(57)【要約】本発明は、電気機械のスパーク活性を捕捉するための方法および装置に関する。本発明によればスパーク活性を捕捉するために、シャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉｓ（ｔ））が測定され、スパーク活性に特有の成分について分析される。本発明は、一般にたいていは害を及ぼすとしかみなされていないシャフト電圧もしくはシャフト電流を利用しており、この方法は精確でありかつ、たとえばブラシスパーク、スパーク侵食、軸受けの部材間におけるスパークフラッシオーバなどのようなこの種のスパーク活性を長期にわたり監視するのに適している一方、既存のアースユニットが利用されることから構造的に著しく簡単でありかつ高い信頼性で実現することができる。
2005538674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械のスパーク活性を捕捉する方法において、
スパーク活性を捕捉するために、シャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉｓ（ｔ））を測定し分析することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
スパーク活性はブラシスパークであり、たとえばブラシスパークの際にスリップリングに発生するスパークであり、および／またはシャフトの部材間に発生するスパークフラッシオーバたとえばシャフト侵食スパークであることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、
分析のためシャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉｓ（ｔ））を時間（ｔ）の関数として測定することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載の方法において、
シャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉｓ（ｔ））を少なくとも１つのスリップ接点（１０，１１）を介して測定することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の方法において、
前記シャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））および／または前記シャフト電流（Ｉｓ（ｔ））をアースユニット（５，６）を介して測定することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項記載の方法において、
シャフト（２）の所定の個所に高抵抗のＲＣモジュール（６）を設け、該ＲＣモジュール（６）を介してシャフト電圧（ＵＲＣｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（ＩＲＣｓ（ｔ））を取り出し、分析ユニット（７）において分析することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、
前記ＲＣモジュール（６）を介してシャフト電圧（ＵＲＣｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（ＩＤＥｓ（ｔ））を測定することに加えて、別の低抵抗のアースユニット（５）を介してシャフト電圧（ＵＤＥｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（ＩＤＥｓ（ｔ））を取り出し、分析ユニット（７）において分析することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６または７記載の方法において、
前記分析ユニット（７）へ供給される１つまたは場合によっては複数の信号（ＵＤＥｓ（ｔ），ＩＤＥｓ（ｔ），ＵＲＣｓ（ｔ），ＩＲＣｓ（ｔ））を分析前に信号フィルタ（２１）へ供給することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、
前記信号フィルタ（２１）は調整可能であり急峻な側縁をもつバンドパスフィルタであることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項9記載の方法において、
前記バンドパスフィルタ（２１）の後段に振幅復調器が接続されていることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項記載の方法において、
シャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉｓ（ｔ））を分析するため、対応する信号（Ｕｓ（ｔ），Ｉｓ（ｔ））を該信号に含まれる周波数変調および／または振幅変調について調べることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法において、
前記信号（Ｕｓ（ｔ），Ｉｓ（ｔ））を電源電圧に対し位相を同期させて復調することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項記載の方法において、
シャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））またはシャフト電流（Ｉｓ（ｔ））を、相端子における部分放電の測定と整合させることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項８記載の方法において、
信号（Ｕｓ（ｔ），Ｉｓ（ｔ））を信号フィルタ通過後にサンプリングしてディジタル化し、次に、場合によっては妨害信号抑圧のために整合されたゲーティング後、スパーク活性に特有のピークについて時間信号を分析し、または該信号のうちそれぞれ一部分をフーリエ変換して、周波数スペクトル中の固有の特性について分析することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、
妨害信号はたとえば発電機（４）の励磁の整流に起因するサイリスタパルスであることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１から１２のいずれか１項記載の方法を実施するための装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の装置において、
シャフト（２）の所定の個所にアースモジュール（６）が設けられており、該アースモジュール（６）を介してシャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉｓ（ｔ））が取り出され、スパーク活性に特有の成分について分析ユニット（７）において分析されることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の装置において、
前記シャフト（２）に低抵抗のアースユニット（５）が配置されており、該アースユニット（５）はシャフト（２）における接触装置（１０）に対する低オームの抵抗（１２）とアース点（８）に対する高オームの抵抗（１３）を有しており、該高オームの抵抗（１３）と並列に安全装置（１４）が配置されており、前記アースモジュール（６）を介したシャフト電圧（ＵＲＣｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（ＩＲＣｓ（ｔ））の測定に加えて、低オームの前記アースユニット（５）を介してシャフト電圧（ＵＤＥｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（ＩＤＥｓ（ｔ））が取り出されて、分析ユニット（７）において分析されることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１７または１８記載の装置において、
前記分析ユニット（７）は信号フィルタ（２１）を有しており、該信号フィルタ（２１）を介して分析ユニット（７）へ供給される１つまたは場合によっては複数の信号（ＵＤＥｓ(t)，ＩＤＥｓ(t)，ＵＲＣｓ(t)，ＩＲＣｓ(t)）を分析前に信号フィルタ（２１）へ通すことを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の装置において、
前記信号フィルタ（２１）は急峻な側縁をもつ調整可能なバンドパスフィルタを有しており、該バンドパスフィルタは、たとえば２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚまでまたは５ＭＨｚまでの調整可能な下限と４０ＭＨｚの領域の上限をもつ通過帯域を有していることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項１６〜２０のいずれか１項記載の装置において、
前記アースモジュール（６）はＲＣモジュールとして構成されており、該ＲＣモジュール（６）はシャフト（２）における接触装置（１１）に対する安全装置（１５）と、１つまたは複数の並列に配置されたキャパシタ（１７）および該キャパシタ（１７）に並列にアース点（９）に対する抵抗（１６）を有しており、
