專利名稱：在運行中監控和/或分析電機的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及在運行中監控和/或分析電機的裝置和方法。對此電機包含至少一個發電機，該發電機具有一個軸以及驅動該軸的驅動裝置，其中該軸在發電機的第一側主要直接接地，并且在該軸上在發電機的第二側設置一個測量單元用于作為時間函數測量軸電壓和/或軸電流。對此特別涉及一個在發電站設備中應用的裝置。
背景技術：
為了保證無摩擦運行，必須連續監控和/或偶爾分析該電機、特別是較大電機、比如在發電站設備中應用的電機，以便及時識別錯誤狀態并避免不受控制的故障。
為了這個目的已經存在用于多個可能錯誤狀態的各種不同的方法和裝置，在此簡短介紹。
US5,006,769描述了一個檢測在發電機的轉子繞組中匝間斷路的裝置。在該裝置中通過特殊的接地組件測量軸電壓并以特殊方式借助于傅里葉變換進行分析。
EP 0271678自身方面建議一個裝置，以該裝置可以斷定軸接地的功能良好性和功能可靠性或者軸的絕緣。對此建議的、本來原設置用于降低軸電壓的裝置能夠斷定電機的全部接地情況。
在DE 19742662中描述了一個裝置，通過測量軸的軸電壓和軸電流，以該裝置可以識別軸的電火花腐蝕(特別是在軸承位置)，比如在存在較高電壓的情況下可能出現電火花腐蝕并且大多數具有傷害作用。
多個文獻描述了這個裝置，該裝置用于檢測在集流環上的電刷打火。例如US 3,653,019、US4,058,804、US4,163,227以及US4,451,786與此有關。對此一個特別為此設置的測量裝置直接連接在電刷上，并且，這是這些文獻的主要方向，接下來進行數據處理，其能夠區分干擾信號和有用信號。為此首先應用了選通方法，在該方法中識別干擾信號并且在干擾信號期間中斷檢測(消隱)。在US 4,577,151中建議了另一個監測電刷打火的方法，在該方法中通過一個特別為此設置的天線檢測獨特的信號并且接下來把信號供給分析單元。為此天線必須被布置在集流環附近，以便接收相應的高頻信號。接下來在一個特殊的分析單元中放大并解調該信號并且然后供給一個檢測器。
在US 4,814,699中描述一個用于識別另外錯誤狀態的方法。其中涉及在定子、轉子中或在勵磁裝置中檢測局部放電。對此軸用作天線并且通過(絕緣的)軸承或通過特別為此設置的耦合線圈耦合輸出高頻脈沖。為此軸的軸承關于地必須電絕緣，還闡明，可以在這個特殊的信號中區分干擾信號和有用信號。
另外重要的、同樣必須監控的錯誤狀態在于機器、特別是渦輪發電機相繞組的軸系振動。振動可以分為若干種類。對此可能涉及彎曲振動或者橫向的振動，其出現在垂直于軸的方向上。此外可能出現所謂的擺動，也就是說一般軸的旋轉頻率圍繞通常50Hz(或者60Hz)的工頻準周期地衰減變化，其由于例如電網中的脈沖干擾產生。真正的扭轉振動被認為軸的第三種振動，其例如可能由于在電網上突然的負載增加產生。對此扭轉振動是這樣的振動，其表現在沿著軸的不一致的轉動頻率(相移或者頻率偏移)，也就是說引起軸的扭轉。
在扭轉振動中涉及非常小的振動，通常在0.01度的相位幅度范圍內，可是其還是可能導致非常高的軸負載，并且如此扭轉振動的固有頻率與引起該扭轉振動的激勵吻合特別導致如此扭轉振動的危險搖擺，這甚至可能引起軸斷裂。對此扭轉振動的頻率可以從幾HZ直到200Hz，其中該頻率自然依賴于軸的材料性質和厚度、與軸連接的接地和設備的大小。特別是在具有較長軸的較大設備中該扭轉振動是非常緊要的。
根據該問題的重要性多個專利研究如此的振動。例如US 3,934,459描述了一個用于測量渦輪發電機系統的全部軸系的扭轉振動的測量設備或者方法。為此通過一個或多個沒有詳細說明的、專門為此設置的傳感器引出在軸的一個或多個點上的扭轉振動。扭轉信號的進一步處理是該文獻的主題。通過以帶通濾波器的濾波和乘法實現進一步處理，以便確定在末端的最大扭矩。
