JP4542957B2

JP4542957B2 - 電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法および装置

Info

Publication number: JP4542957B2
Application number: JP2005200313A
Authority: JP
Inventors: 彰澤田; 恵一佐々木; 仁片山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: JP2007017335A

Description

本発明は、発電機、電動機、変圧器などの電気機器を構成する積層鉄板鉄心のゆるみを検出する電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法および装置に関する。

発電機、電動機、変圧器などの積層鉄板鉄心を有する電気機器においては、鉄心をボルトや楔などで一体に結合しあるいは固定部に固定しているが、機器に印加される交流の電流による電磁振動や、交流の誘導電流、振動などにより、鉄心のゆるみが発生する。そのため、楔の打ち直しや、ボルトの再締め付けなどのメンテナンスが必要であるが、鉄心のゆるみ量や位置が適正に評価できないため、適正なメンテナンスが難しい。

下記特許文献１に開示されているような加振器を用いた方法では、加振によって鉄心に発生する振動周波数は、機器構造体の結合部材の機械的な共振周波数であるため、振動の振幅が大きくなり、機器構造体の結合部材のゆるみが精度良く検出できないという欠点がある。また、結合部材の振動振幅の大きさから結合部材のゆるみは検出できるが、鉄心のゆるみを計測しようとする場合は、そのゆるみ量を正確に把握することが難しい。

また、下記特許文献２に示されているように、ゆるみ量を計測したい鉄心にトルク計などを挿入し、鉄心の変形に伴う応力を測定することで鉄心のゆるみ量を定量的に測定しようとする方法もあるが、たわみ量により応力値は変化するため、たわみ量を正確に計測する必要がある。そのため、ダイヤルゲージなどでたわみ量、すなわち変位量を計測しなければならないが、特許文献２に示されているような方法ではダイヤルゲージの固定も難しく、正確な値を計測することは困難である。さらに、トルク計はトルクレンチの支点となる位置が変化すると、正確なトルク値を計測することができないが、特許文献２には支点を確定するための方法などが開示されておらず、定性的に鉄心のゆるみを検出することは可能でも、定量的にゆるみ量を検出することは困難である。
特開昭６０−２０７０１３号公報特開２０００−３５４３５３号公報

上記のように、従来の技術では、機器構造体の結合部材のゆるみを検出することはできるが、そもそも結合部材が固定している鉄心などの構造物のゆるみ度合いの検出は難しい。また、検出されたゆるみ量から再締め付けなどのメンテナンスが必要なほどのゆるみが生じているかどうかの定量的判断を行うことは困難である。さらに、印加された振動の周波数が機器構造体の結合部材の機械的な共振周波数であった場合には、機器構造体の結合部材が共振振動を起こすので、ゆるみの発生によって振動振幅が増加したものであるか、あるいは共振による振動振幅の増加であるかの判定ができない。

そこで本発明は、変圧器や回転機などの電気機器を構成する積層鉄板鉄心のゆるみを機器構造体の結合部材の機械的な共振振動と区別して検出することのできる鉄心のゆるみ検出方法および装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１は、電気機器の積層鉄板鉄心と、前記積層鉄板鉄心の一方の端部である加振端に設置された加振器及び振動センサと、前記積層鉄板鉄心の他方の端部である検出端に設置された振動センサと、を備えた電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法において、前記加振器により複数の周波数からなる振動を前記積層鉄板鉄心に印加し、前記加振端及び検出端に設置された振動センサが受信した加振端振動信号および検出端振動信号の周波数別のパワースペクトルを求め、前記パワースペクトルを用いて前記加振端振動に対する前記検出端振動の減衰率を算出し、前記減衰率の経時変化率から前記積層鉄板鉄心にゆるみがあるか否かを判定表示することを特徴とする。