アース点（９）とキャパシタ（１７）または抵抗（１６）の間に測定抵抗（１８）が配置されており、前記シャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））は１つまたは複数のキャパシタ（１７）を介して取り出され、および／または前記シャフト電流（Ｉｓ（ｔ））は前記測定抵抗（１８）を介して取り出されることを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項16から２１のいずれか１項記載の装置において、
測定されたシャフト電圧（Ｕｓ（ｔ））または測定されたシャフト電流（Ｉｓ（ｔ））は時間の関数として検出されて分析ユニット（７）へ供給され、該分析ユニット（７）は信号（Ｕｓ（ｔ）、Ｉｓ（ｔ））をディジタル化する手段と、ディジタル化された該信号をフーリエ変換する手段と、変換されたデータをスペクトルで表す手段を有しており、たとえば付加的に数値的に所定の判定基準に従いスパーク活性の存在、種類および強度が自動的に求められ、単純化されて表示されることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械におけるスパーク活性（spark activity）を捕捉するための方法および装置に関し、殊にブラシスパークならびにたとえばその際に発生するスリップリングにおけるスパーク侵食および／または軸受けの部材間におけるスパークフラッシオーバたとえばシャフト侵食スパークなどを捕捉する方法および装置に関する。
【０００２】
電気機械におけるスパーク活性は、たとえば励磁電流を案内するスリップリングを備えた発電機においてブラシスパークや軸受けの部材間のスパークフラッシオーバとして発生するが、これは一般にきわめてクリティカルなものであり、その理由はスパーク侵食のおそれがあるからである。このようなスパーク活性によってスリップリングが急速に損耗し、それとともに接触点や界磁が早期に故障する可能性があり、ひいては電気機械全体が早期に故障する可能性がある。軸受けにおけるスパーク侵食によって軸受けが損傷し、これに付随してスムーズな運転ないしは損耗に係わる問題点が引き起こされる。したがって、障害を及ぼすこの種の活性が発生したときに迅速に介入できるようにする目的で、もしくは場合によっては、障害を及ぼすスパーク活性が発生する前に長期間監視によってすでに適切な措置を講じることができるようにする目的で、電気機械におけるスパーク活性を監視もしくは適時に検出することに関して多くの需要がある。
【０００３】
たとえばUS 3,653, 019, US 4,058, 804, US 4,163, 227, US 4,451, 786には、ブラシスパークを監視するための方法または測定装置について記載されている。これらの装置の場合、監視用信号がブラシからじかに取り出される。上述の文献において主として対象としているのは、ブラシスパークによって引き起こされる（有効）信号と（妨害）信号とを区別することである。信号監視のため、上述の文献によれば専用の取り出し個所をブラシに設ける必要がある。これに関してたとえばUS 4,058, 804を参照するとその図２Ａには、これに係わる信号ならびに有効信号と妨害信号の組み合わせの詳細が示されている。ここで妨害信号とは、静止形励磁装置に由来するものであり有効信号と同様の周波数範囲に現れる妨害信号である。このような妨害信号を抑圧するために主としていわゆる「ゲーティング法」 "gating" method が用いられ、つまりこの方法によれば、妨害信号を検出段から遠ざける（ブランキング blanking）目的で、もしくは（妨害信号に付随するリンギングとも称する事後振動を避けるため）妨害信号の発生後所定の時間を経てはじめて本来の監視窓を開くようにする目的で、特別に識別可能であり周期的に発生する妨害信号のスパイクが利用される。
【０００４】
さらにUS 4,577, 151を挙げておく。これによればブラシスパークがアンテナの配置構成を介して捕捉されるが、これはそのために特別に設けなければならない。その際、アンテナはスリップリング近傍に配置される。このアンテナにより受信された高周波信号は高周波増幅器へ供給され、復調され、ついで検出器へと導かれ、そこにおいて信号がブラシスパーク特有の成分について分析される。この文献では、スパークの閃光を記録するためにカメラを使用する比較的古いシステムについても言及されている。
【０００５】
従来技術によるスパーク活性を検出するための装置において判明している欠点は、出力結合のためにブラシにじかに特別な結合装置（たとえば高信頼性のコンデンサ）を対応する導出線といっしょに組み込まなければならないことである。また、アンテナを利用するには特別な部品も設けなければならず、しかもこれを適切に組み込む必要がある。さらに妨害信号抑圧に利用される「ゲーティング」に関連して、妨害を取り除いている期間は測定を行えないことである。この期間は、利用可能な時間全体のかなりの部分を占めてしまう可能性がある。