此外提及US 3,885,420、US4,148,222、US4,137,780和US4,317,371，這些文獻全部描述用于測量這種電設備的扭轉振動的測量設備或者方法。為了檢測扭轉振動與軸連接的、特別為此設置的齒輪用作信號發生器，其通過傳感器產生電信號。借助于帶通濾波器和乘法器等進一步處理該信號。在US4,317,731中描述了一個特殊的、用于測量相移的解調方法。該方法包含產生較低的中頻和接下來的頻率解調，這本身在無線電廣播技術中已知。另一個方法(US3,885,420、)把一個鎖相環(PPLphase-locked-loop)用于解調。此外指出US4,444,064，其描述了一個方法，在該方法中首先在軸上外加一個磁格式(magnetisches Muster)，其然后用作脈沖發生器。測量扭轉振動的另外方案基于在與軸耦合的永磁發電機的相繞組端子上的電壓用于確定如此振動。通過分析在相應端子上引出的、產生的電壓推斷出扭轉振動。再度借助于頻率解調(PPL技術)實現該分析。這些裝置的優點與齒輪解決方案相比具有較低費用。
作為另外可能出現的錯誤狀態此外例如指出轉子繞組的不完全的絕緣，以及旋轉同步的顫振痕跡和/或劃痕位置，這同樣應當檢測，以便防止發生故障。
發明內容
本發明基于這個任務，提供一個全面檢測電機錯誤狀態的選擇裝置使用，其具有足夠的準確性，并且價格低廉并且耐用，其能夠在通常的運行中進行連續監控。對此涉及用于在運行中監控和/或分析電機的裝置，其中電機包含至少一個發電機，該發電機具有一個軸以及驅動該軸的驅動裝置，其中該軸在發電機的第一側主要直接接地，并且在該軸上在發電機的第二側特別優選設置一個測量單元用于作為時間函數測量軸電壓和/或軸電流。
由此解決該任務，即軸電壓和軸電流供給一個分析單元，其中分析單元能夠組合并同時分析電機的至少兩個可能的錯誤狀態。
因此本發明的核心一方面在于，確定軸電壓和/或軸電流的測量能夠斷定電機的不同的系統性能和錯誤狀態。如果相應地如此改變分析單元，即分析單元能夠組合并同時記錄對于不同的錯誤狀態表征的信號，則得到一個組合測量設備，可以以通常已經存在的組件(在發電機一側上的接地和在發電機另一側上用于測量軸電壓的單元)驅動該分析單元。一個如此的組合測量設備、在該設備中在測量并且因此幾乎一個唯一的數據組的基礎上可以同時檢測多個錯誤狀態、能夠十分詳細分析信號，能夠改善不同效果的組合判讀。與按照現有技術背景的、用于每個錯誤狀態的各個測量設備的情況不同，在一個如此設備中能夠建立并研究在各個現象/測量結果之間的聯立交互關系，則不必在不同的設備之間的校準。如果存在多個錯誤狀態和反常情況，其表明單獨考慮的、也許還不是危急的情況，可是如果附加出現一個另外的錯誤狀態，則這些錯誤狀態和反常情況是一個危急狀態的預兆。在傳統的方法中，在該方法中以非協調的方式考慮獨特的錯誤狀態，則可能出現設備暫停，即使實際上還不必須暫停。與此相反建議的組合測量設備能夠十分可靠地診斷錯誤狀態。如此的組合測量設備首先具有這樣的較大優點，即能夠自動實現不同錯誤狀態之間的相互關系，并且能夠有針對性地報警(Alerts)。與現有技術相比不僅應用峰值和平均值，而且也應用在信號的整個頻譜上、也就是說不僅在低頻范圍內而且同時也在高頻范圍內、在頻率范圍內和在時間范圍內的實際測量。
此外由于發電機軸附近的磁不對稱、由于發電機軸的靜電充電、由于外部電場、該電場使軸電壓容性耦合在發電機軸上、或由于在旋轉的軸上的剩磁、例如由于軸的剩余磁化的原因產生在此考慮的軸電壓或者軸電流。
如果軸電壓和軸電流或者不降低到可容忍的程度，或者軸系的接地方案不適用，則軸電壓和軸電流對于發電機的不同元件基本上是一個危險電位，并且可能導致傷害發電機。為此在過去在發電機軸上采取特殊的預防措施，例如在發電機的非驅動端上安裝絕緣間隔，并且在驅動端上發電機軸經過電刷與地電位連接。為了減小電壓峰值，發電機軸常常在非驅動端借助于滑動接觸通過電容交流電壓方式地耦合在地電位上。
本發明的另一個核心在于這個絕對意外的認識，即軸電流或者軸電壓不僅僅包含上述的、根據EP-Al-0 271 678關于軸接地的功能良好性和功能可靠性的信息，或也包含根據此外要列舉的EP-A2-0 391-181關于轉子線圈短接的信息，而且在該信號中此外隱藏廣泛的、關于軸的另外錯誤狀態的信息，并且能夠在一個唯一的分析單元中同步分析這些信息。相應例如能夠放棄通常專門主管測量振動的裝置，并且能夠以也許已經存在的、用于監控功能良好性或轉子線圈短接的設備測量軸電壓或者軸電流并從在這種情況下獲得數據中與另外的錯誤狀態一起同時推斷出軸的振動。對此軸電流和/或軸電壓的測量是一個足夠準確的并且特別適合于長期觀察的、用于確定軸的錯誤狀態的方法。