また請求項８は、電気機器の積層鉄板鉄心と、前記積層鉄板鉄心の一方の端部である加振端に設置された加振器及び振動センサと、前記積層鉄板鉄心の他方の端部である検出端に設置された振動センサと、を備えた電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出装置において、前記加振器から複数の周波数からなる振動を前記積層鉄板鉄心に印加する手段と、前記加振端及び検出端に設置された振動センサがそれぞれ受信した加振端振動信号および検出端振動信号の周波数別のパワースペクトルを求める周波数解析手段と、前記パワースペクトルを用いて前記加振端振動に対する前記検出端振動の減衰率を算出する減衰率算出手段と、前記減衰率の経時変化率から前記積層鉄板鉄心にゆるみがあるか否かを判定表示する判定表示手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、変圧器や回転機などの電気機器を構成する積層鉄板鉄心のゆるみを機器構造体の結合部材の機械的な共振振動と区別して検出することのできる電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法および装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１に鉄心のゆるみ検出装置の機能ブロック図を示す。符号１は、積層鉄板からなるゆるみ検出の対象となる鉄心で、支持部材２ａおよび支持部材２ｂで両側から挟まれて支持されている。支持部材２ａ、２ｂは適当な締め付け圧力で鉄心１に締め付け圧力を与えている。支持部材２ａには加振器４が設置されて加振端を形成し、任意の振動信号を支持部材２ａに印加することができる。加振器４は加振器アンプ５を介して信号発生器６に接続されている。信号発生器６は任意の振動信号を発生できるようになっており、時間的に振動の周波数が変化するスイープ信号や、複数の周波数成分を含んだ正弦波信号なども発生することができる。また支持部材２ａおよび検出端を形成する支持部材２ｂには、それぞれ振動センサは３ａおよび３ｂが設置されており、支持部材２ａおよび２ｂの振動を検出する。

振動センサ３ａおよび３ｂはそれぞれ周波数解析手段７に接続されて、ここでそれぞれの振動信号がフーリエ変換され、周波数別にパワースペクトルが算出される。パワースペクトルの算出結果はデータベース８に記録される。また、周波数解析手段７によって算出された周波数別のパワースペクトル値は減衰率算出手段９に入力されて減衰率が算出される。減衰率は、加振器４が設置された支持部材２ａの振動信号のパワースペクトル値に対する支持部材２ｂの振動信号のパワースペクトル値の比で表される。減衰率は周波数解析手段７の周波数分解能に依存した周波数ごとに得られる。また、あるバンド幅（周波数帯域）を指定した場合は、その帯域のパワースペクトル値の平均値を用いた減衰率の算出も可能である。算出された減衰率はデータベース８に記録される。

減衰率変化算出手段１０では、減衰率算出手段９で算出された減衰率とデータベース８に格納された過去の減衰率値を用いて、減衰率の変化率を算出する。算出された減衰率の変化率と減衰率算出手段９で算出された減衰率とは異常判定手段１１において比較され、異常か正常かの判定が行なわれる。また、減衰率から鉄心のゆるみ量の推定を行う。異常の判定に使用されるしきい値や、判定ルール、鉄心ゆるみ量の推定モデルはデータベース８に格納されている。異常判定手段１１にて判定された結果および、鉄心ゆるみの推定量は判定結果表示装置１２に表示される。

図２は信号発生器６にて発生するスイープ信号の典型例を示す図である。スイープ信号は時間的に周波数が変化する加振信号であり、すべての周波数成分を含んでいるため、機械的な共振周波数以外の周波数成分での加振も可能である。また、周波数変化の幅や変化する時間も設定可能であり、それぞれの周波数の正確な加振を行うことができる。

図３は、２０kHzから９０kHzまで変化するスイープ信号を加振器４に印加して、支持部材２ａおよび支持部材２ｂで計測された振動信号を周波数解析したパワースペクトルの図である。パワースペクトルａが支持部材２ａの振動の周波数解析結果で、パワースペクトルｂが支持部材２ｂの振動の周波数解析結果である。得られたそれぞれのパワースペクトル値の比率より振動信号の減衰率を算出する。