【０００６】
発明の開示
したがって本発明の課題は、高い感度をもつ電気機械のスパーク活性を捕捉する方法もしくは装置を提供することにあり、さらにはこれを構造的に簡単かつ安価、堅牢に実現することにある。
【０００７】
本発明によればこの課題は、スパーク活性を捕捉するためにシャフト電圧および／またはシャフト電流を測定して分析することによって解決される。
【０００８】
たとえば文献EP-A1-0 271 678およびそれよりも後願の文献DE-A1-197 42 622に記載されているように、一般にターボ群の一部分である発電機の発電機シャフトにおいては様々な原因でシャフト電圧およびシャフト電流が発生し、それらの周波数スペクトルは直流からいっそう高い周波数にまで及び、これは発電機の回転数周波数と、さらには発電機の静止形励磁システムの周波数とも関係にある。
【０００９】
シャフト電圧またはシャフト電流は殊に、発電機シャフト周囲の磁気的非対称性に起因して、発電機シャフトの静電的な帯電に起因して、またはシャフト電圧を発電機シャフトに容量的に入力結合させる外部電界に起因して、あるいは回転中の軸における残留磁気ならびに（製造に起因する）シャフトの残留磁化に起因して発生する。
【００１０】
シャフト電圧およびシャフト電流は基本的に発電機の様々なコンポーネントにとって危険なものであって、許容できる尺度まで低減されないと、発電機において損傷が引き起こされるおそれがある。これに対処するため従来、発電機シャフトにおいて特別な安全措置がとられてきており、たとえば発電機の非駆動側に絶縁区間を組み込み、駆動側では発電機シャフトがブラシを介してアース電位と接続されるよう構成されてきた。このブラシの負担を軽減する目的でやはり提案されてきたのは、発電機シャフトを非駆動側において摺動接点を用いキャパシタを介して交流電圧的にアース電位と結合することである。
【００１１】
ただしシャフト電圧とシャフト電流を、シャフトアースの機能安全性と機能正常性を監視するために利用することもできる。先に挙げた文献EP-A1-0 271 678にはこれに加えて監視および評価回路についても開示されており、この回路は発電機の非駆動側において抵抗とバイパスコンデンサの並列回路を介して電流経路を形成し、機械に固有の周波数成分をこの経路中を流れる電流において評価する。ＲＣの組み合わせ回路によればシャフトとアース電位との間で信頼性のある接続が得られ、これによって静電的な帯電も低周波および比較的高い周波数の電圧も軸受けにとって危険のない値まで低減され、場合によっては軸受けに発生する電流が危険のない値に制限される。並列抵抗を挿入するならば、駆動側における抵抗性のアースに対し冗長構成すら得られる。
【００１２】
別の提案（DE-A1-197 42 622）によれば、駆動側において発電機シャフトのアース区間を流れるシャフト電流を測定し、シャフト電流の周波数を求め、それによってシャフト電流の原因が導き出される。
【００１３】
本発明の核となるまったくもって驚くべき着想は、シャフトアースの機能正常性や機能安全性に関するEP-A1-0 271 67８による上述の情報、あるいはこれ以外にも挙げておくべきEP-A2-0 391 18１によるロータ巻線短絡に関する情報が、シャフト電流またはシャフト電圧に含まれていることだけでなく、それらの信号にはさらに電気機械のスパーク活性に関する情報も含まれている、という点にある。したがって、一般的にこの種のスパーク活性の測定のために特別に設けなければならない装置を省くことができ、機能正常性またはロータ巻線短絡を監視するためシャフト電圧またはシャフト電流を場合によってはすでに設けられている装置を用いて測定することができ、その際に含まれているデータから発電機のスパーク活性に関する推定を行うことができる。この場合、シャフト電流および／またはシャフト電圧の測定は、この種のスパーク活性を捕捉するための高感度で長期間監視にきわめて適した方法である。
【００１４】
基本的にこれらのことから得られる利点とは、シャフトにおけるあらゆるスパーク活性（シャフトスパーク）の測定が可能になることであり、たとえば軸受けシェルに関する放電を測定することができ、つまりは１つの特別な形式のスパーク活性だけしか測定できないわけではない。
【００１５】
