本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种发电机大轴运行状态的监测装置及其监测方法、发电机大轴和汽轮机。
背景技术：
发电机在运行时由于发电机的定子和转子的磁场回路不对称等原因，使得附在发电机大轴上的静电荷数量发生变化产生轴电压，对发电机的运行造成不良影响。
在消除发电机的轴电压危害方面，通常采用在发电机大轴靠近励磁机端的轴承底座加装可靠的绝缘垫片，形成大轴单点接地的方式，避免两个轴承之间形成电流回路达到消除轴电压的效果，还可以同时在发电机大轴靠近汽轮机端处轴承外侧安装一个或两个并联大轴接地碳刷，利用接地信号装置接地，如果产生轴电压、转子绝缘不好漏电等原因使大轴带电，碳刷会及时把电流引向大地，接地信号装置发出预告信号，对发电机大轴的轴电压进行监测从而能够判断发电机大轴的运行状况，便于对大轴进行相应处理。
传统技术通常在发电机大轴的轴向方向上设置多个电压信号采样点，采集发电机大轴运行时产生的轴电压信号，由采集的轴电压信号判断发电机大轴的运行状况。然而，这种技术由于设置在发电机大轴上的各个信号采样点之间的信号关联性弱，导致对发电机大轴的运行状况进行监测的可靠性偏低。
技术实现要素：
基于此，有必要针对传统技术可靠性低的问题，提供一种发电机大轴运行状态的监测装置及其监测方法、发电机大轴和汽轮机。
一种发电机大轴运行状态的监测装置，包括采样碳刷、接地碳刷、绝缘支架、信号监测装置和接地装置；
所述绝缘支架设于发电机大轴的径向截面上，所述绝缘支架上设有采样碳刷和接地碳刷；其中，所述采样碳刷和接地碳刷分别与发电机大轴的径向截面的表面接触；
所述采样碳刷和接地碳刷分别与所述信号监测装置电连接；所述接地碳刷通过接地装置接地；
所述采样碳刷用于采集发电机大轴的电信号，所述接地碳刷用于通过接地装置将所述发电机大轴接地；所述信号监测装置用于监测所述采样碳刷和接地碳刷之间的电压波形，并将该电压波形与预存的典型波形比对分析获取发电机大轴的运行状态。
上述发电机大轴运行状态的监测装置，采样碳刷和接地碳刷设在发电机大轴的同一径向截面并分别连接至信号监测装置，接地碳刷通过接地装置将发电机大轴接地。采用该方案可以获取发电机大轴径向截面产生的轴电压，依据轴电压的波形与典型波形的对比分析结果监测发电机大轴的运行状态，提高了轴电压信号数据的可靠性和有效性，克服了传统技术轴电压信号的各个采样点之间的关联性弱导致可靠性低的问题，实现了对发电机大轴的运行状态的准确监测。
在一个实施例中，所述采样碳刷包括第一采样碳刷和第二采样碳刷；所述接地碳刷包括第一接地碳刷和第二接地碳刷；
所述第一采样碳刷和第二采样碳刷并联接至所述信号监测装置；
所述第一接地碳刷和第二接地碳刷并联至所述接地装置，还并联至所述信号监测装置；
所述第一采样碳刷和第二采样碳刷用于采集发电机大轴同一径向截面不同位置上的电信号；
所述第一接地碳刷和第二接地碳刷用于将发电机大轴同一径向截面的不同位置点通过接地装置接地。
在一个实施例中，所述第一采样碳刷、第一接地碳刷、第二采样碳刷和第二接地碳刷在绝缘支架上交叉分布设置。
在一个实施例中，所述信号监测装置进一步用于获取采样碳刷和接地碳刷之间的电压波形，从所述电压波形中提取发电机大轴的轴电压的稳态值和瞬时值，将所述轴电压的稳态值和瞬时值与预存的典型波形数据进行分析，依据分析结果实时监测发电机大轴的运行状态。
在一个实施例中，所述信号监测装置还用于将所述发电机大轴在不同工况下正常运行的典型波形数据进行记录，将记录的典型波形数据作为对比分析的波形数据源。
在一个实施例中，所述接地装置包括并联的分流电阻和电流表；
所述并联的分流电阻和电流表一端与接地碳刷连接，另一端进行接地，用于获取所述发电机大轴的接地电流。
在一个实施例中，所述分流电阻的通流值与发电机的接地保护装置匹配设置；所述分流电阻的阻值与电流表的量程匹配设置。
在一个实施例中，提供一种发电机大轴，该发电机大轴的截面上安装有如上任一实施例所述的发电机大轴运行状态的监测装置。
在一个实施例中，提供一种汽轮机，该汽轮机包括如上实施例所述的发电机大轴。
在一个实施例中，提供了一种基于上述任一实施例所述的发电机大轴运行状态的监测装置的发电机大轴运行状态的监测方法，该方法包括如下步骤：
利用设于发电机大轴同一径向截面的采样碳刷和接地碳刷采集所述发电机大轴运行时产生的轴电压信号；
通过信号监测装置获取所述采样碳刷和接地碳刷采集的轴电压信号，提取轴电压的波形信息，将该波形信息与预存的典型波形信息进行比对分析，获取所述发电机大轴的运行状态。