図４は、時間経過と共に鉄心１の締め付け圧力が減少して鉄心１のゆるみ量が増大したことによって、振動信号の減衰率が上昇する典型的な事象を示すグラフである。一般的な構造をもつ積層鉄板の鉄心１では、図４に示すような傾向が得られる。また、鉄心１の締め付け圧力には許容量があり、許容される限界値が締め付け圧力異常判定しきい値Ｐｓであり、それに対応した減衰率の許容値が減衰率異常判定しきい値Ａｓである。締め付け圧力異常判定しきい値Ｐｓおよび減衰率異常判定しきい値Ａｓはデータベース８に格納されている。また、振動信号の減衰率から鉄心１の締め付け圧力を算出するための多項モデル式もデータベース８に格納されている。

図５は、振動周波数をパラメータとして時間経過に伴う振動信号の減衰率の変化を示す図である。減衰率の典型的な経時変化例は図４で示したように、時間と共に増加する単調増加の傾向を示す。ただし、鉄心の構造によっては特定の周波数で単調増加の傾向を示さないものがある。図５の例の特徴周波数ｆ１は単調増加を示さない例である。この例のように、特徴周波数ｆ１での減衰率が減少に転じた時刻をｔ１、特徴周波数ｆ２での減衰率が急増する時刻をｔ２とすると、それぞれの時刻において減衰率の異常判定しきい値を設定しなくても、ｔ１の時点を注意レベル、ｔ２の時点を危険レベルとして異常判定をすることが可能である。すなわち、特徴となる周波数での減衰率の変化率を監視することによって鉄心のゆるみ検出が可能となる。

このように本実施の形態の鉄心のゆるみ検出方法および装置においては、鉄心１に透過させる振動信号を複数の周波数にすることで、機械的な共振周波数以外の周波数を利用し、透過信号の振幅の減衰率から鉄心１のゆるみ量を検出することができる。

鉄心１に印加する振動源としては超音波発生器を用い、振動センサとしては電磁超音波探触子などを用いることができ、鉄心１に印加する振動信号を高い周波数とすることで、機械的共振周波数よりも高い周波数を印加することができ、かつ、非接触でも振動信号を印加できる。

鉄心１に印加する振動波形を短時間のみ振幅を有する時間局在波形で、かつ、波形の時間積分値がゼロである振動信号を印加することで、透過信号のウェーブレット変換などの信号処理が可能となり、透過する信号周波数をより高感度に検出することができる。時間局在波形には単一正弦波には含まれない複数の周波数成分の信号が合成されており、複数の周波数での透過率が計測できる。

鉄心１に印加する振動周波数として、鉄心１および鉄心１を支持する機器構造体の固有振動周波数を含んだ周波数帯域を用いることで、より正確に鉄心のゆるみを検出することができる。周波数が連続的に変化する信号を用いることによって機器構造体の固有振動周波数とは異なる周波数の信号を確実に印加することができる。また、鉄心１に印加する複数の周波数の振動波形の減衰率を用いて、より正確な減衰率を求め、鉄心のゆるみ量を正確に定量的に検出することができる。また、鉄心１に印加する振動源の設置位置を複数にすることで、より正確な振動波形の振幅の減衰率を得ると共に、鉄心１のゆるみが発生している部位を同定することができる。

鉄心１に印加する振動波形の周波数成分が単一ではなく、機器構造体の固有振動周波数とは異なる複数の周波数を同時に、あるいは個別に印加することで、時間的に周波数が変化するスイープ信号を用いなくても、鉄心１を透過する信号振幅の減衰率を正確に測定することができる。そして、機器構造体の固有振動周波数とは異なる周波数の信号を継続的に鉄心１に印加し、その減衰率を継続的にモニタリングすることによって、オンラインで常時監視することができる。