本発明の第１の有利な実施形態によれば、スパーク活性はブラシスパークであり、つまりスリップリングに発生するスパークであり、および／またはシャフトの部材間に発生するスパークフラッシオーバたとえばシャフト侵食スパークである。この場合、固有のタイプのスパーク活性の存在を検出できるだけでなく、それらのスパーク活性の時間的な経過ならびに強さも捕捉することができる。その際にたとえば有利であるのは、シャフト電圧および／またはシャフト電流を分析するために信号を時間の関数として測定して記録し、時間の関数として分析することである。
【００１６】
別の有利な実施形態によれば、シャフト電圧および／またはシャフト電流の測定は以下の構成によって行われる。すなわち、シャフトの第１の個所に低抵抗のアースユニットが設けられており、シャフトの第２の個所に高抵抗のＲＣモジュールが設けられており、このＲＣモジュールを介してシャフト電圧および／またはシャフト電流が取り出され、分析ユニットにおいて分析される。
【００１７】
さらにシャフトに沿ってスパーク活性の位置を特定できるようにする目的で有利には、ＲＣモジュールを介したシャフト電圧および／またはシャフト電流の測定に加えて、低抵抗のアースユニットを介してシャフト電圧および／またはシャフト電流が取り出され、分析ユニットにおいて分析されるように構成することもできる。
【００１８】
スパーク活性に起因する信号は少なくとも５００ｋＨｚよりも上の周波数範囲における信号が大半であり、たとえば７００ｋＨｚよりも上あるいはそれどころか１ＭＨｚよりも上の周波数範囲の信号が大半であるので、スパーク活性とは関係のない他の信号を、分析ユニットへ供給される１つまたは場合によっては複数の信号を分析前に信号フィルタ（ハイパスフィルタ）を通すことによって取り除くことができる。このフィルタを急峻な側縁をもつ調整可能なバンドパスフィルタとするのが有利であり、たとえばこのバンドパスフィルタが約５００ｋＨｚの通過帯域幅をもち、その中心周波数を約５００ＫＨｚ〜５０ＭＨｚに合わせて調整できると有利である。
【００１９】
さらに有利であるのは、結果として得られた信号（電圧または電流）をその中に含まれる周波数変調および／または振幅変調の成分に関して調べることである。その際に有利であるのは、搬送波周波数をもつ信号の復調もしくはダウンミキシング後、電源周期と関係づけてまたはシャフトの回転と同期させて（位相分解型測定）観測することである。このようにすれば、回転数に同期した励磁ブラシブリッジの圧痕または条痕を検出することができる。
【００２０】
本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、シャフト電圧もしくはシャフト電流の測定が相端子における部分放電の測定と整合される。これによってスパーク活性に関して状況を全体的に分析できるようになり、その際にたとえばスパーク活性の位置特定が簡単になる。したがって相端子における活性とスパーク活性との因果関係を簡単に確立することができ、ステータ巻線における部分放電のパルスとシャフトにおけるスパーク活性とを区別することができ、あるいは部分放電測定を補うことができる。
【００２１】
さらに別の有利な実施形態によれば、上述のようにしてハイパスフィルタの通過後に信号がサンプリングされディジタル化される。
【００２２】
ついで時間信号が場合によっては妨害信号抑圧のため整合されたゲーティングにより処理された後、スパーク活性に特有のピークについて分析され、または信号のうちそれぞれ一部分がフーリエ変換され、周波数スペクトル中の対応する固有の特性について分析される。一般に妨害信号は発電機の励磁電圧の整流に起因するサイリスタパルスであり、これはやはり高周波領域に現れる可能性があり、さらにこれによってたとえばやはり妨害を及ぼす事後振動（リンギング）が引き起こされる可能性がある。
【００２３】
従属請求項には、本発明による方法のさらに別の有利な実施形態が示されている。
【００２４】
本発明はさらに、これまで説明してきたような方法を実施するための装置にも関する。この装置の特徴によればたとえば、シャフト電圧が摺動接点を介して取り出され、有利には既存のアースユニットを介して取り出される。この場合、信号の高周波成分が結合インピーダンスによって出力結合され、後続処理される。
【００２５】
さらに別の実施形態によれば、シャフトの第１の個所にシャフトの低抵抗のアースユニットが設けられており、シャフトの第２の個所に高抵抗のＲＣモジュールが設けられている。ＲＣモジュールを介してシャフト電圧および／またはシャフト電流が取り出され、分析ユニットにおいてシャフトのスパークに特有の成分について分析される。スパーク活性のいっそう精確な位置特定を実現できるようにする目的でさらに有利であるのは、低抵抗のアースユニットがシャフトにおける接触装置に対して低オームの抵抗とアース点に対し高オームの抵抗を有することであり、その際、高オームの抵抗に対し並列に安全装置を配置することである。ＲＣモジュールを介したシャフト電圧および／またはシャフト電流の測定に加えて、低抵抗のアースユニットを介してシャフト電圧および／またはシャフト電流が取り出され、分析ユニットにおいて分析される。
