關(guān)。-相關(guān)電壓和電流振幅之間的比率和相應的相位差被解釋為阻抗值。-那些可能具有最小干涉影響的數(shù)值借助于統(tǒng)計評價方法從上述方式確定的阻抗 值的組中被選擇出來。-在一個優(yōu)選的實施例中，所確定的阻抗值的振幅中間值為此目的而被選中。-在另一優(yōu)選的實施例中，具有較大干涉影響的頻率在無故障機器狀態(tài)下被確定， 并且相應的阻抗值從進一步的計算中被排除。舉例來說，中間值從剩余的阻抗值中被選出。_選定的阻抗值因而使得可以由軸電壓頻譜乘以阻抗值來計算出估算的軸電流頻 譜。于是能由此計算出軸電流的均方根值。-阻抗值和軸電流均方根二者均通過與極限值相比較而被評定。-軸電壓也優(yōu)選地同時被測量。附圖標記目錄
10發(fā)電站
11渦輪
12發(fā)電機
13軸
14、15軸承
16底板
17羅氏線圈
18測量刷
19接地線
20處理單元
21監(jiān)測單元
Uff軸電壓
Iw軸電流
ω頻率。
權(quán)利要求
一種用于在運行期間監(jiān)測電動機器(12)的軸(13)的軸電流(IW)和/或絕緣的方法，其特征在于，測量軸(13)上的軸電壓(UW)和相關(guān)軸電流(IW)，并且，根據(jù)電動機器(12)的軸電壓(UW)的軸電流(IW)的測量結(jié)果來確定軸電壓(UW)和相關(guān)軸電流(IW)之間的關(guān)系，并且，監(jiān)測軸電壓(UW)以便監(jiān)測電動機器(12)中的軸電流(IW)，并且基于所確定的軸電壓(UW)和相關(guān)軸電流(IW)之間的關(guān)系而從所監(jiān)測的軸電壓(UW)推斷出要被監(jiān)測的軸電流(IW)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，軸電流(Iw)在軸(13)上被感應地測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，軸電流(Iw)借助于繞軸(13)布置的羅氏 線圈(17)來測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，測量軸電壓(Uw)和相關(guān)軸電流 (Iff)的頻譜，并且，將能被解釋為軸接觸回路的阻抗函數(shù)的傳遞函數(shù)2 (」《) =Uff(j )/ IffU “)確定為軸電壓(Uw)和相關(guān)軸電流(Iw)之間的關(guān)系，并且該傳遞函數(shù)表述在頻率域 內(nèi)的軸電壓(Uw)和相關(guān)軸電流(Iw)的頻譜之間的關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，電阻-感應式一階低通濾波器的結(jié)構(gòu)被用 作傳遞函數(shù)的簡化確定的基礎(chǔ)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，將獨立于頻率的比例因數(shù)確定為傳遞函 數(shù)，其表述在電動機器(12)的較低頻率范圍內(nèi)的軸電壓(Uw)和相關(guān)軸電流(Iw)的頻譜之 間的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，根據(jù)所測量的軸電壓(Uw)，借助于比例因 數(shù)計算出估算軸電流，并且，確定以此方式計算的軸電流的均方根值，并且，所確定的均方 根值在監(jiān)測軸電流的過程中通過預定的極限值被評定。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，在監(jiān)測軸電流的過程中比例因數(shù)借助 于預定的極限值直接被評定。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8之一中所述的方法，其特征在于，為了確定比例因數(shù)，根據(jù)等式 Zff(ηω) =υ (ηω)/Ι (ηω)通過同量級振幅劃分來確定基礎(chǔ)頻率特別是主頻率的奇數(shù)編 號的諧波的、軸電壓的和軸電流的各獨立比例因數(shù)，并且，通過求中間值或求平均值從各獨 立比例因數(shù)的組{Ζ (ηω)}來獲得最終的估算比例因數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，確定各獨立比例因數(shù)，直至預定的上限 切斷頻率，具體大約為1000赫茲。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，確定各獨立比例因數(shù)的相位角Φζ =φυ(ηω)-φΙ(ηω),并且，在求中間值或求平均值之前，其中相位角大大不同于預期值的 比例因數(shù)基于簡單傳遞函數(shù)而被排除。
12.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于，在軸(13)被絕緣從而沒有軸電流(Iw) 流動的時刻，記錄來自為軸電流測量而設(shè)的測量線圈或羅氏線圈(17)的信號，并且，借助 于頻譜分析確定從干擾場引入的頻譜線，并且，在求中間值之前，與具有主干擾振幅值的頻 率相關(guān)的各獨立比例因數(shù)從獨立比例因數(shù)組{Ζ (ηω)}中被排除。
13.根據(jù)權(quán)利求要求4中所述的方法，其特征在于，當監(jiān)測系統(tǒng)啟動時，軸電壓(Uw)的 頻譜在電動機器(12)的不同負載狀態(tài)下在沒有干涉的情況下被測量僅僅一次或至少一 次，且數(shù)值被存儲，并且，在電動機器(12)運行期間確定其中電動機器(12)瞬間所處于的負載狀態(tài)，并且，用各自合適的頻譜從內(nèi)存中被讀出與此負載狀態(tài)相對應的數(shù)據(jù)記錄。
14.一種用于執(zhí)行權(quán)利要求1-13中之一所述的方法的裝置，該裝置具有用于感應測量 電動機器(12)的軸(13)中的軸電流(Iw)的第一裝置(17)，所述第一裝置(17)連接至處 理單元(20)，其特征在于，設(shè)有用于測量軸電壓(Uw)的第二裝置(18)，并且，第二裝置(18) 同樣地也連接到處理單元(20)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，處理單元(20)用來根據(jù)軸電壓(Uw)的 測量值來計算軸電流(Iw)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，監(jiān)測單元(21)連接至處理單元(20)的 輸出端，以便對由處理單元(20)計算的結(jié)果進行評估。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求1-13中之一所述的方法的使用，其用于該領(lǐng)域內(nèi)標準尺寸的發(fā) 電機和電動機。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求14-16中之一所述的裝置的應用，其用于該領(lǐng)域內(nèi)標準尺寸的 發(fā)電機和電動機。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于監(jiān)測電動機器(12)，特別是發(fā)型發(fā)電機和電動機的軸(13)的軸電流(IW)和/或絕緣的方法，在運行期間，對干涉的敏感度降低，其中，軸(13)上的軸電壓(UW)和相關(guān)軸電流(IW)被測量，并且，軸電壓(UW)和相關(guān)軸電流(IW)之間的關(guān)系根據(jù)電動機器(12)的軸電壓(UW)和軸電流(IW)的測量結(jié)果來確定，并且，軸電壓(UW)被監(jiān)測以便監(jiān)測電動機器(12)中的軸電流(IW)，并且，要被監(jiān)測的軸電流(IW)基于所確定的軸電壓(UW)和相關(guān)軸電流(IW)之間的關(guān)系而從被監(jiān)測的軸電壓(UW)推斷出來。
文檔編號G01R31/34GK101910857SQ200880124128
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者M·霍貝爾斯貝格爾, Z·波塞德爾 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司