CN1695065A - 检测电机中电刷打火和电火花腐蚀的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到电机中电火花活动的检测方法与装置。测量轴电压(Us(t))和/或轴电流(Is(t))并分析其特性分量以便对火花活动进行检测。本发明的方法，其利用大部分被认为是有害的各个轴电流，它对电火花活动诸如电火花，电火花腐蚀以及轴承部件间火花放电的长期监测来说准确而适宜。使用现有的接地装置能够以结构简单可靠的方式实施本方法。

Description

检测电机中电刷打火和电火花腐蚀的方法与装置
技术领域
本发明涉及到电机中电火花活动，特别是电刷火花和例如这种情况下出现在集流环上的电火花腐蚀，和/或轴承部件间火花击穿如轴腐蚀火花等的检测方法与装置。
背景技术
电机中的电火花活动，例如在发电机中激励电流通过的集流环上以电刷打火形式出现的电火花活动，或以轴承部件间火花击穿形式出现的电火花活动，其通常极为危险，因为存在电火花腐蚀的危险。这种电火花活动导致了集流环的磨损加快，这样就可能过早地损坏触头，因此可能过早地损坏激励电场乃至整个电机。轴承的电火花腐蚀造成轴承的损坏并引起与无噪运转和磨损等相关的诸多问题。因此，重点需要及时地监测与鉴别电机中的电火花活动，以便一旦出现这种有害活动时能够作出快速反应，或者甚至在有害电火花活动出现之前就可能借助长期监测能够实施恰当的步骤。
举例来说，US3,653,019，US4,058,804，US4,163,227和US4,451,786说明了监测电刷打火的方法和测试设备。在这些设备中，监测信号直接在电刷处引出。这些文件的主要目的是将由电刷打火所引起的(有用)信号与(干扰)信号加以区别。为了观测这些信号，必须按照这些文件在电刷上设置特定的引出点。在这方面，应当特别参照例如US4,058,804，其图2A详细地表示出在这方面相关的典型信号以及有用信号和干扰信号的组合。干扰信号在这种情况下为从静态励磁装置产生的干扰信号以及与有用信号相同频率范围内所出现的干扰信号。这样，所谓的“选通”方法基本上是用来抑制干扰信号，也就是说，在这种方法中，使用能够逐一鉴别周期性出现的干扰信号尖峰以便防止干扰信号到达检测级(消隐)或只是在出现干扰信号后的某一特定时间之后打开实际观测窗(以防止检测与干扰信号相关联的瞬时扰动)。
此外，应当引用US4,577,151，其中通过为这一用途而必须专门设置的天线装置来检测电刷打火。在这种情况下，天线安排在集流环附近。将由天线所接收的射频信号传送到射频放大器，进行解调，然后传送到检测器，在检测器中进行分析找出表征电刷打火的分量。这个文件还涉及到一个比较老的***，其中使用照相机来记录电火花闪光。
根据现有技术的电火花活动检测装置，其缺点是，输出技术意味着必须安装电刷所特有的耦合装置(例如高可靠性电容)以及相应的输出线路。使用天线还要求设置专门的部件，其还必须以适当的方式安装。与用来抑制干扰信号的“选通”相连带的一个问题是在干扰消隐期间不能进行测量。这个时间可能占可用总时间的很大一部分。
发明内容
本发明以提供检测电机中电火花活动的方法和装置为目的，该装置高度灵敏同时结构简单，并可以以低成本生产。
通过测量和分析轴电压和/或轴电流以检测电火花活动来达到本发明这一目的。
例如，如在文件EP-A1-0 271 678以及其后的文件DE-A1-197 42622中所述，轴电压和轴电流可能出现在发电机的传动轴上，发电机通常是燃气轮机机组的一部分，由于各种原因，其频谱从直流直至与发电机转动频率相关的频率或者至发动机静态励磁***的频率。
由于发电机轴周边区域中的磁不平衡，发电机轴上的静电电荷，通过电容耦合将轴电压输入到发电机轴的外部电场，或转动轴中的剩磁以及(因生产而产生的)转动轴中的剩余磁化都能够产生轴电压和轴电流。