在通過該分析單元經過測量軸電壓和/或軸電流得到的錯誤狀態是從下面的組中選擇的至少兩個不同的錯誤狀態轉子繞組中的匝間短路；軸接地的功能缺陷以及軸的絕緣缺陷；轉子繞組的絕緣缺陷；軸的電火花腐蝕；電刷打火、特別是在集流環上的；在定子中和/或在轉子中和/或在勵磁裝置中的局部放電；軸的振動、特別是扭轉振動、和/或彎曲振動和/或擺動；在勵磁裝置和/或轉子繞組中的火花；旋轉同步的顫振痕跡和/或劃痕位置。通過如此測量令人驚嘆地得到所有這些錯誤狀態并且特別能夠分別同步地并且協調地研究一對或完整的一組錯誤狀態。至少一個錯誤狀態優選是高頻的電火花活動、比如在軸上的電火花腐蝕或在勵磁裝置和/或轉子繞組中的火花，或涉及軸的有害的振動、比如橫向的彎曲振動、擺動或扭轉振動。能夠特別判斷準確地分析這些振動的組合。
根據本發明裝置的一個優選實施形式的特征在于，在發電機的第一側為了軸的接地設置一個接地單元，其自身方面能夠測量軸電壓和/或軸電流作為時間函數。該信號(測量值)被提供給一個分析單元，在該分析單元中與來自測量單元的信號一起組合并同時進行分析。在發電機的第二側(或在多個發電機的情況下在這些發電機之間的不同位置上)借助于該測量單元的附加測量能夠有效定位沿著軸的錯誤狀態。如此例如通過這種方式可以確定，在哪一個軸承上出現實際的電火花腐蝕，因為接地單元和測量單元的兩個測量值的不同特性允許能夠做出相應的推斷。
該裝置的另一個優選實施形式的特征在于，分析單元不僅在低頻范圍內而且也在高頻的范圍內進行分析。對此分析單元特別優選使用這個裝置，以該裝置可以選頻濾波到達的信號。不同的錯誤狀態在不同的頻率范圍內產生信號分量。當然例如能夠優選借助于傅里葉分析同時并且組合地把低頻范圍用于確定匝間斷路和/或軸的有害的振動，并且把高頻范圍用于確定電火花活動。
相應地這證明是有益的，即此外為了改善不同現象的分離并且為了提高信噪比對分析單元的到達的信號進行濾波。對此這些裝置可能具有低通濾波器和高頻帶通濾波器，通過這些濾波器或者同時或者開關方式交替地對到達的信號(測量單元或者接地單元的軸電壓或者軸電流的信號)進行濾波。這些裝置或者可以布置為無源濾波器，可是也能夠應用選頻放大器。優選低通濾波器設計使得在20kHz以下的頻率通過，高頻帶通濾波器以可調節的方式設計使得在20kHz至40MHz范圍內、特別優選在1MHz至40MHz范圍內的頻率通過。
本發明的另一個優選實施形式具有這樣的特征，即附加把另外的、不基于軸電壓和/或軸電流的、關于錯誤狀態的數據或信號提供給分析單元，這些數據或信號與涉及錯誤狀態的軸電壓和/或軸電流一起組合并同時地被監控或分析。這種附加數據或信號例如可能是定子相繞組的局部放電測量的測量信號或在集流環電刷上電火花活動的測量的測量信號。如果這些附加的、通過另外的過程檢測的數據或信號同樣被提供給分析單元，則可以確定在錯誤狀態之間的另外相關性并且用于診斷。
根據本發明的另一個實施形式作為采樣電路、特別是在應用一個模-數轉換器的情況下實現在分析單元中的分析，該采樣電路具有這樣的采樣速率，其與工頻一致或是工頻的整數倍除以發電機的極對數。在分析單元中為了分析軸電壓和/或軸電流特別可以研究涉及在軸電壓和/或軸電流中包含的調頻和/或調幅和/或在基帶中的頻率線的信號。對此也可以分析頻譜中的瞬變過程。有益地借助于傅里葉變換進行信號的分析。也許在以載波頻率、例如以工頻和其整數諧波除以極偶的數目解調或向下混頻信號之后，逐段進行傅里葉變換，分析產生的頻譜的譜線展寬和/或邊帶和/或在基帶內的頻率線。對此通常以1-200kHz的采樣速率、特別對于低頻部分在5kHz范圍內對信號采樣，并且對于高頻部分在200kHz范圍內對信號采樣。接下來為了確定信號的精細結構對在0.5k至1000k數據點范圍內、特別是在64k數據點單位范圍內的數據段分別進行傅里葉變換(FFT)。
本發明的另一個優選實施形式的特征在于，在第一側設置一個接地單元(Driving end module)，其具有通向在軸上的接觸裝置的一個高電阻并且具有一個通向地的低電阻，其中與高電阻并聯布置一個保險裝置，并且其中特別優選地在地和低電阻之間布置一個測量電阻，其中引出在高電阻和接觸裝置與接地之間的軸電壓和流經測量電阻的軸電流。特別優選地如下布置測量單元。其具有通向在軸上的接觸裝置的保險裝置并且具有一個或多個并聯布置的電容以及具有一個與電容并聯并通向地的電阻。對此在地和電容或接地點之間布置一個測量電阻，其中引出在保險裝置和接地之間的軸電壓和流經測量電阻的電流。這種形式的測量能夠無干擾地觀測并且由于存在的保險裝置能夠防止峰值電壓和峰值電流可靠地觀測。