【００２６】
スパーク活性に起因する信号は一般に高周波信号であるので、さらに有利であるのは分析ユニットがハイパスフィルタを有することであり、分析ユニットへ供給される１つまたは場合によっては複数の信号が分析前にこのハイパスフィルタを通される。この場合、ハイパスフィルタの特性を調整可能でありかつ急峻な側縁とすべきであり、この場合、たとえば有利であるのは通過帯域が、２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚもしくは５ＭＨｚまでの調整可能な下限と、４０ＭＨｚの領域の上限をもつようにすることである（たとえば約３００ｋＨｚの帯域幅をもつバンドパスフィルタ、調整可能）。
【００２７】
さらに有利であると判明したのは、もともとの測定個所にＲＣモジュールを挿入することである。この場合、ＲＣモジュールはシャフトにおける接触装置に対する安全装置を有しており、さらにアースに対しては１つまたは複数の並列に配置されたキャパシタならびにこれに対し並列に配置された抵抗を有している。その際、必要に応じてアースとキャパシタもしくは抵抗との間に測定抵抗（シャント抵抗）が配置されており、１つまたは複数のキャパシタを介してシャフト電圧が取り出され、測定抵抗を介してシャフト電流が取り出される。
【００２８】
この場合、有利なやり方によれば、測定されたシャフト電圧または測定されたシャフト電流が時間の関数として検出されて分析ユニットへ供給され、この分析ユニットは信号（電圧、電流）をディジタル化する手段と、ディジタル化されたこの信号をフーリエ変換する手段と、変換されたデータをスペクトルで表す手段を有しており、その際にたとえば付加的に数値的に所定の判定基準に従いスパーク活性の存在、種類および強度が自動的に求められ簡単に表されると有利である。ここで判定基準とは、個々の活性に関する時間流域における特徴的な信号および上述の特徴的なスペクトル特性である。
【００２９】
従属請求項には本発明による装置の別の有利な実施形態が示されている。
【００３０】
図面の簡単な説明
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。図面には、シャフト電圧Ｕｓ（ｔ）もしくはシャフト電流Ｉｓ（ｔ）を時間（ｔ）に依存して測定する装置が略示されている。
【００３１】
実施例
この図にはガスタービン装置の概略図が描かれており、これによれば2つのタービン１が発電機４の両側に配置されており、これら両方のタービン１は発電機４と同様、共通のシャフト２に配置されている。ここで２つのタービンは例として挙げたにすぎず、１つのタービンのみを配置することも可能である。たとえばタービン１の始動時に発電機４を切り離すことができるようにする目的で一般にクラッチが設けられており、これによってタービン１を発電機４から機械的に分離することができる。
【００３２】
シャフト２は少なくとも２つの軸受け３に支承されている。軸受け３に存在する油膜によって、シャフト２はアースされた軸受け３から電気的に絶縁されている。ただしこの絶縁は特定のレベルを超えた電圧ピークが発生すると破壊される可能性があり、それによってスパーク侵食に係わる問題点が引き起こされるおそれがある。同様にシャフト２にはスリップリング２０が設けられており、このスリップリングを介して励磁コイルのための給電が行われる。
【００３３】
冒頭で述べたように、発電機４のこのような発電機シャフトにおいて様々な原因に起因して、直流値から発電機の回転周波数および発電機の静止形励磁システムの周波数と倍数の関係にある周波数に及ぶシャフト電圧とシャフト電流が発生する。このようなシャフト電圧もしくはシャフト電流は殊にシャフト２の周囲における磁気的な非対称性やシャフト２の静電帯電に起因して引き起こされ、またはシャフト電圧をシャフト２に容量的に入力結合させる外部電界に起因して、あるいは回転中のシャフト２の残留磁気ならびにシャフト２の（製造に起因する）残留磁化が原因となって引き起こされる。
【００３４】
一般的にも以下の記載でもＵｓとして表されるシャフト電圧と、一般的にも以下の記載でもＩｓとして表されるシャフト電流は、原則的には発電機の様々なコンポーネントにとって危険なものであり、許容できる程度にまで低減しないと、それらによって発電機を損傷させてしまうおそれがある。しかしながら本発明によれば、電気機械のスパーク活性を所期のように分析し捕捉する目的で、シャフト電圧もしくはシャフト電流が利用される。