从根本上说，轴电压和轴电流代表着对发电机各部件所造成的一种危险，如果不把它们减低到可容许的水平，其就能够造成发电机的损坏。为此，在过去已经对发电机轴采取了专门的预防措施，例如在发电机的外驱动端设置绝缘间隙以及通过驱动端的电刷将发电机轴接至地电位。为了减低这些电刷上的负荷，已经建议借助滑动触头并通过电容将发电机轴AC耦合到外驱动端的地电位。
不过，轴电压和轴电流还可以用来监测使用轴接地时的功能可靠性和稳定性。最初曾引用的文件EP-A1-0 271 678在这方面详细说明了一种监测评估电路，该电路通过接入与耗散电容并联的电阻在发电机的外驱动端建立了一个直流通路并评估了流过这一通路电流中电机所特有的频率分量。RC组合在轴与地电位间形成一个可靠链路，这不仅减低了静电电荷而且把低频和较高频电压降低至对轴承来说是安全的水平，同时把轴承中的任何电流都限制在安全数值。并联电阻的***甚至形成了驱动端电阻性接地的冗余。
另一建议(DE-A1-197 42 622)涉及到流过发电机轴驱动端接地段的轴电流的测量以及该轴电流频率的确定，据此就可以推断出轴电流的成因。
然而，本发明的本质在于其显示出轴电流和/或轴电压不仅包含根据EP-A1-0 271 268涉及轴接地适用性和功能可靠性的上述信息，而且包含根据还必须引证的EP-A2-0 391181关于转子线圈短路的信息，同时这些信号还包含关于电机中电火花流动的信息。因此可能省去专门为测量这种电火花活动而必须设置的常规装置并使用可能业已存在的接地装置来测量轴电压和/或轴电流以监测适用性和转子线圈短路，以及利用以这种方式所得到的数据来得出关于电机中电火花活动的结论。这样轴电流和/或轴电压的测量就是为确定这种电火花活动的一种适合于长期观测的灵敏方法。
从根本上说，这种方法所带来的优点是能够测量轴上的所有电火花活动(轴电火花)例如通过轴承架的放电，因而不只是能够测量仅一种特定类型的电火花活动。
根据本发明方法的第一种优选实施方案，电火花活动为电刷打火，也就是说集流环上的电火花和/或轴承部件间的火花击穿，特别是轴腐蚀电火花。在这种情况下，不只是能够测定特定形式电火花活动的存在而且能确定这一活动的时序和强度。这样，对轴电压和/或轴电流的分析来说尤其可取的是测量并记录信号随时间的变化以及分析其随时间的变化。
根据另一优选实施方案，通过在轴上第一点设置低阻抗接地和在轴上第二点设置高阻抗RC组件来测量轴电压和/或轴电流，通过该RC组件将轴电压和/或轴电流引出并在分析设备中对其进行分析。
此外，为了能够确定电火花活动沿轴的位置，除了通过RC组件测量轴电压和/或轴电流以外，最好还能够通过低阻抗接地引出轴电压和/或轴电流并在分析设备中对其进行分析。
由于因电火花活动所引起的大多数信号其频率范围至少在500kHz以上，通常甚至在700kHz以上或甚至在1MHz以上的信号，故可以使将要提供给分析设备的上述信号，或可能是两个或多个信号在分析前通过一个信号滤波器(高通滤波器)而把与电火花活动无关的其他信号去掉。这个滤波器最好是可变、脉冲波前陡峭的带通滤波器，尤其最好是其通带宽度约在500kHz，而且其中频可调谐到500kHz-50MHz。
在这种情况下，最好对合成信号(电压或电流)进行其所含频率调制和/或幅度调制的研究。这样最好是在用与电源周期或与轴转动同步(相分辨测量)的载波频率对信号进行解调或下行混合之后再对信号进行分析。这样就能够对励磁电刷链路上的转动同步振痕或测量参考点进行检测。
根据又一优选实施方案，轴电压和/或轴电流的测量与相位终端的局部放电测量相对等。这就使得关于电火花活动情况的标准分析，特别是关于电火花活动的定位得以简化。因而可以很容易得出相位终端的活动与电火花活动之间的因果关系，并且能够把因定子流组中局部放电而引起的脉冲与轴上的电火花活动予以区别，或者是补充局部放电的测量结果。