在從屬權利要求中說明了根據本發明裝置的另外優選實施形式。
此外本發明涉及在運行監控和/或分析電機的方法，其中電機包含至少一個發電機，其具有一個軸以及驅動該軸的驅動裝置，其中該軸在發電機的第一側主要低阻接地，并且在該軸上在發電機的第二側特別優選設置一個測量單元用于測量軸電壓和/或軸電流作為時間函數。對此軸電壓和/或軸電流的信號被提供給分析單元，并且在分析單元中對于電機的至少兩個可能的錯誤狀態進行組合并且進行同時的分析。對此優選涉及上面提到的錯誤狀態，優選在應用上面描述的裝置的情況下實施該方法。
在附屬權利要求中說明根據本發明方法的另外優選實施形式。
下面根據實施例結合附圖詳細闡述本發明。唯一的附圖示出了用于測量作為時間(t)的函數的軸電壓URC(t)和/或UDE(t)或者軸電流IRC(t)和/或IDE(t)的裝置的示意圖。
具體實施例方式
附圖示出了燃氣輪機設備的示意圖，在該圖中兩個渦輪1布置在一個發電機4的兩側作為驅動裝置，其中兩個渦輪1同發電機4一樣布置在一個公共的軸2或者軸系上。在此僅僅示范性地理解兩個渦輪1，僅僅布置一個渦輪也是可能的。為了例如在提速時發電機4與渦輪1分離，通常設置這樣的聯動器，其允許渦輪1與發電機4機械去耦合。
軸2安置在至少兩個軸承3上。在軸承3上的油膜使軸2和與地連接的軸承3電絕緣。可是在從某個高度起的電壓峰值的情況下可能擊穿該絕緣，這可能導致電腐蝕問題(軸的電火花腐蝕)。
正如開始已經提到的，在此類發電機4的軸上由于不同原因產生軸電壓和軸電流，其頻譜從直流分量直到這樣的頻率，其作為倍數與發電機的旋轉頻率有關，而且也與發電機的實際激勵系統的頻率有關。可能出現直到幾MHz的頻率。
尤其由于軸2附近的磁非對稱性、由于軸2的靜電充電、由于使軸電壓容性耦合到軸2上的外部電場、或由于在旋轉的軸2上的剩磁、以及由于軸2的剩余磁化(制造引起)產生軸電壓或者軸電流。
軸電壓、在下面稱為U(t)、和軸電流、在下面稱為I(t)、原則上可能危害發電機的不同元件并且可能導致損害發電機。可是根據本發明將軸電壓或者軸電流用于有目的地分析并檢測電機的各種錯誤狀態。
為此在發電機4的一個側將一個低阻的接地單元、例如所謂的DE組件5(Driving End Module)連接在軸2上，該組件主要保證軸2可靠的低阻接地。DE組件5與分析單元7連接。
在發電機4的另一側作為用于作為時間函數測量軸電壓(URC(t))和/或軸電流(IRC(t))的測量單元，一個高阻的接地設備、與分析單元7連接的所謂RC組件6(R為電阻、C為電容)一端與軸2連接并且另一方面連接到接地點9。
DE組件5經過一個接觸裝置10與軸2連接。在接觸裝置10中主要涉及一個銅編織層，該編織層摩擦地與軸2電接觸。通過在接觸裝置10和接地點8之間首先連接一個高電阻12并且與該高電阻12并聯一個保險裝置，DE組件5對接地點8形成低阻。這防止出現過高的電流。因此DE組件5首先保證軸2低阻接地。與該高電阻12或者保險裝置14串聯一個低電阻13通向地。電阻13的值R典型為1至10歐姆。為了此外可以短路高頻的電壓峰值(典型為150-200kHz)，一個具有在3-10μF范圍內容量的電容器17與低電阻并聯。否則存在這樣的危險，既如此的電壓峰值經過軸承套消失并且在那里導致形成電火花。
在高電阻12和接觸裝置10或地之間作為時間函數引出軸電壓UDE(t)，并且通過同軸電纜19移交給分析單元7。為了監控保險裝置14的狀態，同時也能夠監控在電阻12和13或者地之間的電壓。在地和低電阻13之間此外存在一個測量電阻18(shunt resistance)，在該電阻處通過在其上面產生的電壓降可以計算并記錄軸電流IDE(t)。這些信息也通過同軸電纜19移交給分析單元7。
在發電機4的另一側通常布置RC組件6用于旁路電壓峰值。該組件同樣具有一個連接軸2的接觸裝置11，再度優選以與軸2電接觸的銅編織層的形式形成該接觸裝置。該RC組件首先具有一個連接軸的保險裝置15，通常保險裝置的型號是2AT(在此保險裝置也用于防止較高電流)，并且具有一個與其串聯的電阻16，一個形成為電容器的電容17與該電阻并聯布置。與電容17并聯布置的電阻16一般具有在100至10000歐姆范圍內的R值，優選400至1000歐姆。電容17的值C典型在1至30F的范圍內。