上述监测方法通过采样碳刷和接地碳刷获取发电机大轴运行时在同一径向截面上的轴电压信号，并依据该轴电压信号的波形信息对发电机大轴的运行状态进行监测，该方案提高了发电机大轴的轴电压信号数据的可靠性和有效性，克服了传统技术由于各个信号采样点之间的关联性弱导致可靠性低的问题，实现了对发电机大轴的运行状态进行准确监测。
附图说明
图1为一个实施例中的发电机大轴运行状态的监测装置的结构示意图；
图2为另一个实施例中的发电机大轴运行状态的监测装置的结构示意图；
图3为一个实施例中的发电机大轴运行状态的监测装置的电气接线原理图；
图4为一个实施例中的发电机大轴运行状态的监测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的发电机大轴运行状态的监测装置的具体实施方式进行详细说明。
在一个实施例中，提供一种发电机大轴运行状态的监测装置，如图1所示，图1为一个实施例中的发电机大轴运行状态的监测装置的结构示意图，该监测装置可以包括：采样碳刷110、接地碳刷120、绝缘支架100、信号监测装置200和接地装置300；绝缘支架100设置在发电机大轴的径向截面上，绝缘支架100上设有采样碳刷110和接地碳刷120，该绝缘支架100在安装到发电机大轴时能够使采样碳刷110和接地碳刷120分别与发电机大轴的径向截面的表面进行接触，该采样碳刷110和接地碳刷120分别与信号监测装置200进行电连接，接地碳刷120还通过接地装置300进行接地。
在本实施例中，采样碳刷110用于采集发电机大轴的电信号，接地碳刷120用于通过接地装置300将发电机大轴接地，信号监测装置200用于监测采样碳刷110和接地碳刷120之间的电压波形，并将该电压波形与预存的典型波形比对分析获取发电机大轴的运行状态，其中信号监测装置200可以包括示波器等信号监测设备，典型波形可以包括该发电机大轴在以前运行的过程中产生的电信号的波形数据。
本实施例可以利用绝缘支架100将采样碳刷110和接地碳刷120安装在待监测的发电机大轴的同一径向截面，使得采样碳刷110和接地碳刷120能够接触到发电机大轴的表面，一般来说，可以选用特性相近的采样碳刷110和接地碳刷120。
在发电机大轴运行过程中，采样碳刷110能够采集到发电机大轴在该径向表面产生的轴电压信号，接地碳刷120通过接地装置300将发电机大轴进行接地以满足大轴接地正常要求，还可以为信号监测装置200提供监测轴电压信号的信号参考点，信号监测装置200实时监测通过采样碳刷110和接地碳刷120获取的发电机大轴当前的轴电压信号，可以将获取的电压波形与历史波形数据进行比对分析得到发电机大轴当前运行情况。
在实际使用过程中，对于发电机定子、转子的磁场回路不对称的情况，由于定子、转子的磁场及其分布发生了变化，附在大轴上的静电荷数量发生变化，可以通过对轴电压波形进行磁场的对称性分析判断发电机定子、转子是否出现了匝间短路、槽楔松动、端部固定装置松动等情况；又如在汽轮蒸汽系统中，蒸汽如果带有水滴，将冲击摩擦汽轮机末级动叶片，产生大量的静电荷，通过静电荷变化情况分析可以判断运行中汽轮机蒸汽系统的带水情况，可以为机组优化运行提供依据。
上述实施例的发电机大轴运行状态的监测装置，采样碳刷110和接地碳刷120设在发电机大轴的径向截面并分别连接至信号监测装置200，接地碳刷120通过接地装置300将发电机大轴接地。采用该方案可以获取发电机大轴同一径向截面产生的轴电压，依据轴电压的波形与典型波形的对比分析结果监测发电机大轴的运行状态，提高了轴电压信号数据的可靠性和有效性，克服了传统技术轴电压信号的各采样点之间的关联性弱导致可靠性低的问题，实现了对发电机大轴的运行状态的准确监测。
如图2，图2为另一个实施例中的发电机大轴运行状态的监测装置的结构示意图，在一个实施例中，采样碳刷110可以包括第一采样碳刷111和第二采样碳刷112，接地碳刷120可以包括第一接地碳刷121和第二接地碳刷122；第一采样碳刷111和第二采样碳刷112并联连接至信号监测装置200，第一采样碳刷111和第二采样碳刷112设在绝缘支架100的不同位置上，可以用于采集发电机大轴同一径向截面上不同采样点的电信号；第一接地碳刷121和第二接地碳刷122并联连接至接地装置300，用于将发电机大轴的径向截面不同位置点进行接地，第一接地碳刷121和第二接地碳刷122还并联至信号监测装置200，还用于提供信号监测装置200监测轴电压信号的电压参考点。