根据另外一个优选实施方案，在信号通过如上所述的高通滤波器之后，对信号进行采样和数字化。然后，要么可能在匹配的选通之后对时间信号进行分析处理以便抑制干扰信号表征电火花活动的尖峰，要么在所有情况下对信号各段进行博里叶变换并对频谱中相应的性能特点进行分析。通常，该干扰信号为因对发电机激励电压整流而产生的硅可控整流器脉冲，它同样可以在射频范围内产生，特别是它也能够引起同样的干扰扰动。
根据本发明方法的其他优选实施方案在所附的权利要求中予以说明。本发明还涉及到实施如上述已说明之方法的装置。装置的特色特别在于轴电压是通过滑动触头引出，最好是通过现有的接地装置引出。信号的射频分量借助耦合阻抗来输出并进一步进行处理。
在另一实施方案中，在轴上第一点为轴设置一个低阻抗接地而在轴上第二点为其设置一个高阻抗RC组件。轴电压和/或轴电流通过RC组件引出并在分析设备中对其表征轴上火花活动的分量进行分析。为了能够对电火花活动进行更准确的定位，低阻抗接地对轴上接触装置具有低电阻而对地具有高电阻也是有利的，而保险丝则与高电阻相并联。除了通过RC组件测量轴电压和/或轴电流以外，还要通过低阻抗接地将轴电压和/或轴电流引出并在分析设备中对其进行分析。
因为由于电火花活动的作用，信号通常为射频信号，故分析设备最好还能够有一个高通滤波器，使得要供给分析设备的一个信号，或可能两个或多个信号在分析之前通过此滤波器。这样，高通滤波器的特性就应当是可调的且应具有陡峭的前沿，特别最好是其通带的可调下限在20kHz-1MHz或直至5MHz，而上限则在40MHz左右(例如带宽约300kHz可调的带通滤波器)。
代替RC组件上的实际测量，已经发现RC组件具有一个用于轴上接触装置的保险丝并且通过一个或多个并联设置的电容以及与其并联的电阻来接地是有利的，需要时在地和电容或电阻之间设置一个测量电阻(分流电阻)，轴电压通过此一个或多个电容引出，而轴电流则通过该测量电阻引出。
在这种情况下，最好是检测所测量的轴电压和/或所测轴电流随时间的变化并将其供给至分析设备，该分析设备具有信号(电压，电流)的数字化装置，数字化信号的傅里叶变换装置，以及变换后数据的频谱显示装置，同时对电火花活动的存在，性质和强度自动地加以测定，并以简化的形式，特别是最好还能以专门标准为基础的数字形式予以显示。这些标准在这种情况下就是时域中的特性信号，或各个电火花活动的特征频谱特性。
根据本发明装置的其他优选实施方案在所附权利要求中予以说明。
附图说明
利用典型实施方案并结合附图将对本发明予以更详细的说明。此单一附图示出了测量轴电压Us(t)和/或轴变流Is(t)随时间(t)变化之测量装置的概要图解说明。
具体实施方式
附图表示出一套燃气轮机装置的概要图解说明，其中两台汽轮机1安装在发电机4的两端，两台汽轮机1也像发电机4一样安装在一个公共轴2上。在这种情况下，这两台汽轮机应当看成是例如只有一台汽轮机，而且还可能是只安装此一台汽轮机。为了能够使发电机4与汽轮机1例如在加速期间脱开，通常配置有允许汽轮机1与发电机4在机械上断开的联轴器。
轴2固定在至少两个轴承3上。轴承3中的油膜使轴2与同地相连接的轴承3相绝缘。不过，这一绝缘在轴2上出现电压尖峰时常常会破坏，而且会引发电腐蚀问题。集流环20同样也在轴2上，通过集流环20输入励磁线圈的供电。
如在引言中已经提到的那样，像上述情况一样由于种种原因在发电机4的轴上产生出轴电压和轴电流，其频谱从直流直至与发电机转动频率相关的频率，或到发电机静态励磁***的频率。
特别是，由于轴2周边区域中的磁不平衡，轴2上的静电电荷，将轴电压通过电容耦合到轴2上的外部电场，或转动轴2中的剩磁，以及轴2(因生产而产生)的剩余磁化等都引起轴电压和/或轴电流。
轴电压，其通常且在下文中用Us表示，轴电流，其通常且在下文中用Is表示，从根本上说，它们代表了对发电机各种部件所构成的一种危险，而且如果不将其减低到容许的水平就能够导致发电机的损坏。但是，现在根据本发明要利用轴电压和/或轴电流来仔细分析和检测电机中的电火花活动。