在保險裝置15和接地點9之間作為時間函數引出軸電壓URC(t)，并且經過同軸電纜20移交給分析單元7。在接地點9和電阻16與電容17的并聯布置之間此外還存在一個測量電阻18(shuntresistance)，在該電阻處通過在其上面產生的電壓降可以計算并記錄軸電流Is(t)。該信息也經過同軸電纜移交給分析單元7。
作為時間函數測量的軸電壓URC(t)、UDE(t)或作為時間函數測量的軸電流IRC(t)、IDE(t)包含關于電機各種錯誤狀態的信息，下面示范列出這些信息A)在轉子繞組中的匝間短路正如在US5,006,769中描述的，如此匝間短路導致在軸電壓或者軸電流的信號中獨特的諧波分量。該信號在1kHz以下的范圍內、也就是說在低頻范圍內變動，并出現在轉子旋轉頻率的整數倍處。假如在轉子繞組中實際存在匝間短路，則在50Hz的旋轉頻率的情況下相應觀察在100Hz、200Hz處的特征信號。如果不存在匝間短路，則在這些頻率處僅僅觀察到很弱的信號。
B)軸的接地狀態或者軸的絕緣狀態在時間范圍內觀察到這些錯誤狀態的存在，并且表現在信號的獨特中斷、通常在1至6ms的范圍內。在EP 271678 A1中描述了產生的獨特信號，并且同樣指出了怎樣從這些信號中能夠有針對性的診斷。在DE組件5和RC組件6上的軸電壓的測量值的組合特別能夠準確定位相應的故障位置。
C)轉子繞組的絕緣狀態該錯誤狀態在此導致在低于1kHz范圍內的低頻信號。類似于轉子繞組短路的情況，在存在轉子繞組錯誤絕緣的情況下可以獨特看見幾倍的工頻。在50Hz工頻的情況下觀察到在300Hz、600Hz、900Hz、等處的特殊頻帶，相應在6脈沖電壓的情況下觀察到在150Hz、300Hz等處的頻帶。
D)軸的電火花腐蝕如果出現這種錯誤狀態，則在高頻范圍內、也就是說從大約500kHz起觀察到獨特的信號。在軸電壓或者軸電流的時間信號中觀察到較強的尖峰信號(Spikes)，典型處在1.5MHz或40MHz等處。對此該尖峰信號類似于在局部放電情況下產生的脈沖。
E)在集流環上的電刷打火這種錯誤狀態的存在也導致信號的獨特的高頻尖峰信號(為此參閱開始提到的現技術背景的文獻，在軸電壓或者軸電流上觀察到的相應信號與在這些文獻中提到的信號相似)。可是觀察到的信號與在電火花腐蝕中觀察到的信號相比處在另外的頻帶范圍。
F)在定子/轉子/勵磁器中的局部放電如果出現如此的局部放電，則在顯著高于500kHz的頻率范圍內觀察到尖峰信號(Spikes)。在軸電壓或者軸電流上觀察到的信號中主要涉及這樣的信號，其類似于在開始提到的US 4,814,699中描述的信號。
G)軸振動對此涉及比如軸2的橫向彎曲振動(I類運動)的振動、涉及軸2的擺動(II類運動)或涉及軸2的扭轉振動(III類運動)。在這類關系中擺動是在固有的工頻率附近轉子的旋轉速度的變化。如果在通常在50或60Hz下運行的電網中可能產生擺動，則出現干擾，其饋入轉子的運動中并且例如使運動變得緩慢。這導致轉子頻率在額定頻率附近擺動，如果在該擺動中涉及系統的固有頻率，則這當然是特別關鍵的，因為搖擺是可能的。如果在電網上出現突然的負載升高，則當然例如出現扭轉振動，并且由于負載升高發電機在一定程度上短暫減速(這當然也引起擺動)。
軸電流或者軸電壓的分析能夠診斷所有三種運動類型I、II或III。對此扭轉振動(III類)和擺動(II類)的測量可以優選使用頻率解調的方法，其對幅度波動不敏感。為了測量彎曲振動(I類)可以使用解調幅的方法。對此在這兩種情況下可以應用特性信號的多個諧波。
彎曲振動(I類)在相應頻譜中一方面表現為軸電壓/電流諧波的邊帶，其中邊帶相距調制頻率。這由此得出，即這種形式的振動引起信號U(t)或者I(t)的調幅，其中調制頻率大約為1至300Hz，并且該調制不僅在軸電壓/軸電流的基波上而且在相應的諧波上顯而易見。如此通過簡單的觀察或者分析譜線或者其邊帶就能夠識別彎曲振動。這種分析是可見的，可是也能夠自動分析。此外彎曲振動也表現為在基帶內的頻率線，也就是說0Hz周圍的“邊帶”。
通常在轉子的基頻周圍發生擺動振動(II類)。對此涉及旋轉頻率的快速改變，也就是說涉及在少于1秒的時標上的改變。這在傅里葉頻譜中導致在旋轉頻率的譜線上以及在諧波上的譜線展寬。對此涉及在頻率千分之3-4范圍內的頻率展寬或者頻率移位。相應可以借助于如此的譜線展寬可見或自動識別擺動的出現，并且特別可以按時間順序分析擺動的出現。