本発明の実施の形態の鉄心のゆるみ検出装置の構成を示す機能ブロック図。スイープ信号の典型例を示し、本発明の実施の形態の鉄心のゆるみ検出装置の動作を説明する図。振動信号を周波数解析したパワースペクトルを示し、本発明の実施の形態の鉄心のゆるみ検出装置の動作を説明する図。振動信号の減衰率および鉄心締め付け圧力の経時変化を示し、本発明の実施の形態の鉄心のゆるみ検出装置の作用を説明する図。特徴周波数をパラメータとして振動信号の減衰率の経時変化を示し、本発明の実施の形態の鉄心のゆるみ検出装置の作用を説明する図。

符号の説明

１…鉄心、２ａ，２ｂ…支持部材、３ａ，３ｂ…振動センサ、４…加振器、５…加振器アンプ、６…信号発生器、７…周波数解析手段、８…データベース、９…減衰率算出手段、１０…減衰率変化算出手段、１１…異常判定手段、１２…判定結果表示装置。

Claims

電気機器の積層鉄板鉄心と、前記積層鉄板鉄心の一方の端部である加振端に設置された加振器及び振動センサと、前記積層鉄板鉄心の他方の端部である検出端に設置された振動センサと、を備えた電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法において、
前記加振器により複数の周波数からなる振動を前記積層鉄板鉄心に印加し、前記加振端及び検出端に設置された振動センサが受信した加振端振動信号および検出端振動信号の周波数別のパワースペクトルを求め、前記パワースペクトルを用いて前記加振端振動に対する前記検出端振動の減衰率を算出し、前記減衰率の経時変化率から前記積層鉄板鉄心にゆるみがあるか否かを判定表示することを特徴とする電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法。
前記積層鉄板鉄心に印加する振動は短時間のみ振幅を有する時間局在波形で、かつ、波形の時間積分値がゼロであることを特徴する請求項１記載の電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法。
前記積層鉄板鉄心に印加する振動は、前記積層鉄板鉄心および前記積層鉄板鉄心を支持する機器構造体の固有振動周波数とは異なる周波数を有していることを特徴する請求項１記載の電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法。
前記積層鉄板鉄心に印加する振動は時間的に周波数が変化するスイープ振動であることを特徴する請求項１記載の電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法。
前記積層鉄板鉄心に印加された振動のなかの複数の周波数の振動の減衰率を用いて、前記積層鉄板鉄心のゆるみが発生している部位を同定することを特徴する請求項１記載の電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法。
前記積層鉄板鉄心の複数の位置で前記振動を印加し、各位置で印加した振動の減衰率を用いて積層鉄板鉄心のゆるみ量および積層物のゆるみ発生部位を同定することを特徴する請求項１記載の電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法。
前記積層鉄板鉄心に印加する振動は、時間的に継続する正弦波であることを特徴する請求項１記載の電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出方法。
電気機器の積層鉄板鉄心と、前記積層鉄板鉄心の一方の端部である加振端に設置された加振器及び振動センサと、前記積層鉄板鉄心の他方の端部である検出端に設置された振動センサと、を備えた電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出装置において、
前記加振器から複数の周波数からなる振動を前記積層鉄板鉄心に印加する手段と、前記加振端及び検出端に設置された振動センサがそれぞれ受信した加振端振動信号および検出端振動信号の周波数別のパワースペクトルを求める周波数解析手段と、前記パワースペクトルを用いて前記加振端振動に対する前記検出端振動の減衰率を算出する減衰率算出手段と、前記減衰率の経時変化率から前記積層鉄板鉄心にゆるみがあるか否かを判定表示する判定表示手段と、を有することを特徴とする電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出装置。
前記加振器の駆動信号は超音波発生器によって発生し、前記振動センサとして電磁超音波探触子を用いることを特徴する請求項８記載の電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出装置。
前記異常判定手段において用いる異常判定しきい値、判定ルールおよび積層物ゆるみ量の推定モデルを格納したデータベースを備えていることを特徴する請求項８記載の電気機器の積層鉄板鉄心のゆるみ検出装置。