为此，将一个低阻抗地5，例如所谓的DE组件(驱动端组件)接到发电机4一端的轴2，这就基本上保证了轴2至地8的可靠接地。在发电机4的另外一端，将与分析设备7连接的所谓RC组件6(R表示电阻，C表示电容)的一端与轴2相连接，在另一端与地9相连接。
DE组件5通过一个接触装置与轴2相连接。接触装置10最好为一铜网，其与轴2形成滑动电接触。DE组件5首先通过在接触装置10与地8之间接入一低电阻12而对地8具有一个低阻抗。电阻12的电阻值R通常在1-50欧姆。这样DE组件5就首先保证了轴2的低阻抗接地。为了防止轴2中可能不希望的强电流能通过低阻抗直接流逝入地8，将与电阻12串联的一个保险丝14设置成与第二个电阻，高电阻13相并联。这就保证了轴2上不希望的电流浪涌不致造成与地8的低阻抗连接，因为这一电流受到了电阻13的限制。保险线14通常是例如惰性型的2A/250V保险丝，其可很易从外面更换，而电阻13的电阻值R则在100-1000欧姆的范围。在这种浪涌出现时，保险丝14适时熔断，故高阻抗13现在是检验轴2与地8之间总电阻的主要因素。此外，呈电容器形式的电容19与电阻13并联设置。
RC组件6设置在发电机4的另一端。它同样有与轴2接触的接触装置11，其最好也是呈与轴2电接触的铜网形式。首先，RC组件6有与轴连接的保险丝15，其通常为惰性型2A的保险丝(此保险丝也用于防止这种情况下强电流的影响)，与其串联的有电阻16以及电容17，电容17同样也呈电容器形式，其与电阻16并联设置。在总的通用形式中，与电容17并联设置的电阻16，其电阻值R在100-10,000欧姆。电容17的典型电容值C在1-30μF。
现在从电容17或电阻16的两端引出轴电压URC s(t)随时间的变化，并通过同轴电源送至分析设备7。在地9与由电阻16和电容17所组成的并联装置之间还连接一个测量电阻18(分流电阻)，这样可以计算出轴电流IRC s(t)并且也可以根据测量电阻两端出现的电压降进行说明。这个信息还通过同轴电缆传送到分析设备7。
轴电压UDE s(t)和轴电流IDE s(t)也可以通过DE组件5引出。轴电压在这种情况下从电阻12两端引出，而在地8的上行也再设置一个测量电阻18来引出轴电流，在此情况下就可以计算出轴电流IDE s(t)并且还可以利用测量电阻两端出现的电压降予以说明。这一信息也通过同轴电源传送到分析设备7。
对两个组件5和6轴电压和轴电流的测量能够通过比较其数值给出电火花活动的粗略定位。
所测得的轴电压随时间的变化Us(t)和测得的轴电流随时间的变化Is(t)现在就包含有关于电机中通常所不希望的各种电火花活动的信息。因此，如依据现有技术所知道的那样，使用这些测量变量来测量与通过直接耦合至电刷或利用天线所得知的信号相似的那些信号。
评估轴电流和/或轴电压能够对集流环20上的电刷打火(以及与电刷打火相关联的电火花腐蚀)作出早期诊断，这一诊断显然是以如US4,163,227中所说明和图解的那些信号形式。但是，除此之外，还可以诊断轴2上的其他电火花活动，如轴承3上的电火花腐蚀。这两种情况与轴电压中的特性尖峰和轴电流中的浪涌有关。由于代表电火花活动的这些信号是射频信号，也就是该信号频率范围通常在500kHz以上，已经发现在评估设备22中进行实际分析之前使电压和/或轴电流通过一个信号滤波器21是有利的，信号滤波器呈带通滤波器形式。能够含盖有用信号作为干扰信号的换向信号(硅可控整流器脉冲)通常频率相当低。此外，其他干扰信号也能以这种方式加以抑制。特别是，滤波作用还使得能够在硅可控整环脉冲截止的时间段中观察电火花活动。这个带通滤波器21是一个通带可选的接收器，解调器和放大器，其具有陡峭的前沿且可调节。可调意指其能够覆盖的频率范围在20kHz-40MHz，中频可变，而带宽为例如300kHz。在此处所提到的范围内，已经发现至少20kHz的下限是可能的。在这种情况下，通常可基本上把此处涉及的有用信号上那些仅在500kHz以上的干扰信号排出在外。