由于通常較高頻率的原因扭轉振動(III類)導致在頻譜中的精細結構。扭轉振動通常處在100至200Hz的范圍內，并且導致在時標上非常快速的頻率偏移或者相位偏移。這也還可以在頻譜中可見或自動識別并分析。
H)在勵磁設備或轉子繞組中的電火花在此也觀察到高頻的獨特信號。
I)旋轉同步的顫振痕跡和/或劃痕位置如果例如軸套被劃過，則出現如此的顫振痕跡。劃痕位置理解為電劃痕位置。該錯誤物狀態在信號中表現在低頻部分并且也表現在高頻部分。例如在低頻部分觀察到劃痕位置，可是在高頻范圍內也可能觀察到在確定的范圍內的周期電火花。
這是重要的，即在一個唯一的分析單元7中基本上根據軸電壓可以分析按照現技術背景由不同測量設備和耦合單元測量的不同現象，如此可以簡單建立并研究在各個測量結果之間的交互關系。對此不僅在低頻信號范圍內而且也在高頻信號范圍內測量軸電壓。這是特別有益的，因為首先結合另外的現象能夠清楚斷定一些現象并且首先描述在組合中出現電機傷害。例如匝間短路首先是運行故障，同時也出現較強振動。同時測量證明是非常有益的，因為可以識別交互關系。
把用于確定上述錯誤狀態的算法用于分析。一些算法不僅應用低頻信號范圍的信號而且也應用高頻信號范圍的信號(例如為了檢測劃痕位置、軸的絕緣)。此外有些算法也應用另外測量算法的結果并且確定這些結果的相互關系，以便提高診斷的準確判斷。通過(同時)組合多個測量方法得到比通過所有單個方法單獨累加更好并且判斷更準確的結果。為此示范利用下面的特殊組合·在同一個設備中振動分析與與同時對匝間短路的分析的組合。這是有益的，因為匝間短路首先是運行故障，其引起振動。
·振動分析與軸的劃痕位置分析的組合。震動導致劃痕或者相反亦然，借助于兩個獨特信號的相應同時出現可以識別，如此估計運行危險。
·在軸上高頻活性(電火花腐蝕)的測量與劃痕位置測量的組合。劃痕位置本身單獨通常不是緊要的。同樣電火花腐蝕本身單獨也不是緊要的。可是如果這兩種跡象同時出現，則再度可能推斷出一個緊急的運行狀態。
·在軸上振動測量與定子繞組的局部放電測量的組合。較強的振動和局部放電是因果關系，并且同步出現表示一個危急狀態的征兆。
這些獨特的、組合出現的錯誤狀態也可以非常簡單地供給一個自動的識別方法，因為在一個分析單元中同步應用這些錯誤狀態，基于組合值以非常高的可靠性可以產生相應的報警信號。真正的分析單元7包含兩個輸入級，一個高頻輸入級23和一個低頻輸入級24。高頻輸入級23包括一個高頻帶通濾波器(接收頻帶邊緣陡峭并且從20kHz直到MHz范圍，主要在頻率寬度上可以調整)。例如通過一個頻率選擇的放大器實現的帶通濾波器(濾波器)23使干擾信號(例如可控硅脈沖)與有用信號(例如電火花信號)分離。檢測處在通帶內的有用信號，抑制在濾波器截止范圍內的干擾信號。因此例如使用這種認識，即可控硅開關信號與電刷打火的火花信號相比頻率更低。通過在不同平帶內的接收可以普遍區分彼此的不同現象。
低頻輸入級設計用于直到大約20kHz的頻率。再度涉及一個無源的低通濾波器或涉及一個選擇的低頻放大器。因此預處理低頻信號。
輸入級信號接下來移交給一個組合的分析單元22。借助于時間信號URC(t)或者UDE(t)或IRC(t)或者IDE(t)的傅里葉變換的分析證明特別適合于在頻率范圍內的分析。為了提高測量準確性或者為了簡化輸入數據的濾波相應的時間信號可以與載波信號(Carrier)或者與相應偏移π/2的載波信號在正交檢波的意義上混頻，并且以單獨的實數部分或者虛數部分存儲并進行傅里葉變換(FFT)。例如工頻或其整數倍適合作為載波信號，為此同樣直接從電網或在一個適合的位置引出該工頻或本地產生。
首先在一個典型為5kHz(來自低頻輸入級24的低頻信號)或者200kHz(來自高頻輸入級23的高頻信號)采樣速率的模-數轉換器(ADC)中數字化到達的信號URC(t)或者UDE(t)(典型在低于15V的范圍內)或IRC(t)或者IDE(t)，接下來逐段地對已數字化的時間信號Udig(t)或者Idig(t)進行傅里葉變換。對此為了分析例如扭轉分別對例如64k數據點的窗口進行傅里葉變換證明是合理的，在檢驗彎曲振動時通常1k的數據點的窗口就已經足夠了，因為相應的頻譜特征是非常粗的。
此外可以以一個這樣的采樣速率對信號采樣，該采樣頻率與工頻一致或是工頻的整數倍除以發電機的極對數(網絡相位同步分析)。這引起頻率剛好偏移采樣頻率。如此例如可以特別簡單地檢測旋轉同步的顫振痕跡和/或劃痕位置。