参考图3，图3为一个实施例中的发电机大轴运行状态的监测装置的电气接线原理图，本实施例主要是通过设置两个采样碳刷和两个接地碳刷，可以在大轴的同一径向截面的不同位置点采集多组电信号数据，使得信号监测装置200可以通过两组采样碳刷和接地碳刷中获取轴电压在径向截面上的信号数据，以保证数据的可靠性，从而提高对大轴运行状态进行监测的准确性。
可选的，为了进一步提高电信号数据的可靠性，可以将采样碳刷和接地碳刷交叉排布安装在绝缘支架100上，这种碳刷的排布方式能够各碳刷与大轴的接触情况是高度一致的，也就是说在发电机大轴运行时，能够通过各个碳刷在均匀间隔的采样点上采集发电机大轴径向截面上的电信号，使得获取的电压信号数据更准确，保证了大轴运行状态在线监测的可靠性和有效性。
在一个实施例中，信号监测装置200可以进一步用于获取采样碳刷和接地碳刷之间的电压波形，从该电压波形中提取发电机大轴的轴电压的稳态值和瞬时值，将轴电压的稳态值和瞬时值与预存的典型波形数据进行比对分析，依据分析结果实时监测发电机大轴的运行状态。
发电机大轴运行时会产生轴电压，本实施例主要是通过信号监测装置200实时监测采样碳刷和接地碳刷之间电压波形，获取轴电压的波形信息，包括轴电压的稳态数值和轴电压的瞬时值，即频率特性等信息，将轴电压的稳态值和瞬时值与历史波形数据进行分析对比，依据分析对比的结果得到发电机大轴当前的运行状态，达到实时监测大轴运行状态的效果。
在一个实施例中，可以采用带录波功能的信号监测装置200监测采样碳刷和接地碳刷之间的电压波形，该信号监测装置200还可以用于将发电机大轴在不同工况下正常运行的典型波形数据进行记录，将记录的典型波形数据进行保存，作为对比分析的波形数据源。
参考图2，在一个实施例中，接地装置300可以包括并联连接的分流电阻320和电流表310；该并联的分流电阻320和电流表310的其中一端可以连接至接地碳刷，另一端进行接地，用于获取发电机大轴的接地电流。
在本实施例中，参考图3，图3为一个实施例中的发电机大轴运行状态的监测装置的电气接线原理图，分流电阻320用于将接地碳刷进行接地，为大轴提供接地点，可以理解的是，分流电阻320的阻值通常远小于碳刷和大轴的接触电阻，接地效果可以认为等同于将碳刷直接接地。电流表310用于监测分流电阻320的电流即轴电流，电流表310可以通过测量分流电阻320的压降来测量接地电流的实时值得到发电机大轴的接地电流。
分流电阻320的阻值可以与电流表310的量程匹配设置，例如可以采用0.005欧姆阻值的分流电阻320，在不影响大轴接地效果的同时，也可以与电流表310相匹配。分流电阻320的通流能力通常需要与发电机的接地保护装置匹配选取，可以选用通流能力为20安培的分流电阻320。
上述实施例利用并联连接的分流电阻320和电流表310可以获取发电机大轴的接地电流，为监测发电机大轴的运行状态提供数据支持，进一步提高对运行状态进行监测的准确性和可靠性。
针对传统技术对发电机大轴的运行状态监测可靠性低的问题，在一个实施例中，还提供一种发电机大轴，该发电机大轴上安装有如上任意一个实施例所述的发电机大轴运行状态的监测装置。
采用本实施例的发电机大轴，能够实时获取发电机大轴的运行状态，保证发电机大轴的安全运行。
在一个实施例中，提供一种汽轮机，该汽轮机包括如上所述的发电机大轴。
本实施例提供的汽轮机采用本发明实施例的发电机大轴，能够对汽轮机的发电机大轴运行状态进行准确监测，提高汽轮机运行的安全性。
参考图4，图4为一个实施例中的发电机大轴运行状态的监测方法的流程示意图，在一个实施例中，提供了一种基于上述任一实施例所述的发电机大轴运行状态的监测装置的发电机大轴运行状态的监测方法，该方法包括如下步骤：
s101，利用设于发电机大轴同一径向截面的采样碳刷和接地碳刷采集所述发电机大轴运行时产生的轴电压信号；
s102，通过信号监测装置获取所述采样碳刷和接地碳刷采集的轴电压信号，提取轴电压的波形信息，将该波形信息与预存的典型波形信息进行比对分析，获取所述发电机大轴的运行状态。
上述监测方法通过采样碳刷和接地碳刷获取发电机大轴运行时在同一径向截面上的轴电压信号，并依据该轴电压信号的波形信息对发电机大轴的运行状态进行监测，该方案提高了发电机大轴的轴电压信号数据的可靠性和有效性，克服了传统技术由于各个信号采样点之间的关联性弱导致可靠性低的问题，实现了对发电机大轴的运行状态进行准确监测。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。