然后在设备22中对通过带通滤波器21的信号进行采样和数字化，常规采样频率至少在200kHz。接着，如图中参考符号24所指示的那样，可以直接研究信号在时域中的特性尖峰。另外，能够表示与电源频率Vmains有关的信号以便鉴别出周期性连同轴的转动(相位分辨率)。
此外，也已经发现基于时间信号Us(t)或Is(t)的傅里叶变换的分析也是一种合适的分析方法。为了提高测量精度和/或简化输入数据的滤波，相应的时间信号在此情况下也可以与载波信号相混合并可进行傅里叶变换(FFT)。这样，例如电源频率也适合用作载波信号，若需要用于这一目的，其必须直接从电源引出或从某个其他合适的点引出。如频域中所代表的数据由图中的参考符号23表示。
输入信号Us(t)(通常其范围在3V以下)或Is(t)起初在采样频率(采样速率)通常为200kHz的模/数转换器(ADC)中进行数字化，然后这个数字化的时间信号Us(t)或Is(t)分别分段进行傅里叶变换。
在这方面，还应当指出本方法尤其适合于长期观测电气设备的工作情况。例如，可以利用电火花活动情况中的渐进缓慢变化来减少可能需要的维修工作，并能够具体地规划和实施适当的维修工作。
                       附图标记列表
1     汽轮机                 18        测量电阻(分流电阻)
2     轴                     19        电容
3     轴承                   20        集流环
4     发电机                 21        信号滤波器，带通滤波器
5     低阻抗地(驱动端组件，  22        评估设备
      DE组件)
6     RC组件(高阻抗)         23        频谱
7     分析设备               24        信号随时间的变化
8     5的地                  URC s(t)  RC组件上的轴电压
9     6的地                  IRC s(t)  RC组件上的轴电流
10    5的接触装置            UDE s(t)  DE组件上的轴电压
11    6的接触装置            IDE s(t)  DE组件上的轴电流
12    低电阻                 Vmains    电源频率
13    高电阻
14    保险丝
15    保险丝
16    电阻
17    电容

Claims (22)

1.电机中电火花活动的检测方法，其特征在于对轴电压(Us(t))和/或轴电流(Is(t))进行测量和分析以检测电火花活动。
2.按权利要求1中所要求的方法，其特征在于所述电火花活动为电刷打火，特别是在这种情况下出现在集流环上的电火花和/或轴承部件之间的电火花击穿，特别是轴腐蚀电火花。
3.按前述权利要求之一所要求的方法，其特征在于测量轴电压(Us(t))和/或轴电流(Is(t))随时间(t)的变化用于分析。
4.按前述权利要求之一所要求的方法，其特征在于至少在一个滑动触头(10，11)上测量轴电压(Us(t))和/或轴电流(Is(t))。
5.按前述权利要求之一所要求的方法，其特征在于通过接地装置(5，6)测量轴电压(Us(t))和/或轴电流(Is(t))。
6.按前述权利要求之一所要求的方法，其特征在于在轴(2)的一点设置一个高阻抗RC组件(6)，通过该RC组件(6)引出轴电压(URC s(t))和/或轴电流(IRC s(t))并在分析设备(7)中对其进行分析。
7.按权利要求6中所要求的方法，其特征在于，除了通过RC组件(6)测量轴电压(URC s(t))和/或轴电流(IRC s(t))以外，还要通过另一个低阻抗地(5)引出轴电压(UDE s(t))和/或轴电流(IDE s(t))并在分析设备(7)中对其进行分析。