在另外的實施中在軸上的測量與例如在US 4,814,699中描述的在相位端子上的局部放電測量組合。因此能夠區分在定子繞組中的局部放電脈沖和在軸上的電火花活動，或補充局部放電測量。
在另外的實施中關于低頻信號和高頻信號分析直接在集流環電刷上引出的信號(參見US 3,653,019)，并且同樣借助于組合的算法與從軸電壓或者軸電流中獲得的數據一起分析。
可是原則上直接在軸上的輸出耦合的較大優點在于，能夠測量在軸上的所有電火花活動、例如通過軸承套的放電。發電機4的兩側測量此外能夠很好地定位產生的現象。
在這種關系中必須注意，本方法特別特別適合于長時間觀察軸系的狀態，因為設備費用相對較低并且傳感器、也就是說軸、始終存在。如此可以從電機的錯誤狀態的逐步的緩慢變化中推斷出也許可能存在的修正需求，可以計劃并實施有針對性的相應修改。
附圖標記列表1.渦輪、驅動裝置2.軸3.軸承4.發電機5.接地單元(DE組件、Driving End Module)6.RC組件(高阻)、測量單元7.分析單元8.5的接地點9.6的接地點10.5的接觸裝置11.6的接觸裝置12.高電阻13.低電阻14.保險裝置15.保險裝置16.電阻17.電容18.測量電阻(Shunt resistance)19.從5到7的同軸電纜20.從6到7的同軸電纜21.集流環22.組合分析單元23.高頻帶通濾波器(高頻輸入級)24.低通濾波器(低頻輸入級)
權利要求
1.在運行中監控和/或分析電機的裝置，其中電機包含至少一個發電機(4)，該發電機具有一個軸(2)以及驅動該軸(2)的驅動裝置(1)，其中該軸(2)在發電機(4)的第一側接地，并且在該軸(2)上在發電機(4)的第二側設置一個測量單元(6)用于測量軸電壓(URC(t))和/或軸電流(IRC(t))作為時間函數，其特征在于，軸電壓(URC(t))和/或軸電流(IRC(t))的至少一個信號被提供給一個分析單元(7)并且在該分析單元(7)中對電機的至少兩個可能錯誤狀態進行組合并且進行同時分析。
2.按照權利要求1的裝置，其特征在于，錯誤狀態是選自以下組中的至少兩個不同的錯誤狀態轉子繞組中的匝間短路；軸接地的功能缺陷；軸(2)的絕緣缺陷；轉子繞組的絕緣缺陷；軸(2)的電火花腐蝕；電刷打火；在定子中和/或在轉子中和/或在勵磁裝置中的局部放電；軸(2)的有害振動；在勵磁裝置和/或轉子繞組中的火花；旋轉同步的顫振痕跡和/或劃痕位置。
3.按照上述權利要求之一的裝置，其特征在于，至少一個錯誤狀態是高頻的電火花活動，比如在軸(2)上的電火花腐蝕或在勵磁裝置和/或轉子繞組中的火花，或者是軸(2)的有害震動，比如橫向的彎曲振動、擺動和/或扭轉振動。
4.按照上述權利要求之一的裝置，其特征在于，在發電機(4)的第一側設置一個接地單元(5)用于軸(2)的接地，其自己一方能夠測量軸電壓(UDE(t))和/或軸電流(IDE(t))作為時間函數，并且信號(UDE(t)、IDE(t))被供給分析單元(7)，在該分析單元(7)中與來自測量單元(6)的信號(URC(t))、IRC(t))組合地并且同時地進行分析。
5.按照上述權利要求之一的裝置，其特征在于，分析單元(7)不僅在低頻信號范圍內而且也在高頻信號范圍內進行分析。
6.按照權利要求5的裝置，其特征在于，最好借助于傅里葉分析同時并且組合地采用低頻范圍確定匝間短路和/或軸的有害振動，同時并且組合地采用高頻部分確定電火花活動。
7.按照權利要求5或6之一的裝置，其特征在于，分析單元(7)特別優選具有裝置(23、24)，用該裝置對信號(URC(t))、IRC(t)、UDE(t)、IDE(t))進行頻率選擇的濾波。
8.按照權利要求5至7之一的裝置，其特征在于，所述裝置是一個低通濾波器(24)和一個高頻帶通濾波器(23)，通過二者以同時或者開關方式交替對信號(URC(t))、IRC(t)、UDE(t)、IDE(t))濾波，其中低通濾波器(24)優選使20kHz以下的頻率通過，高頻濾波器(23)以優選的可調節方式使20kHz到40MHz范圍的頻率、特別優選從1MHz直到40MHz的頻率通過。
9.按照上述權利要求之一的裝置，其特征在于，另外的、不基于軸電壓和/或軸電流測量的、關于錯誤狀態的信號被附加提供給分析單元(7)，這些信號與涉及錯誤狀態的軸電壓(URC(t)、UDE(t))和/或軸電流(IRC(t)、IDE(t))一起組合和同時地被監控或者分析。