【００３５】
この目的で、発電機４の一方の側で低抵抗のアースユニット５たとえばいわゆるＤＥモジュール（Driving End Module）がシャフト2に接続され、これによれば実質的にシャフト２が確実に保護されながらアース点8にアースされるようになる。発電機４の他方の側においていわゆるＲＣモジュール６（抵抗のＲ、キャパシタのＣ）が一方ではシャフト２と、他方ではアース点９と接続されており、さらにこのモジュールは分析ユニット７と接続されている。
【００３６】
ＤＥモジュール５（Driving End Module）は接触装置１０を介してシャフト２と接続されている。接触装置がＣｕメッシュ体であると有利であり、これは摺動しながらシャフト２と電気的に接触接続した状態におかれる。ＤＥモジュール５はアース点８に対して低抵抗に形成されており、これは接触装置１０とアース点８との間に低オームの抵抗１２が接続されていることによって実現される。典型的には、抵抗１２は１〜50Ωの範囲にあるＲの値を有している。
【００３７】
このようしてＤＥモジュール５をまずはシャフト２を低抵抗でアースと接続することができる。そして場合によってシャフト２に加わる不所望な高電流をそのままアース点８へ低抵抗で逃がすことができるようにする目的で、抵抗１２に対し直列に安全装置１４が高オームの第２の抵抗１３に対し並列に配置されている。このようにすることで、シャフト２における望ましくない電流ピークが発生したときにアース点８との接続が確保される。なぜならば、このとき電流は抵抗１３を介して制限されるからである。典型的には安全装置１４はたとえば２Ａ／２５０Ｖの不活性のタイプのヒューズであり、これは外部から簡単に交換可能であり、さらに抵抗１３は１００〜１０００Ωの領域の値Ｒを有している。このようなピークが発生すると安全装置１４は適切に切り離され、その場合にはほとんど高オームの抵抗１３によってシャフト２とアース点８との間の総抵抗値が決まる。さらに、コンデンサとして形成されたキャパシタ１９が抵抗１３に並列に配置されている。
【００３８】
発電機４の他方の側にはＲＣモジュール６が配置されている。これもシャフト２に対し接触装置１１を有しており、これはやはり有利にはＣｕメッシュ体として構成されていて、シャフト２と電気的に接触接続状態におかれている。ＲＣモジュール６は第１にシャフトに対し安全装置１５を有しており、これは一般にタイプ２Ａの不活性の安全装置であり（ここでも安全装置は高電流から保護するために用いられる）、これに対し直列に抵抗１６が接続されており、さらにこの抵抗１６に対し並列にやはりコンデンサとして構成されたキャパシタ１７が配置されている。ごく一般的に、キャパシタ１７に並列に接続された抵抗１６は１００〜１００００Ωの範囲の値Ｒを有している。さらにキャパシタ１７は典型的には1〜３０μＦの範囲の値Ｃを有している。
【００３９】
さらにキャパシタ１７もしくは抵抗１６を介して、シャフト電圧ＵＲＣｓ（ｔ）が時間の関数として取り出され、同軸ケーブルを介して分析ユニット７へ転送される。さらに抵抗１６とキャパシタ１７から成る並列接続体とアース点９との間に測定抵抗１８（シャント抵抗）が設けられており、そこに発生する電圧降下を介してシャフト電流ＩＲＣｓ（ｔ）を計算してこれをいっしょに表すことができる。この情報も同軸ケーブルを介して分析ユニット７へ転送される。
【００４０】
ＤＥモジュール５を介しても、シャフト電圧ＵＤＥｓ（ｔ）ならびにＩＤＥｓ（ｔ）を取り出すことができる。この場合、シャフト電圧は抵抗１２を介して取り出され、さらにシャフト電流を取り出すためにやはりアース点８の前に測定抵抗１８が設けられており、この抵抗１８において発生する電圧降下からシャフト電流ＩＤＥｓ（ｔ）を計算していっしょに表すことができる。この情報も同軸ケーブルを介して分析ユニット７へ転送される。
【００４１】
２つのモジュール５および６においてシャフト電圧もしくはシャフト電流を測定することによって、値の比較と通してスパーク活性の大雑把な位置特定が可能となる。
【００４２】
時間の関数として測定されたシャフト電圧Ｕｓ（ｔ）もしくは時間の関数として測定されたシャフト電流Ｉｓ（ｔ）には、電気機械における一般には望ましくない様々なスパーク活性に関する情報が含まれることになる。このようにしてこれらの測定量から、従来技術のようにブラシにじかに結合させたりアンテナを利用したときに得られるのと同様の信号が測定される。
【００４３】