8.按权利要求6或7之一所要求的方法，其特征在于提供给分析设备(7)的一个或多个信号(UDE s(t)，IDE s(t)，URC s(t)，IRC s(t))在分析之前通过一个信号滤波器(21)。
9.按权利要求8中所要求的方法，其特征在于信号滤波器(21)为可变，有陡峭前沿的带通滤波器。
10.按权利要求9中所要求的方法，其特征在于带通滤波器(21)其后接一个幅度解调器。
11.按前述权利要求之一所要求的方法，其特征在于对相应的信号(Us(t)，Is(t))进行研究以确定其是否包含频率调制和/或幅度调制用于分析轴电压(Us(t))和/或轴电流(Is(t))。
12.按权利要求11中所要求的方法，其特征在于对信号(Us(t)，Is(t))进行与电源电压相位同步的解调制。
13.按前述权利要求之一所要求的方法，其特征在于轴电压(Us(t))和/或轴电流(Is(t))的测量结果与在相位终端局部放电的测量结果相协同。
14.按权利要求8中所要求的方法，其特征在于，在信号(Us(t)，Is(t))通过信号滤波器之后对其进行采样和数字化，并且随后要么可能在针对抑制干扰信号的适配选通之后，关于表征电火花活动的尖峰对时间信号进行分析；要么对信号各段都进行傅里叶变换并在频谱中分析出相应的性能特点。
15.按权利要求14中所要求的方法，其特征在于，干扰信号为特别是因发电机(4)励磁整流而产生的硅可控整流器脉冲。
16.实施按权利要求1-12之一所要求方法的装置。
17.按权利要求16中所要求的装置，其特征在于接地组件(6)设置在轴(2)上的一点，通过组件(6)引出轴电压(Us(t))和/或轴电流(Is(t))并在分析设备(7)中分析出表征电火花活动的分量。
18.按权利要求17中所要求的装置，其特征在于，在轴(2)上还设置有低阻抗地(5)，而且这个地(5)对轴(2)上的接触装置(10)具有低电阻(12)，对地(8)具有高电阻(13)，而保险丝(14)与高电阻(13)并联设置，除了通过接地组件(6)测量轴电压(URC s(t))和/或轴电流(IRC s(t))以外，还通过低阻抗地(5)引出轴电压(UDE s(t))和/或轴电流(IDE s(t))并在分析设备(7)中对其进行分析。
19.按权利要求17或18之一所要求的装置，其特征在于，分析设备(7)有一个信号滤波器(21)，提供给分析设备(7)的一个信号或多个信号(UDE s(t)，IDE s(t)，URC s(t)，IRC s(t))在进行分析前要通过此滤波器(21)。
20.按权利要求19所要求的装置，其特征在于，该信号滤波器(21)为可变前沿陡峭的带通滤波器，特别是最好其通带具有可调的下限从20kHz到1MHz或高至5MHz，而上限在40MHz左右。
21.按权利要求16-20之一所要求的装置，其特征在于，接地组件(6)被构成为RC组件，该RC组件(6)具有用于轴(2)上接触装置(11)的保险丝(15)并有一个或多个并联的电容(17)，与这些电容(17)并联的还有一个到地(9)的电阻(16)，在可能的情况下，在地(9)与电容(17)或电阻(16)之间设置一个测量电阻(18)，通过一个或多个电容(17)引出轴电压(Us(t))和/或在测量电阻(18)两端引出轴电流(Is(t))。
22.按权利要求16-21之一所要求的装置，其特征在于，检测出所测轴电压(Us(t))和/或所测轴电流(Is(t))随时间的变化并提供给分析设备(7)，分析设备(7)有信号(Us(t)，Is(t))的数字化装置，有对该数字化信号进行傅里叶变换的装置，以及变换后数据的频谱显示装置，而电火花活动的存在，性质和强度则可以自动地确定，并且以简化的形式，特别最好是还可依据专门标准用数值形式显示出来。
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