10.按照上述權利要求之一的裝置，其特征在于，優選在應用模-數轉換器的情況下作為采樣實現在分析單元(7)中的分析，其中特別優選應用一個采樣速率，該速率與工頻一致或是工頻的整數倍除以發電機的極對的數目。
11.按照上述權利要求之一的裝置，其特征在于，在分析單元(7)中為了分析軸電壓(URC(t)、UDE(t))和/或軸電流(IRC(t)、IDE(t))研究相應的信號(URC(t)、IRC(t)、UDE(t)、IDE(t))，該研究是對于在所述信號中包含的頻率調制和/或幅度調制和/或頻率線，特別是在基帶中的頻率線進行的。
12.按照權利要求11的裝置，其特征在于，在分析單元(7)中分析頻譜中的瞬變過程。
13.按照權利要求10、11或12之一的裝置，其特征在于，也許在以載波頻率、特別是以工頻(νNetz)和工頻的整數諧波除以極偶的數目解調或向下混頻信號(URC(t)、IRC(t)、UDE(t)、IDE(t))之后逐段進行傅里葉變換，分析產生的頻譜的譜線展寬和/或邊帶和/或在基帶內的頻率線。
14.按照權利要求11至13之一的裝置，其特征在于，以1-200kHz的采樣速率、特別是對于低頻部分在5kHz范圍內對信號采樣，對于高頻部分在200kHz范圍內對信號采樣，接下來為了確定信號的精細結構分別對在0.5k至1000k數據點范圍內、特別是在64k數據點范圍內的數據段進行傅里葉變換。
15.按照上述權利要求之一的裝置，其特征在于，在發電機(4)的第一側設置一個接地單元(5)，其具有一個通向在軸(2)上的接觸裝置(10)的高電阻(12)和一個通向接地點(8)的低電阻(13)，其中與高電阻(12)并聯布置一個保險裝置(14)，并且其中特別優選在接地點(8)和低電阻(13)之間布置一個測量電阻(18)，其中引出在高電阻(12)和接觸裝置(10)和接地點(8)之間的軸電壓(UDE(t))，以及引出經過測量電阻(18)的軸電流(IDE(t))。
16.根據上述權利要求之一的裝置，其特征在于，測量單元(6)具有一個通向在軸(2)上的接觸裝置(11)的保險裝置(15)和一個或多個并聯布置的電容(17)以及具有一個與所述電容并聯并通向接地點(9)的電阻(16)，其中在接地點(9)和電容(17)或者電阻(16)之間布置一個測量電阻(18)，其中引出在保險裝置(15)和接地點(9)之間的軸電壓(URC(t))和經過測量電阻(18)的軸電流(IRC(t))。
17.在運行中監控和/或分析電機的方法，其中電機包含至少一個發電機(4)，該發電機具有一個軸(2)以及驅動該軸(2)的驅動裝置(1)，其中該軸(2)在發電機(4)的第一側接地，并且在該軸(2)上在發電機(4)的第二側設置一個測量單元(6)用于測量軸電壓(URC(t))和/或軸電流(IRC(t))作為時間函數，其特征在于，描述軸電壓(URC(t))和/或軸電流(IRC(t))的信號被供給一個分析單元(7)并且在該分析單元(7)中對電機的至少兩個可能錯誤狀態進行組合并且進行同時分析。
18.根據權利要求17的方法，其特征在于，錯誤狀態是選自下面的組的至少兩個不同的錯誤狀態轉子繞組中的匝間短路；軸接地的功能缺陷；軸(2)的絕緣缺陷；轉子繞組的絕緣缺陷；軸(2)的電火花腐蝕；電刷打火；在定子中和/或在轉子中和/或在勵磁裝置中的局部放電；軸(2)的有害振動；在勵磁裝置和/或轉子繞組中的火花；旋轉同步的顫振痕跡和/或劃痕位置，并且特別優選在應用根據權利要求1至16之一的裝置的情況下實施該方法。
全文摘要
本發明涉及在運行中監控和/或分析電機的裝置以及方法，其中電機包含至少一個發電機(4)，該發電機具有一個軸(2)以及驅動該軸(2)的驅動裝置(1)，其中該軸在發電機(4)的第一側接地，并且在該軸(2)上在發電機(4)的第二側設置一個測量單元(6)用于作為時間函數測量軸電壓(U
文檔編號G01R31/06GK1695064SQ03824949
公開日2005年11月9日 申請日期2003年9月5日 優先權日2002年9月10日
發明者M·霍貝爾斯伯格, I·柯希霍夫, Z·波塞德爾 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司