シャフト電流もしくはシャフト電圧の評価によって、スリップリング２０におけるブラシスパーク（およびそれに付随して生じるスパーク侵食）の早期診断が可能となり、これはたとえばUS 4,163, 227に記載されているように信号に現れる。しかしこれに加えてシャフト２における別のスパーク活性を診断することもでき、たとえば軸受け３におけるスパーク侵食を診断することもできる。これら両方の事例において、シャフト電圧もしくはシャフト電流におけるスパイクが扱われる。この場合、スパーク活性に典型的な信号は高周波信号であり、つまり典型的には５００ｋＨｚよりも上の周波数領域であり、有利であると判明したのは、評価ユニット２２において本来の分析を行う前にバンドパスフィルタとして構成された信号フィルタ２１を介してシャフト電圧もしくはシャフト電流を導くことである。妨害信号として有効信号を覆ってしまう可能性のある転流信号（サイリスタパルス）は、一般にはもっと低い周波である。さらに別の妨害信号を抑圧することもできる。フィルタリングによってたとえば、サイリスタパルスの期間中にスパーク活性を監視することもできるようになる。
【００４４】
このバンドパスフィルタ２１は帯域選択性のある受信機、復調器および急峻な側縁をもち調整可能な増幅器である。ここで調整可能とは、２０ｋＨｚ〜４０ＭＨｚの周波数範囲をカバーできることを意味し、ここでは中心周波数をシフト可能であって、たとえば３００ｋＨｚの帯域幅をもっている。ここで挙げたことに関連して下方の限界値は少なくとも２０ｋＨｚが可能であることが判明しており、その際、対象としている有効信号に対する妨害信号を典型的には５００ｋＨｚを超えてはじめて実質的に排除することができる。
【００４５】
ついでバンドパスフィルタ２１を通して送られた信号は分析ユニット２２において、一般的には少なくとも２００ｋＨｚのサンプリング周波数によりサンプリングされてディジタル化される。この場合、参照符号２４で示されているように、信号を特徴的なスパイクについてじかに時間領域において調べることができる。さらに信号を電源周波数μＮｅｔｚに関係づけて表すことができ、これによってシャフトの回転と関連させて周期性を識別することができる（位相分解能）。
【００４６】
分析のために適していると判明したのは、時間信号Ｕｓ（ｔ）またはＩｓ（ｔ）をフーリエ変換により分析することである。測定精度を高めるために、もしくは入力データのフィルタリングを簡単にするために、対応する時間信号を搬送波信号（キャリア）と混合し、フーリエ変換（ＦＦＴ）することができる。搬送波としてここでもたとえば電源周波数が適しており、これは場合によっては電源または適切な他の場所から直接取り出す必要がある。周波数範囲内に表されたデータには図中、参照符号２３が付されている。
【００４７】
（典型的には３Ｖよりも低い範囲にある）入力信号Ｕｓ（ｔ）もしくはＩｓ（ｔ）は最初に、典型的には200ｋＨｚのサンプリング周波数（サンプリングレート）をもつアナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）においてディジタル化され、ついでディジタル化されたこの時間信号Ｕｓ（ｔ）もしくはＩｓ（ｔ）が部分的にフーリエ変換される。
【００４８】
なお、これに関連して触れておくと、本発明による方法は電気的な施設の挙動を長期間にわたり監視するのにきわめて適している。つまり、スパーク活性の挙動が徐々にゆっくりと変化していくことから、場合によっては点検の必要性があると判定することができ、所期のように適切な点検を計画して実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】シャフト電圧Ｕｓ（ｔ）もしくはシャフト電流Ｉｓ（ｔ）を時間（ｔ）に依存して測定する装置の概略図
【符号の説明】
【００５０】
１  タービン
２  シャフト
３  軸受け
４  発電機
５  低抵抗のアース、ＤＥモジュール（Driving End Unit）
６  ＲＣモジュール（高抵抗）
７  分析ユニット
８  ＤＥモジュールのアース点
９  ＲＣモジュールのアース点
１０  ＤＥモジュールの接触装置
１１  ＲＣモジュールの接触装置
１２  低オームの抵抗
１３  高オームの抵抗
１４  安全装置
１５  安全装置
１６  抵抗
１７  キャパシタ
１８  測定抵抗（シャント抵抗）
１９  キャパシタ
２０  スリップリング
２１  信号フィルタ、バンドパスフィルタ
２２  評価ユニット
２３  周波数スペクトル
２４  時間の関数の信号
ＵＲＣｓ（ｔ）  ＲＣユニットにおけるシャフト電圧
ＩＲＣｓ（ｔ）  ＲＣユニットにおけるシャフト電流
ＵＤＥｓ（ｔ）  ＤＥユニットにおけるシャフト電圧
ＩＤＥｓ（ｔ）  ＤＥユニットにおけるシャフト電流
μＮｅｔｚ  電源周波数
2005538674.tif 000003
【国際調査報告】
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